Xreferat.com » Рефераты по физике » Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

border="0" />

Рис. 5.1


Все передаточные функции (ПФ) контура скорости разобьем на 2 части: ПФ регулятора и ПФ объекта.

Под объектом будем понимать все звенья, исключая регулятор:


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем. (5.0)

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем, (5.1)

где Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем. Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем


Регулятор скорости (РС) примем пропорционально-интегральным («ПИ»), наш РЭП примет астатический характер.

Зададимся передаточной функцией разомкнутой системы типа «2-1»:


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем. (5.2)


Отсюда можно найти в общем виде передаточную функцию РС:

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем. (5.3)


Отсюда можно записать:


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем. (5.4)


Здесь введено обозначение:


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем. (5.5)


Постоянная времени Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем определяется исходя из максимального быстродействия системы. Обычно принимают Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем, где Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем частота коммутации силовых ключей. В физических системах частота коммутации ключей ограничивается условиями нагрева и не выходит их диапазона Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем.

Примем Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем, тогда Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем.

Зададимся Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем, тогда Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Коэффициент усиления регулятора скорости:


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем.


ЛАЧХ и ЛФЧХ полученные при синтезе системы, приведены на рис. 5.2.

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Рис. 5.2

6. Моделирование вентильного двигателя


На рис. 6.1 приведена виртуальная модель РЭП синхронной машины, включенной по схеме вентильного двигателя, составленная в пакете Matlab 6.5.


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Рис. 6.1


Схема на рис. 6.1 содержит: двигатель трехфазный с постоянными магнитами на роторе (М2), схему управления инвертором (RRT), инвертор напряжения (Invertor1), путевой датчик фазовый ПДФ (PDF).


6.1 Датчик положения ротора


Рассмотрим структуру схемы по часовой стрелке, начиная с блока ПДФ, представленного на рис.6.2.

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Рис. 6.2

электропривод вентильный двигатель

Входной величиной для ПДФ является угол поворота вала двигателя, а выходным сигналом – вектор из шести единичных импульсов, сдвинутых друг относительно друга на 60 градусов (рис. 6.4). Это дает имитацию шести сигналов от чувствительных элементов, расположенных равномерно вдоль окружности и вырабатывающих импульсы в соответствии с пространственным расположением ротора. Так как ДПР реализован в виде конечного автомата, то для его работы необходим тактовый сигнал, который подается тактового генератора TG. Рассмотрим внутреннюю структуру датчика положения ротора (DPR).

Следует отметить, что ДПР реализован с помощью пакета моделирования Stateflow, который хорошо интегрируется с Simulink и входит в стандартный набор пакетов Matlab.

Пакет Stateflow задуман и предназначен для моделирования сложных систем управления с возможностью ветвления и образованием циклов [18]. Пакет оперирует событиями методом конечных автоматов. Автомат представляет собой звено, осуществляющее преобразование вектора входных переменных XIN в вектор выходных переменных XOUT. В пакете Stateflow автомат представляется в виде графа, в нашем примере граф представлен алгоритмом ДПР [6]. Более подробно о работе пакета Stateflow можно узнать на сайте разработчика Matlab или на русскоязычном форуме Matlab [19]. Достоинством этого способа реализации датчика положения является компактность схемы, простота реализации, прозрачность алгоритма, малая вычислительна нагрузка на ЭВМ. Дополнительное преимущество еще и в том, что алгоритм, реализованный в графе автомата, преобразуется в программный код языка высокого уровня (язык С), что окажется полезным при разработке алгоритма вычисления скорости, дискретного регулятора положения и скорости.

Автомат, представленный на рис. 6.3, имеет 6 состояний (рис. 6.4), в одном из которых автомат находится до тех пор, пока значение входной переменной a (угол поворота) не достигнет значения, при котором произойдет изменение сигналов на выходе датчика. Изменение сигналов на выходе датчика происходит в том случае, когда значение входной переменной a превысит значение величины Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем или станет меньше значения Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем.


6.2 Релейный регулятор тока RRT


Структурная схема RRT представлена на рис. 6.5.


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Рис. 6.5


При попытке применить один регулятор тока для всех трех фаз не привели к желаемым результатам, поэтому для каждой фазы принят свой регулятор. Векторный сигнал с датчика положения расщепляется на 6 компонентов, которые образуют разрешающие «единичные» сигналы для переключения ключей инвертора в соответствии с диаграммой работы коммутатора (рис. 6.6).


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Рис. 6.6


Диаграмма переключения ключей инвертора соответствует алгоритму коммутации коллектора двигателя постоянного тока.

Разрешающие сигналы переключения ключей умножаются с напряжением задания тока и поступают на один из входов релейного регулятора. На второй вход поступают токи обратной связи.


6.3 Инвертор напряжения


На рис. 6.7 представлена структурная схема и нумерация ключей инвертора напряжения.

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Рис. 6.7


В тиристорном ЭП по трехфазной мостовой схеме выпрямления переключение тиристоров при питании от сети 50 Гц происходит с угловой частотойИсследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем.

В транзисторных ЭП средняя частота переключений обычно находится в пределахИсследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем, при этом рабочая полоса пропускания частот в два раза ниже. При этом минимальная постоянная времени Т01 может приниматься Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем. Если частоту коммутации увеличить, то быстродействие также возрастет [8].

На рис. 6.8 представлены фазные напряжения статора двигателя.

Несинусоидальность выходного напряжения приводит к несинусоидальному характеру тока в статорных обмотках и пульсациям момента двигателя. Эти пульсации особенно сильно проявляются при пониженной частоте и небольшом моменте инерции механизма, который приводится в движение приводом. Тогда они вызывают неравномерность вращения, а иногда и возникновение шагового режима, когда двигатель вращается с остановками [14].

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Рис. 6.8


Таким образом, несинусоидальный характер напряжения на выходе выпрямителя накладывает ограничение на возможный диапазон регулирования скорости привода. Кроме того, наличие высших гармоник в кривой тока статора вызывает увеличение потерь энергии по сравнению по сравнению со случаем питания двигателя синусоидальным напряжением.

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Рис. 6.9


Также для сравнения на рис. 6.9 приведены линейные напряжения статора двигателя.


7. Анализ динамических свойств виртуальной модели вентильного двигателя


Для анализа динамических свойств виртуальной модели вентильного двигателя, кривые скорости Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем и момента Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем сняты на одном экране осциллографа (рис. 7.1).


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Рис. 7.1


Двигатель разгоняется при максимальном напряжении на номинальную скорость при отсутствии момента сопротивления, потом нагружается моментом, равным Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем.

Из осциллограмм момента и скорости двигателя видно, что момент двигателя не постоянен, и кроме пульсаций, обусловленных работой релейных регуляторов тока, имеет еще и пульсации, аналогичные пульсациям напряжения на выходе трехфазного мостового выпрямителя. Это объясняется тем, что при постоянном токе фазы I момент синхронного двигателя в функции поворота вала Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем изменяется по синусоиде. Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем где Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем - коэффициент пропорциональности между током и максимальным значением момента. При Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем, когда ось фазы совпадает с осью q, момент максимальный. Переключение фаз происходит при Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем и Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем. При этом Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем. Отсюда и соответствующие этому провалы в кривой момента [1]. Такая симметричная относительно максимума форма момента говорит о том, что ДПР настроен правильно. В данной модели подстройка ДПР производится заданием начального угла Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем, в реальном электроприводе – поворотом корпуса ДПР относительно корпуса двигателя.

При анализе влияния параметров двигателя на качество переходных процессов следует отметить, что при увеличении числа пар полюсов Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем уменьшается время разгона скорости до установившегося значения, т.к. увеличение Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем приводит к увеличению электромагнитного момента и динамического ускорения.

На рис. 7.2. представлена механическая характеристика РЭП на фазовой плоскости, построенная с помощью графопостроителя.


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Рис. 7.2


Она получается из временных зависимостей М(t) и w(t) путем исключения из них времени t. При разгоне ЭД годограф вектора электромеханической характеристики проходит последовательно через точки D, C и достигает точки А. Характеристика наглядно показывает динамику разгона двигателя. Также видно, что скорость устанавливается без перерегулирования на уровне расчетного значения.

Чтобы показать астатический характер РЭП, т.е. абсолютную жесткость электромеханической характеристики (неизменность скорости при изменении нагрузки), система была нагружена моментом сопротивления Мс=47, Нм через 0,07с после начала разгона (рис. 7.1). Из-за появления тока, обусловленного нагрузкой, в контуре тока возникает небольшое перерегулирование, что, тем не менее, не сказывается ощутимо на просадке скорости (рис.7.2). Годограф вектора переходит из точки А в точку В.

Очевидно, что точки А, В, С лежат на одном уровне, параллельном оси абсцисс и равном расчетному значению скорости.


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Рис. 7.3

На рис. 7.3 и рис. 7.4 приведены диаграммы реверса вентильного двигателя.

Следует отметить высокое быстродействие регулируемого привода, зависящего от настройки контура скорости. Высокие динамические свойства вентильного двигателя по сравнению ДПТ с тиристорным управлением достигаются за счет использования безынерционного контура тока. Это достигается его линеаризацией, которая проведена с помощью параллельного включения в линейную часть контура ускоряющего элемента (рис. 6.5).


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Рис. 7.4

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Рис. 7.5


При рассмотрении вентильной машины во вращающейся системе координат Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем, можно заметить, что при постоянном потоке возбуждения электромагнитный момент двигателя однозначно определяется поперечной составляющей тока Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем подвижной системы координат (рис. 7.5).

Продольная составляющая тока Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем не создает полезного момента, вызывает потребление реактивной энергии и с экономической точки зрения вызывает лишь дополнительные потери в виде нагрева двигателя [15]. Наличие реактивного тока связано с эквивалентной постоянной времени статорной цепи Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем и перекрестными связями между продольной и поперечной осями двигателя.

В действительности она больше нуля всегда, что вызывает появление тока Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем. Устранения потерь добиваются включением в контур реактивного тока Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем дополнительного регулятора тока [15].

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Рис. 7.6


Реактивный ток затрачивается на возбуждение машины (рис. 7.5), который быстро спадает при выходе двигателя на установившуюся скорость. Отметим еще раз, что при появлении нагрузки возникновение реактивного тока неизбежно.

На рис. 7.6 показаны также напряжения статора вентильного двигателя в координатах d,q,0.

На рис. 7.7 изображена диаграмма отработки привода с вентильным двигателем «малого» задания скорости, Uзс=0.01,В.


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Рис. 7.7


Регулятор скорости не заходит в ограничение. Скорость ротора устанавливается без перерегулирования, ток не достигает своего максимального значения.

Наличие высших гармоник, наложенных на основные измеряемые координаты связано дискретными сигналами управления релейного регулятора тока.


8. Бездатчиковое определение скорости вентильного двигателя


В большинстве приложений, где необходимо получение хороших характеристик электропривода при минимальной его стоимости, наибольший интерес вызывают схемы бездатчикового векторного управления. Прежде всего - это атомная энергетика, в частности, перегрузочные роботы, где необходим более высокий (до 50:1) диапазон регулирования скорости и по условиям технологии исключается возможность установки датчика положения на вал ротора двигателя. К подобным системам управления (СУ) предъявляются также повышенные требования по диапазону регулирования электромагнитного момента - до 10:1.

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 Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем определяется выражением:


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем (8.0)


где

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем - потокосцепления статора в неподвижной системе координат.

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем - число полюсов двигателя.

Структурная схема электропривода с бездатчиковым определением скорости приведена на рис. 8.1.


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Рис. 8.1


Вычисление скорости производится в блоке W_Solve, изображенной на рис. 8.2.


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

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.


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем или Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем. (8.1)


Структура преобразователя координат (ABC – ab), собранного по формулам (8.1) приведена на рис.8.3.


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Рис. 8.3


На рис. 8.4 изображены напряжения и токи статора двигателя в неподвижной системе координат после фильтрации высоких частот.


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Рис. 8.4

Производные потокосцеплений статора двигателя в неподвижной системе координат приведены на рис. 8.5.


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Рис. 8.5


На рис. 8.6 изображены конечные сигналы, участвующие в вычислении скорости, а также скорость двигателя при бездатчиковом определении (рис. 8.7).


Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

Рис. 8.6

Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем

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]:

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.

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.

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


Донской Н.В. Регулируемые электроприводы переменного тока/ - Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2007. – 204 с.

Цыпкин Я. З. Релейные автоматические системы. Главная редакция физико-математической литературы, изд-во «Наука», М., 1974, 576 стр.

Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием: учебник для студ. высш. учеб. заведен. М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 272с.

Анхимюк В., Опейко О.Ф. Проектирование систем автоматического управления электроприводами: Учеб. пособие для вузов.: Мн.: Высш. шк., 1986г – 143 с

Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами: Учеб. пособие для вузов.: -Л.: Энергоиздат, Ленингр. отд-ие, 1982г – 392 с.

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.

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.

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

Joachim Holtz. Sensorless Control of Induction Motor Drive. - Fellow, IEEE, Vol .90, No.8, Aug.2002 – Germany.

Kim Gauen and Jade Alberkrack. Three Piece Solution for Brushless Motor Controller Design. July, 2005− Rev. 5

J. P. Johnson, M. Ehsani, and Y. Guzelgunler. "Review of sensorless methods for brushless DC," presented at 1999 IEEE Industry Applications Conference, 1999.

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.

SimPowerSystemsTM Release Notes.

Binns K.J.; Sneyers B.;

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту

Похожие рефераты: