Функциональная схема системы управления АД

На рисунке 4.1 представлен общий вид функциональной схемы системы управления электроприводом с косвенной ориентацией по вектору потокосцепления.

Функциональная схема блока системы управления электроприводом (СУЭ) подробно рассмотрен на рисунке 4.2.

В таблице 15 рассмотрены обозначения элементов и их название согласно рисунка 4.1 и рисунка 4.2.

 

 

 

 

Рисунок 4.1 – Функциональная схема системы управления с косвенной ориентацией

по вектору потокосцепления ротора АД

 

Рисунок 4.2 – Функциональная схема блока системы управления электроприводом (СУЭ)

Таблица 15 – Обозначение и название элементов схем на рисунках 4.1 и 4.2..
Обозначение	Наименование	Количество
РС	ПИ – регулятор скорости
ЗИС	Задатчик интенсивности скорости
А1	Блок преобразования обратной связи по скорости
БД	Блок деления
БО	Блок ограничения
ЗИТ	Задатчик интенсивности тока
	Сумматор
ПИД	Пропорционально-интегрально-дифференцирующий регулятор
MIN	Блок минимального значения
MAX	Блок максимального значения Блок формирования ограничения моментов
А2
-1	Блок отрицательной связи
×	Блок умножения
А3	Блок уставки
А5	Сигнал задания потокосцепления
А6	Сигнал задания I1x
Продолжение таблицы 15
А7	Задание сигнала времени возбуждения АД
А8	Сигнал формирующий поток ротора от нагрузки
А9	Сигнал минимального значения ѱ*2з
А10	Блок тепловой модели формирования сигналов R1, R2
А11	Блок формирования угла поворота осей координат x,y
ВФ	Блок векторного преобразования
А12	Блок формирования выходных сигналов РТy, РТx, ѱ2, f1
РТх	Регулятор тока по оси х
РТу	Регулятор тока по оси у
ЭМФ	Блок электромеханической функции
К/Р	Координатный преобразователь
МТ	Математическая модель двигателя по току
РН	Регулятор напряжения
Продолжение таблицы 15
РЭ	Регулятор ЭДС
К1	Ключ управления при fsI˂f1min
К2	Ключ управления при fsE˃f1min
ПК	Преобразователь координат
АД	Асинхронный двигатель
BR	Датчик скорости
ПЧ	Преобразователь частоты
СУЭ	Система управления электроприводом

 

Система имеет два основных канала управления - угловой скоростью w и модулем потокосцепления ротора çY₂ç АД, а также два подчиненных им внутренних контура регулирования составляющих тока статора I _{1 x} и I _{1 у} в осях х и у ортогональной системы координат, вращающейся с синхронной скоростью w_0эл магнитного поля двигателя.

Сигнал задания скорости АД u_з предварительно поступает на вход задатчика интенсивности ЗИ, формирующего на выходе два сигнала управления. Основной w _з определяет задание скорости АД с темпом, обеспечивающим ограничение рывков и ускорений в соответствии с технологическими требованиями к электроприводу и максимально допустимыми динамическими перегрузками по току и электромагнитному моменту АД. Дополнительный сигнал dw / dt определяет с учетом коэффициента передачи К _м, пропорционального приведенному к валу АД результирующему его моменту инерции, задание динамической составляющей электромагнитного момента М_дин. Результат его суммирования на å₃ с сигналом М_с, пропорциональным статическому моменту сил сопротивления на валу АД, формирует задание электромагнитного момента АД М_зр. При этом определение реального сигнала М_с и, соответственно, практическая реализация задания электромагнитного момента требуют наличия датчика статического момента на валу АД. Однако техническая сложность, заметные метрологические погрешности существующих датчиков статического момента на вращающихся валах электрических машин и отсутствие серийного их выпуска, как правило, ограничивают их применение в системах электропривода.

Сигнал рассогласования s_а на выходе сумматора å₁ основного сигнала управления w _з и сигнала w реальной скорости АД с выхода датчика скорости BR, пропорциональный абсолютному скольжению АД, поступает на вход пропорционально-интегрального регулятора скорости РС. Его выходной сигнал u _рс формирует сигнал задания М_з электромагнитного момента, необходимого для полной компенсации скольжения АД. На выходе сумматора å₂ результирующий сигнал М_зå определяет полное задание электромагнитного момента с учетом возможных изменений статической и динамической составляющих нагрузок на валу АД.

Подобная комбинированная система задания момента (по возмущению и отклонению) применяется в основном для электроприводов, где требуются повышенные динамические показатели качества регулирования. В наиболее распространенных электроприводах канал управления по возмущению, как правило, используется редко, поскольку требует дополнительной и не всегда точно известной информации о реальных значениях статической нагрузки и моментов инерции на валу двигателя. К тому же два параллельно действующих канала управления по отклонению и возмущению требуют более тщательной их настройки и взаимного согласования. С учетом этого в структуре управления электроприводом серии SINAMICS G120 фирмы Siemens предусмотрена возможность отключения либо всего дополнительного канала по возмущению, либо сохранения канала коррекции лишь по динамической составляющей момента.

Результирующий сигнал М_зå ограничивается блоком БО1 на уровне задания, соответствующего выбранному максимальному значению электромагнитного момента АД. Задание этого значения определяется внешними сигналами управления М _max1 и М _max2. В зависимости от энергетических режимов работы электропривода предусмотрена коррекция по ограничению максимально допустимых моментов АД (блоки MIN и MAX).

Так, при отсутствии дополнительного блока рекуперативного торможения в силовой цепи выпрямителя на входе автономного инвертора напряжения ПЧ для ограничения максимально допустимой рекуперируемой активной мощности Р_а.m и, соответственно, ограничения перенапряжения на емкостном фильтре выпрямителя, в режиме рекуперативного торможения АД в блоке А2 в функции от скорости АД или частоты его питания f ₁ формируются сигналы М _о1 и М _о2, уменьшающие уровень задания электромагнитного момента АД. Функциональная связь между Р_а.m, частотой f ₁ с учетом ее максимального значения f _1max, качественно отраженная в блоке А2, в электроприводах серии SINAMICS G120 фирмы Siemens определена их математической моделью и корректируется при автоматической идентификации параметров электропривода.

Ограничение электромагнитного момента АД связано и с выбором максимально допустимого тока статора I _1max. С этой целью в блоке А3 с учетом максимального значения напряжения питания АД U _{1 max} и реального значения составляющей тока статора I _{1 x} по оси x определяется вектор максимально допустимой составляющей тока статора I _{1 у. max}. Выходной сигнал блока произведения I _{1 у. max} на потокосцепление ротора Y₂ , пропорциональный реальному максимально допустимому электромагнитному моменту АД и контролирует ограничение выходного сигнала М_зå.

Для постоянства задания электромагнитного момента при изменении потокосцепления ротора в соответствии с определением момента используется блок деления БД сигнала М*_зå на выходе БО1 на сигнал, пропорциональный Y₂ . Выход БД формирует сигнал задания I _{1 уз} составляющей тока статора по оси у.

Для коррекции по динамической составляющей момента на валу АД в структуре управления электроприводом предусмотрена возможность подключения на вход сумматора å₄ сигнала отрицательной обратной связи, пропорционального производной по скорости АД (устройство А1). Ограничение рывков по моменту АД за счет ограничения темпа изменения составляющей тока статора I _{1 у} обеспечивается задатчиком интенсивности ЗИТ. Его выходной сигнал, суммирующий на å₆ с сигналом отрицательной обратной связью с выхода пропорционально-интегрально-дифференцирующего регулятора ПИД определяет задание на составляющую тока статора I _{1 у} .

Входом ПИД является выходной сигнал сумматора å₅ , где сравниваются сигналы, пропорциональные текущему U _d.ist и установленному максимально допустимому U _d.max напряжениям на выходе выпрямителя ПЧ. Рассматриваемый узел способствует управлению моментом АД во время кратковременных отключений или возможных уменьшений напряжения питающей сети преобразователя частоты. При кратковременных отключений сети управление может быть продолжено за счет рекуперации кинетической энергии вращающегося вала АД в цепь выпрямителя ПЧ. При нагрузках с большим моментом инерции и высокой рабочей скоростью могут быть весьма заметные периоды поддержки рабочего состояния преобразователя.

Сигнал задания потокосцепления ротора y_{2 з} формируется в блоке А5. Функциональная связь между реальной частотой f ₁ выходного напряжения преобразователя и потокосцеплением ротора АД определяет постоянство y_{2 з} на уровне задания номинального потокосцепления ротора y_{2 ном} при f ₁ £ f _{1ma x} @ f _{1. ном} и уменьшение y_{2 з} при f ₁ > f _{1ma x} . Последний вариант обеспечивает работу АД в зоне регулирования скорости выше номинальной при постоянстве номинального напряжения питания статора.

Cигнал f _1max, корректирующий допустимую максимальную частоту выходного напряжения преобразователя ПЧ, формируется расчетным путем по модели АД в блоке А4 в зависимости от заданного максимально допустимого напряжения питания статора U _1max. Значение U _1maxопределяется напряжением U_dc на выходе силового фильтра выпрямителя ПЧ с коррекцией по сигналу мд, пропорционального максимально возможной глубине модуляции выходного напряжения ПЧ.

Сигнал y_{2 з} задания потокосцепления ротора с выхода блока А5 в результате перемножения на выходной сигнал блока А7 преобразуется в сигнал y^*_{2 з} , изменяющийся во времени с темпом, определяющим время возбуждения АД. Лишь по истечению этого времени, когда возбуждение АД достигнет установившегося значения, в системе управления преобразователем частоты появляется логический сигнал на разрешение управления преобразователем со стороны сигнала u_зw управления электроприводом. Отметим здесь полное подобие условию подключения к питающему напряжению якорной цепи двигателя постоянного тока независимого возбуждения лишь при наличии его магнитного потока. Значение времени возбуждения АД может быть задано как внешним сигналом t_в блока А7, так и определено при автоматической идентификации параметров АД.

В структуре управления предусмотрена возможность адаптации потока ротора к нагрузке АД, способствующая снижению суммарных магнитных потерь в машине при уменьшении нагрузки. С этой целью сигнал I _{1 уз} задания составляющей тока статора по оси у поступает на блок А8, где при заданном минимально допустимом значении потока ротора y_2min и заданном коэффициенте адаптации к_а формируется сигнал, определяющий поток ротора в зависимости от нагрузки АД. При включенном контуре адаптации потока ротора блок А9 выделяет минимальное значение сигнала задания y^*_{2 з} .

В соответствии с заданием потокосцепления ротора в блоке А6 по математической модели АД определяется сигнал задания составляющей тока статора I _{1 x}. Каждая из составляющих I _{1 у} и I _{1 x} тока статора сравнивается на å₇ и å₈ со своими текущими значениями I _{1 у ist} и I _{1 x i st} , которые выделяются в блоке ВФ векторного преобразования токов I _1А и I _1С в цепи обмоток фаз А и С статора АД.Угол j_0.эл поворота осей координат х и у, вращающихся со скоростью электромагнитного поля АД, формируется в блоке А11 согласно частоте f ₁.

Сигналы рассогласования задающих и реальных значений составляющих тока статора поступают на входы их соответствующих регуляторов РТ _х и РТ _у. Выходные сигналы регуляторов после суммирования на å₉ и å₁₀ с сигналами компенсации составляющих и учета внутренней обратной связи по ЭДС двигателя, сформированными в блоке А12, поступают на координатный преобразователь К/Р. В зависимости от его входных сигналов, пропорциональных заданию составляющих выходного напряжения преобразователя в осях х, у на выходе К/Р формируются сигналы u _{1 з} и j, определяющие соответственно амплитуду и фазу вектора напряжения в двухфазной системе координат a, b, неподвижной относительно статора АД. Регулятор напряжения РН, на входе которого сравниваются сигналы задания u _{1 з} и реального значения напряжения u _{1. ist} на выходе выпрямителя UZF, обеспечивает стабилизацию его выходных напряжений. Сигналы задания выходного напряжения преобразователя u ₁ и j совместно с сигналом f ₁, определяющим частоту выходного напряжения преобразователя частоты, трансформируются в преобразователе координат ПК в эквивалентные сигналы u _1а, u _1в , u _1с трехфазной системы координат, определяющие выходные напряжения ПЧ.

Формирование сигнала f ₁ задания частоты выходных напряжений ПЧ обеспечивается суммированием на å₁₁ и å₁₂ сигнала w реального значения скорости АД, поступающего с датчика скорости BR, и сигналов f _sI, f _sЭ, определяющих частоту скольжения АД соответственно в функции тока и ЭДС двигателя. Вычисление f _sI осуществляется в блоке МТ математической модели двигателя по току, на вход которого совместно с текущими значениями I _{1 у ist}и I _{1 x ist}составляющих тока статора в осях х, у подается сигнал R ₂ , пропорциональный сопротивлению ротора АД.

В блоке ЭФМ математической модели АД, на вход которого кроме текущих значений I _{1 у ist}и I _{1 x ist}составляющих тока статора поступает сигнал R ₁ , пропорциональный результирующему сопротивлению цепи статора, формируются два выходных сигнала: y₂ - определяющий потокосцепление ротора, и Е ₁ - пропорциональный ЭДС двигателя.

В серии SINAMICS G120 фирмы Siemens реализована логика управления, обеспечивающая раздельное подключение сигналов f _sI и f _{s Э} на вход å₁₁ и å₁₂ в зависимости от заданной частоты выходного напряжения ПЧ. При малых частотах действует контур коррекции по току, обеспечивая компенсацию падения напряжения на сопротивлении статора; при больших частотах – по ЭДС двигателя, обеспечивая коррекцию скорости АД. Выбор частоты, при которой переключаются контура коррекции, определяется экспериментально по аналогии с настройкой соотношений U ₁/ f ₁ в разомкнутых структурах скалярного управления АД. Максимально допустимая частота выходного напряжения ПЧ ограничивается сигналом f_огр блока БО2.

Значения сигналов R ₁ и R ₂ формируются в блоке А10 тепловой модели АД, куда поступает совокупность сигналов р _å, включающих в себя информацию о сопротивлениях цепи статора и ротора, определенных при автоматической идентификации параметров двигателя, степени влияния на них температуры собственно двигателя и окружающей среды, условий охлаждения двигателя, о наличие выходных фильтров преобразователя.

На рисунке 4.3 представлена упрощенная функциональная схема системы управления с косвенной ориентацией по вектору потокосцепления ротора АД.

Обозначение и наименование элементов схемы рисунка 4.3 в таблице 16.

 

 

 

Рисунок 4.3 – Упрощенная функциональная системы управления с косвенной ориентацией по вектору потокосцепления ротора АД

Обозначение	Наименование	Количество
ФП	Функция потока
ЗИ	Задатчик интенсивности
РПт	Регулятор потока
РС	Регулятор скорости
РМ	Регулятор моментов
РТх	Регулятор тока по координате х
Рту	Регулятор тока по координате у
ПКП	Преобразователь координат прямой
ПКО	Преобразователь координат обратный
ПЧ	Преобразователь частоты
М	Двигатель
ДС	Датчик скорости
БУ	Блок умножения
МП	Модель потока
И	Интегратор

Таблица 16 – Обозначение и наименование элементов схемы

 

Функциональная схема системы регулирования скорости электропривода при векторном управлении асинхронным двигателем и определении потокосцепления ротора по модели потока приведена на рис.11.7,а. Питание двигателя осуществляется от преобразователя частоты со звеном постоянного тока и инвертором, управляемым током. В показанном на рис.11.7,а варианте схемы быстродействующие токовые контуры выполнены во вращающейся системе координат. Поэтому контуры регулирования токов по прямой Isd и квадратурной Isq осям включают в себя преобразователи координат прямого и обратного каналов (ПКП и ПКО). На входах регуляторов токов и сравниваются между собой сигналы задания токов Isdz и Isqz и истинные значения соответствующих токов. Выходные сигналы регуляторов тока Usdz и Usqz являются сигналами задания напряжения инвертора. Во вращающейся системе координат напряжения на выходе инвертора UsA, UsB и UsC создают токи в статорных обмотках двигателя IsA, IsB и IsC, которые после преобразования их в ПКО во вращающуюся систему координат служат сигналами обратных связей по току.

Система управления электроприводом выполнена во вращающейся системе координат и построена по принципам подчиненного регулирования. Внешним по отношению к контуру тока по оси d является контур регулирования потокосцепления ротора с регулятором потока РПт. Выходной сигнал регулятора потока представляет собой сигнал задания составляющей тока статора по вещественной оси Isdz. На входе регулятора сравниваются сигнал задания Ψrz и истинное значение потокосцепления ротора Ψr, определенное в модели потока. Внешним по отношению к контуру регулирования тока Isq является контур регулирования момента со своим регулятором РМ. На его входе сравниваются выходной сигнал регулятора скорости MДz, который задает значение электромагнитного момента, и сигнал обратной связи по моменту MД, вычисленный в модели. Контур регулирования скорости с регулятором РС замкнут по сигналу с выхода датчика скорости ДС.

В рассматриваемой схеме исключение влияния перекрестных связей, имеющихся в математической модели двигателя, обеспечивается путем использования быстродействующих контуров регулирования токов. Это позволяет рассматривать подсистему регулирования потокосцепления ротора как не связанную с подсистемой регулирования момента и делает возможным независимое регулирование потокосцепления ротора подобно тому, как происходит регулирование потока возбуждения в двигателе постоянного тока с независимым возбуждением. В частности, существует возможность предварительного намагничивания двигателя, т. е. возможность установить поток до того, как на контур скорости будет подан сигнал задания скорости и когда скорость двигателя равна нулю.

Если требуется двухзонное регулирование скорости, то в системе предусматривается функциональный преобразователь (ФП). Входной сигнал на нем определяется значением скорости. До тех пор пока скорость не превышает номинальное значение, сигнал на выходе ФП задает номинальный поток и остается постоянным. Когда скорость превысит номинальное значение, сигнал на выходе ФП будет уменьшаться и скорость, большая номинальной, будет достигнута при ослаблении потокосцепления ротора и значении напряжения на статоре, близком к постоянному.

На входе системы предусмотрен задатчик интенсивности (ЗИ). При подаче на его вход сигнала задания скорости любой, например ступенчатой, формы изменение сигнала задания скорости на выходе задатчика происходит по линейному или другому заданному закону, что обеспечивает плавный характер разгона и торможения привода.

В соответствии с принципом подчиненного регулирования для ограничения выходной величины внутреннего («подчиненного») контура надо ограничить выходной сигнал регулятора внешнего по отношению к нему контура. Поэтому для ограничения токов статора по прямой и квадратурной осям предельно допустимыми значениями, в регуляторах потока РПт и момента РМ предусмотрены блоки ограничения выходных сигналов Isdz и Isqz. Аналогичный блок для ограничения момента двигателя предусмотрен в регуляторе скорости.

Ограничение выходного сигнала регулятора внешнего контура вступает в действие, если в переходном процессе сигнал ошибки на его входе, представляющий собой разность между сигналом задания и сигналом обратной связи, станет недопустимо большим. При наличии блока ограничения выходная величина регулятора внешнего контура фиксируется на предельном значении до тех пор, пока ошибка на его входе не снизится до допустимого значения. Наличие блока ограничения не только на регуляторе момента, но и на регуляторе скорости позволяет независимо ограничивать значения момента двигателя и тока статора по оси q.