11.6.2. Система прямого управления моментом двигателя

В последнее время с развитием цифровых устройств обработки информации появился другой способ управления моментом двигателя, также основанный на векторном представлении электромагнитных величин, но алгоритм управления которого отличается от трансвекторного. Этот способ называется прямым управлением моментом. DTC (direct torque control); принцип такого управления был опубликован в 1985 г., и через 10 лет появились первые сообщения о промышленных образцах систем управления фирмы АВВ, использующих алгоритм DTC /31/.

Задачей прямого управления моментом является повышение быстродействия системы управления асинхронным двигателем. В отличие от систем трансвекторного управления, где изменение момента выполняется путем изменения тока статора, который, таким образом, является управляемой величиной, в системе с прямым управлением момента управляемой величиной является потокосцепление статора. Изменение потокосцепления достигается путем переключения ключей инвертора напряжения, от которого питается асинхронный двигатель.

В основу работы системы DTC положено уравнение электромагнитного момента асинхронного двигателя

, (11.25)

где - угол между обобщенными векторами потокосцеплений статора и ротора . Если модули векторов и поддерживать постоянными, то значением момента можно управлять, изменяя угол .

Рассмотрим схему, представленную на рис.11.10. Фазы статорной обмотки асинхронного двигателя подключены на источник постоянного напряжения через систему ключей К1-К6. Если одновременно замкнуть ключи К3,К2,К6, то к фазам обмотки статора будут приложены напряжения с мгновенными значениями , и . Напряжения , и образуют обобщенный вектор напряжения обмотки статора . Если теперь вместо ключей К3,К2,К6 замкнуть ключи К3,К2,К5, то вектор напряжения повернется на угол 60⁰ по часовой стрелке и займет положение и т. д. Таким образом, переключая ключи К1-К6 инвертора можно на обмотке статора сформировать восемь векторов напряжения статора , называемых базовыми. Причем, для поворота базового вектора напряжения необходимо переключить только один ключ инвертора. Векторы и называются нулевыми. Они получаются при замыкании ключей К1,К3,К5 и К2,К4,К6; в этом случае ток по обмоткам двигателя не потечет, что соответствует и .

Для того, чтобы связать уравнение момента двигателя со значением напряжения на обмотке статора воспользуемся (11.12),

.

Откуда . (11.26)

Асинхронный двигатель, как и всякая электрическая машина, является источником э.д.с., поэтому . Значит можно считать, что , или переходя к конечным разностям

. (11.27)

Таким образом, вектор приращения потокосцепления обмотки статора совпадает по направлению с вектором напряжения и пропорционален длительности его формирования .

В асинхронных двигателях постоянная времени обмотки ротора значительно больше, чем постоянная времени обмотки статора. Поэтому считается, что после коммутации ключей инвертора обобщенный вектор потокосцепления ротора не меняется и изменение момента двигателя . Поскольку в соответствии с (11.17) , то воздействуя на обобщенный вектор напряжения статора , можно поддерживать постоянное значение . При этом электромагнитный момент двигателя можно изменять так быстро, как только быстро можно изменять значение угла , т.е. переключать ключи К1-К6.

На рис. 11.22 показан обобщенный вектор потокосцепления статора , который в данный момент расположен в секторе I /32/. В процессе регулирования значения напряжение на обмотке статора может переключаться только в соответствии с базовыми векторами. Переключение происходит только тогда, когда момент двигателя или потокосцепление статора отличаются от заданного значения на величину, большую, чем допустимая ошибка.

Для того, чтобы показать, как переключение базовых векторов напряжений влияет на значение электромагнитного момента воспользуемся зависимостью (11.25), из которой следует, что при заданных значениях и момент возрастает, если возрастает угол между этими векторами, т.е. если вектор поворачивается по направлению вращения двигателя.

Пусть в текущий момент векторы и занимали положение, как показано на рис. 11.22; при этом угол между ними имеет значение . Перенесем диаграмму базовых векторов напряжения в конец вектора (кроме векторов и , т.к. при расположении вектора в секторе I их использование не дает однозначного решения при управлении моментом). Если теперь на фиксированное время замкнуть ключи К3,К2,К5, сформируется вектор . Это приведет к увеличению вектора потокосцепления обмотки статора на , в результате чего сформируется новый вектор . Одновременно увеличится угол , что приведет к возрастанию момента двигателя.

На рис. 11.22 каждый базовый вектор указывает на таблички, в которых отмечены знаки приращении потокосцепления обмотки статора и электромагнитного момента двигателя, в случае переключения схемы ключей на него. Например, если в данный момент времени велик, а мал, то ключи должны переключить схему на формирование вектора , что приведет к уменьшению потокосцепления статора и увеличению момента двигателя.

В том случае, если в текущий момент времени и соответствуют заданным значениям, обмотки статора замыкаются накоротко, формируя один из нулевых базовых векторов или . При этом, например, , т.е. вектор потокосцепления обмоток статора не изменит своего значения и направления, а это равносильно тому, что электромагнитный момент также не изменит своего значения. Выбор одного из двух нулевых векторов производится из условия коммутации минимального числа ключей инвертора при переходе к новому режиму управления.

Результат, полученный для сектора I диаграммы, может быть распространен на все другие секторы. В общем виде он может быть сформулирован следующим образом: электромагнитный момент двигателя увеличивается, когда вектор потокосцепления статора поворачивается по направлению вращения двигателя, и уменьшается при повороте этого вектора против направления вращения.

Таким образом, переключение ключей АИН должно осуществляться в зависимости от отклонения текущих значений и от их заданных значений и . Значения и рассчитываются моделью асинхронного двигателя по текущим значениям , , и , , . Выбор требуемой комбинации включения ключей инвертора производится в соответствии с таблицей оптимальных переключений. Входными величинами для таблицы служат выходные сигналы компаратора и компаратора (рис. 11.23). На входах компараторов формируются разности заданного и фактического (рассчитанного по модели) значений величин и . Выходной сигнал компаратора потокосцепления может принимать значения 1 или 0:

. (11.28)

Выходной сигнал компаратора момента может принимать значения 1,0,-1, т.к. требования к ошибке управления моментом гораздо выше, чем при управлении потокосцеплением:

(11.29)

Знак сигнала ошибки соответствует знаку требуемого приращения величины. На основании этих сигналов можно выбрать необходимую комбинацию включения ключей К1-К6. При этом будет сформирован базовый вектор напряжения, поддерживающий допустимые отклонения и . Выбор базового вектора, минимизирующего ошибку регулирования, выполняют в зависимости от текущего сектора расположения вектора (табл.11.2).

Таблица 11.2

Таблица формирования базовых векторов напряжений

Ошибка		Сектор расположения вектора
		I	II	III	IV	V	VI
+1	+1
	0
	-1
-1	+1
	0
	-1

В отличие от системы трансвекторного управления асинхронным двигателем, система прямого управления моментом не требует преобразования координат для описания его электромагнитных процессов.