В статье рассматриваются вопросы моделирования системы векторного управления двухдвигательным асинхронным электроприводом синхронного вращения. Анализируются переходные процессы двухдвигательного асинхронного электропривода с векторным управлением на модели, разработанной в программе Matlab.
В промышленных механизмах с двухдвигательным асинхронным электроприводом синхронного вращения, нагрузка на валах двигателей может меняться на одной и той же промышленной частоте сети, в результате чего необходима четкая зависимость между моментом нагрузки и скоростью вращения. Скорости начинают варьировать в зависимости от нагрузки, нарушая тем самым синхронность вращения двух двигателей. Для решения данной проблемы можно применить систему с векторным законом управления частотного преобразователя.
Векторный закон управления осуществляется по мгновенным значениям переменных. Реализуется принцип ориентации векторных переменных относительно друг друга в полярной или декартовой системе координат. На рисунке 1 показан принцип, который основан на определении направления и углового положения вектора потокосцепления ротора двигателя, при котором ортогональные оси d и q направляют так, что ось d совпадает с направлением вектора потокосцепления ротора. Вектор напряжения статора двигателя регулируют в осях d,q. Составляющая напряжения по оси d регулирует величину тока статора по оси d. Изменяя ток статора по оси d следует добиваться требуемого значения амплитуды вектора потокосцепления ротора. Ток статора по оси q, контролируемый напряжением по этой оси, определит момент развиваемый двигателем. Ориентация обеспечивает раздельное (независимое) управление моментом и потокосцеплением в динамических и статических режимах работы привода [1].
Информация о текущих значениях и пространственном положении векторов переменных АД может быть получена как прямым их измерением, с помощью соответствующих датчиков (датчик Холла), так и косвенно на основе математической модели АД. В частотно-регулируемых электроприводах, на основе микропроцессорной техники, получило широкое применение векторное управление с косвенным методом измерения, позволяющее получить информацию о векторах потокосцеплений на основе математической модели [2].
Рисунок 1 — Векторная диаграмма с ориентацией по потокосцеплению ротора Разработана модель двухдвигательного асинхронного электропривода синхронного
вращения в среде Matlab, приведенная на рисунке 2.
Рисунок 2 — Модель двухдвигательного асинхронного электропривода в Matlab
Система двухдвигательного асинхронного электропривода синхронного вращения смоделирована специальным инструментом Simulink в программе Matlab. Simulink позволяет с высокой точностью имитировать все статические и динамические режимы работы асинхронных электродвигателей. Программная библиотека Simpowersystem имеет практически все необходимые блоки для построения системы управления.
Разработанная модель имитирует параллельную работу двух асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором (М1, М2), мощностью 7,5 кВА. Управляются М1, М2 двумя отдельными частотными преобразователями, запитанными от одного источника напряжения (U=400В, f=50 Гц). Частотные преобразователи составляют из себя совокупность:
−выпрямительных блоков с неуправляемым диодным мостом по схеме Ларионова
(R1, R2);
−звена постоянного тока с конденсатором для сглаживания пульсации;
−автономных инверторов напряжения на IGBT транзисторах (I1, I2).
В данной задаче важнейшим критерием устойчивости работы модели является синхронность вращения роторов M1, M2, в независимости от различных динамических возмущений (резкое изменение момента сопротивления на валу, приводимое к рассогласованию скоростей М1 и М2).
Согласно рисунку 3, регулирование скорости поддержанием синхронности вращения двух виртуальных асинхронных двигателей М1, М2 обеспечивается блоком PLC, где выполняется сравнение действительных значений скоростей вращения w1 и w2 на валу асинхронных электродвигателей М1 и М2 с задающим значением w_zad, и подаются сигналы на блоки векторного управления с косвенной ориентацией по потокосцеплению ротора (блоки VC1, VC2), на выходе которых формируются задающие импульсы для формирования ШИМ в инверторах I1 и I2.
Система векторного управления с косвенной ориентацией по потокосцеплению ротора представлена на рисунке 3 (блок Vector control).
Рисунок 3 — Подсистема блока VC в Matlab
Она состоит из следующих блоков:
- ПИ-регулятора (speed controller), задающего сигнал при изменении реальной скорости от заданной;
- блока подсчета задающего тока Iq* потокосцепления относительно реального потокосцепления ротора (Iqs* calculation);
- блока подсчета задающего тока Id* по созданию вращающего момента двигателя (Id* calculation);
- блока «dq to ABC», преобразующего вращающуюся двухфазную систему координат в неподвижную трехфазную;
- гистерезисного регулятора тока (Current regulator). В открывающемся окне настройки этого блока указывается ширина «токового коридора». На вход блока поступают сигналы задания токов в фазах и сигналы обратной связи реальных токов фаз a,b,c.
- блока «ABC to dq», преобразующего неподвижную трехфазную систему координат во вращающуюся двухфазную;
- блока задающего потокосцепления ротора (Phir).
- блока вычисления потокосцепления ротора, относительно главного потокосцепления двигателя (блок Flux Calculator);
- блока определения выходной частоты инвертора (Teta calculation), определяющего выходную частоту инвертора, т.е. требуемую скорость вращения двухфазной системы координат.
Функциональность данной системы определяется обработкой и сравнением сигналов обратной связи по скорости вращения ротора (speed) и мгновенных значений токов фаз (Iabc) [4].
Осциллограммы скорости вращения и электромагнитного момента переходного процесса двухдвигательного асинхронного электропривода показаны на рисунке 4.
Рисунок 4 — Осциллограммы скорости вращения и электромагнитного момента переходного процесса двухдвигательного электропривода
В момент пуска нагрузка на валах электродвигателей является разной (Мс1=38,16 Н·м, Мс2=57,24 Н·м), что обуславливает просадку по скорости в момент разгона продолжительностью 1,25 сек. После наступает установившийся режим при котором скорости w1 и w2 равны.
Далее, в момент времени t=2,5 сек происходит резкое изменение нагрузки при котором момент на первом двигателе М1 резко увеличивается (Мс1= 57,24 Н·м), а момент на втором двигателе М2 резко уменьшается (Мс2=38,16 Н·м). В следствии чего (при неравномерной нагрузке) изменяются сигналы задания с блока PLC (w_zad_1=157,2 рад/с, w_zad_2=156,8 рад/с), индивидуально для каждого электропривода, на векторные блоки VC1 и VC2. В результате, как показывают осциллограммы, скорости вращения двигателей выравниваются (w1=156,8 рад/с, w2=157 рад/с).
Как видно из полученных переходных процессов, при различных значениях нагрузки на валу двигателей М1, М2, система двухдвигательного асинхронного электропривода с преобразователями частоты обеспечивает синхронное вращение.
Данная система может быть применена в подъемных механизмах (кран - балки с двумя независимыми лебедками), где необходимо синхронное поддержание скорости с устранением качания груза при подъеме, а также в ленточных конвейерах.
Таким образом, за счет регулирования амплитудных значений переменных и углов между их векторами обеспечивается полное управление АД как в статике, так и в динамике, что дает заметное улучшение качества переходных процессов.
Литература
- Рудаков В.В. Асинхронные электроприводы с векторным управлением. – Л.: Энергоатомиздат, 1987. – 136c.
- Терехов В.М., Осипов О.И. Система управления электроприводов. – М.: Академия, 2006. – 204с.
- Виноградов А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока / А.Б. Виноградов; ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». – Иваново, 2008. – 298с.
- Герман - Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в Matlab 6.0. – Спб.: Корона принт, 2001.- С.259– 320.