Tag Archives: векторное управление

Трансвекторное управление (FOC)

Как известно, полная управляемость электропривода обеспечивается, если обеспечивается управление электромагнитным моментом двигателя. Во всех электромеханических преобразователях вращающий момент образуется в результате взаимодействия магнитных полей статора и ротора или, что то же самое, магнитного поля одного элемента и тока другого. Для получения однозначных функций управления обе величины должны быть независимы друг от друга, и тогда одну из них можно поддерживать постоянной, а с помощью другой осуществлять регулирование. В ДПТ и синхронных двигателях существуют отдельные электрические цепи для управления магнитным потоком и моментом. В короткозамкнутых АД есть только один канал, в котором объединены обе составляющие тока и в задачу системы управления входит функция их разделения. Математически эта задача элементарно решается при использовании уравнений обобщённой электрической машины в векторной форме. В результате выбора пары векторов величин образующих электромагнитный момент и системы координат, в которой они представлены, можно получить уравнение момента в виде функции независимых проекций этих величин на координатные оси. И тогда управление моментом сведется к управлению проекциями векторов. Отсюда и происходит название способа.

В 1971 году Ф. Блашке (F. Blaschke) сформулировал принцип управления, запатентованный фирмой Siemens и названный трансвекторным управлением (TRANSVEKTOR®-Regelung). Математической основой его являются уравнения электромагнитных процессов в АД в векторной форме, представленные в системе координат ориентированной по направлению магнитного поля. В англоязычной литературе этот принцип называется field-oriented control (FOC), т.е. «управление с ориентацией по полю». Он успешно используется до настоящего времени и полностью ассоциируется с понятием векторного управления, хотя в последнее время с развитием устройств обработки информации появился другой способ, в котором также используется векторное представление величин, но алгоритм управления отличается от трансвекторного. Этот способ называется прямым управлением моментом (DTC direct torque control).

Для построения систем векторного управления АД могут быть использованы любые пары векторов, с помощью которых можно представить электромагнитный момент обобщённой электрической машины. Однако от выбора векторов в значительной мере зависит степень сложности системы. Желательно, чтобы величины, представленные векторами в уравнении момента были наблюдаемы, т.е. чтобы их можно было непосредственно измерить и воздействовать на них при управлении моментом. У короткозамкнутого АД есть только две такие величины – это напряжение и ток статора, и только одна из них, а именно ток статора, может входить в уравнение момента. Тогда другой величиной может быть только ток ротора или какое-либо потокосцепление. Ток ротора принципиально не наблюдаем, а устройства его идентификации по наблюдаемым параметрам сложны и ненадежны. Поэтому для выбора остаются три потокосцепления:

статора, ротора и основное, т.е. магнитный поток в зазоре АД. Потокосцепление статора и рабочий поток АД можно непосредственно измерить и использовать этот сигнал в системе управления, что часто и делается при создании приводов высокого качества. В массовых же изделиях разработчики стараются использовать сигналы, доступные без установки датчиков, т.е. все те же ток и напряжение статора, по мгновенным значениям которых можно вычислить, например, потокосцепление статора как Однако при выборе потокосцепления статора или основного потокосцепления передаточные функции системы управления получаются довольно сложными и мало подходящими для практического использования.

Простейший вид имеют уравнения электромагнитных процессов в АД в случае представления их через вектор потокосцепления ротора ψ2 . То обстоятельство, что ψ2 невозможно измерить не является препятствием для выбора, т.к. магнитный поток ротора легко вычисляется по потоку статора или по рабочему потоку. Поэтому в дальнейшем мы ограничимся рассмотрением наиболее распространенных систем, использующих для регулирования электромагнитного момента ток статора и потокосцепление ротора и соответствующее уравнение момента.

Поскольку форма уравнений потокосцеплений инвариантна к выбору системы координат, то в произвольной системе mn уравнение момента будет иметь вид

Векторы ψ2 и i1вращаются в пространстве с угловой частотой ω1 = 2πf1 / zp .

Поэтому если для описания процессов выбрать неподвижную систему координат или систему координат, вращающуюся синхронно с ротором АД, то проекции векторов будут синусоидальными функциями времени и регулирование таких величин будет сложной технической задачей. В случае же выбора системы координат вращающейся в пространстве с синхронной частотой ω1 , проекции векторов будут постоянными величинами, и управление будет не сложнее, чем управление токами якоря и возбуждения ДПТ.

Задачу управления можно еще более упростить, если совместить какую-либо ось системы координат с одним из двух векторов. Тогда проекция опорного вектора на эту ось будет равна его модулю, а другая проекция будет равна нулю. При этом в уравнении электромагнитного момента исчезнет соответствующее слагаемое в правой части.

Векторы определяющие электромагнитный момент в произвольной синхронной (xy) и ориентированной по полю (dq) системах координат.

Следовательно, если для управления электромагнитным моментом АД выбрать векторы потокосцепления ротора и тока статора и синхронную систему координат dq , совместив ось d с вектором ψ2 , то уравнение примет вид

который в принципе ничем не отличается от соответствующего выражения для ДПТ и основной задачей системы управления будет идентификация проекций ψ2d и i1q . Если при этом управление построить так, чтобы потокосцепление ротора сохранялось во всех режимах постоянным, то регулирование момента АД будет осуществляться изменением поперечной составляющей тока статора i1q , выполняющей в такой системе функцию тока якоря.

Следует заметить, что в ориентированной по магнитному полю системе координат не только исключается влияние продольной составляющей тока статора i1d на векторное произведение, т.е. на электромагнитный момент АД, но с помощью этой проекции становится возможным управлять магнитным потоком. Это объясняется с тем, что ток статора в короткозамкнутом АД определяет все процессы в машине и если одна из его компонент не влияет на момент, то она тем или иным способом должна быть связана с магнитным потоком. В то же время, система координат dq ортогональна, поэтому изменение одной из проекций тока никоим образом не влияет на другую, и управление моментом и потоком может производиться независимо.

Таким образом, принцип трансвекторного управления заключается в раздельном управлении магнитным потоком и моментом АД с помощью независимых составляющих тока статора, соответствующих проекциям вектора тока на оси системы координат, ориентированной по направлению вектора магнитного потока.

Это определение полностью подходит и для ДПТ, если токи возбуждения и

якоря объединить в вектор, представленный в системе координат, ориентированной по оси главных полюсов. Отличие АД от ДПТ заключается только в том, что в АД система координат вращается вместе с потоком, а в ДПТ она неподвижна.

Реальные же токи статора АД протекают в неподвижных обмотках и соответствуют проекциям вектора тока на неподвижную систему фазных осей координат.Поэтому при трансвекторном управлении АД необходимы координатные преобразования.

В неподвижной системе координат продольная и поперечная составляющие определяют амплитуду и фазу тока статора АД по отношению к магнитному потоку совершенно аналогично тому, как активная и реактивная составляющие определяют эти параметры по отношению к напряжению. Если задать значение продольной составляющей i1d , соответствующим требуемому магнитному потоку, а поперечной i1q – требуемому моменту на валу, то тем самым будет определен вектор тока статора в синхронной системе координат. После этого можно преобразовать синхронную систему координат dq в неподвижную αβ и разложить вектор тока на фазные проекции, в результате чего образуются синусоидальные сигналы, соответствующие фазным токам которые нужно сформировать в обмотках статора, чтобы получить заданный электромагнитный момент.

Преобразование системы координат невозможно без информации о пространственном положении опорного вектора ψ2 в каждый момент времени. Эту информацию можно получить непосредственным измерением магнитного потока статора или рабочего потока с помощью датчиков, а затем вычислить ψ2 , или вычислить его по мгновенным значениям фазных напряжений и токов статора.

Трансвекторное управление реализуется техническими устройствами с различными функциями и алгоритмами, но суть его при этом остается неизменной и в дальнейшем мы рассмотрим несколько таких вариантов.

 

Стандартный функционал частотного преобразователя

Основное функциональное назначение частотного преобразователя  – управление трехфазными асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором. Такие двигатели находят широкое применение в промышленности, жилищно-коммунальном и сельском хозяйстве, на транспорте, а также в других областях.

Частотный преобразователь ОВЕН ПЧВ

Управление электродвигателем может осуществляться как по скалярному, так и векторному алгоритму, что обеспечивает максимальное качество управления при минимуме необходимых настроек. Пользователю обычно предоставлена возможность задать свою собственную характеристику U/f для более точного управления в скалярном режиме. Это позволяет адаптировать к работе с частотным преобразователем  двигатели различных марок с различной наработкой, сохраняя при этом максимальное качество управления.

В преобразователе стандартно предусмотрена система компенсации нагрузки и скольжения. Параметры компенсации нагрузки задаются отдельно для низкой и высокой скорости в формате процентов от номинальной мощности управления.

Компенсация скольжения двигателя позволяет свести к минимуму погрешность при управлении двигателем по разомкнутому контуру скорости в векторном режиме. Это позволяет, в том числе, осуществлять алгоритмы высокоточного бессенсорного управления двигателем. Вычисление параметра компенсации скольжения производится в автоматическом режиме на основе данных о механической характеристике двигателя.

К прибору может быть подключен не только одиночный двигатель, но и группа двигателей, суммарной мощностью не более мощности частотника. Чаще всего прибор имеет возможность «подхвата» вращающегося двигателя с автоматическим определением параметров движения, что позволяет реализовывать алгоритмы с переключением активного двигателя (например, при каскадном включении группы двигателей).

Настройка прибора производится с лицевой панели, заданием необходимого набора параметров. Управление, в зависимости от предпочтений пользователя, может осуществляться все с той же лицевой панели, дистанционно, с помощью внешних кнопок и потенциометра, или же по интерфейсу RS-485 с помощью командного слова.  Все операции могут производиться в режиме «Горячее подключение».

Определение динамических параметров двигателя осуществляется с помощью алгоритма автоматической адаптации двигателя (ААД). Его основой является виртуальная модель, по которой прибор может определить основные электрические параметры двигателя, избавив пользователя от трудных и подчас очень приблизительных расчетов. На основании данных той же модели осуществляется высокоточное бессенсорное управление двигателем по векторному алгоритму.

Для оптимизации энергопотребления в частотниках используется усовершенствованный алгоритм управления работой силового инвертора, который строго регулирует количество и качество электрической энергии питания двигателя. Регулирование количества энергии  осуществляется путем подачи на двигатель мощности, необходимой для совершения работы при актуальной нагрузке, а качества – путем поддержания максимально возможных значений КПД и cos φ во всем диапазоне регулирования. Для этого сигналы аналоговых входов подвергаются математической обработке во встроенном регуляторе по заданной программе. При «замкнутом» или «разомкнутом» контуре процесса регулятор управляет работой силового инвертора частотника так, что обеспечивается требуемый и безаварийный режим работы двигателя в переходных процессах.

Неотъемлимой частью системы управления частотникаявляется система диагностики и самодиагностики. Обычно в режиме  реального времени доступна  информация о режимах работы и взаимодействии функциональных узлов, о состоянии портов и датчиков, о текущих значениях параметров. В случае нарушения заданных или допустимых условий работы встроенный контроллер может выдать команду на предупреждение или отключение.

Функционал встроенного контроллера прибора включает алгоритмы ПИ-регулирования и самодиагностики. Кроме этого, сигналы от цифровых входов, а также текущие значения параметров подвергаются логической обработке в нем по заданной программе. В зависимости от результатов решения ПЛК осуществляет выполнение и контроль режимов работы двигателя.

 

Синхронный частотно-регулируемый привод

В синхронном частотно регулируемом приводе применяются те же методы управления, что и в асинхронном.

Однако в чистом виде частотное регулирование частоты вращения синхронных двигателей применяется только при малых мощностях, когда нагрузочные моменты невелики, и мала инерция приводного механизма. При больших мощностях этим условиям полностью отвечает лишь привод с вентиляторной нагрузкой. В случаях с другими типами нагрузки двигатель может выпасть из синхронизма.

Для синхронных электроприводов большой мощности применяется метод частотного управления с самосинхронизацией, который исключает выпадение двигателя из синхронизма. Особенность метода состоит в том, что управление преобразователем частоты осуществляется в строгом соответствии с положением ротора двигателя.

Векторное управление

Векторное управление позволяет существенно увеличить диапазон управления, точность регулирования, повысить быстродействие электропривода. Этот метод обеспечивает непосредственное управление вращающим моментом двигателя.

Вращающий момент определяется током статора, который создает возбуждающее магнитное поле. При  непосредственном управлении моментом необходимо изменять кроме амплитуды и фазу статорного тока, то есть вектор тока. Этим и обусловлен термин «векторное управление».

Для управления вектором тока, а, следовательно, положением магнитного потока статора относительно вращающегося ротора требуется знать точное положение ротора в любой момент времени. Задача решается либо с помощью выносного датчика положения ротора, либо определением положения ротора путем вычислений по другим параметрам двигателя. В качестве этих параметров используются токи и напряжения статорных обмоток.

Менее дорогим является частотно регулируемый электропривод с векторным управлением без датчика обратной связи скорости, однако векторное управление при этом требует большого объема и высокой скорости вычислений от преобразователя частоты.

Кроме того, для непосредственного управления моментом при малых, близких к нулевым скоростям вращения работа частотно регулируемого электропривода без обратной связи по скорости невозможна.

Векторное управление с датчиком обратной связи скорости обеспечивает диапазон регулирования до 1:1000 и выше, точность регулирования по скорости – сотые доли процента, точность по моменту – единицы процентов.