ВЕНТИЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

В настоящее время в ВЭП переменного тока используются так называемые "векторные" или как их частный случай - частотно-токовые алгоритмы автоматического управления моментом и частотой вращения СДПМ. При этом управляющие воздействия на выходные переменные трехфазного инвертора напряжения - средние за период ШИМ значения фазных токов и напряжений двигателя формируются во вращающейся декартовой системе координат (d, q), ось абсцисс которой (d) ориентирована по направлению продольной оси ротора СДПМ или, в некоторых случаях, по направлению волны магнитного поля в воздушном зазоре двигателя.
Значение тока якоря СДПМ по поперечной оси q, пропорциональное электромагнитному моменту (это утверждение строго выполняется для неявнополюсных машин с одинаковыми индуктивностями обмотки якоря по продольной и поперечной осям), задается аналогично току якоря классической машины постоянного тока, как правило, с выхода регулятора скорости. Таким образом, в системе регулирования ВЭП также реализуется общеизвестный принцип подчиненного регулирования координат.
Значение тока якоря по продольной оси d, аналогично току возбуждения машины постоянного тока, позволяет оптимизировать процесс электромеханического преобразования энергии и осуществлять регулирование частоты вращения СДПМ выше основной с постоянством мощности (во второй зоне). В ВЭП на базе СДПМ используются довольно сложные законы управления током по продольной оси машины, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки, ограничивающие предметную область: управление с поперечным током якоря, с единичным коэффициентом мощности (cos), с постоянством магнитного потока в воздушном зазоре [7].

В качестве примера на рис.11 приведена укрупненная функциональная схема системы управления ВЭП переменного тока с непосредственной ориентацией вращающейся системы координат по положению ротора двигателя. На рисунке: РС и РТ - регуляторы скорости и токов двигателя; ВС - вычислитель скорости; ПК1 и ПК2 - преобразователи координат; ДП - датчик положения ротора.Источник уставки по току isd на рисунке не указан. В такой системе могут быть достигнуты максимальные диапазоны регулирования частоты вращения (до 105) и наивысшее быстродействие, которое характеризуется полосой пропускания частот контура регулирования скорости, составляющей до 500 Гц. Время реакции момента двигателя на скачек задания тока isq может составлять величину порядка 10&sup-5…10&sup-4 с.

Чтобы достичь максимальных диапазонов регулирования ВЭП, необходимо не только обеспечить синусоидальную форму токов двигателя, но и скомпенсировать пульсации момента, возникающие, в частности, в связи с модуляцией магнитного потока зубцами статора и явлением "тяжения" полюсов ротора к положениям максимальной магнитной проводимости для потока постоянных магнитов [8].

Направлением наиболее динамичного развития ВЭП является создание "бездатчиковых" систем, не содержащих датчика положения ротора, в качестве которого традиционно применяются фотоэлектрические инкрементальные энкодеры.

Подробный обзор основных алгоритмических решений "бездатчикового" векторного управления СДПМ приведен в сборнике статей [9]. Абсолютное большинство из них основаны на косвенном определении электрического положения ротора двигателя по направлению изображающего вектора составляющей магнитного потокосцепления якоря , обусловленной постоянными магнитами. Для вычисления этого вектора или непосредственно связанного с ним положения ротора двигателя на практике наиболее часто используются классические методы оценивания: наблюдатели состояния (наблюдатели Люенбергера) полного или пониженного порядка (Full Order and Reduced Order State Observers), расширенный фильтр Калмана (Extended Kalman Filter (EKF)), адаптивные системы с задающей моделью (Model Reference Adaptive System (MRAS)), а также специальные наблюдатели, функционирующие в реальных скользящих режимах [2].
Все эти методы связаны с большим объемом вычислений, что вызывает определенные трудности при их реализации в реальном масштабе времени даже на базе современных предметно-ориентированных цифровых сигнальных процессоров (DSP). В специальной литературе также можно найти примеры применения для этих целей математического аппарата нечеткой логики и искусственных нейронных сетей.

Одна из возможных структур вычислителя положения ротора СДПМ по измерениям токов и напряжений двигателя приведена на рисунке 12 [4].


В свою очередь, наблюдатель потокосцепления имеет структуру рисунка 13, соответствующую векторному уравнению равновесия напряжений статора:



 


где Rs, Lу - активное сопротивление и индуктивность рассеяния обмотки якоря, причем обратная связь с коэффициентом l и стабилизирующая оценка потока призваны обеспечить асимптотическую устойчивость наблюдателя и синтезируются дополнительно.

Работоспособность "бездатчиковых " электроприводов напрямую зависит от точности располагаемой информации о параметрах электромагнитных процессов, которые могут изменяться, например, с температурой или степенью насыщенности участков магнитопровода машины.
Для адаптации ВЭП к изменениям параметров двигателя применяются алгоритмы предварительной ("offline ") и текущей ("on-line") параметрической идентификации. Алгоритмы текущей идентификации используются для адаптации наблюдателя потокосцепления в процессе работы привода и синтезируются, как правило, на основе второго (прямого) метода А.М. Ляпунова [9]. Алгоритмы предварительной идентификации автоматически определяют параметры СДПМ перед запуском электропривода, настраивая систему управления ВЭП и задавая начальные приближения параметров для алгоритмов текущей идентификации.
Разработка и реализация устойчивых и достаточно точных процедур предварительной и текущей параметрической идентификации, превращающих ВЭП в "интеллектуальную" систему, составляет основу содержания большого числа проводимых в настоящее время исследований [10].

РЕАЛИЗАЦИЯ ВЭП НА БАЗЕ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Принципиально вентильный электропривод с векторным управлением может быть построен и на базе довольно мощных синхронных двигателей с электромагнитным возбуждением.
Ярким примером тому является высоковольтный "бездатчиковый" электропривод "ЭРАТОН-В" разработки ЗАО "ЭРАСИБ" (Новосибирск).

Силовая часть электропривода (рис. 14) построена на транзисторных однофазных Н-мостах. В зависимости от номинального напряжения двигателя это может быть так называемый трех- или пятиуровневый инвертор. Управление инвертором осуществляется в соответствии с описанным выше принципом ориентации управляющих воздействий по магнитному потоку ротора. Аналогичные в преобразовательной части системы имеются в арсенале многих зарубежных фирм, в частности Mitsubishi и Toshiba.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Вентильный электропривод на базе СДПМ является универсальным средством электромеханического преобразования энергии и автоматизации технологических процессов. Принципы построения силовой части ВЭП уже устоялись и остаются неизменными в течение нескольких последних десятилетий, что не исключает их развитие в части улучшения электромагнитной совместимости электроприводов с питающей сетью.
Главным направлением совершенствования ВЭП в ближайшей перспективе будет разработка и оптимизация адаптивных "бездатчиковых" алгоритмов управления, ориентированных на микропроцессорную реализацию и обеспечивающих диапазоны регулирования с постоянством момента 1:150…200.