suep_metod_sem2 / suep_metod_sem2 / 6 - СУЭП на основе СД

Раздел 6. СУЭП на основе CД

6.4. Система управления синхронным электроприводом по схеме «вентильный двигатель»

Под вентильным двигателем (ВД) понимают обращенный аналог машины постоянного тока, в которой якорная обмотка двигателя выполняется, как правило, распределенной, и размещается на статоре, а возбуждение выполняется со стороны ротора. Механический коммутатор (коллектор) при этом заменен на бесконтактный полупроводниковый (транзисторный или тиристорный).

Для электроприводов средней и большой мощности чаще всего применяются ВД по схеме «инвертор тока – синхронный двигатель».

Поскольку ключи (тиристоры) АИТ должны работать с естественной коммутацией под действием напряжения статора СД, для надежной работы АИТ необходимо обеспечить работу двигателя с опережающим cos . Это требует адаптации потока возбуждения к изменению нагрузки в соответствии с ранее рассмотренными зависимостями.

Раздел 6. СУЭП на основе CД

6.4. Система управления синхронным электроприводом по схеме «вентильный двигатель»

Функциональная схема САР

скорости СД при питании

двигателя от АИТ

*

M *

Система по своей структуре

близка к системам

последовательной коррекции

(СПР), широко используемой в

СУЭП постоянного тока.

Регулирующая часть СУЭП

имеет три контура

R

регулирования – контур тока

возбуждения СД, контура

выпрямленного тока ПЧ и

if

контур скорости.

i*f u*f

Раздел 6. СУЭП на основе CД

6.4. Система управления синхронным электроприводом по схеме «вентильный двигатель»

Узел задания частоты инвертора (УЗЧ) следит за положением ротора (датчик ДПР), формирует импульсы управления ключами АИТ, которые синхронизированы и сфазированы с импульсами ДПР для обеспечения требуемого сдвига тока относительно напряжения. В результате на каждом периоде, обратно пропорциональном частоте вращения ротора, происходит поочередное подключение фаз статора к звену постоянного тока и обеспечивается непрерывное вращение ротора. Таким образом, тиристоры АИТ выполняют роль бесконтактного коллектора.

Функциональный преобразователь ФП1 задает требуемое значение выпрямленного тока (тока статора СД) для того, чтобы обеспечить постоянство потокосцепления статора. Зависимость принимается однополярной, так как выпрямленный ток всегда протекает в одном (указанном) направлении.

Выходной сигнал РС подается также на УЗЧ. В зависимости от полярности задания на момент выбирается очередность (прямая или обратная) отпирания тиристоров АИТ, которая определяет направление вращения двигателя.

Задание на ток возбуждения СД тоже формируется в функции выходного сигнала РС в соответствии с требуемой зависимостью (см. ранее)

Раздел 6. СУЭП на основе CД

6.4. Система управления синхронным электроприводом по схеме «вентильный двигатель»

Недостатки системы:

1)Система не предусматривает регулирования момента (или моментного тока), поэтому и не обеспечивает высоких динамических показателей.

2)Ввиду прямоугольного характера изменения тока момент двигателя и скорость имеют пульсирующий характер. Пульсации скорости проявляются тем больше, чем меньше момент инерции привода.

3)В режиме пуска и на малых скоростях (до 2…10%, в зависимости от мощности СД) естественная коммутация инвертора за счет индуктируемой ЭДС (машинная коммутация) отсутствует. Поэтому в указанных режимах применяют специальные методы принудительного запирания тиристоров инвертора.

4)Из-за плохой формы тока и затрудненной коммутации пусковой момент

такого ВД не должен превышать (0.5-0.8)MH. Кроме того, длительная работа привода в таком режиме недопустима.

Поэтому такая СУЭП применяется для механизмов, не требующих частых пусков под нагрузкой и диапазон регулирования которых не превышает (10…15):1 – обычно это мощные вентиляторы, компрессоры, экструдеры и т.п.

Раздел 6. СУЭП на основе CД

6.5.Конструктивные особенности синхронных двигателей

свозбуждением от постоянных магнитов

Вприводах малой мощности (приводы оптических дисков, магнитофоны, станки, стиральные машины и т.д.) в качестве вентильных двигателей применяются питаемые посредством с транзисторных коммутаторов синхронные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов (СДПМ), расположенных на роторе.

Достоинства такого двигателя:

–отсутствие щеточно-коллекторного аппарата;

–малый момент инерции ротора;

–простая система охлаждения (в роторе нет нагреваемых обмоток);

–высокий КПД (нет потерь на возбуждение);

–высокая статическая точность.

Перечисленные достоинства в настоящее время обусловливают предпочтительность использования такого двигателя по сравнению даже с АД с короткозамкнутым ротором, несмотря на его гораздо более высокую стоимость.

По конструктивному исполнению СДПМ можно разделить на бескорпусные (встраиваемые в конструкцию ИО) и корпусные (по конструкции близки к обычному СД).

Раздел 6. СУЭП на основе CД

6.5.Конструктивные особенности синхронных двигателей

свозбуждением от постоянных магнитов

Неявнополюсный ротор СДПМ в разрезе: 1 – пакетротора; 2 – вал; 3 – постоянные магниты; 4 – отверстия.

Статор двигателя состоит из шихтованного пакета стали, в разах которого укладывают обмотку. Ротор чаще выполняют неявнополюсным. Пакет ротора 1 располагают на валу 2 двигателя, постоянные магниты 3 наклеивают на поверхность пакета ротора. Листы пакета 1 имеют отверстия 4, улучшающие условия охлаждения ротора и уменьшающие его момент инерции.

Иногда применяют СДПМ с явнополюсным ротором, в которых постоянные магниты крепятся на валу двигателя в продольных пазах.

На валу двигателя обычно размещают «встроенный по умолчанию» датчик положения ротора, например, в виде вращающегося трансформатора (резольвера). Двигатель может быть снабжен встроенным электромагнитным тормозом. Принудительное охлаждение СДПМ обычно не требуется.

Раздел 6. СУЭП на основе CД

6.6. Трехфазный СДПМ как объект управления

Отличие от традиционного СД – поле ротора неизменно и создается потоком от постоянных магнитов, т.е. f const

Схема питания и управления СДПМ

Обмотка статора питается от трехфазного ПЧ на основе АИН, коммутация ключей которого выполняется в функции угла поворота ротора. В результате частота сигналов управления

u*A u*B uC*

определяется скоростью двигателя.

Как и для традиционного СД, получение уравнений СДПМ с постоянными коэффициентами возможно лишь в системе координат d, q, вращающейся синхронно с ротором, ось d принимается сонаправленной с потоком постоянных магнитов

Раздел 6. СУЭП на основе CД

6.6. Трехфазный СДПМ как объект управления

Составляющие вектора потокосцепления по осям d, q запишутся в виде:

d f Ld id	(21)	q Lqiq .	(22)

Уравнения (8) и (9) равновесия напряжений статора по осям d и q с учетом (21), (22) можно получить в виде:

	ud RS id Ld	did	R Lqiq		(23)
		dt
		diq			(24)
	uq RS iq Lq	dt R Ld id E

где E R f – амплитуда вектора ЭДС вращения, направленного по оси q. Уравнение для баланса напряжений цепи ротора отсутствует.

Подстановка в выражение (7) для электромагнитного момента уравнений (21),

(22) дает:
	M	3	Ld Lq id iq
		2 z p f		(25)

Дополняя уравнения (21) – (25) уравнением движения (12), можно получить структурную схему СДПМ

Раздел 6. СУЭП на основе CД

6.6. Трехфазный СДПМ как объект управления

ud	1 RS
	T p 1
	dq
		L
		q

Ld

uq

1 RS

Tq p 1

f

idLd Lq

d

zp

				1
	3	zp
iq	2			Jp

E

Структурная схема СДПМ

Td Ld RS

Tq Lq RS

– электромагнитные постоянные времени по осям d и q.

Для неявнополюсной машины характерно Ld Lq , следовательно, и Td Tq

Для явнополюсной машины Ld Lq и Td Tq

В зависимости от типа ротора СДПМ принципиально изменяется уравнение момента (25), соответственно применяются разные стратегии управления.

Раздел 6. СУЭП на основе CД

6.7. Система регулирования скорости вентильного двигателя на основе СДПМ

Функциональная схема САР

Uз ЗИ		M*		id*		i *
			УЗТ
	РС			iq*	ПК	i *	ПФ
			sin R			cos R

ФГС

iA*	РТА
iB*	РТВ						6	АИН
				РТС		ШИМ
iC*

ДТ

R

ДС	СДПМ
	ДПР

Основу силовой части СУЭП составляет автономный инвертор напряжения, управляемый током. Контуры регулирования фазных токов строятся с использованием гистерезисных регуляторов, что позволяет выполнять регулирование токов в токовых коридорах.