РАЗРАБОТКА НАБЛЮДАТЕЛЯ ОСНОВНОГО МАГНИТНОГО ПОТОКА ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ БЕЗДАТЧИКОВЫХ ПРИНЦИПОВ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ НА БАЗЕ АСИНХРОНИЗИРОВАННОГО ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Аннотация: в статье представлены результаты исследований бездатчиковой системы векторного управления электроприводом на базе асинхронизированного вентильного двигателя. Приведены синтезированные функциональные схемы двух моделей наблюдателей основного магнитного потока.

Ключевые слова: асинхронизированный вентильный двигатель, наблюдатель магнитного потока, бездатчиковое векторное управление, функциональная схема наблюдателя потока.

На сегодняшний день вопросы повышения энергоэффективности систем регулируемых электроприводов (РЭП) становятся все более актуальными. Это объясняется возрастающей ролью электропривода, как неотъемлемой части многих современных технологических процессов во многих производствах. В настоящее время активно ведутся исследования энергоэффективного РЭП переменного тока [1][2][3][4][5][6]. В ряде областей применения хорошо зарекомендовали себя РЭП на базе асинхронного двигателя с фазным ротором (АДФР), включенным по схеме двойного питания. Вариантом такой управляемой электрической машины является асинхронизированный вентильный двигатель (АВД) с двумя силовыми преобразователями частоты в цепях статора и ротора [7][8][9]. Функциональная схема и векторная диаграмма установившегося режима работы такого РЭП представлены на рис.1.
Рис. 1. Функциональная схема РЭП на базе АВД и векторная диаграмма установившегося режима работы

С развитием современных микроконтроллерных систем управления всё чаще находят применение бездатчиковых систем векторного управления (СВУ) с программной реализацией наблюдателей состояний электропривода [10][11][12]. При векторном управлении электроприводом на базе АВД опорным вектором

служит вектор основного магнитного потока Y&d . Для синтеза структуры наблюдателя потока наиболее часто находят применение два различных подхода – реализация «токовой модели» наблюдателя и «модели напряжений».

Системы координат РЭП на базе АВД подробно рассмотрены в [13]. При построении «токовой модели» наблюдателя проекции вектора основного магнитного потока Y&d неподвижной относительно статора, определяются как:

где Lm – взаимная индуктивность, isα, isβ, irα, irβ – проекции мгновенных значений фазных токов статора и ротора на оси системы координат статора. Знак «ˆ» показывает, что переменная вычислена, знак «˘» – переменная измерена датчиками тока, установленными в системе.

Проекции токов статора и ротора преобразуются из трехфазной в двухфазную систему координат:

Знаки приведения параметров ротора к статору в выражениях (2)-(5) не указаны.

По выражениям (1-5) можно синтезировать функциональную схему наблюдателя магнитного потока (рис. 2).


Для реализации модели наблюдателя магнитного потока по значениям токов необходима информация об угловой скорости ротора или об угле поворота ротора. В электроприводе на базе АВД значения частот токов статора w1 и ротора w2 известны. Соотношение (1) показывает, что в вычислениях присутствует один из параметров машины – взаимная индуктивность обмоток Lm, которая, в общем случае, зависит от режима работы двигателя. Использование токовой модели наблюдателя потока оправдано, когда ЭП постоянно работает в режимах, близких к номинальным (Yd =Ydн = const и Lm = Lmн = const ). Но при реализации энергоэффективных алгоритмов управления необходимо обеспечивать изменение основного магнитного потока в функции скорости или требуемого электромагнитного момента Yd= f ( М эм ) . При этом диапазон возможного изменения Lm может достигает ±30% от Lmн. Это вызывает необходимость текущей идентификации этого параметра в реальном масштабе времени. При использовании в системе векторного управления второго подхода к реализации наблюдателя потока для его математического описания применим уравнения напряжений ротора, записанные в системе координат d,q:




Проинтегрировав левую и правую части полученных соотношений, получим значения проекций вектора основного магнитного потока на оси системы координат d,q, неподвижной относительно вращающегося ротора:

где f – угол между вектором Y&d  и действительной осью системы координат d,q. При построении СВУ в координатах х,у этот угол определяется частотой возбуждения w2 .
При реализации этой модели  наблюдателя используется операция интегрирования, что при отсутствии обратных связей приводит к накоплению ошибки. Особенно это сказывается на низких частотах, когда период изменения токов и напряжений ротора достаточно велик, и вносимая погрешность наиболее значительна. Компенсация ошибки обеспечивается введением в интегратор отрицательной обратной связи. Также необходимо осуществлять текущую идентификацию параметров машины, входящих в подынтегральное выражение – Rr .

Функциональная схема наблюдателя потока с компенсацией ошибок интегрирования приведена на При  использовании  данной  модели  наблюдателя  магнитного  потока  изменение  активного сопротивления ротора  может оказать влияние  на точность ориентации системы по  вектору основного магнитного потока. Поэтому в области малых нагрузок более эффективным будет применение наблюдателя с моделью напряжений, когда влияния температурных изменений на значения Rr незначительны. Токовую модель наблюдателя целесообразно использовать, когда ЭП работает в режимах, близких к номинальным (Yd =Ydн = const и Lm = Lmн = const ).

Таким образом, разработанные алгоритмы вычисления основного магнитного потока позволяют исключить из системы управления электроприводом на базе АВД датчик магнитного потока и применить в качестве базовой машины серийный двигатель с фазным ротором. Для точной оценки значений магнитного потока систему управления необходимо дополнить идентификатором параметров машины.

*Исследование выполнено за счёт средств гранта Российского научного фонда (проект №15-19- 20057)

Список литературы

1.            Браславский И.Я. Энергосберегающий асинхронный электропривод / И.Я. Браславский, З.Ш. Ишматов, В.Н. Поляков. – М.: ACADEMA, 2004. – 256 c.

2.          Поляков В.Н. Энергоэффективные режимы регулируемых электроприводов переменного тока / В. Н. Поляков, Р. Т. Шрейнер. – Екатеринбург: Изд-во УрФУ, РГППУ, 2012. – 222 с.

3.          Гуляев И.В. Влияние частоты возбуждения на энергетические характеристики асинхронизированного вентильного двигателя / И.В. Гуляев, Г.М. Тутаев, И.В. Маняев // Известия ТулГУ. Технические науки. – 2010. – №3-2. – С.81-88.

4.       Tutaev G.M. Energy-efficient control options of electric drive based on asynchronous converter-fed motor/ G.M. Tutaev, A.V. Volkov, M.A. Bobrov – В сборнике: труды XIII международной научно- технической конференции актуальные проблемы электронного приборостроения Proceedings: in 12 volumes . 2016. С. 88-93.

5.       Гуляев И.В. Математическое моделирование асинхронного двигателя с реализацией метода МТРА (Maximum Torque Per Ampere) в надсинхронной области / И.В. Гуляев, И.С. Юшков, А.Н. Архипов, М.А. Бобров – Научно-технический вестник Поволжья. - 2016. -№ 6. С. 124-127.

6.       Тутаев Г.М. Исследование энергоэффективных режимов работы электропривода на базе асинхронизированного вентильного двигателя / Г.М. Тутаев, И.С. Юшков, М.А. Бобров – В сборнике:  Актуальные проблемы технических  наук в России  и за  рубежом. Сборник  научных трудов по итогам международной научно-практической конференции. 2017. С. 68-72.

7.       Никулин В.В. Устройство для управления двигателем двойного питания / Никулин В.В., Тутаев Г.М., Гуляев И.В., Ломакин А.Н. –                патент на                изобретение RUS 2320073 11.12.2006.

8.       Копылов И.П. Частотно-регулируемый асинхронный двигатель двойного питания / Копылов И.П., Сонин Ю.П., Гуляев И.В. – Электротехника. 1997. № 8. С. 22-25.

9.       Гуляев И.В. Моделирование электромеханических процессов обобщенной электромеханической системы  на  основе  асинхронизированного  вентильного двигателя / И. В. Гуляев, Г.М. Тутаев – Саранск, 2004.

10. Гуляев И.В. Математическое моделирование асинхронного двигателя с реализацией метода МТРА (Maximum Torque Per Ampere) в надсинхронной области / И.В. Гуляев, И.С. Юшков, А.Н. Архипов, М.А. Бобров – Научно-технический вестник Поволжья. - 2016. № 6. С. 123-128.

11. Гуляев И.В. Бездатчиковое управление синхронным двигателем с постоянными магнитами/ И.В. Гуляев, М.А. Бобров, И.С. Юшков, А.В. Волков, А.А. Попов – Научно-технический вестник Поволжья. - 2015. № 6. С. 119-122.

12. Гуляев И.В. Сравнительный обзор синхронного двигателя с постоянными магнитами и бесколлекторного двигателя постоянного тока при непосредственном управлении моментом/ И. В. Гуляев, А.В. Волков, А.А. Попов, Е.И. Ионова, М.А. Бобров – В сборнике: Актуальные проблемы технических наук в России и за рубежом. Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции. 2016. С. 145-148.

13.   Гуляев            И.В.             Системы            векторного            управления            электроприводом            на основе асинхронизированного вентильного двигателя / И. В. Гуляев, Г.М. Тутаев – Саранск, 2010.