Векторные взаимодействия в координатах вектора тока ротора характеризуются зависимостью дифференциальных уравнений от произведения индуктивности на величину скольжения вектора тока ротора .

Из этих дифференциальных уравнений получены выражения для статики:

Векторные взаимодействия в координатах вектора напряжения

При ограничении напряжения , а также в разработанном способе управ-ления вектором напряжения момента применены уравнения в координатах :

(36)

В этих уравнениях токи , определяются в функции .

Векторные взаимодействия в координатах ротора d,q рассмотрены с точки зрения реализации векторного наблюдателя и векторного регулятора

Векторные взаимодействия в неподвижных координатах и a, b, c рассматриваются как наиболее рациональные для применения в векторном наблюдателе (рис.1) при вычислении эдс , по измеренным токам и напряжениям и вычислении потокосцеплений по текущим величинам эдс:

(38)

Предложенный в главе 4 комплекс математических уравнений динамики и статики в восьми системах координат (включая неподвижные координаты и a,b,c) содержит множество новых фазовых закономерностей и физических положений, которые использованы в качестве математической основы синтеза законов, способов и систем векторного и оптимального векторного управления асинхронным электроприводом, а также для оптимизационного проектирования и исследования режимов асинхронных двигателей.

В главе 4 предложена векторная теория асинхронного электродвигателя, основанная на изложенной теории векторных взаимодействий.

Путем эквивалентирования решений, полученных в главе 3 для 8 разных систем координат с одинаковыми для всех координат величинами фазовых углов и модулей векторов, разработана векторная теория асинхронного электродвигателя, включающая 6 разделов и 17 положений с приведенными доказательствами. В разделе фазовых уравнений приведены соотношения углов фазовых смещений векторов из векторной диаграммы моментообразующих векторов (рис. 2):

, =, , .

, , . (39)

, .

Доказана справедливость для статики новых положений и закономерностей:

, ,

. (40)

В разделе частотно-фазовых уравнений для динамики и статики приведены зависимости фаз, скольжения и напряжения в динамике и в статике от частоты, позволяющие осуществлять взаимный переход фазовых и частотных зависимостей.

Получены связи между модулями векторов и фазовых углов:

(41)

В векторной теории нелинейного магнитопровода доказано, что закономерности изменений всех индуктивностей при насыщении в статике определяются соотношениями фаз и модулей векторов без использования характеристики намагничивания:

, .

, , (42)

Все изменяемые индуктивности ,, определяются из (42) без привлечения сопротивлений двигателя и кривой намагничивания, что создает основу для непараметрической векторной теории асинхронного двигателя и непараметрического синтеза законов и способов векторного управления при насыщении.

В разделе скалярных уравнений статики доказаны новые соотношения:

,

.

, (43)

В разделе векторных уравнений и ограничений доказаны связи с ,,:

,

, (44)

а также необходимые при оптимизации фазовые уравнения момента для статики:

, (45)

, (46)

, (47)

Множество эквивалентных новых уравнений для момента объединяет все полученные векторные уравнения в единую векторную теорию асинхронного двигателя.

Теория справедлива в области существования переменных по уравнениям (28)-(30),(41),(43), из которых получен комплекс фазовых и модульных ограничений:

, . ,

, (48)

Предложенная векторная теория АД применима для оптимизации фазовых законов управления электроприводом и проектирования специальных двигателей.

Экспериментально подтверждена достоверность векторной теории для серийных и специальных асинхронных электродвигателей (рис. 5-6).

Спроектированный специальный тяговый двигатель ТАД с Гц Тл при выполнении (1),(13) имеет существенно повышенные диапазоны регулирования магнитного потока до =1,05 Тл и момента до до критического значения , равного 60 градусам для всех типов двигателей.

Для ТАД четырехкратный момент 4Mn достигается при малой форсировке тока 2,5Isn, что достигается за счет повышения эффективности оптимального векторного управления по закону от 43 до 60 градусов (рис. 6).

Угол фазового сдвига вектора тока относительно вектора регулируется от 45 до 70 градусов, что обеспечивает условия фазовой устойчивости (13).

Установлено, что момент и поток имеют предельные значения (рис. 5, 6), определяемые условием фазовой устойчивости их воспроизведения (13) при предельном насыщении магнитопровода, выше которого инвариантное управление моментом (1) невозможно при любой величине тока статора (рис. 5). векторный управление привод переменный ток

Физически это объясняется тем, что для получения максимального момента при ограничении тока необходимо увеличивать не только угол фазового смешении тока относительно потокосцепления, но и насыщение магнитопровода (рис. 5-6), что приводит к резкому снижению индуктивности (рис. 4) и увеличению углов фазового смещения векторов потокосцеплений, в результате чего резко снижается запас фазовой устойчивости до предельных значений для суммы углов по условию (13).

Совместное действие регулятора скорости и векторного регулятора (рис. 1) вызывает в системе отклонения и автоматическую компенсацию отклонений векторных параметров, поэтому основой синтеза является принцип векторного управления динамикой, а понятие «статика» относится к квазистационарным режимам привода в границах фазовой устойчивости (13), общих для динамики и статики.

Рис. 5. Расчетные и экспериментальные зависимости момента от потокосцепления при заданных токах для специального высокочастотного асинхронного двигателя ТАД с номинальной индукцией 0,53 Тл и серийного асинхронного двигателя АИС71

Условия совместимости в статике и динамике фазовых законов для вектора тока статора выполняются тем, что в отличие от коллекторных приводов постоянного тока с постоянным углом смещения вектора тока в асинхронном приводе предложено широко изменять угол фазового смещения вектора тока относительно потокосцепления в функции текущей величины момента двигателя, но независимо от того, относится ли эта величина момента к статическим или динамическим режимам работы.

Это дает возможность определять фазовый закон динамики из режимов статики

В главе 5 предложено оптимальное векторное управления асинхронным электроприводом в постановке задачи двух неопределенностей с оптимизацией фазовых углов и насыщения магнитопровода двигателя в максимально возможных диапазонах изменения момента и скорости по критериям, изложенным в главах 1-3.

С применением полученных в главах 4,5 новых уравнений исследованы фазовые ограничения и фазовые условия режимов минимума тока и потерь, максимума момента и насыщения. Получена сходимость расчетов с экспериментами (рис. 6).

Рис. 6, 7. Ток и оптимальное фазовое смещения тока при векторном управлении насыщением по фазовому закону по критерию максимума отношения момента к току М/Is для специального асинхронного двигателя ТАД

Поставлена и решена задача определения оптимальной частоты для максимальной выходной мощности при ограничении греющих потерь.

Предложенным методом оптимизации установлено, что при изменении потока существует максимум максимальной мощности при оптимальной частоте и скорости. Для исследуемого двигателя с номинальной частотой 50 Гц найдена оптимальная частота , = 107 Гц, при которой достигнута максимальная механическая мощность выше номинальной величины на 40% при номинальных греющих потерях в двигателе. Кпд для данного двигателя превышает номинальный кпд на 4% за счет оптимизации потока и частоты (рис. 8).

Достоверность совпадения расчетов с экспериментом (рис.6,8) подтверждены зарубежной экспертизой и в статье, опубликованной в швейцарском журнале [11].

Рис. 8. Оптимальные режимы максимального момента и максимальной выходной мощности с номинальными суммарными потерями при изменении частоты [11]

Эти результаты использованы при создании специальных высокочастотных асинхронных двигателей для асинхронных приводов роботов и электромобилей.

Поставлена и решена актуальная задача оптимизации по максимуму момента. Оптимальное управление по критерию максимума электромеханического коэффициента Kэм = M/Is при высоких перегрузках Мmax дает наибольший эффект в нижнем диапазоне регулирования скорости .

Вначале максимум момента при заданном токе статора определяется для статики при изменении индуктивностей (5) из полученного нового уравнения, не требующего определения скольжения и не зависящего от активных сопротивлений:

, (49)

Закон оптимального по критерию М/Ismax управления напряжением и частотой, опубликованный автором в 1970 году [10] и подтвержденный многими экспериментами, определяет для асинхронного двигателя оптимальную статическую зависимость напряжения в функции частоты и момента по критериям минимума тока при заданном моменте и максимума момента при заданном токе статора.

. (50)

Экспериментальное подтверждение закона (50) и зависимостей по рис. 7, 9 получено в работе [11]. Закон (50), справедливый для статических режимов, в динамике корректируется по закону (21) с учетом изменения потокосцепления.

Рис. 9. Закон оптимального управления напряжением = U/U_n в функции частоты = f_1/ f_1n и момента = M/M_n по уравнению (50). = _opt - режим нулевой скорости [10].

Разработан векторный метод оптимизации динамики асинхронного электропривода, заключающийся в том, что экстремумы целевых функций векторного управления в динамике определяются при условиях воспроизведения момента в динамике и сходимости с условиями оптимизации статики. Для отработки скачка момента с заданным начальным потокосцеплением mopto(Mo), необходимо скачкообразное приращение ортофазного тока как единственного решения для выполнения условия воспроизведения M(t) при заданном потоке mopto(Mo).

В координатах вектора скачок ортофазного тока определяется отношением требуемого момента к начальной (предыдущей) величине потокосцепления

. (51)

В координатах ортофазный и синфазный токи изменяются по закону:

,

, (52)

Оптимальное потокосцепление определяется законом фазового смещения :

, (53)

откуда после преобразований получен оптимальный переходный процесс

, . (54)

Полученное решение (54) показывает: оптимальное векторное управление увеличивает быстродействие изменения потокосцепления в два раза (/2).

Оптимальное векторное управление полем при отработке скачка момента происходит с противоположным изменением величин токов и потокосцеплений.

Физически это означает, что при оптимальном процессе необходимо форсировать синфазный и ортофазный токи (51), (52) с последующим их спаданием по мере нарастания потока по (53). (54) до нового установившегося значения. При этом фазовые условия оптимальности для динамики и статики совпадают.

Разработан аналитический метод оптимизации фазовых законов управления, с применением которого найдены аналитические законы оптимального векторного управления в динамике и в статике по критерию максимума момента M /Is.

В отличие от известных задач оптимизации, данный многосвязный объект для одного и того же критерия оптимальности требует отыскания экстремумов несколько целевых функций с разными переменными и ограничениями.

Из уравнений в главе 5 и условия начального участка линейной характеристики намагничивания найден экстремум целевой функции фазового угла по критерию максимума момента Mmax при заданном токе Is:

при . (55)

. (56)

, (57) (58)

Следовательно, максимум отношения момента к току при условиях линейности характеристики намагничивания и постоянства достигается при законе постоянства угла фазового смещения вектора тока статора на уровне

45 градусов, что предложено в патентах [23-30]:

, (59) (60)

Вводится вторая целевая функция и методом Лагранжа находится экстремум M /Is для начальных условий оптимума (58)-(60) и функции насыщения :

(61)

Получены экстремали в функции тока намагничивания при изменяемых индуктивностях Lm(Im),Lr(Im) и постоянных их начальных величинах Lmo, Lro:

. (62)

. (63)

Условия воспроизведения момента (1), (13) при фазовой совместимости оптимального закона в статике и динамике соблюдается при реализации закона (64).

Получен оптимальный по критерию закон для конечной величины тока намагничивания в динамике, соответствующий оптимальному закону в статике:

, (65)

Достоверность и точность полученных в аналитической форме законов оптимального векторного управления (62)-(65) подтверждены расчетами, моделированием и экспериментальными данными (рис.5,6) для различных типов двигателей.

Максимум коэффициента электромеханической связи для статки достигается при токе намагничивания, пропорциональном корню квадратному из момента согласно закону (65), а для инвариантного воспроизведения максимального момента в динамике необходимо форсировать потокосцепление по закону (54) при форсировках тока по закону (51)-(52). Для этого в статике и в динамике необходимо воспроизводить оптимальный фазовый закон управления из (51),(52), (64).

При таком оптимальном управлении полем синфазный ток статора в динамике изменяется обратно пропорционально текущей величине потокосцепления [23-30].

При ограничении тока ограничение сверху накладывается на ортофазный ток, а синфазный ток изменяется по оптимальному закону лишь с ограничением снизу:

при (66)

Установлено, что возрастание потока с насыщением магнитопровода ограничено предельной величиной по условиям фазовой устойчивости (13), при этом максимальное фазовое смещение тока статора относительно 75 градусов, относительно 60 градусов, максимальный фазовый сдвиг потокосцеплений составляет 15 градусов (рис.10), а максимальная индукция - 1,05 Тл.

Установлено, что при токах ниже паспортных пусковых значений существует предельное значение воспроизводимого максимального момента Мmax: для серийных двигателей Мпред = (5-7)Мн, для специальных двигателей Мпред до 10Мн.

В результате оптимального насыщения при форсировках момента падают величины индуктивностей и пропорциональные им постоянные времени процессов оптимального изменения потокосцеплений, что в 4 раза увеличивает быстродействие при оптимальных форсировках потока по уравнению (54) до Tro/4.

Оптимальный фазовый угол изменяется в пределах .

Критический и оптимальный фазовые углы равны при предельном моменте Мпред. Область оптимального векторного управления показана на рис. 10 левой полуплоскостью относительно линии предельного момента Мпред.

Углы ,(M) монотонно нарастают с ростом момента, причем наибольшее изменение оптимального угла (до 30 градусов) испытывает угол (M).

Оптимальные фазовые углы имеют общие закономерности и пределы изменения независимо от типа, параметров и мощности асинхронного двигателя:

угол (M) в динамике и в статике изменяется в пределах 45-75 градусов;

угол (M) в динамике и в статике изменяется в пределах 43-60 градусов;

угол (M) в статике устанавливается в пределах от 1-5 до 15 градусов по закону (63), в динамике изменяется (t) в функции от по уравнению (54).

Наибольшая эффективность оптимального векторного управления достигается для специальных асинхронных двигателей, спроектированных на оптимальную номинальную частоту выше 100-200 Гц с пониженной номинальной индукцией.

Приведенные на рис. 10 фазовые законы оптимального векторного управления являются типичными для асинхронных двигателей, но кратности форсировки тока намагничивания и потока различны и зависят от номинальной индукции двигателя.

Для серийных двигателей форсировки для Im рациональны до 2-3, для М до 4,5-6 от номинальных значений, для специальных - для Im до 5-6, для М до 10.

Критические фазовые углы определяют область фазовой устойчивости (рис. 10). Точки пересечение оптимальной зависимости с означают минимальные значения оптимального угла в режимах до М = .

Снижение начального тока возбуждения до 0.5Imn уменьшает потери на возбуждение в 4 раза и позволяет получить 4-6-кратные форсировки момента при токах статора не более 2,5-3-кратного значения от номинального тока, (рис. 5-7).

Рис. 10. Фазовые законы оптимального векторного управления на примере асинхронного двигателя ТАД-ОПТИМУМ-50/120

По сравнению с номинальным режимом асинхронного двигателя отношения кратностей момента к току повышается на 30-70%, а по сравнению с прямым пуском двигателя отношение этих кратностей повышается более, чем в три раза.

Полученные результаты оптимизации векторного управления с оптимальным фазовым законом и оптимальным насыщением делают асинхронный электропривод конкурентоспособным по отношению к другим приводам по энергодинамическим характеристикам и наиболее предпочтительным для многих областей техники и технологии, особенно для машин и механизмов с высокими кратностями момента и тока, например, для роботов, многих следящих систем, тяговых приводов электромобилей.

Глава 6 посвящена разработке способов и систем векторного управления

Первоначально разработаны способы и системы векторного управления в полярных координатах с отличием от частотно-токового способа по частотному каналу с целью повышения точности, быстродействия и диапазона регулирования. Введен способ управления ШИМ-инвертором с регулированием мгновенных фазных токов путем тактирования общим симметричным сигналом выходов фазных регуляторов мгновенного тока, что позволило производить оптимальную настройку контура регулирования тока типовыми методами систем подчиненного регулирования тока.

В полярных координатах векторное управление производится с ориентированием по вектору тока по двум каналам: модуля и абсолютной фазы вектора тока статора с регулированием в динамике угла фазового смещения вектора тока.

Отличие способа векторного управления по отношению к известному способу скалярного частотно-токового управления заключается в фазовом смещении тока.

Эффективность и новизна способа, придающая ему основное свойство векторного управления, заключается в регулировании мгновенной фазы тока статора в зависимости от третьей, динамической составляющей частоты тока статора , что защищено автором многими патентами на способ векторного управления.

В этом способе предложено в динамике формировать третью частоту в виде производной арктангенсной функции отношения ортофазного тока, пропорционального заданному моменту, к синфазному току, задающему потокосцепление:

. (67)

Динамическая составляющая частоты создает фазовый сдвиг тока при любом изменении момента . Фаза тока регулируется по закону :

. (68)

В системе управления (рис.11) угол фазового смещения вектора тока статора относительно вектора потокосцепления ротора регулируется по каналу третьей составляющей частоты тока , равной сумме трех частот.

В полярных координатах векторное управление имеет более наглядное отличие по отношению к известному способу частотно-токового управления, взятому в патентах в качестве прототипа в отечественных и зарубежных патентах автора.

Способ управления фазой тока в полярных координатах и система по рис. 11 оказались первыми из разработанного комплекса способов векторного управления. Впервые этот способ реализован в шестикоординатном транзисторном асинхронном приводе робота «Универсал-5» в 1977-1980 годах.

Рис. 11. Система векторного управления в полярных координатах с каналом динамического фазового смещения тока по уравнениям (67), (68). Патенты [15-18, 23-30]

Приведенный фазовый принцип управления током в полярных координатах реализуется также в способе и системе дискретного управления фазой тока (рис.12).

Предложено регулировать приращение фазы тока в виде суммы знаковых величин трех приращений: угла поворота ротора , приращения фазового смещения потокосцепления и вычисленного в функции приращения M угла фазового сдвига вектора тока статора относительно вектора потокосцепления sr (рис. 12):

, (69)

Рис. 12. Способ и система векторного управления в полярных координатах с дискретным регулированием фазы вектора тока (патент РФ [33], патенты [23-30]).

Преимуществом систем векторного управления по отношению к системам частотно-токового управления является повышение диапазона точного регулирования скорости более, чем в 10 раз с существенным повышением равномерности движения.

Недостатками управления в полярных координатах являются низкие энергетические качества электропривода, связанные с необходимостью задавать постоянный поток для воспроизведения момента, изменяемого в широком диапазоне.

Разработан комплекс способов и систем векторного управления в декартовых координатах, основанный на раздельном регулировании ортофазного и синфазного токов. Совокупность инвертора с ШИМ, преобразователя декартовых координат и векторного регулятора тока названа трансвекторным инвертором (рис. 13,14).

Рис. 13. Трансвекторный инвертор. Способ и система управления. Патенты [18, 23-30]. 4 - преобразователь декартовых координат с входным частотным каналом.

Управление осуществляется по трем независимым каналам - частотному (блоками 2,3), синфазному и ортофазному каналам (на умножителях 7-10).

Предусмотрен блок 15 синхронизации тактирующего сигнала при низких частотах ШИМ. Трехфазная синхронизация тактирования повышает точность привода.

Сигналы с выхода регуляторов токов 16-18 тактируются симметричным сигналом общим для трех фаз, что снижает пульсации тока, позволяет применять стандартную настройку регуляторов тока 16-18 и вводить компенсацию по эдс. На основе трансвекторного инвертора по рис.13 разработаны и реализованы способ и система векторного управления в декартовых координатах (рис. 14).

Фазовое смещение sr вектора тока относительно s регулируется как арктангенсная функция отношения Isort=Isy(М) к синфазному току Issyn:

(70)

Система векторного управления в декартовых координатах по рис.13, 14 была внедрена в многокоординатных асинхронных электроприводах для станков и роботов. Точность регулирования скорости в диапазоне 10000 позволила достичь точности позиционирования по координатам подвижности робота «ПРЭМ» 20 микрон с точностью повторяемости по координате схвата 0,1 мм при работе 4 координат.

Рис. 14. Структура асинхронного электропривода с векторным управлением с постоянством потокосцепления ротора и векторным регулятором тока, патенты [23-30].

Преимуществом системы по рис. 13,14 является высокое быстродействие компенсации возмущающих воздействий при знакопеременных моментах (рис. 15).

Рис. 15. Динамика асинхронного привода с векторным управлением по закону (70) при знакопеременном моменте и отработке скорости. Mn = 1.94 Нм, Isn = 1.849 A

Разработаны способ и система векторного регулирования напряжения в декартовых координатах без регуляторов тока (рис. 16, патент [15]).

Рис. 16. Способ и система векторного управления напряжением статора асинхронного двигателя с постоянством потокосцепления ротора, патент РФ [15].

Фазное напряжение статора регулируется в зависимости от в виде разности синфазного и ортофазного напряжений:

(71)

Приведен вывод уравнения (71) с применением предложенного выше метода аналитического конструирования векторных регуляторов.

Система векторного управления (рис. 16) состоит из блока дифференцирования 14 и умножителя 9 на входе преобразователя декартовых координат 3. На выходе сумматора 10 формируется задание (t) по уравнению (82), на выходе сумматора 12 - задание (t) по уравнению (82). Регулирование фазы синхронизации осуществляется регулятором скорости 6. Преимущество данного способа векторного управления заключается в повышении быстродействия контура управления моментом за счет исключения замкнутого контура регуляторов тока.

Общим недостатком систем векторного управления являются большие потери на возбуждение при малых нагрузках, ограничение максимального момента и ускорения из-за увеличение тока и потерь при перегрузках. Это приводит к увеличению массы и габаритов асинхронных двигателей и увеличивает энергозатраты.

В главе 7 разработаны способы и системы оптимального векторного управления электроприводами переменного тока по энергодинамическим критериям оптимальности режимов регулирования момента и скорости при изменении поля.

Способ оптимального векторного управления приводом по рис. 17 заключается в задании и регулировании оптимального угла фазового смещения вектора тока статора в зависимости от момента и текущей скорости при изменении потокосцепления. Критерии оптимальности привода: минимум потерь на возбуждение при малых моментах, максимум момента М/Is в нижнем диапазоне регулирования скорости, минимум потерь, максимум выходной мощности в верхнем диапазоне.

Система по рис. 17 соответствует обобщенной структуре векторного управления по рис.1, предложенной в главе 1, включая адаптивный векторный оптимизатор.

Регулятор скорости 6 задает требуемый момент и воздействует на вход блока адаптивного регулятора магнитного поля и момента 7, формирующего по законам (51)-(53), (64) мгновенные величины .

Адаптивно-оптимальное управление осуществляется в соответствии с принципом структурно-энергетической обеспеченности переключением законов векторного управления фазовым углом при достижении граничных значений момента , скорости , тока, напряжения и выходной мощности .

Рис. 17. Система оптимального векторного управления асинхронным электроприводом по энергодинамическим критериям, патенты [16,17, 23-30]

7 - адаптивный регулятор поля и момента с векторным оптимизатором 8-13;

2 - трансвекторный инвертор с векторным регулятором токов 20-33;

14-19 - векторный наблюдатель синфазных процессов и потокосцепления.

Для реализации предельных динамических и энергетических возможностей привода разработаны способы 6-зонного оптимального векторного управления.

В первой зоне формирования начального магнитного потока потери на возбуждение снижены в 2-4 раза за счет снижения до малой величины, необходимой для скачкообразного приращения момента при во второй зоне регулирования.

Во второй зоне регулирования реализуется оптимальное векторное управление полем и моментом по критерию максимума отношения момента к току .

Для этого в функции сигнала с выхода блока ограничения момента 8 в блоке вычисления ортофазного тока 9 (делителе) производится вычисление ортофазного тока по уравнению (51). В оптимизатор 13 вводится оптимальный фазовый закон управления , определяемый с применением уравнения (64), и вычисляется синфазный ток по уравнению (66).

В наблюдателе 15, 17, 12 текущая величина определяется по уравнению (52). В результате происходит процесс воспроизведения поля и момента по уравнению (53) при увеличении быстродействия процессов изменения поля и регулирования скорости в 2-4 раза.

Наибольшая эффективность по увеличению до 40-70% (рис.19) достигается для специальных высокочастотных асинхронных двигателей с пониженной номинальной индукцией Тл и оптимальным векторным управлением.



Рис. 18. Динамика оптимального векторного управления полем и моментом для серийного асинхронного двигателя АИС71 при 3-кратной форсировке момента

Рис. 19. Адаптивно-оптимальное управление магнитным полем и моментом двигателя ТАД с ограничением тока на уровне 2,5 при форсировке момента

Рис. 20. Фазовый закон оптимального векторного управления и процессы насыщения при трехзонном управлении моментом до 4Мн по рис. 20

В третьей зоне регулирования ограничивается ортофазный ток для заданного ограничения тока преобразователя от до при сохранении оптимального процесса изменения синфазного тока согласно (66) (рис.19-20).

При разгоне и торможении инвариантное управление моментом ограничено областью с последующим нарастанием до (рис. 20).

Так как при насыщении в два раза снижается индуктивность и постоянная времени (рис. 21), то быстродействие формирование потокосцепления по уравнениям (53), (54) повышается в 4 раза по отношению к известным режимам.

В результате изменений проекций вектора тока ротора его фазовый угол относительно (рис.21) и угол между векторами потокосцеплений и в динамике испытывают перерегулирования, но их установившиеся значения равны оптимальным для статики величинам (рис. 21).

Рис. 21. Изменение проекций вектора тока ротора и его фазового угла

В четвертой (динамической) зоне регулирования реализуется импульсная форсировка момента без увеличения тока статора путем кратковременного отключения синфазного тока и импульсного задания фазового угла на время допустимого снижения момента и потока, что применено в следящей системе для снижения динамической ошибки при ограниченном токе и в тяговых электроприводах.

Показанные на рис. 22 кратковременные форсировки момента с приращениями , происходят при неизменном токе статора. Этим впервые предложен и защищен патентами способ увеличения момента электродвигателя без увеличения тока.

Рис. 22. Форсировка момента двигателя и в четвертой зоне регулирования за счет скачка угла фазового смещения до максимального угла при неизменной величине тока статора . Способ по патентам [23-30]

В пятой и шестой зонах регулирования момент воспроизводится в режимах ослабления поля при ограничениях по потерям и по напряжению.

При возрастании скорости действуют ограничения по напряжению и допустимым потерям в двигателе , ограничивающими максимальный момент двигателя и мощность тем значительней, чем выше скорость .

Пятая и шестая зоны регулирования характеризуются переключением фазовых законов оптимального векторного управления при достижении двух граничных значений для критерия и для критерия .

В этих режимах производится переход к фазовому закону управления не только в функции момента, но и скорости (или частоты): .

В пятой зоне регулирования вступает в действие фазовый закон . Оптимальное управление по минимуму потерь выполняется до определенной мощности , ограниченной напряжением . Критерием оптимальности для работы в зоне ограниченного напряжения статора является критерий максимума выходной мощности при допустимых потерях и оптимальной частоте .

Таким образом, шестизонное адаптивно-оптимальное векторное управление реализует предельные динамические и энергетические возможности асинхронного двигателя и делает асинхронный привод конкурентоспособным по точности регулирования, по быстродействию, по массе и габаритам, а также по энергозатратам.

Шестизонное адаптивно-оптимальное векторное управление применено при разработке способа и системы управления следящим асинхронным электроприводом робота (рис.23), защищено автором в числе комплекса способов патентом США [23].

Система адаптивно-оптимального векторного управления по рис.23 позволяет в 1,4-1,5 раза снизить массу и габариты асинхронных двигателей для роботов.



Рис. 23. Способ и система адаптивно-оптимального векторного регулирования следящим асинхронным электроприводом робота по патентам [23-30]

Разработаны варианты систем адаптивно-оптимального векторного управления с импульсным датчиком скорости, а также без датчика скорости (рис. 24).

Рис. 24. Система и система оптимального векторного регулирования асинхронным электроприводом без датчика на двигателе (бездатчиковый привод), патент РФ [22].

Система электропривода без датчика скорости (рис. 24) содержит векторный наблюдатель 14-29, на вход которого поступают сигналы измеренных фазных напряжений и токов, а на выходе образуются сигналы синусно-косинусной функции фазы и модуля вектора потокосцепления r (в вариантах m, s).

Векторный регулятор тока содержит прямой и обратный преобразователи декартовых координат 60,30, блок деления 11 вычисляет сигнал задания ортофазного тока делением требуемого момента M на . Адаптивный оптимизатор, образованный блоками 11, 31, 32, реализует фазовый закон и задает оптимальный синфазный ток на вход регулятора 10. Привод по рис. 24 соответствует структуре по рис.1.

Предложены разработанные способы векторного управлению синхронным электроприводом с возбуждением от постоянных магнитов, являющимся основным конкурентом асинхронного электропривода по удельным и энергетическим показателям, за исключением стоимости, надежности и трудоемкости в изготовлении.

Разработаны защищенные патентами способы и системы векторного управления синхронным двигателем с возбуждением от постоянных магнитов с датчиком углового перемещения и без датчика, связанного с двигателем.

В системе с фотоэлектрическим датчиком углового перемещения в способе предложена геометрическая ориентация нулевой метки датчика по оси d постоянных магнитов. Предложено астатическое регулирование нулевого уровня синфазного тока в декартовых координатах d,q в первой зоне регулирования с углом фазового сдвига вектора тока 90 градусов и увеличением этого угла выше 90 градусов при возрастании скорости в режимах, эквивалентных ослаблению поля.

Это позволяет увеличить максимальную скорость и максимальную выходную мощность при использовании магнитов и ограничении потерь и напряжения. Одним из перспективных направлений является разработанный в соавторстве способ управления без датчика, связанного с двигателем (рис. 25).

Рис. 25. Способ и система оптимального векторного управления бездатчиковым электроприводом с синхронным двигателем с возбуждением от постоянных магнитов. Патент РФ [21]

В блоке вычисления скорости 33 вычисляется текущий угол положения ротора м (фазы синхронизации s), и в блоке 38 преобразуется в сигнал обратной связи по скорости . Регулятор скорости 16 задает требуемый момент M, преобразуемый оптимизатором 15 в сигналы задания ортофазного и синфазного токов. Оптимизатор 15 выполняется с трехзонным векторным регулированием Isyn().

Разработан способ векторной ориентации тока по измеренным фазным токам и напряжениям [20] (рис.26).Общими для асинхронных и синхронных машин являются разработанные способ и система «ВЕКТОРИНГ» [20] для реализации векторных наблюдателей в системах по рис.1 без датчика скорости и для векторного контроля.

По измеренным напряжениям и токам статора путем векторных преобразований вычисляются фазы и модули векторов потокосцеплений, ток ротора, ток намагничивания, индуктивности, момент и мощность, что применено для векторных наблюдателей в приводах без датчиков, связанных с двигателем.



Рис. 26. Способ и система «ВЕКТОРИНГ» для векторного наблюдения и контроля режимов и параметров электромеханических преобразователей. Патент РФ [20]

Способ и система «ВЕКТОРИНГ» применимы для разработки новых измерительных приборов для контроля режимов и примененных способов управления.

В главе 8 приведены основные результаты промышленной реализации и внедрения электроприводов по работам, выполненным автором.

Созданы, испытаны и внедрены электроприводы с векторным управлением:

1) первые транзисторные асинхронные электроприводы с векторным управлением в полярных координатах для универсальных роботов, на которых впервые получены диапазоны точного регулирования скорости 1000, 2000.

2) первые транзисторные асинхронные электропривода в декартовых координатах для роботов и прецизионных станков с диапазонами регулирования скорости 10000, 20000 и полосой пропускания 250 -350 Гц.

3) транзисторные электроприводы сварочных роботов, сварочных автоматов и полуавтоматов с датчиком и без датчика скорости.

4) электропривод для регулирования натяжения нитей в ткацких станках:

5) создан аккумуляторный грузовой электромобиль ЗИЛ-ЭЛЕКТРО с тяговым асинхронным электроприводом;

6) выполнен ряд работ по асинхронным электроприводам и системам управления для специальной техники по гособоронзаказам.

Рис. 27. Первый электромеханический промышленный робот «Универсал-5» (1978-1980 гг.) с шестикоординатным транзисторным асинхронным электроприводом с векторным управлением (блок в центре) и шестикоординатный асинхронный привод с векторным управлением для сборочного робота ПРЭМ (1984 г.)

Результаты сравнительных испытаний с несколькими другими типами приводов подтвердили преимущества асинхронного электропривода ЭПА6-Мт с векторным управлением по основным показателям назначения: диапазону регулирования скорости (10000), более высокой полосе пропускания (200-300 Гц), меньшим временем регулирования (1 мС), отсутствием дрейфа нулевой скорости, меньшими габаритами блока управления и меньшей температурой нагрева двигателей по отношению к известным приводам постоянного и переменного тока, в том числе «Размер-2-5М».

Разработаны и внедрены транзисторные асинхронные приводы с векторным управлением с увеличением диапазона регулирования скорости до 20000 для прецизионных металлообрабатывающих станков и ткацких станков (рис. 28)

Рис. 28. Трехкоординатный транзисторный асинхронный электропривод с векторным управлением ЭПА3-Мит мощностью 2,2-4 кВт для механизмов подачи прецизионных металлообрабатывающих станков (слева) с диапазоном регулирования скорости 20000 и полосой пропускания 250 Гц

Система управления подачей основы ткацкого станка СУОП-1 на базе асинхронного электропривода с векторным управлением с диапазоном регулирования скорости 20000 и полосой пропускания 350 Гц.

При испытаниях на станках и роботах обеспечено выполнение требований ГОСТ 27803-91 по равномерности вращения и снижению пульсаций скорости в диапазоне 10000, 20000, по быстродействию с высокой полосой пропускания более 250 Гц при отработки синусоидальной формы скорости (рис. 29).

На генераторе - частота 250 Гц (слева). Осциллограмма отработки синусоидального сигнале задания скорости с частотой 160 Гц при сдвиге 33⁰ для асинхронного привода с полосой пропускания контура скорости 310 Гц.

Разработан следящий асинхронный электропривод с полосой пропускания скорости 500 Гц и с диапазоном регулирования скорости 20000 для спецтехники.

Рис. 29. Экспериментальное определения полосы пропускания контура регулирования скорости асинхронного электропривода с векторным управлением для приводов подач станков

По результатам испытаний привод отнесен к сверхбыстродействующим по показателям быстродействия компенсации возмущений. Оптимизации выполнена по минимуму массы, габаритов и энергозатрат асинхронного электродвигателя.

Развито направление электромобилей на тяговых асинхронных электроприводах с оптимальным векторным управлением при питание от аккумуляторных батарей с достижением максимума момента при ограниченном токе и минимума потерь по предложенным способам 6-зонного адаптивно-оптимального векторного управления моментом до 6Мn с минимизацией массы, габаритов и энергозатрат..

В 1995-2001 годах создан грузовой аккумуляторный электромобиль ЗИЛ-ЭЛЕКТРО (рис. 30), при испытаниях которого доказана целесообразность применения тягового асинхронного электропривода с векторным управлением. Грузоподъемность составила 3 тонны, длина пробега до перезаряда 50-70 км, скорость до 75 км/час. Электромобиль демонстрировался в работе на нескольких международных выставках. В 2001-2002 годах выполнены работы по созданию комбинированных энергоустановок для гибридных электромобилей и электробусов (рис. 30).

Разработанные высокодинамичные тяговые асинхронные электроприводы с форсировками момента до 4-6 перспективны для электромобилей и электробусов.



Рис. 33. Грузовой аккумуляторный электромобиль ЗИЛ-ЭЛЕКТРО на базе тягового асинхронного электропривода с векторным управлением и комбинированная энергоустановка для гибридных электромобилей и электробусов с блоком «ДВС-асинхронный генератор», аккумуляторным накопителем и тяговым асинхронным электроприводом с адаптивно-оптимальным векторным управлением

В 2003-2008 годах автором выполнены опытно-конструкторские работы по гособоронзаказу. Совместно с рядом ведущих организаций и коллективов создан, испытан и принят к серийному производству комплекс корабельного электронно-электротехнического оборудования, состоящий из системы автоматического управления комплексом и комплектного асинхронного электропривода на базе транзисторного преобразователя частоты и специального асинхронного двигателя. Эти комплексы применены в атомных подводных лодках четвертого поколения.

Результаты разработок высокоточных асинхронных электроприводов для роботов, станков, электромобилей демонстрировались на нескольких международных выставках, в том числе, на международных выставках в Москве ЭЛЕКТРО-77 и ЭЛЕКТРО-2000, на выставке «Технологии из России» в Вашингтоне в 1994 году.

Заключение

Основные результаты работы

1. В результате выполненного комплекса теоретических и экспериментальных исследований, использования разработанных векторных методов синтеза и оптимизации, новых законов, способов и систем векторного управления достигнута цель диссертационной работы в качественном повышении основных показателей регулирования приводов переменного тока по отношению к известным способам управления:

- быстродействие регулирования поля и скорости повышено в 2-4 раза;

- диапазон точного регулирования скорости повышен в 10-20 раз;

- момент при ограниченном токе повышен на 30-70%;

- выходная мощность при ограничении потерь в двигателе повышена на 40%.

2. Цель работы достигнута в результате создания научной методологии векторного управления, включающей физико-математические основы и фазовый принцип векторного управления, векторные методы синтеза и оптимизации управления полем и моментом, векторную теорию асинхронного двигателя, фазовые законы, способы и системы векторного и оптимального векторного управления высокоточными приводами переменного тока на основе асинхронных двигателей и синхронных двигателей на постоянных магнитах с датчиком и без датчика, связанного с двигателем.

2. Предложено решение проблемы инвариантного векторного управления моментом с фазовым принципом векторного управления током и полем в полярных и декартовых координатах, обеспечивающее качественное повышение точности и диапазонов регулирования скорости, быстродействия и энергетической эффективности.

3. Впервые найдены фазовые законы векторного управления, условия фазовой устойчивости и энергодинамической оптимизации асинхронных электроприводов, выявлены предельные энергетические и динамические возможности асинхронных электроприводов, установлено существование предельных величин воспроизводимого максимального момента и насыщения.

4. Разработан и защищен патентами в РФ, США, ФРГ, Англии, Франции, Швеции, Швейцарии комплекс основных способов векторного и оптимального векторного управления асинхронным приводом с инвариантным управлением моментом, что обеспечило защиту отечественных приоритетов в создании основных способов, систем и математических основ векторного управления.

5. Впервые были разработаны, защищены отечественными и зарубежными патентами и внедрены в промышленности транзисторные асинхронные электроприводы с векторным управлением, обеспечивающие качественное повышение точности, быстродействия, диапазонов регулирования скорости в диапазонах выше 10000 с полосой пропускания привода выше 300 Гц до 500 Гц.

6. Разработаны способы и системы шестизонного адаптивно-оптимального векторного управления асинхронным электроприводом, реализующие предельные энергодинамические возможности асинхронного двигателя.

7. Разработан способы и системы оптимального векторного управления синхронным двигателем с возбуждением от постоянных магнитов, повышающие точность и диапазон регулирования скорости.

8. Разработаны способы и системы векторной ориентации, векторного мониторинга «Векторинг» и векторного управления асинхронными и синхронными двигателями без датчиков, связанных с двигателем, что создает перспективы для массового применения электроприводов переменного тока в промышленности и на транспорте.

Общие выводы и рекомендации

В результате теоретических и экспериментальных исследований предложены теория, способы и системы векторного и оптимального векторного управления электроприводами переменного тока, обеспечившие достижение поставленной цели диссертационной работы в направлении качественного повышения быстродействия, точности и диапазонов регулирования скорости с существенным повышением энергетической эффективности приводов по отношению к известным способам управления.

Созданная методологии векторного управления, векторные методы синтеза и оптимизации, векторная теория электродвигателя, новые по отношению к мировому уровню способы и системы векторного и оптимального векторного управления электроприводами переменного тока предложены с обоснованиями актуальности, научной новизны, достоверности, промышленной эффективности и внедрения научных результатов, мировой патентной новизны и перспективности для дальнейшего научного и промышленного развития электроприводов переменного тока.

Разработанная теория векторных взаимодействий, закон о фазовых смещениях векторов токов и потокосцеплений, фазовый принцип управления динамикой, векторная теория асинхронного двигателя, векторные методы синтеза и оптимизации, найденные фазовые законы, разработанные способы и системы векторного управления, рекомендуются в качестве теоретической основы для развития теории и практики приводов переменного тока с микропроцессорным векторным управлением.

Предложенная методология векторного управления рекомендуется для применения в научных исследованиях, разработках и промышленном производстве новых поколений микропроцессорных систем электроприводов переменного тока с все более высокими регулировочными показателями по точности, быстродействию, диапазонам регулирования скорости и энергетической эффективности.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах

1. Мищенко В.А. Теория, способы и системы векторного и оптимального векторного управления электроприводами переменного тока. Монография. Информэлектро. 2002.

2. Мищенко В.А. Векторный метод управления электромеханическими преобразователями // Электротехника / 2004. №7. С.47-51.

3. Мищенко В.А. Векторная теория асинхронного электродвигателя// Электротехника / 2007. №6 с.5-12.

4. Мищенко В.А. Фазовый принцип векторного управления динамикой асинхронного электропривода // Электротехника / 2008. №1. С.1-6.

5. Мищенко В.А. Теория, способы и системы векторного и оптимального векторного управления электроприводами переменного тока.// Труды III Международной (ХIV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2001. Нижний Новгород, 2001, С. 39-42.

6. Мищенко В.А. Перспективы развития векторного управления электроприводами // Труды V Международной (16 Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2007 / Санкт-Петербург. 2007. С.339-341

7. Мищенко В.А. Системная оптимизация управления и конструкции мобильных электромеханических комплексов // Наука и технологии в промышленности 2003 №3.

8. Мищенко В.А. Векторный метод управления электромеханическими комплексами// Наука и технологии в промышленности. 2003/2004 №3/1.

9.Мищенко В.А. Принципы конструирования, методы синтеза и оптимизации микропроцессорных электроприводов переменного тока с частотным и векторным управлением. // Сборник научных трудов МИФИ. Т1/ 2002. С.40-41.

10. Мищенко В.А. Об оптимальном регулировании напряжения и частоты в системе частотного управления асинхронным электроприводом.//Труды научно-технической конференции АПИ . Вып.6. Барнаул. 1970. С. 69-71.

11. W. Mistschenko, J. Sergl, K. Echtler. Betrieb eines Asynchronmotors mit optimaler Spannungs-und Frequenzregelung bei constanter Verlustsumme.// Bulletin des Schweizerischen Elekrotechnischen Vereins. / 1974. №3. S. 162-171.

12. Мищенко В.А. Вопросы разработки и исследования оптимизированных высокодинамичных систем частотнорегулируемых приводов переменного тока // Материалы научно-технической конференции АПИ. Часть 5. Электротехника. 1974. С.55-57.

13. Мищенко В.А. и др. Принципы построения и методы оптимизации тиристорных преобразователей второго поколения для целей электропривода // В кн. Эффективность повышения частоты промышленного переменного тока / 1975. С.132-142.

14. Мищенко В.А. и др. Разработка и исследование методов анализа и синтеза систем векторного частотного регулирования асинхронного электропривода // Деп. Информэлектро. РЖ «Электротехника и энергетика» 02К78-77. 1977.

15. Патент РФ №1458962. Способ управления асинхронным электроприводом и устройство для его осуществления // В.А. Мищенко. Приоритет 26.03.1984/ Изобретения и открытия. 1989. №6.

16. А.С №1515322. Электропривод переменного тока // В.А. Мищенко. Приоритет 11.05. 1984/ Изобретения и открытия. 1989 №38.

17. Патент РФ №1464276. Электропривод переменного тока. В.А. Мищенко, Н.И. Мищенко. Приоритет 26.03.1984 / Изобретения и открытия. 1989. №9.

18. Патент РФ №1458951. Способ управления многофазным инвертором и устройство для его осуществления / В.А. Мищенко, Н.И. Мищенко. Приоритет 26.03.1984. / Изобретения и открытия. 1989. №6.

19. Патент РФ №1681371. Способ векторного управления синхронным двигателем с постоянными магнитами на роторе//Мищенко В.А., Мищенко Н.И. // 1987.

20. Патент РФ №2141720. Способ векторной ориентации тока электромеханического преобразователя энергии и устройство векторной ориентации "ВЕКТОРИНГ" для его осуществления // Мищенко В.А., Мищенко Н.И., Мищенко А.В. Приоритет 25.03.1998 / Изобретения и открытия. 1999. №32.

21. Патент РФ №2141719. Способ векторного управления синхронными электродвигателями с постоянными магнитами на роторе и электропривод для осуществления этого способа // Мищенко В.А., Мищенко Н.И., Мищенко А.В. Приоритет 25.03.1998 / Изобретения и открытия / 1999. №32.

22. Патент РФ №2132110. Способ оптимального векторного управления асинхронным электродвигателем и электропривод для его осуществления // Мищенко В.А., Мищенко Н.И., Мищенко А.В. Пр. 25.03.1998 / Изобретения и открытия. 1999. №32.

23. Патент США №4926105. Method of induction motor control and electric

drive realizing this method./ V.A. Mischenko, N.I. Mischenko. New York. 1990.

24.Патент ФРГ №3744905. Способ и устройство управления асинхронным электродвигателем, питаемым от преобразователя // Мищенко В.А., Мищенко Н.И./ 1991.

25. Патент ФРГ № 3744985. Управление электроприводом с асинхронным двигателем, питаемым от преобразователя // Мищенко В.А., Мищенко Н.И. / Мюнхен. 1993.

26. Патент ФРГ №3704387. Способ и устройство управления асинхронным двигателем. / Мищенко В.А., Мищенко Н.И. / Мюнхен. 1992.

27. Патент Франции №2614481.Способ управления асинхронным двигателем и электропривод для его осуществления // Мищенко В.А., Мищенко Н.И. / Париж. 1992.

...