При выполнении этих функций обеспечивается высокая степень синусоидальности сетевых токов и возможность регулирования реактивной мощности обоих знаков. Дополнительным преимуществом следует считать использование на входе и выходе преобразователя частоты одинаковых транзисторных устройств.

Рис. 2.2.1.31. Структурная схема частотно-регулируемого АД: В — выпрямитель; Ф — фильтр; АИН — автономный инвертор напряжения; УУП — устройство управления преобразователем частоты

Регулируемый электропривод, силовая часть которого базируется на структуре, представленной на рис. 2.2.1.31, обладает рядом достоинств: широким диапазоном регулирования (D = 30...60 и более); высоким коэффициентом полезного действия (без учета двигателя он достигает 0,98); высоким коэффициентом мощности (до 0,98); высокой надежностью и компактностью преобразователя.

Электропривод с векторным управлением

Для получения высокого качества управления электромеханическими системами с асинхронными двигателями в статических и динамических режимах в широком диапазоне регулирования скорости, необходимо иметь возможность быстрого непосредственного управления моментом двигателя.

Момент любого электродвигателя в каждый момент времени определяется амплитудой и фазой двух моментообразующих составляющих: тока и магнитного потока.

В электрических машинах постоянного тока неизменная фазовая ориентация тока и потока определена конструктивно-фиксированным положением главных полюсов с обмотками возбуждения (поток) и щеточного узла (ток якоря). Для получения требуемого момента при таких условиях достаточно управлять непосредственно доступной для измерения одной независимой переменной — током якоря. Именно поэтому двигатель постоянного тока независимого возбуждения с быстродействующим, замкнутым обратной связью регулятором тока якоря по управляемости идеально (в пределах допус-

66

тимых режимов и характеристик) отвечает требованиям любого высокодинамичного электропривода.

Намного сложнее протекают электромагнитные и электромеханические процессы в электрических машинах переменного тока, особенно в асинхронных двигателях с короткозамкнутым ротором. Токи и потокосцепления статора и ротора вращаются с разными угловыми скоростями, имеют разные, изменяющиеся во времени фазовые параметры и не подлежат непосредственному измерению и управлению. Доступной управляемой переменной в АД является лишь ток статора, который имеет составляющие, образующие магнитный поток и момент. Фазовая ориентация этих составляющих может быть осуществлена только внешним управляющим устройством, функционально подобным коллектору машины постоянного тока.

Следовательно в АД необходимо обеспечить управление как амплитудой, так и фазой тока статора, т. е. оперировать с векторными величинами, чем и обусловлен термин «векторное управление».

Синонимами данного термина, отражающими некоторые различия используемых методов измерения параметров и управления их фазой, являются: «управление полем», «ориентация поля», «прямое управление моментом», «регуляторы угла» и т. п. На базе классической теории АД в установившемся режиме рассмотрим, как управлением током статора можно осуществить прямое управление моментом. На рис. 2.2.1.32 приведена обычная схема замещения АД, в которой: r1 и r2 — активные сопротивления обмоток статора и ротора; x1 = ω0L1, х'2 = ω0 L2, х'µL11 — индуктивные сопротивления рассеяния статора, ротора и намагничивания; S — скольжение; ω0 — угловая скорость поля статора. Электромагнитный момент АД через параметры схемы замещения определяется выражением

M = 3

U2 I2

,

(2.2.1.56)

ω0

где U2 — индуцированное напряжение ротора.

Параметры ротора на рис. 2.2.1.32 приведены к параметрам статора через отношение чисел эффективных витков обмоток.

Для установления связи тока I1 статора с моментообразующими током I2 и напряжением U2 роторной цепи используем модифицированную схему замещения АД (рис. 2.2.1.33), в которой за счет выбора коэффициента приведения α = L12/L2 индуктивное сопротивление х`2 обращается в нуль, и U2 = Е2. Новые параметры схемы замещения:

						L2						L2				L		2			L
x	= ω		L		−	12		;	x′	= ω		1	;	r′ =		12		r′ ;	E′	= E′	12	.
						L					0 L					L
1		0		1										2				2	2	2 L
						2					2					2					2

Ток статора I1 в схеме разделен на две составляющие: I1м — образующую момент; I1Ψ — образующую поток ротора:

	I1M = −I2′	L2	;	(2.2.1.57)
		L
		12
	67

E2′ =ω0Ψ2 ;				(2.2.1.58)
I1Ψ = −	E2′		.	(2.2.1.59)
	ω L
	0	12

Рис.2.2.1.32. Схема замещения АД	Рис. 2.2.1.33. Модифицированная
	схема замещения

Из (2.2.1.58) и (2.2.1.59) получим выражение потокосцепления ротора:

Ψ2 = L12I1Ψ. (2.2.1.60) Из (2.2.1.56), (2.2.1.57), (2.2.1.59) получим выражение момента:

M = 3	L12	L12 I1Ψ I1M .	(2.2.1.61)
	L
2

Из последнего выражения следует, что моментом можно управлять двумя ортогональными составляющими тока статора. Именно в этом просматривается аналогия с двигателем постоянного тока: составляющая I1Ψ играет роль тока возбуждения, а I1м — тока якоря.

Векторная диаграмма на рис. 2.2.1.34 показывает взаимную ориентацию векторов напряжений, токов, ЭДС и потокосцепления АД, а также составляющие тока статора I1м и I1Ψ.

Рис. 2.2.1.34. Векторная диаграмма АД

68

Из диаграммы следует

I1M = I1cos(γ).

Угол γ связывает две составляющие тока статора. Ток I1м можно выра-

зить через Е2:			L2			S
I1M = −					E2′		.	(2.2.1.62)
		L12
						r2′
Решая совместно (2.2.1.59) и (2.2.1.62), можно установить связь между
двумя составляющими тока:	L2
I1M =				Sω0 IΨ .
	r2′

Определим угол γ через параметры ротора и нагрузки АД:

tg(γ )=		r2′		= −	1		,
	L Sω				Sω T
			0			p
	2				0

где Tp — электромагнитная постоянная времени обмотки ротора.

Каждому значению S соответствует определенное соотношение составляющих тока статора:

Sω0 = I1M Tp . I1Ψ

Из диаграммы следует

I1M = I1cos(γ).

Угол γ связывает две составляющие тока статора. Ток I1м можно выра-

зить через Е2:			L2			S
I1M = −					E2′		.	(2.2.1.62)
		L12
						r2′
Решая совместно (2.2.1.59) и (2.2.1.62), можно установить связь между
двумя составляющими тока:	L2
I1M =				Sω0 IΨ .
	r2′

Определим угол γ через параметры ротора и нагрузки АД:

tg(γ )=		r2′		= −	1		,
	L Sω				Sω T
			0			p
	2				0

где Tp — электромагнитная постоянная времени обмотки ротора.

Каждому значению S соответствует определенное соотношение составляющих тока статора:

Sω0 = I1M Tp . I1Ψ

Последнее выражение свидетельствует о том, что ток статора и скольжение полностью определяют момент асинхронного двигателя.

При моделировании асинхронного двигателя используются ортогональная система координат ротора d-q. Анализ двухфазной d-q модели АД пока-

69

зывает, что рассмотренная выше концепция векторного управления установившегося режима верна и в условиях переходных неустановившихся режимов. Ориентация поля ротора АД в d-q переменных заключается в совмещении продольной оси d с вектором потока ротора. При этом достигается полное совпадение между i1q и i1м, ild и i1Ψ, и Ψ2d, и Ψ2q, а также соответствие уг-

лов между Ψ2d и Ψ2.

Синтез алгоритмов и систем векторного управления АД базируется на его d-q переменных. Все соотношения и зависимости для переменных установившегося режима распространяются и на d-q переменные. Векторное управление может быть реализовано в электроприводах как на основе АИТ, так и на основе АИН с широтно-импульсным управлением АИН-ШИМ. Одна из возможных структур асинхронного электропривода с векторным управлением на основе АИН-ШИМ представлена структурной схемой на рис. 6.14, которая состоит из трех основных функциональных частей:

БРП — блок регуляторов переменных; БВП — блок вычисления переменных; БЗП — блок задания переменных.

На вход БРП поступают задающие сигналы скорости (либо другого параметра движения электропривода) и потока, а также сигналы обратной связи (с выхода БВП), ориентированные по полю значения составляющих тока статора, потокосцепления ротора и скорости. Блок регуляторов переменных содержит набор регуляторов потока, момента, тока, на выходе которых формируются также ориентированные по полю сигналы задания составляющих тока статора.

Блок задания переменных осуществляет фазовые и координатные преобразования задающих d-q переменных в систему трехфазных сигналов управления широтно-импульсным модулятором АИН. Блок вычисления переменных вычисляет текущие значения амплитудных и фазовых параметров d-q переменных АД, осуществляя фазовые и координатные преобразования реальных трехфазных сигналов токов и напряжений АД, поступающих с выходов соответствующих датчиков.

Координатные преобразования, осуществляемые БВП, заключаются в переходе от реальных координат трехфазной системы статора АД с осями а, в, с к ортогональной системе координат ротора двухфазной модели АД с осями d, q. Блок задания переменных осуществляет обратные координатные преобразования — от ортогональной d-q системы координат к трехфазной системе координат.

Фазовые преобразования в этих блоках обеспечивают привязку фазовых параметров переменных в двух системах координат. На надежность, стоимость и качество характеристик электропривода существенно влияют число измеряемых параметров и точность измерений. Для векторного управления АД необходимо измерить, по крайней мере, две переменные из четырех,

70

доступных измерению: токи статора АД, напряжения на зажимах статора АД, угловую скорость ротора АД, угловое положение ротора АД.

Более простыми и дешевыми являются электроприводы, разомкнутые по скорости, не содержащие датчик угловой скорости (международный термин «бессенсорное управление»). При таком управлении измерению подлежат лишь токи и напряжения статора АД. Скорость ротора или ее аналог — скольжение S — вычисляются в БВП по модели, учитывающей усредненные типовые либо реально измеренные параметры АД. Вследствие сложностей точного отображения этих параметров, в том числе в изменяющихся температурных условиях, регулировочные свойства таких электроприводов в зоне нулевых скоростей резко ухудшаются, т.е. имеет место ограничение диапазона регулирования.

Для работы в неограниченном диапазоне скоростей используются замкнутые по скорости электроприводы, содержащие в своем составе электромеханический либо цифровой датчик скорости ДС, установленный на валу АД

(см. рис. 2.2.1.35).

Рис. 2.2.1.35. Структурная схема асинхронного электропривода с векторным управлением на основе АИН-ШИМ

Векторное управление асинхронным электроприводом требует большого объема и высокой скорости вычислений и может быть реализовано мощным микропроцессорным контроллером. Оно требует большого числа и высокой точности измерений параметров АД. Для этих целей используются высокоточные широкополосные измерители токов и напряжений — специальные датчики, электромеханические либо импульсные тахометрические устройства.

Асинхронные электроприводы с векторным управлением применяются при создании специальных станков и обрабатывающих центров, сложных

71

подъемно-транспортных механизмов, лифтов. Они применяются также в различных транспортных системах, в том числе электромобилях.

2.2.1.4. Системы электропривода с синхронными двигателями. Системы возбуждения синхронных двигателей. Системы частотного управления синхронным двигателем

Системы возбуждения синхронных машин (СМ) должны обеспечивать надежное питание обмотки ротора синхронной машины во всех режимах, в том числе и при авариях; устойчивое регулирование тока возбуждения при изменении нагрузки в пределах номинальной; достаточное быстродействие и форсировку возбуждения.

Системы возбуждения называются зависимыми, если они питаются от главной или дополнительной обмотки якоря возбуждаемого генератора. В том случае, когда система возбуждения питается от других источников, например от шин собственных нужд электростанции, от возбудителя или вспомогательного генератора, она является независимой. Для независимых систем существует два варианта конструктивного решения. В первом варианте ротор возбудителя или вспомогательного генератора находится на одном валу с ротором синхронного генератора или сопрягается с ним редуктором скорости. Во втором — ротор возбудителя или вспомогательного генератора приводится во вращение синхронным или асинхронным двигателем, специально установленным для этой цели. До 1960-х гг. преимущественное распространение имели электромашинные системы возбуждения, в которых обмотка возбуждения синхронной машины питалась от коллекторного генератора постоянного тока — возбудителя.

По мере освоения производства и повышения надежности полупроводниковых выпрямителей все большее распространение стали получать вентильные системы возбуждения с кремниевыми диодами или тиристорами. В настоящее время они применяются не только для синхронных двигателей и генераторов небольшой мощности, но и для крупных турбогенераторов, гидрогенераторов и синхронных компенсаторов. Рассмотрим наиболее распространенные варианты таких систем.

Рассмотрим два варианта независимой вентильной системы возбуждения синхронной машины (рис. 2.2.1.36). Они различаются типом возбудителя. В первом варианте (рис. 2.2.1.36,а) показан асинхронный возбудитель АВ; во втором варианте (рис. 2.2.1.36,б) — синхронный возбудитель СВ. Обмотка возбуждения синхронной машины подключается к вращающемуся полупроводниковому выпрямителю ППВ. Напряжение к ППВ подводится от АВ или СВ. В схемах используется автоматический регулятор возбуждения АРВ, являющийся по существу обратной связью по напряжению [4].

Асинхронные возбудители работают в режиме асинхронного генератора, имеют небольшие размеры и массу при высоком быстродействии регули-

72