5.2Разработка на основе инвертора с релейным управлением
5.2.1Реализация источника питания инвертора в виде батареи
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).
На рисунке 5.24 приведена схема модели электропривода с векторным управлением. Все составляющие электропривода представлены, кроме источника питания инвертора. В качестве источника питания использован идеальный элемент – батарея (аккумулятор), способные отдавать энергию и принимать её.
Рисунок 5.311 – Схема модели электропривода с векторным управлением (Fig5_24)
Рисунок 5.312 – Окна ввода параметров двигателя и инвертора
На рисунке 5.25 показаны установленные параметры асинхронного двигателя и трёхфазного инвертора. Напряжение питания инвертора принято 600В, которое обеспечивает элемент VDC. Задание скорости обеспечивает блок Speed, установка нагрузки осуществляется блоком Torque. Параметры цепей обратных связей по частоте вращения и току приняты расчётными.
Процесс моделирования в данной модели принят с фиксированным шагом с использованием дискретной решающей программы. Шаг моделирования Ts задаётся в специальном окне, доступ к которому возможен при обращении к главному меню (File Model Properties Callbacks). В связи с этим форма представления настроек блоков модели спецефична и в окне Sample (Sampling) Time необходимо указывать символ Ts. Соответствующие перестройки были выполнены. Кроме того, для ускорения решения использована процедура Accelerator. Перед началом моделирования Simulink создаёт дополнительный файл, на что используется время.
Для визуализации результатов моделирования используется осциллограф Scope.
Центральным звеном электропривода является схема векторного управления, модель которой представлена на рисунке 5.26.
Рисунок 5.313 – Модель схемы управления приводом Vektor Control
Часть элементов схемы нам уже знакома – это регуляторы потока и скорости, окна настройки которых показаны на рисунке 5.27.
Рисунок 5.314 – Окна ввода параметров регуляторов потока и скорости
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.
На блок Vector Control (см. рисунок 5.26) 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 (частота инвертора) и текущий угол поворота координат . Эту функцию выполняет блок Gamma Calculation, схема модели которого показана на рисунке 5.28.
Рисунок 5.315 – Схема модели блока Gamma Calculation
Блок реализует два уравнения (4.9) и (4.7). Так как уравнения записаны в абсолютных единицах, а действует в схеме в машинных единицах, то на входе (рисунок 5.28) появился усилитель с коэффициентом усиления 10. По этой же причине появился усилитель на входе Iy с коэффициентом усиления 1/0,66. Угол поворота система координат формирует дискретный интегратор, в схеме управления интегратором предусмотрен сброс выходного напряжения интегратора до нулевого уровня при достижении значения .
Далее, регуляторы потока и скорости вырабатывают задание на ток статора двигателя в двух фазах во вращающейся системе координат. Необходимо перевести задание в неподвижную систему и представить сигнал трёхфазным. Эту задачу выполняет блок xy to ABC conversion. В одном блоке совмещены два упомянутые выше преобразователя (рисунок 5.29).
Рисунок 5.316 – Схема модели блока xy to ABC conversion
Преобразования идут в машинных единицах, поэтому масштабные коэффициенты не вводятся. На выходе блока имеем трёхфазное задание на требуемой текущей частоте работы инвертора. Трёхфазный сигнал задания, требуемой частоты и амплитуды тока статора, поступает на релейный блок управления инвертором (регулятор тока) Current Regulator. Окно установки параметров релейного регулятора тока показано на рисунке 5.30.
Рисунок 5.317 – Окно ввода параметров блока Current Regulator
Максимальное значение амплитуды входного сигнала задания любой полярности 10В. Задание релейному регулятору тока Current Regulator ±0,2В в машинных единицах (рисунок 5.30). Пульсации тока составляют около 0,6А при частоте, близкой к 2500Гц.
Выходные сигналы блока Current Regulator обеспечивают управление шестью транзисторами инвертора и упакованы в микропроцессорную шину.
Инвертор отрабатывает задание: на обмотках двигателя появляется напряжение и ток. Сигнал обратной связи по действительному току статора, квантованный и задержанный после обработки на оговоренные ранее значения, поступает на релейный регулятор тока Current Regulator и начинает отрабатываться ток статора. Сигнал действительного значения трёхфазного тока статора поступает так же на блок ABC to xy conversion, преобразуется в двухфазный и переводится во вращающуюся систему координат. Схема модели блока показана на рисунке 5.31. Преобразования осуществляются в машинных единицах.
Рисунок 5.318 – Схема модели блока ABC to xy conversion
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 рисунке 5.32.
Рисунок 5.319 – Схема модели цепи намагничивания двигателя
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.
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.
Рисунок 5.320 – Пуск и реверс привода с векторным управлением на ±100 1/с с различным порядком действия реактивных нагрузок
Рисунок 5.321 - Пуск и реверс привода с векторным управлением на ±100 1/с с различным порядком действия реактивных нагрузок
Рисунок 5.322 - Пуск и реверс привода с векторным управлением на ±50 1/с с различным порядком действия реактивных нагрузок
Рисунок 5.323 - Пуск и реверс привода с векторным управлением на ±50 1/с с различным порядком действия реактивных нагрузок
Рисунок 5.324 - Пуск и реверс привода с векторным управлением на ±0,01 1/с с различным порядком действия реактивных нагрузок
Рисунок 5.325 - Пуск и реверс привода с векторным управлением на ±0,01 1/с с различным порядком действия реактивных нагрузок
Все предварительные обсуждения закончены, переходим к моделированию. На рисунках 5.33 и 5.34 продемонстрированы результаты пуска привода с векторным управлением на номинальную (максимальную) частоту вращения ±100 1/с. Привод чётко справился с поставленной задачей. Снижение пускового момента при выходе на номинальную частоту вращения обусловлено отсутствием запаса по напряжению на инверторе. 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. рисунки 5.35 и 5.36).
Анализируя работу привода на малой частоте вращения (см. рисунки 5.37 и 5.38), 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 не будут превышать по времени введённых значений и при обработке информации будут применены АЦП и ЦАП соответствующей разрядности.