Соловьев А.С., Алексеев В.В. Электропривод с векторным управлением. Руководство к проектированию

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный горный институт

(технический университет)

ЭЛЕКТРОПРИВОД С ВЕКТОРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Руководство к проектированию

Для студентов специальности 180400

«Электропривод и автоматика промышленных установок

и технологических комплексов»

Санкт-Петербург

2004

УДК 621.34.621.8.024(075.83)

В руководстве предложены методические указания по учебному проектирова-

нию асинхронного электропривода переменного тока с векторным управлением и при-

мер проектирования. Дан необходимый теоретический материал и общие указания по

выполнению проекта.

Руководство предназначено для студентов специальности 180400 «Электро-

привод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» при

выполнении курсовых и квалификационных работ.

Составители: А.С.Соловьев, В.В.Алексеев

Научный редактор В.В.Рудаков

1. ВВЕДЕНИЕ

В методических указаниях приведены учебно-методические материалы, необ-

ходимые для изучения курса “Электропривод типовых производственных механизмов”

и выполнения курсовой работы.

Данная курсовая работа выполняется с учетом выбранной темы квалификацион-

ной работы и, как правило, результаты работы являются составной частью дипломного

проекта.

В курсовой работе рассматриваются регулируемые по частоте вращения автома-

тизированные электроприводы переменного тока с векторным управлением.

Цель курсовой работы – закрепить и углубить знания студентов в области ис-

следования проектирования и моделирования электроприводов и систем автоматиче-

ского управления режимами работы электроприводов.

2. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

2. 1. Состав курсовой работы и общие указания по выполнению

Исходные данные для проектирования

Исходными данными для проектирования являются технические требования к

электроприводу, сформулированные в техническом задании на выбранный механизм.

Для выполнения раздела, в соответствии с техническим заданием на конкретный

электропривод, необходимо сформулировать требования по диапазону регулирования

скорости, требования к точности поддержания основных координат электропривода

(положения, частоты вращения, тока и др.) в статических и динамических режимах,

требования по длительности пуска и торможения электропривода.

Проектирование проводится с максимальным использованием имеющейся лите-

ратуры и на основании консультаций с преподавателем. Для выбранного электропри-

вода определяют значения параметров электродвигателя и полупроводникового преоб-

разователя, исходные данные для расчета регуляторов.

Основные разделы курсовой работы

1. Составление разделов технического задания (упрощенного) на электропривод

с формулированием технических требований по системе регулирования.

2. Выбор основных параметров электропривода и определение исходных данных

для расчета регуляторов.

3. Разработка САР с учетом конкретного электропривода, в том числе:

а) выбор принципа построения САР и разработка структурной схемы;

б) расчет параметров звеньев САР и регуляторов, обеспечивающих требуемые

по техническому заданию статические и динамические характеристики электроприво-

да;

в) расчет и построение графиков переходных процессов по основным координа-

там электропривода, (положение, частота вращения, ток двигателя и др.) сигналов с

датчиков объекта регулирования, для типичных, для данного механизма, режимах ра-

боты.

г) оценка качества переходных процессов и точности

системы регулирования

путем сравнения результатов анализа режимов с требованиями технического задания.

Общие указания по выполнению курсовой работы

При выполнении курсовой работы в заключительной части исследование вы-

бранной структуры электропривода должно производиться в диалоговой системе про-

ектирования автоматических систем ДИСПАС или ППП MATLAB-SIMULINK. Пояс-

нительная записка, содержащая титульный лист, техническое задание, структурные

схемы, схемы для математического моделирования, графики переходных процессов,

должна быть оформлена в соответствии с правилами, оформления курсовых проектов

(работ), (редактор - Microsoft Word, шрифт – Times New Roman, размер – 12, модели и

графики распечатаны из ДИСПАС или MATLAB-SIMULINK), и представлена к защите

в текстовой и электронной формах.

2. 2. Методические указания к разделам курсовой работы

2. 2.1.Составление разделов упрощенного технического

задания к электроприводу

Упрощенное техническое задание должно иметь общую часть, конкретные па-

раметры электропривода и может содержать следующие показатели:

Техническое задание

1. Назначение и область применения

2. Технические характеристики привода (указать тип привода)

Привод регулируемый, (нереверсивный, реверсивный)

Питание от сети переменного 3-х фазного тока

Номинальное линейное напряжение, В …

Номинальная частота, Гц …

Допустимое отклонение частоты, % ±4

Допустимое отклонение напряжения, % …

Подводимая мощность (в зависимости от двигателя), кВА …

Работа при температуре окружающей среды, °С …

Запуск в работу при температуре окружающей среды , °С …

Относительная влажность при температуре 25°С, % …

Режим

работы …

Пуск электродвигателя плавный

Коэффициент полезного действия …

Диапазон регулирования скорости …

Требования к САР:

Статическая ошибка по скорости …

Динамическая ошибка по скорости …

2.1. Технические характеристики электродвигателя ( указать тип двигателя)

Напряжение питания 3-х фазного переменного тока, В ...

Номинальная синхронная частота вращения, об/мин …

Диапазон изменения частоты вращения, об/мин .. .

Номинальная мощность на выходном валу, кВт, не менее …

Номинальный потребляемый ток, А, не более …

КПД электродвигателя …

Коэффициент мощности электродвигателя, не менее …

Режим работы …

Масса электродвигателя, кг, не более …

Момент инерции ротора

…

2.2.2 Выбор основных параметров электропривода и определение входных

данных для расчета регуляторов

Выбор основных параметров электропривода для выбранного механизма произво-

дят в соответствии с уточненным техническим заданием. В результате определяют

мощность, тип двигателя, выбирают тип полупроводникового преобразователя. Для

выбранного типа электропривода разрабатывают функциональную схему. Производят

поверочный расчет мощности двигателя для механизма

данного типа. Рассчитывают

параметры схемы замещения двигателя для моделирования.

2.2.3. Выбор принципа построения САР и разработка

структурной схемы

Для выбранного типа механизма обосновывают применение регулируемого элек-

тропривода переменного тока определенного типа. Выбирают принцип управления и

разрабатывают структурную схему САР.

Для управления приводом переменного тока с асинхронным короткозамкнутым

двигателем могут быть реализованы кроме системы векторного управления также сис-

темы:

1) скалярного управления с поддержанием заданного соотношения между напря-

жением и частотой (закон частотного управления);

2) частотно-токового управления;

3) прямого управления моментом (DТС) с разрывным управлением в контуре тока

в «скользящем режиме».

Как правило, для регулируемого электропривода по системе «транзисторный (ти-

ристорный) преобразователь – асинхронный двигатель (ТПЧ-АД)» выбирают принцип

подчиненного регулирования и разрабатывают структурную схему САР с последова-

тельной коррекцией.

2.2.4. Расчет параметров звеньев САР и синтез регуляторов

Параметры звеньев объекта регулирования рассчитывают по исходным данным

для выбранного типа привода. Синтез регуляторов для выбранной структуры САР вы-

полняют в соответствии с методами и алгоритмами известными из дисциплины: «Тео-

рия автоматического управления».

2.2.5. Расчет и построение графиков переходных процессов

Динамические характеристики электроприводов с системой автоматического регу-

лирования и параметрами регуляторов иллюстрируют графиками переходных процес-

сов по выходным координатам, характерным для данного типа привода: ток, напряже-

ние, момент, сигнал задания, угловое положение, скорость и т.д.

Расчет выполняют для режимов характерных для данного типа электроприводов.

Расчет переходных процессов производят с использованием пакета прикладных

программ – MATLAB или блоков системы ДИСПАС.

2.2.6. Оценка качества переходных процессов и точности САР электропривода

По результатам расчета переходных процессов оценивают статическую точность

САР, динамические характеристики, время переходного процесса. Данные расчетов

сравнивают с техническими требованиями к электроприводу. В результате делают вы-

вод о соответствии характеристик электропривода техническому заданию.

2.3. Содержание графической части курсовой работы

Графическая часть курсовой работы должна включать:

1.Функциональную схему электропривода.

2. Расчетную структурную схему САР электроприводом.

3. Схему модели электропривода с объектом регулирования.

4. Графики переходных процессов.

3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ И ПОСТРОЕНИЕ САР

ЭЛЕКТРОПРИВОДА

3.1. Блоки для моделирования электропривода

Для моделирования элементов схемы электропривода, в том числе силовых, можно

пользоваться библиотекой ДИСПАС или SimPowerSystems пакета MATLAB-

SIMULINK [7].

Библиотеки этих систем содержат аналогичные блоки:

• источники,

• получатели (смотровые окна, дисплей),

• линейные элементы,

• нелинейные элементы

• и др.

Основные блоки базируются на функциональных элементах типа «линейный опе-

рационный усилитель» и «перемножитель входных сигналов». Для моделирования ре-

гуляторов имеются блоки для моделирования динамических звеньев (ПИ-регуляторы).

Отечественная программа расчета переходных процессов ДИСПАС позволяет мо-

делировать переходные процессы. ДИСПАС может работать при объемах диска менее

10 Мб, позволяет выводить графики процессов в черно-белом варианте линиями разно-

го типа с указанием установившегося значения выводимого на график процесса (даны

вверху графиков).

3.2. Построение модели электропривода с векторной системой управления.

Принцип векторного управления

Векторные системы оперируют с обобщающими векторами и их проекциями на

ортогональные оси. Обобщающие вектора позволяют упростить систему уравнений

асинхронного двигателя и производить вычисления с их проекциями как со скалярны-

ми величинами. Большинство векторных систем управления включают в себя тригоно-

метрические и фазовые преобразователи. Теория управления строится на вращающейся

системе связанной с магнитным полем так называемой обобщенной электрической

машины.

Рассмотрим принцип работы обобщенной электрической машины для уяснения

принципа векторного управления.

Вращающееся магнитное поле

Рассмотрим трехфазную электрическую машину, для которой выполняются сле-

дующие условия:

А) намагничивающие силы (н.с.) /МДС/ обмоток распределены в зазоре по гар-

моническому закону. Для удобства запишем

)xcos(НН

⋅= ,

где х - координата точки , эл.град; τ – полюсное деление.

При этом фазные обмотки смещены друг относительно друга на 120 электриче-

ских градусов (2π/3);

Б) Токи, создающие н.с. синусоидальны, имеют частоту ω и сдвинуты по време-

ни на 1/3 периода;

В) Магнитная система не насыщена и индукция пропорциональна н.с.

Тогда

для всех трех фаз можно записать уравнения индукции вида:

)xcos()tcos(BB

⋅ω=

)

xcos()

tcos(BB

−

⋅

−ω=

)

xcos()

tcos(BB

−

⋅

−ω=

Так как cosα·cosβ=0,5(cos(α+β)+ cos(α-β)), то уравнения преобразуются к виду

))xtcos()xt(cos(B5,0B

−ω+

+ω=

))xtcos()

xt(cos(B5,0B

−ω+

+ω=

))xtcos()

xt(cos(B5,0B

−ω+

+ω=

Сложив почленно и учитывая, что сумма первых членов равна нулю, получим

)xtcos(B

MОБЩ

−ω= .

Полученная формула имеет чисто тригонометрический характер, но ей можно

придать и соответствующий физический смысл. Оно является аналитическим выраже-

нием вектора индукции имеющего амплитуду 3В

/2 и вращающегося в направлению и

со скоростью, определяемой разностью (ωt-πx/τ). Какой момент времени бы мы не взя-

ли, всегда можно найти значение х, при котором cos(ωt-πx/τ)=1, т.е. ωt-πx/τ=0 и, таким

образом найти на окружности статора точку, где находится амплитуда вектора.

При t=0 x=0;

При t=T/12, учитывая, что ωT=2π, получим х= τ/6;

При t=T/6, соответственно х= 2τ/6= х= τ/3;

При t=T/4, x= х= τ/2 и т.д.

Таким образом, вектор индукции в зазоре вращается со скоростью

=х/t=( τ/3)/( T/6)=(2 τ/T). Так как ωT=2π, а 2π/2τ=р, то

= ω

р=2πf/p.

Аналогично можно применить те же рассуждения для двухфазной машины, у

которой обмотки смещены в пространстве на угол π/2, а токи в фазных обмотках – на

угол 90˚.

))xtcos()xt(cos(B5,0)xcos()tcos(BB

MM1

−ω+

+ω=

ω=

))xtcos()xt(cos(B5,0)

xcos()

tcos(BB

MM2

−ω+π+

+ω=

откуда

)xtcos(BB

MОБЩ

−ω= .

Таким образом, и у трехфазной, и у двухфазной машины (так же, как и у m-

фазной) мы имеем дело с вращающимся вектором индукции в зазоре. Поэтому трех-

фазная машина легко сводится к двухфазной, что дает возможность уменьшить число

уравнений. Двухфазная математическая модель получила в литературе название обоб-

щенной электрической машины.

Обобщенная электрическая машина является упрощением реальной машины и

исследуется при ряде допущений:

Обобщенная машина рассматривается как ненасыщенная и имеющая высо-

кую магнитную проницаемость магнитопровода;

Воздушный зазор является равномерным, т.е. машина неявнополюсная;

Н.с. (МДС) изменяются синусоидально во времени.

В принципе можно рассматривать машину и без этих допущений, но это услож-

нит математическое описание за счет введения дополнительных составляющих и пара-

метров. В данном случае нас интересует основные физические закономерности, харак-

терные для машины.

3.3. Обобщенная электрическая машина

На рис. 1 приведена схема эк-

вивалентной двухфазной машины. Бу-

дем считать, что машина симметрична,

т.е. полные сопротивления обмоток

статора или ротора равны. Принадлеж-

ность переменных (токов, напряжений

и др.) и параметров обмоток будем оп-

ределять индексами, которыми обозна-

чены оси. Оси, связанные с неподвиж-

ным статором, обозначим α и β

, а оси

связанные с ротором – соответственно

d и q. Динамика обобщенной машины

описывается четырьмя уравнениями,

электрического равновесия в цепях ее

обмоток и уравнением электромехани-

ческого преобразования энергии, кото-

рое выражает электромагнитный мо-

мент машины как функцию ее электри-

ческих и механических координат.

Уравнения Кирхгофа, для всех

обмоток имеют вид

1 α

+dΨ

1 α

/dt;

1 β

+dΨ

1 β

/dt;

2 d

+dΨ

2 d

/dt;

2 q

+dΨ

2 q

/dt,

где R

, R

– активное сопротивление фазы статора и приведенное активное сопротив-

ление фазы ротора.

Уравнения однотипны и их можно записать в общем виде

+dΨ

/dt,

где индекс i принимает значения 1α, 1β, 1d, 1q, соответствующие осям, с которыми свя-

заны уравнения.

Потокосцепления каждой обмотки определяются результирующим действием

токов всех обмоток машины:

эл

1α

1β

Рис. 1 Схема обобщенной

двухполюсной машины

1 α

1 α,

1 α

1 α, 1 β

1 β

+ L

1 α, 2 d

2 d

+ L

1 α, 2 q

2 q

;

1 β

1 β,

1 α

1 β, 1 β

1 β

+ L

1 β , 2 d

2 d

+ L

1 β, 2 q

2 q

;

2 d

2 d,

1 α

2 d, 1 β

1 β

+ L

2 d, 2 d

2 d

+ L

2 d, 2 q

2 q

;

2 q

2 q,

1 α

2 q, 1 β

1 β

+ L

2 q, 2 d

2 d

+ L

2 q, 2 q

2 q

;

или в обобщенном виде

jj,i

iL ⋅Σ=Ψ

α=

В системе уравнений принято одинаковое обозначение L

i,j

: первая часть индекса

(1α, 1β, 1d, 1q) показывает, в какой обмотке наводится ЭДС, а вторая часть индекса –

током какой обмотки наводится эта ЭДС. Например, L

1 β, 1 β –

собственная индуктив-

ность обмотки β статора, L

1 β , 2 d

взаимная индуктивность между фазой β статора и фа-

зой d ротора.

При работе машины меняется взаимное положение обмоток и, соответственно и

их взаимные индуктивности. Вследствие неявнополюсности и симметрии машины соб-

ственные индуктивности не зависят от положения ротора, т.е.

1 α,

1 α

= L

1 β, 1 β

= L

=const;

2 d, 2 d

= L

2 q, 2 q

= L

=const.

Так как обмотки статора и обмотки ротора сдвинуты в пространстве на угол 90º,

то взаимные индуктивности между ними равны нулю, т.е.

1 α, 1 β

= L

1 β,

1 α

= L

2 d, 2 q

= L

2 q, 2 d

=0.

Взаимные индуктивности между обмотками статора и ротора проходят полный

цикл изменения при повороте ротора на угол, равный 2π электрических градусов. С

учетом принятых направлений токов можно записать:

1 α, 2 d

= L

2 d,

1 α

= L

cos φ

эл

;

1 α, 2 q

= L

2 q,

1 α

= L

cos (φ

эл

+90º)= - L

sin φ

эл

;

1 β, 2 q

= L

2 q, 1 β

= L

cos φ

эл

;

1 β , 2 d

= L

2 d, 1 β

= L

sin φ

эл

С учетом обобщенных выражений для напряжения и потокосцепления можно

записать

jj,i

iii

iRU ⋅Σ+=

α=

где L

i,j

определяются последними выражениями.

В этом случае можно записать

1 α

+ (L

cosφ

эл

2 d

- (L

sinφ

эл

)

2 q

;

1 β

+ (L

sinφ

эл

2 d

+ (L

cosφ

эл

)

2 q

;

2 d

+ (L

cosφ

эл

) i

1 α

+(L

sinφ

эл

) i

1 β

;

2 q

-(L

sinφ

эл

) i

1 α

+(L

cosφ

эл

) i

1 β

;