Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Международный научно-исследовательский журнал публикации ВАК
Научные направления
Поделиться:
Разделы: Электроника
Размещена 10.06.2017. Последняя правка: 10.06.2017.

Исследование привода на базе асинхронного двигателя с оптимальным векторным управлением в среде Matlab/Simulink.

Соловьев Роман Олегович

Магистр

МГТУ "СТАНКИН"

Студент

Лукинов А.П, кандидат технических наук, доцент


Аннотация:
В работе представлена модель асинхронного двигателя на базе векторного управления, которая смоделирована в среде Matlab/Simulink. Приведены схемы и модели построенные в данной среде. Выведены передаточные функции регулятора.


Abstract:
The paper shows a model of an asynchronous motor on a vector control vector, which is modeled in the Matlab/Simulink environment. The resulted schemes and models constructed in the given environment. The transfer functions of the controller are output.


Ключевые слова:
приводы; асинхронные двигатели; асинхронный; векторное; управление; оптимальное векторное управление.

Keywords:
asynchronous; drive unit; engine; vector control.


УДК 62-1

Введение.
В наше время современные системы векторного управления прошли тернистый путь развития, и сейча являтся одним из самых востребованным и распространенным видом системы среди электродвигателей переменного тока. Они позволяют просто и эффективно управлять такими сложными объектами как асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (АД), что в свою очередь, позволяет существенно расширить область его применения. В настоящее время достаточно сложно найти модели с имитированные в среде Matlab, в данной статье будет выпонена работа по реализации данной модели в Matlab.

Задачи.
1. Реализовать структурную схему систему векторного упрвления.
2. Построить модель в иммитационной среде Matlab/Simulink.

Выбор структурной схемы системы векторного управления.

Качество векторного управления асинхронным двигателем АД очень зависит от настройки регуляторов скорости и тока, дискретности аналого-цифрового преобразователя АЦП и алгоритмов векторной широтно-импульсной модуляции ВШИМ. С этой целью для моделирования и отладки алгоритмов векторного управления АД могут быть использованы программно-аппаратные симуляторы электропривода, средства традиционного моделирования. В данной работе предлагается использовать среду имитационного моделирования MatLab/Simulink. Структурная схема системы векторного управления, выбранная для исследования и моделирования, представлена на рис. 1.

 

Рисунок 1. Упрощенная структура системы векторного управления АД

Для построения модели системы векторного управления необходимо выполнить синтез контуров регулирования скорости и тока.

На рис. 2 изображен контур регулирования составляющей тока Isq. Для силового преобразователя принимаем пропорциональный коэффициент kп = Uнф  и постоянную времени  Tп = 2Tшим=2/ fшим .

Рисунок 2. Контур регулирования тока ISq

С учетом компенсации перекрестных обратных связей получаем коэффициенты для составляющей цепи статора по оси q:

 

Настройку контура тока производим на технический оптимум, компенсируя большую постоянную времени Tэ , поэтому  Tµ = Тп . В результате процедуры синтеза получена передаточная функция ПИ-регулятора тока:

 

Передаточная функция замкнутого контура тока статора по оси q

Аналогично выполняются синтез и настройка контура регулирования составляющей тока I Sd . Далее рассмотрим настройку контура регулирования скорости. В результате процедуры синтеза получена схема контура регулирования скорости (рис. 3), который включает в себя непосредственно сам регулятор скорости Wрс(p), вычислитель тока I Sd, замкнутый контур регулирования тока (ЗКРТq), механическую часть АД и обратную связь в виде датчика скорости (Kс).

 

Рисунок 3. Контур регулирования скорости

Передаточная функция механической части АД определяется из математического описания АД в среде имитационного моделирования MatLab/Simulink:

 

где M – электромагнитный момент, Fтр – коэффициент трения, Н – суммарная инерционная постоянная машины, Mс – статический момент нагрузки. Принимая с M = 0 , получаем передаточную функцию механиче- ской части АД:

 

Коэффициент обратной связи датчика скорости принимаем от k =1. Настройку контура скорости выполняем на технический оптимум, меньшую постоянную времени принимаем TµC = 2Tµ. В результате процедуры синтеза  получена передаточная функция ПИ-регулятора скорости:

 

При построении системы модели векторного управления необходимо также учесть компенсацию нелинейных обратных связей. Для этого воспользуемся векторной диаграммой двигателя (рис. 4) при ψ R = const и выразим потокосцепление в уравнениях равновесия статора через токи статора:

 

Рисунок 4. Векторная диаграмма АД при ψR = const

Подставляя найденные выражения  и  для ψSd , ψSq в уравнения равновесия ЭДС статора, получим систему уравнений

 

Анализируя полученную систему уравнений, видим, что в напряжении USq присутствует составляющая, зависящая от I Sd  , а в напряжении USd – составляющая, зависящая от I Sd . Следовательно, при синтезе системы управления между каналами регулирования составляющих I Sd и I Sq  будет существовать взаимовлияние. Каналы будут оказывать друг на друга возмущающее воздействие, особенно сильно проявляющееся в переходных режимах. Чтобы этого избежать, выполним компенсацию перекрестных связей и получим компенсирующие составляющие. Компенсационная составляющая канала управления по току I Sd

 

Компенсационная составляющая канала управления по току ISq

 

При реализации модели в MatLab/Simulink для компенсации перекрестных связей суммируем компенсационные составляющие с получаемыми на выходе регуляторов тока составляющими векторов статорного напряжения. При реализации векторного управления необходимо учесть, что при работе на номинальном напряжении с повышением частоты ограничивается предельно достижимый двигателем момент. Рассмотрим закон сохранения механической мощности при работе АД на различных скоростях:

 

Согласно выражению максимальный момент, который двигатель способен обеспечить, зависит от частоты и определяется следующим соотношением:

 

где Мн – номинальный момент двигателя; ωн – номинальная скорость двигателя.

Следовательно, в первом приближении можно считать, что зависимость момента от скорости вращения гиперболическая. Таким образом, ток реального силового преобразователя всегда ограничен предельным значением, связанным с его физической реализацией, поэтому необходимо ограничивать момент на уровне некоторого перегрузочного момента M max . Зная предельно допустимый ток силового преобразователя (I Smax), определим допустимый момент перегрузки:

 

 

Построение модели в имитационной среде Matlab/Simulink.

На рис. 5 представлена схем реализации расчета перегрузочного момента и ограничения момента в среде Matlab/Simulink.

 

Рисунок 5. Реализация ограничения момента

На рис. 6 представлена комплексная модель векторного управления асинхронным двигателем в пакете Matlab/Simulink.

 

Рисунок 6. Модель системы векторного управления АДв Matlab/Simulink.

Паспортные данные двигателя, используемого при моделировании, представлены в таблице. Параметры двигателя, используемые при моделировании

 

Графики переходных процессов по результатам имитационного моделирования представлены на рис. 7.

 

Рисунок 7. Результаты имитационного моделирования в Matlab/Simulink

На рис. 7 при рассмотрении сверху вниз первый график отражает изменение скорости, второй – электромагнитного момента, третий – статорных токов в трехфазной неподвижной системе координат. При моделировании в начальный момент времени задание скорости составляет 110 рад/с. Двигатель запускается вхолостую и выходит на эту скорость без нагрузки. После выхода на заданную скорость происходит наброс нагрузки в момент времени t = 1 с. Далее в момент времени t = 1,5 с происходит снижение задания скорости до 70 рад/с. И наконец, в момент времени 2,5 с происходит увеличение задания скорости до 80 рад/с. По графикам переходных процессов скорости, момента и токов (рис. 7) видно, как регуляторы качественно отрабатывают задающие и возмущающие воздействия. При этом, анализируя картину статорных токов в трехфазной неподвижной системе координат, видно, что токи имеют меньшую амплитуду при моменте двигателя, близком к моменту Mзад (заданному при расчете оптимального потокосцепления ротора), и большую амплитуду при увеличении разницы между моментом двигателя и Mзад. Таким образом, сначала при задании скорости ω = 110 рад/с и на сбросе нагрузке амплитуда статорных токов минимальна, а затем при снижении скорости ω = 70 рад/с разность между моментом двигателя и Mзад изменяется, что приводит к увеличению амплитуды статорных токов. Далее при увеличение скорости до ω = 80 рад/с сокращается разница между моментом двигателя и Mзад, что приводит к уменьшению амплитуды статорных токов. Из полученных результатов анализа графиков переходных процессов следует, что все расчеты были произведены правильно и векторная система управления (ВСУ) работает согласно настроенному критерию оптимизации. Данная ВСУ с косвенной ориентацией по потокосцеплению ротора может быть реализована на микроконтроллере для последующей оценки работоспособности системы на реальном АД. Заметим, что при получении результатов моделирования, отвечающих определенным требованиям, следует всегда помнить об адекватности модели и принятых допущениях. В ходе исследования в среде имитационного моделирования Matlab/Simulink реализована структура векторного управления асинхронным двигателем. Моделирование системы управления позволило сделать вывод об адекватности настройки регуляторов по параметрам схемы замещения двигателя, а также о правильной работе алгоритмов в блоках оценки потокосцепления ротора и ограничения момента. Моделирование векторной системы управления АД позволяет исключить ошибки и неточности при проектировании системы управления двигателем, а также произвести отладку алгоритмов управления во многих режимах работы системы управления.

Вывод. 

Рассмотренная в работе система векторного управления АД может быть использована для создания программной части системы управления частотно-регулируемым электроприводом в датчиковом режиме (с использованием энкодера или датчика Холла). Дальнейшее развитие данная система управления может получить добавлением алгоритмов идентификации параметров АД и реализацией бездатчикового управления.

Библиографический список:

1. Д.А. Даденков, Е.М. Солодкий, А.М. Шачков МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ В ПАКЕТЕ MATLAB/SIMULINK Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия 2014 г. - 128 с.
2. Кычкин А.В., Даденков Д.А., Билалов А.Б. Автоматизированная информационная система полунатурного моделирования статической нагрузки электроприводов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. – 2013. – № 8. – С. 73–83.
3. Качачев Ю.Н. Векторное регулирование (заметки практика) [Электронный ресурс]. – URL: http://www.privodews.ru/docs/Vector_Kalachev.pdf (дата обращения: 05.06.2017).
4. Казанцев В.П. Теория автоматического управления. Линейные системы управления: учеб. пособие. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2007.
5. Даденков Д.А., Шиляев Д.В. Сравнительный анализ методов синтеза систем регулирования скорости микроприводов постоянного тока // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные техно- логии, системы управления. – 2013. – Т. 1. – № 7. – С. 74–82.
6. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в МatLab 6.0: учеб. пособие. – СПб.: КОРОНА принт, 2001. – 320 с.
7. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами. – Л.: Энергоиздат, 1982.
8. Осипов П.А., Карякин А.Л. Метод измерения координат асинхронного электродвигателя в частотно регулируемом электроприводе механизмов карьерного экскаватора // Электротехника. – 2012. – № 9. – С. 18–21.
9. Проекты на микроконтроллерах AVR [Электронный ресурс]. http://avrproject.ru/ (дата обращения: 05.06.2017).
10. Браславский И.Я., Зюзев А.М., Нестеров К.Е. Асинхронный тиристорный электропривод с бездатчиковым измерителем скорости // Электромашиностроение и электрооборудование. – 2006. – № 66. – С. 35–36.




Рецензии:

10.06.2017, 20:17 Борисевич Алексей Валерьевич
Рецензия: Статья производит хорошее впечатление, написана технически корректно. Рассмотрена актуальная задача векторного управления асинхронным двигателем. В работе использованы современные средства моделирования. Недостаток который необходимо устранить перед публикацией: 1. нет ссылок на литературу (т.е. библиографический список присутствует, но в тексте он не используется). 2. в Keywords убеирте engine (это слово не относится к электродвигателям), напишите field oriented control (так называется то что у вас на рисунке 1). пс: возможно вас заинтересует моя книга по управлению АД, был бы рад если вы ее процитируете в этой или будущих работах :) Борисевич А. В. Энергосберегающее векторное управление асинхронными электродвигателями: обзор состояния и новые результаты /Борисевич А. В. // - М.: ИНФРА-М, 2015 . - 104 с. https://docs.google.com/viewer?a=v&pid=sites&srcid=ZGVmYXVsdGRvbWFpbnxha3BjODA2YXxneDoyMmNjMjEwMWJjM2U2ODYw



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 

Вверх