Виртуальным электропривод переменного тока с векторным управлением

Разработка на основе инвертора с широтно-импульсной модуляцией

Реализация источника питания инвертора в виде батареи

Ещё раз обратим пристальное внимание на блочную схему электропривода переменного тока (рис. 1.79). Укажем основные элементы электропривода: асинхронный короткозамкнутый двигатель, инвертор (преобразователь частоты), источник питания инвертора и схема векторного управления (регуляторы, преобразователи координат и фаз, вычислитель частоты вращения системы координат и частоты инвертора, модели структурных элементов двигателя, информация о которых недоступна для прямого или косвенного измерения).

Рис. 5.1. Модель электропривода с векторным управлением (Fig5₀₁)

На рис. 5.1 приведена схема модели электропривода с векторным управлением. Все составляющие электропривода представлены, кроме источника питания инвертора. В качестве источника питания использован идеальный элемент — батарея (аккумулятор), способный отдавать энергию и принимать се.

На рис. 5.2 показаны установленные параметры асинхронного двигателя и трёхфазного инвертора. Напряжение питания инвертора принято 600 В, которое обеспечивает элемент VDC. Задание скорости обеспечивает блок Discrete Timer2, установка нагрузки осуществляется двумя блоками: Discrete Timer — установка реактивной нагрузки и Discrete Timer1 - ввод активной нагрузки. Параметры цепей обратных связей по частоте вращения и току приняты расчётными.

Рис. 5.2. Окна ввода параметров двигателя и инвертора

Процесс моделирования в данной модели принят с фиксированным шагом с использованием комбинированной решающей программы. Шаг моделирования Ts задаётся в специальном блоке Powergui. В связи с этим форма представления настроек блоков модели спецефична и в окне Sample (Sampling) Time необходимо указывать символ Ts. Кроме того, для ускорения решения может быть использована процедура Accelerator. После включения моделирования Simulink создаёт дополнительный файл, на что используется время.

Для визуализации результатов моделирования используется осциллограф Scope.

Рис. 5.3. Модель схемы управления приводом Vektor Control

Центральным звеном электропривода является схема векторного управления, модель которой представлена на рис. 5.3.

Часть элементов схемы нам уже знакома: это регуляторы тока, потока и скорости, показанные на рис. 5.4 и 5.5. Отличие этих моделей регуляторов от ранее использованных состоит в применении дискретных интеграторов и заполнении окна Sampling time символом Ts. Основные (все) значения параметров регуляторов занесены без изменения.

Рис. 5.4. Окна ввода параметров регуляторов тока

На блок Vector Control (см. рис. 5.3) от двигателя поступают два сигнала, доступные для измерения — трёхфазный ток статора и частота вращения ротора. Остальные сигналы вычисляет схема векторного управления. Прежде всего, должна быть вычислена частота вращения координат со_к (частота инвертора) и текущий угол поворота координат у. Эту функцию выполняет блок Gamma Calculation, схема модели которого показана на рис. 5.6.

Рис. 5.5. Окна ввода параметров регуляторов потока и скорости

Рис. 5.6. Схема модели блока Gamma Calculation

Блок реализует два уравнения (4.9) и (4.7). Так как уравнения записаны в абсолютных единицах, а со_т действует в схеме в машинных единицах, то на входе со_т (рис. 5.6) появился усилитель с коэффициентом усиления 10. По этой же причине появился усилитель на входе /у с коэффициентом усиления 1/0,66. Угол поворота системы координат формирует дискретный интегратор, в схеме управления интегратором предусмотрен сброс выходного напряжения интегратора до нулевого уровня при достижении значения 2к.

Далее, регуляторы тока в контурах потока и скорости вырабатывают задание на ток статора двигателя в двух фазах и во вращающейся системе координат. Необходимо перевести задание регуляторов в неподвижную систему координат и представить сигнал трёхфазным. Эту задачу выполняет блок ху to ABC conversion. В одном блоке совмещены два упомянутые выше преобразователя (рис. 5.7).

Преобразования идут в машинных единицах, поэтому масштабные коэффициенты не вводятся. На выходе блока имеем трёхфазное задание на требуемой текущей частоте работы инвертора.

Рис. 5.8. Окно ввода параметров блока Discrete PWM Generator 1

Трёхфазный сигнал задания, требуемой частоты и амплитуды тока статора с максимальным значением ±10 машинных единиц (вольт), поступает в блок управления инвертором Discrete PWM Generator 1, у которого максимальный входной сигнал ±1 В. Поэтому для согласования уровней сигналов блоков введён масштабный усилитель с коэффициентом усиления 0,1. Окно установки параметров блока управления инвертором показано на рис. 5.8. Особенностью схемы управления инвертором является задание несущей частоты 1250 Гц, в два раза меньшего значения частоты коммутации (пульсаций). Максимальное значение амплитуды входного сигнала задания любой полярности 1 В.

Выходные сигналы блока Discrete PWM Generatorl обеспечивают управление шестью транзисторами инвертора (тремя парами транзисторов), упакованы в микропроцессорную шину и обеспечивают несимметричное управление по ШИМ-закону.

Инвертор отрабатывает задание: на обмотках двигателя появляется напряжение и ток. Управление токовое, поэтому регуляторы тока управляют токами статора по осям х и у таким образом, что бы быстрее отработать задание при ограничении тока на допустимом уровне.

Сигнал обратной связи по действительному току статора, квантованный и задержанный после обработки на оговоренные ранее значения, поступает на блок ABC to ху conversion и преобразуется в двухфазный и переводится во вращающуюся систему координат. Схема модели блока показана на рис. 5.9. Преобразования осуществляются в машинных единицах.

Рис. 5.9. Схема модели блока ABC to ху conversion

Полученные после выработки сигналы обратных связей по току (по своим осям), квантованные по уровню и задержанные на время обработки, поступают в цепь сравнения с заданными значениями на регуляторы тока.

Так как элементов обратной связи по магнитному потоку нет, то приходится цепь намагничивания двигателя моделировать по данным расчёта схемы замещения. Схема модели цепи намагничивания двигателя представлена на рис. 5.10.

Модель составлена в соответствии с выражением (4.10). Единственное различие состоит в наличии коэффициента обратной связи, чтобы перевести машинный ток Isx в абсолютный. Сигнал, сформированный на выходе этого блока, используется как обратная связь по потоку в контуре потока. Квантование и запаздывание, введённые в цепь обратной связи, характеризуют затраты времени на обсчёт модели с определённой точностью.

Рис. 5.10. Схема модели цепи намагничивания двигателя

И, наконец, последний блок Edit Scope, входящий в схему векторного управления приводом Vector Control. Этот блок позволяет открыть главное меню графической диаграммы, создаваемой в процессе моделирования. Главное меню открывает все предусмотренные Simulink возможности редактирования и обработки созданной диаграммы. Для вызова меню необходимо до моделирования вызвать пустой экран Scope и произвести моделирование. На экране появляется изображение результата моделирования и главное меню.

Все предварительные обсуждения закончены, переходим к моделированию. На рис. 5.11 и 5.12 продемонстрированы результаты пуска привода с векторным управлением на номинальную (максимальную) частоту вращения ±100 1/с. Привод, в целом, удовлетворительно справился с поставленной задачей.

Привод чётко отрабатывает заданную частоту вращения, но пусковой момент (а, следовательно, и пусковой ток) во время пуска несколько непостоянен. Поток ведёт себя нормально, внутренние возмущения существенно не проявляются. Такой же вывод можно сделать, анализируя процессы пуска и реверса на частоту вращения ±50 1/с (см. рис. 5.13 и 5.14).

Анализируя работу привода на малой частоте вращения (см. рис. 5.15 и 5.16), можно утверждать, что такой электропривод выполняет все функции: четко формирует заданную частоту вращения, восстанавливает заданную частоту вращения после возмущений по нагрузке (момент реактивный не превышал номинальное значение). Разработанный электропривод можно реализовать, если расчетные операции нс будут прсвы;

шать по времени введённых значений и при обработке информации будут применены АЦП и ЦАП соответствующей разрядности.

Рис. 5.11. Пуск и реверс привода с векторным управлением на ±100 1/с с различным порядком действия реактивных нагрузок

Рис. 5.12. Пуск и реверс привода с векторным управлением на ±100 1/с с различным порядком действия реактивных нагрузок

Рис. 5.13. Пуск и реверс привода с векторным управлением на ±50 1/с с различным порядком действия реактивных нагрузок

Рис. 5.14. Пуск и реверс привода с векторным управлением на ±50 1/с с различным порядком действия реактивных нагрузок

Рис. 5.15. Пуск и реверс привода с векторным управлением на ±0,01 1/с с различным порядком действия реактивных нагрузок

Рис. 5.16. Пуск и реверс привода с векторным управлением на ±0,01 1/с с различным порядком действия реактивных нагрузок