Векторная система управления вентильным электроприводом на базе автономного инвертора напряжения с релейным регулированием входного тока инвертора и фазных токов статора

В современной промышленности находит все большее применение вентильный электропривод малой и средней мощности, выполненный на базе синхронного двигателя с возбуждением от высокоэнергетических постоянных магнитов, управление которым строится в функции положения ротора, определяемого датчиком положения ротора или косвенными методами. Двигатель обычно питается от преобразователя частоты, содержащего нерегулируемый выпрямитель и автономный инвертор напряжения. Данный электропривод характеризуется высокими энергетическими и низкими массогабаритными показателями. Дальнейшее совершенствования электропривода возможно на основе использования достижений в области преобразовательной техники и разработки новых алгоритмов управления. При необходимости регулирования в широком диапазоне частоты вращения двигателя, достигаемого за счет регулирования частоты и уровня питающего обмотку статора напряжения, представляется целесообразным использование преобразователя частоты, обеспечивающего регулирование мощности, подаваемой на вход инвертора.

Известна схема электропривода с транзисторным ключом между неуправляемым выпрямителем на выходе источника питания и входными цепями на входе автономного инвертора [1]. Предложенное решение считается перспективным и применяется в вентильно-индукторном электроприводе. Транзисторный ключ выполняет функцию регулируемого источника тока и управляется в режиме широтно-импульсной модуляции.

Схема бесконтактного вентильного генератора с коммутатором нетрадиционного типа была рассмотрена в статье группы специалистов МАИ [2] для применения в автономных системах электроснабжения. Авторами предлагается использование современного IGBT-транзистора в качестве коммутатора. В качестве алгоритма управления коммутатором предложено использовать метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ). В качестве исполнительного механизма используется синхронный двигатель с возбуждением от постоянного магнита, так как его предпочтительнее использовать в составе вентильного генератора на борту транспортных средств, летательных аппаратов и морских судов, чем двигатель с независимым возбуждением. В результате экспериментальных проверок выяснено, что схема показывает вполне удовлетворительные результаты и работает в соответствии с расчетными характеристиками. Однако, анализируя статью, можно заключить, что решение с применением коммутатора в цепи постоянного тока изучено недостаточно, поэтому целесообразно провести исследования в области его применения в составе вентильного двигателя.

Также известен способ управления вентильным двигателем [3] с использованием транзисторного ключа в цепи постоянного тока инвертора напряжения, который был разработан и исследован с целью применения в нефтяной промышленности (бурение скважин и откачка нефти). Введение транзисторного ключа позволяет регулировать выпрямленный ток и мощность, подаваемую на вход инвертора.

Во всех случаях [1–3] частота коммутации транзисторного ключа, как и ключей инвертора, регулируется с использованием ШИМ-модуляции, что требует применения соответствующих алгоритмов управления.

В данной работе рассматривается система релейного управления вентильным приводом, выполненным на базе синхронного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов, содержащим автономный инвертор напряжения. Особенность системы управления заключается в применении релейного управления транзисторным ключом в звене постоянного тока и релейного регулирования выходного тока инвертора. Применение релейного регулирования обеспечивает улучшенную форму напряжения на статоре синхронного двигателя, а также уменьшение частоты коммутации ключей инвертора [4, 5], что позволит снизить нагрузку на силовые ключи и выбирать их с меньшим запасом мощности. Кроме того, работа дополнительного транзисторного коммутатора в звене постоянного тока приводит к снижению амплитуды напряжения на входе инвертора.

Вышеизложенное позволяет сделать вывод об актуальности разработки и исследования системы релейного управления в вентильном электроприводе.

Принципы работы разрабатываемой системы управления

Функциональная схема электропривода с релейным регулированием фазных токов статора и типовой векторной двухконтурной системой формирования активной составляющей тока статора приведена на рис. 1.

В схеме используются следующие функциональные блоки: БОП - блок оценки положения, БОС - блок оценки скорости, ЗС - задатчик скорости, ЗИ - задатчик интенсивности. Управление двигателем осуществляется в осях (d, q). Для управления моментом двигателя ток статора необходи- мо ориентировать по оси q, т. е. поддерживать угол между ротором и вектором статорного тока равным 90° [4–6]. Если ток статора ориентирован по оси q, то он выражается через момент по фор- муле:

-------*

I s = I sq

2 M

3 Z p ψ f ,

где Zp – число пар полюсов двигателя число пар полюсов двигателя, ψ f – потокосцепление ротора.

На вход регулятора скорости (РС) подается сигнал ошибки регулирования скорости: Δω2 = = ω*2 - ω2 , где ω2∗ – задание на скорость, ω2 – реальное значение скорости двигателя, поступающее с блока оценки скорости (БОС). Далее с выхода регулятора скорости сигнал поступает на блок ограничения момента, который рассчитывает сигнал задания на момент и подключен к входу вычислительного блока (БВ), который формирует *

сигнал задания на составляющую тока статора I_q .

Ток I_d , не влияющий на электромагнитный момент, в системе управления поддерживается равным нулю. В координатном преобразователе DQ-ABC происходит преобразование координат с использованием следующих формул:

Рис. 1. Функциональная схема электропривода

I A

= I d ■ cos (⁹ m ) - I* * ■ sin (⁹ m ) ;

‘ I B

IC

т* I

= Id ■ cos l 9 m

I

= I d ■ cos l ⁹ m

2 ) — п 3 )	* q	' sin 1	А m	2 ) — п 3 )	; (2)
2 )	*			2 )
+ —п	- I	■ sin		+ —п	.
3 )	q		. m	3 )

Представленная система управления вентильным приводом содержит релейный регулятор фазных токов статора (РРТ), рассмотренный в работах [5, 7], что отличает ее от системы с традиционным ПИ-регулятором [8, 9]. На вход релейного регулятора поступают сигналы задания на ток по каждой из фаз и сигналы обратных связей по току электрической машины 3 , получаемые с датчиков тока 4 . Управляющие сигналы на инвертор 2 поступают на основе текущей ошибки регулирования, которая рассчитывается по формулам:

м i a = 1 1 a - 1 ;

«a / 1 B = 1 1 B - 1 B ;                            (3)

A I i c = 1 i c - 1 i c .

Работа релейных регуляторов осуществляется по следующему алгоритму:

– в момент, когда разница заданного значения фазного тока и измеренного значения фазного тока достигнет верхней границы порогового уровня, регулятор включает транзистор верхнего плеча инвертора и выключает транзистор нижнего плеча для соответствующей фазы;

– в момент, когда разница заданного значения фазного тока и измеренного значения фазного тока достигнет нижней границы порогового уровня, регулятор выключает транзистор верхнего плеча и включает транзистор нижнего плеча для соответствующей фазы [8].

Выходные сигналы релейных регуляторов являются управляющими сигналами для транзисторов, находящихся в плечах фаз A , B , C . Наличие блоков инвертирования сигналов делает невозможным одновременное открытие транзисторов, находящихся в одном плече инвертора. Схема силовой части вентильного электропривода приведена на рис. 2.

Автономный инвертор напряжения построен на IGBT транзисторах с обратными диодами. В звено постоянного тока включен запираемый транзисторный ключ 10 и дополнительный обратный диод, создающий цепь протекания для тока статора при выключении транзисторного ключа. Между транзисторным ключом и инвертором включен LC-фильтр, позволяющий сглаживать пульсации тока в выпрямленной цепи. Экспериментально установлено, что такое включение фильтра позволяет получить форму тока статора, наиболее близкую к синусоидальной.

Система управления транзисторным ключом содержит замкнутый контур с узлом сравнения рассчитываемого и измеренного выпрямленного тока и релейно-гистерезисный регулятор выпрямленного тока. Сигнал I**, формируемый в блоке вычисления БВ, умножается на коэффициент усиления (блок 7), который выбирается на основании требований к уровню формируемых трехфазных напряжений статора. Полученный сигнал задания выпрямленного тока сравнивается с сигналом обратной связи от датчика тока 11 и разница поступает на релейно-гистерезисный регулятор 9, который выдает управляющий сигнал uy на управляющий вход транзисторного ключа 10 [4]. Если сигнал на входе регулятора 9 меньше порогового уровня, транзисторный ключ 10 выключен, при отрицательном значении сигнала на входе регулятора 9 транзисторный ключ выключен, при превышении положительного сигнала на входе регулятора порогового уровня транзисторный ключ включен.

Предлагаемая схема силовой части электропривода отличается от типовой без последовательно включенного ключа транзисторного ключа в звене постоянного тока [10]. Одной из задач данной работы являлось исследование влияния транзисторного ключа на амплитуду напряжения в звене постоянного тока. С целью проверки работоспособности системы, а так же получения экспериментальных данных, была создана модель (рис. 4) вентильного привода в программной среде MATHLAB Simulink 2014a [11]. Архитектура модели системы векторного управления имеет типовой вид [4, 12, 13].

На рис. 3а и 3б показаны графики мгновенных значений напряжения без транзисторного ключа и при его включении в звено постоянного тока.

Из полученных графиков видно, что амплитуда пульсаций напряжения на входе инвертора значительно меньше, чем в типовых системах, построенных на базе автономного инвертора напряжения. Использование дополнительной индуктивности в цепи постоянного тока не только сглаживает пульсации тока в выпрямленной цепи, но и позволяет получить форму выходного тока инвертора наиболее близкую к синусоидальной. Экспериментально установлено, что индуктивность дросселя следует выбирать примерно равной значению индуктивности контура намагничивания синхронного двигателя.

Как видно из рис. 5 (показаны части графиков распределения фазных токов статора во время разгона двигателя во временном промежутке 0,2 с), в случае если индуктивность дросселя выбрана правильно, получаем форму тока наиболее близкую к синусоидальной.

На рис. 6 показаны графики скорости и электромагнитного момента, демонстрирующие пуск электропривода при векторной системе управления с кратковременной работой на двух промежуточных пониженных скоростях.

Рис. 3. Напряжение в звене постоянного тока без транзисторного ключа (а) и с транзисторным ключом (б)

Графики демонстрируют следующие режимы работы: в начальный момент времени на регулятор скорости поступает задание на скорость 300 об/мин. В точке 1,2 с после запуска задание на скорость возрастает до 500 об/мин. При этом в точке 1,5 с на вал двигателя прикладывается момент 11 нм. Далее в точке 1,7 с задание на скорость возрастает до 650 об/мин.

Заключение

В результате проведенной работы была построена и исследована модель векторной системы управления вентильным приводом с измененной конструкцией силовой части преобразователя частоты. Как видно из рис. 5, система управления позволяет формировать улучшенную, близкую к синусоидальной форму тока на выходе инвертора при уменьшенных пульсациях напряжения за счет использования коммутатора в звене постоянного тока и релейных регуляторов. В преобразователе частоты с нерегулируемым выпрямителем и с фильтрующим конденсатором на выходе уровень гармоник, поступающих в питающую сеть, ниже, а коэффициент мощности выше по сравнению со схемой на базе инвертора тока. Электропривод с нерегулируемым выпрямителем имеет лучшую электромагнитную совместимость с питающей сетью. При этом введение в звено постоянного тока транзисторного ключа и обратного диода позволяет регулировать выпрямленный ток и мощность, подаваемую на вход инвертора, что обычно характерно для инвертора тока. При пониженной частоте вращения двигателя амплитуда напряжения, подаваемого на вход инвертора, ниже, чем у известных разработок. Использование типовой

б)

Рис. 5. График распределения токов по фазам A, B, C: а – при неверно выбранном недостаточном значении индуктивности в цепи постоянного тока; б – при правильно выбранном значении индуктивности в цепи постоянного тока

Рис. 6. График скорости и электромагнитного момента вентильного двигателя системы векторного управления электроприводом с предложенным инвертором позволяет получить требуемое качество регулирования момента и скорости двигателя. Из анализа графиков на рис. 6 можно сделать вывод, что двигатель стабильно разгоняется, поддерживает заданные обороты и отрабатывает наброс нагрузки.