Применительно к таким схемам термин "бездатчиковое управление" означает отсутствие датчика скорости на валу двигателя, а информация о скорости вращения и потокосцеплениях двигателя извлекается из измеренных токов и напряжений статора. Согласно [3], угловая скорость электрического поля определяется выражением:
(8.0)
где
- потокосцепления статора в неподвижной системе координат.
- число полюсов двигателя.
Структурная схема электропривода с бездатчиковым определением скорости приведена на рис. 8.1.
Рис. 8.1
Вычисление скорости производится в блоке W_Solve, изображенной на рис. 8.2.
Рис. 8.2
Переход от трёхфазной системы координат к двухфазной и обратно выполняется с помощью формул преобразования координат. Переменные в новой системе координат находятся как сумма проекций в старой системе на оси новой системы координат.
или . (8.1)
Структура преобразователя координат (ABC – ab), собранного по формулам (8.1) приведена на рис.8.3.
Рис. 8.3
На рис. 8.4 изображены напряжения и токи статора двигателя в неподвижной системе координат после фильтрации высоких частот.
Рис. 8.4
Производные потокосцеплений статора двигателя в неподвижной системе координат приведены на рис. 8.5.
Рис. 8.5
На рис. 8.6 изображены конечные сигналы, участвующие в вычислении скорости, а также скорость двигателя при бездатчиковом определении (рис. 8.7).
Рис. 8.6
Рис. 8.7
Большинство ведущих мировых производителей электроприводов Siemens, ABB, Schneider Electric, Hitachi, Danhfos и др. поддерживают в своих изделиях все три современные структуры управления ЭД: скалярного, векторного датчикового и векторного бездатчикового. Причем, для последней структуры указывается диапазон регулирования скорости до 50:1. Опыт промышленной эксплуатации таких ЭП в России показывает, что в зоне низких скоростей часто возникают колебания скорости, устранить которые настройками привода не удается и реальный диапазон регулирования скорости заметно ниже [7].
Таким образом, основные проблемы, связанные с построением бездатчикового векторного электропривода заключаются в следующем [17]:
1) Наблюдатель состояния двигателя (ЭД), построенный на основе решения полной системы уравнений электрического равновесия для статора и ротора по доступной информации о напряжениях и токах статора, способен обеспечить приемлемую точность вычисления потокосцепления и скорости только в ограниченном диапазоне частот. Это связано с известной проблемой введения начальных условий при частотах, близких к нулевой. Практически все способы решения данной проблемы связаны с введением определенного отклонения математического описания наблюдателя состояния относительно реального объекта при работе в области малых частот. Эти отклонения проявляются в виде ошибки в вычислении потокосцепления, скорости, активной и реактивной составляющих тока.
2) Следующей проблемой является чувствительность электропривода к изменению его параметров в процессе работы. Прежде всего, это относится к температурным изменениям активных сопротивлений статора и ротора, а также к изменению взаимной индуктивности в зависимости от тока цепи намагничивания. Одним из подходов к решению данной проблемы в построении векторного регулятора и наблюдателя состояния ЭД является применение регуляторов, грубых в отношении параметрических возмущений, в частности, релейных регуляторов, функционирующих в скользящих режимах. Другим подходом является параметрическая адаптация, осуществляемая в реальном времени при работе привода.
3) Третьей проблемой является получение необходимой точности оценки эквивалентных (усредненных на интервале расчета процессов в наблюдателе состояния) значений токов и напряжений статора. На точность оценки эквивалентных напряжений в области малых частот основной гармоники и высоких частот модуляции существенно влияет «мертвое время» и задержки переключения ключей инвертора. Заметим, что проблема точности измерения напряжения на малых частотах в гораздо меньшей степени проявляется в векторных электроприводах с датчиком скорости/положения, так как быстродействующий контур скорости, замкнутый по реально измеряемому сигналу, способен в значительной степени компенсировать ошибки, связанные с динамическими неидеальностями ключей инвертора.
9. Заключение
Сегодня в распоряжении разработчиков появились относительно недорогие редкоземельные магниты из материала неодим-железо-бор с высокими энергетическими характеристиками. Усилиями ученых удалось довести температуру эксплуатации таких магнитов до рабочей температуры механизма, а нанесение коррозионно-стойких покрытий позволило продлить их срок службы на все время работы электропривода.
В настоящее время вентильные двигатели с постоянными магнитами прочно завоевали позицию надежных, компактных и экономичных электромеханических преобразователей энергии. Кроме того, будучи дискретными по своей структуре и имея встроенный датчик положения ротора, они без дополнительных устройств стыкуются с цифровыми блоками управления, что позволяет на их базе легко создавать замкнутые системы электроприводов со сложной циклограммой работы.
Вентильные двигатели с редкоземельными магнитами целесообразно применять не только в медицине и необслуживаемых механизмах, но и в авиационной и космической технике.
10. Список использованной литературы
1. Донской Н.В. Регулируемые электроприводы переменного тока/ - Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2007. – 204 с.
2. Цыпкин Я. З. Релейные автоматические системы. Главная редакция физико-математической литературы, изд-во «Наука», М., 1974, 576 стр.
3. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием: учебник для студ. высш. учеб. заведен. М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 272с.
4. Анхимюк В., Опейко О.Ф. Проектирование систем автоматического управления электроприводами: Учеб. пособие для вузов.: Мн.: Высш. шк., 1986г – 143 с
5. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами: Учеб. пособие для вузов.: -Л.: Энергоиздат, Ленингр. отд-ие, 1982г – 392 с.
6. Туренко Т.В. Применение пакетов SIMULINK И STATEFLOW для моделирования гибридной системы прямого цифрового управления унитарно-кодовым датчиком СПБГУ "ЛЭТИ", г. Санкт-Петербург. –
Труды Всероссийской научной конференции «Проектирование научных и инженерных приложений в среде MATLAB» Часть 5. Имитационное моделирование. Simulink и Stateflow под общ. ред. И.В. Черных.
7. Корельский Д.В., Потапенко Е.М., Васильева Е.В. Обзор современных методов управления синхронными двигателями с постоянными магнитами// Науковий журнал "Радiоелектронiка. Iнформатика. Управлiння", 2001. - с. 155-159.
8. Панкратов В.В. Тенденции развития общепромышленных электроприводов переменного тока на основе современных устройств силовой электроники// Силовая интеллектуальная электроника. Специализированный информационно-аналитический журнал. 2005, №2, с. 27-31
9. Joachim Holtz. Sensorless Control of Induction Motor Drive. - Fellow, IEEE, Vol .90, No.8, Aug.2002 – Germany.
10. Kim Gauen and Jade Alberkrack. Three Piece Solution for Brushless Motor Controller Design. July, 2005− Rev. 5
11. J. P. Johnson, M. Ehsani, and Y. Guzelgunler. "Review of sensorless methods for brushless DC," presented at 1999 IEEE Industry Applications Conference, 1999.
12. P. P. Acarnley and J. F. Watson. "Review of position-sensorless operation of brushless permanent-magnet machines," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 53, pp. 352-362, Apr. 2006.
13. SimPowerSystemsTM Release Notes.
14. Binns K.J.; Sneyers B.; Maggetto G.; Lataire Ph. Rotor-position-controlled permanent magnet synchronous machines for electrical vehicles, ICEM ‘80, 1980, pp. 346-357.
15. Slemon, G. R.; Xian, L. Modelling and Design Optimisation of Permanent Magnet Motors, Electric Machines and Power Systems, vol. 20, no. 2, 1992, pp. 71-92.
16. Zhong L.; Rahman M.F.; Lim K.W. Modelling and experimental studies of an instantaneous torque and field weakening control scheme for an interior permanent magnet synchronous motor drive, ELECTRIMACS 1996, pp. 297-302.
17. А.Б. Виноградов, И.Ю. Колодин, А.Н. Сибирцев. Адаптивно-векторная система управления бездатчикового асинхронного электропривода серии ЭПВ. – статья. #"#">www.elprivod.ru
19. www.exponenta.ru
[1] ЗАО « Электротехнические системы», Санкт – Петербург.
[2] Согласно теореме Котельникова
