Разработка бездатчиковой цифровой системы управления электроприводом на базе асинхронизированного вентильного двигателя

В настоящее время регулируемый электропривод (ЭП) стал неотъемлемой частью многих технологических процессов. Самой многочисленной группой является частотно-регулируемый ЭП с асинхронным двигателем (АД) с короткозамкнутым ротором в качестве базовой машины.

Практическая реализация систем векторного управления (СВУ) электроприводом на базе АД с короткозамкнутым ротором сопряжена с целым рядом известных проблем, одной из которых является получение сигнала обратной связи по скорости или положению ротора [1–4]. Наиболее приемлемыми для этой цели являются два варианта:

• •    применение в системе управления датчика скорости или угла поворота вала, которые являются прецизионными микромашинами [5–7];

• •    использование адаптивных наблюдателей состояния, вычисляющих угловую скорость ротора по измеренным значениям токов или напряжений статора [8–11].

В отличие от других электроприводов переменного тока, в ЭП на базе асинхронизированного вентильного двигателя (АВД) существует возможность непосредственного измерения частот тока и напряжения в обмотках двигателя и реализуется принцип частотно-зависимого управления либо по фазе напряжения статора [12], либо по фазе тока [13]. Способ бездатчикового вычисления скорости ротора для получения сигнала обратной связи по скорости в системе управления ЭП на базе АВД был предложен в [14].

Однако указанный способ вычисления скорости ротора имеет ряд существенных недостатков:

• •    измерение частоты производится один раз за период синусоиды. При низких скоростях ротора это может внести существенную ошибку в измерение значения частоты тока или напряжения в цепи статора что, как следствие, приведет к ошибке в вычислениях угловой скорости ротора;

• •    предложенный алгоритм содержит тригонометрические функции и операцию интегрирования, приводящую к накоплению ошибки, влияние которой особенно ощутимо на низких скоростях и требует введения слабых отрицательных обратных связей;

• •    при реализации данного алгоритма необходимо отслеживать точку перехода напряжения или тока статора через «ноль», что при практической реализации вызывает трудности из-за наличия помех при работе преобразователя в цепи статора и применения ШИМ-модуляции, следовательно, к обработке сигналов с датчиков тока предъявляются дополнительные требования по цифровой фильтрации.

Основная часть

В предложенном в [14] способе вычисляется период напряжения в цепи статора двигателя, затем с помощью простых вычислений определяется электрическая скорость ротора:

fi = ^;(1)

T sin

• —2 п

®i =2пf = ^;

T sin

2п „ _

®е =®1 -®2 =~--2Пf, .(3)

Т sin

Для устранения вышеуказанных недостатков системы управления ЭП на базе АВД будет целесообразным перевести напряжения статора во вращающуюся систему координат dq и непрерывно определять фазу и частоту вращения вектора напряжения статора. Одним из наиболее простых решений является применение функции arctg и нахождение производной фазы напряжения. Структурная схема вычисления фазы и частоты напряжения в цепи статора с применением функции arctg показана на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема измерения частоты с применением функции arctg

Однако при практической реализации представленной структуры данный способ построения системы управления также имеет ряд существенных недостатков:

• •    предложенный алгоритм содержит функцию arctg, которая является непрерывной и ограниченной на всей числовой прямой;

• •    в алгоритме присутствует операция диффе-

• ренцирования, что существенно снижает помехоустойчивость данного способа и требует фильтра-
• ции выходного сигнала.

Более рациональным решением задачи изме- рения параметров вектора тока или напряжения статора будет применение ПИ-регулятора и инте- гратора, которые являются типовыми элементами систем управления электроприводами [15–19]. На рис. 2 представлена структурная схема системы управления ЭП на базе АВД при питании цепи статора от ПЧ с выходным инвертором напряжения с ШИМ.

Данная структура может быть использована как для вычисления скорости ротора, так и для реализации принципа частотно-зависимого управления ЭП на базе АВД по фазе тока. Сигналы, получаемые с датчиков тока в цепи статора, преобразуются во вращающуюся систему координат dq. С помощью ПИ-регулятора из q-составляющей тока статора получаем частоту вращения вектора тока статора. Передаточная функция ПИ-регулятора определяется выражением

= K (1 + Тр ) Тр

Проинтегрировав частоту, получим значение угла (фазы) вектора тока статора, относительно которого производиться преобразование координат. Передаточная функция интегратора определяется выражением

Н = ^-                            (5)

Тр

Следует отметить, что в данной схеме интегратор выполняет также функцию низкочастотного фильтра. При включении второго инвертора с ШИМ в

Рис. 2. Структурная схема системы управления ЭП на базе АВД

цепи статора будут возникать помехи в сигналах датчиков тока. Применение данной структуры позволяет исключить дополнительные цифровые фильтры из системы управления с помощью настроек коэффициентов ПИ-регулятора и использование интегратора при идентификации фазы вектора тока статора.

Для верификации предложенной концепции промоделируем систему ЭП на базе АВД в программном пакете PSIM. Для создания имитационной модели в качестве базовой машины выберем АДФР марки 4AK160M4Y3 мощностью 11 кВт, физическая модель которого расположена на экспериментальном стенде. Основной задачей исследования является оценка робастности, точности вычисления скорости и способность предложенной цифровой системы управления реализовать принципы работы ЭП на базе АВД. Для этого будет достаточно рассмотреть разомкнутый контур управления ЭП.

Процессы пуска и синхронизации ЭП на базе АВД с использованием двух инверторов напряжения в цепях ротора и статора подробно описаны в [13]. При неподвижном роторе в цепи статора протекает ток возбуждения (рис. 3, А). После преобразования токов в статоре в систему dq производим настройку ПИ-регулятора в имитационной модели таким образом, чтобы при неподвижном роторе на выходе регулятора получилось соотношение

ω ₁ = ω ₂ . (6)

В имитационной модели базовая машина возбуждается напряжением с f ₂ = 10 Гц. Значение частоты тока до включения инвертора напряжения в цепи статора f 1 = 10 Гц (рис. 3, В). Проинтегрировав значение частоты, получаем фазу вектора тока статора θ в диапазоне от 0 до 2π (рис. 3, Б). Обратное преобразование координат в систему ABC в имитационной модели выполняется относительно θ.

Процессы, происходящие в системе управления, после включения второго инвертора и начале разгона двигателя описаны в [14]. При заданной ω2 и измеренной ω1 электрическая скорость ротора будет определяться выражением

ω _е = ω ₁ - ω ₂ . (7) Процесс разгона двигателя до номинальной скорости показан на рис. 4.

Экспериментальные исследования показали стабильную работу предложенной системы управления ЭП на базе АВД во всем диапазоне скоростей и нагрузок. Алгоритм вычисления скорости полностью инвариантен к параметрам базовой машины и режиму работы ЭП и зависит от точности вычисления ω 1 . Настройка коэффициентов ПИ-регулятора обеспечивает робастность системы

Рис. 3. Временные диаграммы в ЭП на базе АВД до включения силового преобразователя в цепи статора

Рис. 4. Разгон двигателя до номинальной скорости: 1 – кривая скорости с датчика на валу двигателя; 2 – скорость, вычисляемая наблюдателем

при изменениях частоты токов в статоре. Расхождение в значениях скорости, измеренной с помощью датчика скорости, и вычисленной скорости в системе управления не превышает 1 % в установившихся режимах.

Заключение

В ЭП на базе АВД существует возможность определения частоты вращения ротора без применения «классических» датчиков скорости, положения ротора и хорошо известных бездатчиковых алгоритмов вычисления скорости в электроприводах переменного тока, которые, как правило, зависят от параметров базовой машины, существенно изменяющихся в зависимости от режима работы ЭП. Это снижает стоимость реализации системы управления и повышает надёжность системы ЭП.

Выводы

В результате теоретических и экспериментальных исследований была разработана и апробирована система управления ЭП на базе АВД, обладающая следующими преимуществами:

• •    способность непрерывного измерения частоты тока статора, исключена необходимость отслеживания точки перехода тока через «ноль», что облегчает практическую реализацию;

• •    не содержит в алгоритме вычисления скорости ротора сложных тригонометрических функций, параметров базовой машины, не зависит от режима работы ЭП;

• •    позволяет вычислять скорость ротора с ошибкой не более 5 % при скорости ротора 10–30 % от номинальной.

Исследование выполнено за счёт средств гранта Российского научного фонда (проект № 15-19-20057).