Моделирование тягового асинхронного электропривода с векторным управлением

Размещено на http://allbest.ru

ФГБОУ ВО «ИжГТУ имени М.Т.Калашникова»

УДК 621.316.7

Моделирование тягового асинхронного электропривода с векторным управлением

Морозов А.В.

Россия, г. Ижевск,

Публикация подготовлена в рамках работ по проекту «Разработка и создание высокотехнологичного производства унифицированной машины технологического электротранспорта, реализуемому на основании Постановления Правительства РФ от 9 апреля 2010 г. № 218 «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства» при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации. Участники проекта: ФГБОУ ВО "ИжГТУ имени М.Т. Калашникова", ОАО "Сарапульский электрогенераторный завод" (договор № 02.G25.31.0132 от 01.12.2015 г.). НИОКТР выполнены в ФГБОУ ВО "Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова".

Унифицированная машина технологического электротранспорта (УМТЭТ) - автономное транспортное средство, предназначенное для эксплуатации в различных отраслях хозяйства. Номинальное напряжение аккумуляторной батареи 48 В, а емкость 350 А·ч. Собственная масса порожней УМТЭТ равна 1,5 т, а максимальная масса перевозимого груза - 3 т. Расчетные условия эксплуатации УМТЭТ предполагают возможность движения с грузом по различному типу горизонтального дорожного покрытия - асфальт, грунт, укатанный снег, сырой песок, а также преодоление уклона в 12 %. Максимальная сила трения качения при этом составляет до 7650 Н.

Привод должен обеспечить возможность разгона порожней УМТЭТ до 25 км/ч и груженой до 20 км/ч в зависимости от условий движения. При использовании понижающего редуктора с передаточным отношением 15,36 тяговый двигатель должен создавать максимальный вращающий момент на валу двигателя не менее 150 Н·м. Максимальная частота вращения вала равна 3500 об/мин, что соответствует движению УМТЭТ со скоростью 26 км/ч при радиусе колеса 0,3 м.

За основу привода принят низковольтный асинхронный двигатель с АДТ-6с разработки ОАО «СЭГЗ». В качестве алгоритма управления инвертора выбрано векторное управление по принципу косвенной ориентации по полю ротора - FOC. Система FOC позволяет с высокой точностью контролировать момент и рабочий магнитный поток двигателей переменного тока. Параметры САУ оптимизируются для получения максимального статического момента.

Силовая часть тягового привода содержит трехфазный инвертор напряжения на полевых транзисторах, а также двунаправленный импульсный преобразователь тока, обеспечивающий рекуперацию в ионистор и подпитку от него инвертора при перегрузках. Схема FOC, рис. 2, повторяет внутреннюю структуру модели асинхронного двигателя, управляемого током или напряжением статора [1]. В составе САУ реализованы два контура с обратными связями для регулирования продольной и поперечной проекций тока статора. Для этого пространственный вектор тока разлагается на проекции в декартовой системе отсчета, связанной с потокосцеплением ротора. Внешний контур, предназначенный для регулирования скорости, вырабатывает сигнал задания поперечного тока, регулирующего момент. Вычислитель потока осуществляет формирование рабочего потока двигателя относительно скорости вращения за счет изменения продольного тока Id.

Оптимизация потока на низких скоростях выполнена с целью поддержания постоянства момента и требуемой перегрузочной способности двигателя, позволяющей стронуться с места в наиболее тяжелых расчетных условиях эксплуатации, рис. 1. С ростом частоты вращения при достижении максимальной мощности поток уменьшается для ограничения перегрузки по мощности. Кривая намагничивания двигателя АДТ-6 показывает возможность увеличения продольного тока до 80 А без насыщения магнитной системы. Дальнейшее увеличение тока Id вносит нелинейность в состав передаточной функции объекта управления и вызывает ухудшение качества регулирования магнитного потока, а также повышенный нагрев магнитопровода двигателя.

Рис.1. Закон регулирования тока возбуждения

инвертор двигатель ток статор электротранспорт

В системе регулирования скорости двигателя относительно сигнала задания щ_оп должны присутствовать датчики токов фаз статора I_ab, датчик частоты вращения вала щ и вычислительное устройство, осуществляющее обработку сигналов обратных связей по алгоритму FOC. Структурная схема системы автоматического управления содержит блок прямых преобразований по алгоритмам Парка и Кларка для расчета проекций векторов тока статора во вращающейся со скоростью щ_e системе отсчета dq, связанной с потокосцеплением ротора [2]. Для вычисления щ_e используются значение частоты вращения вала щ, помноженное на число пар полюсов р и вычисленная косвенным образом частота скольжения щ_s. В системе присутствуют ПИД- регуляторы проекций токов статора РТ d и РТ q обрабатывающие ошибки регулирования токов, а также скорости РС. По алгоритмам обратных преобразований Парка и Кларка осуществляется обработка сигналов регулирования продольной и поперечной проекций вектора напряжения статора и последующий расчет интервалов проводимости Т_abc транзисторов полумостов инвертора. Таким образом, на выходе инвертора за счет ШИМ формируются необходимые мгновенные фазные напряжения, обеспечивающие регулировку токов статора в соответствии с их заданными значениями.

Адаптация FOC под конкретный объект управления- двигатель АДТ-6 заключается в настройке вычислителя скольжения и блока компенсации перекрестных связей (БКПС). Затем осуществляется подстройка коэффициентов ПИД-регуляторов токов и скорости, для оптимизации переходных характеристик данных контуров регулирования. По опытным данным были определены параметры Т-образной схемы замещения двигателя.

Рис.2 Структурная схема системы управления

Табл. 1 Данные опытов холостого хода и короткого замыкания и параметры схемы замещения при частоте напряжения 50 Гц

Среднее активное сопротивление фаз статора R₁ составляет 7,44 мОм. Активное сопротивление ротора

Постоянная времени ротора

.

Скорость скольжения двигателя, выраженная через проекции тока статора:

БКПС предназначен для устранения взаимного влияния каналов регулирования d и q проекций вектора тока статора. Его работа блока основана на формировании компенсационных воздействий в контурах регулирования проекций тока. Компенсационные воздействия равны по величине d и q проекциям ЭДС вращения и противоположны им по знаку. ЭДС вращения возникают в составе уравнений Киргхофа для цепей статора и ротора при переходе от неподвижной системы отсчета к вращающейся с синхронной скоростью системе отсчета dq.

,

где - пространственный вектор напряжения статора в системе отсчета dq , - ЭДС трансформации статора, -ЭДС вращения статора;

ЭДС вращения статора, выраженные через проекции тока :

.

В программе MATLAB Simulink произведено исследование системы управления при управлении моделью асинхронного двигателя с параметрами АДТ-6с. Условия моделирования были приняты следующие: приведенный к валу момент инерции 1,4 кг·м², момент сопротивления 10 Н·м, что соответствует движению полностью груженой УМТЭТ по горизонтальному асфальту. Сначала осуществлялся разгон до скорости 140 рад/c, затем реверс в момент времени 4с, рис.3.

Рис. 3. Угловая частота вала, рад/с

Максимальная электромагнитная мощность двигателя P, рис 4, ограничена значением 5 кВт за счет регулирования продольного тока I_d и ограничения тем самым момента на валу M. В связи с тем, что постоянная времени статора

пренебрежимо мала по- сравнению с электромеханической постоянной времени привода, продольный ток регулируется непосредственно в функции частоты вращения без ограничения скорости его изменения.

Рис. 4. Электромагнитная мощность P, Вт; момент M, Н·м и продольный ток I_d, А

Контур формирования поперечного тока настроен в режиме пропорционально- дифференциального регулирования с обеспечением максимального быстродействия. Максимальная величина поперечного тока I_q ограничена значением 500 А, рис. 5. Кривые фазных токов статора в момент реверса показывают изменение направления чередования фаз в автоматическом режиме.

Рис. 5. Поперечный ток I_q ,A и фазные токи I_a, I_b, I_c , A в момент реверса

Моделирование подтверждает работоспособность векторно системы автоматического управления тяговым асинхронным двигателем с подчиненым регулированием момента. САУ осуществляет независимое управление рабочим потоком и моментом двигателя за счет регулирования составляющих тока статора. Компенсация перекрестных связей устраняет взаимовлияние каналов регулирования. Настройка САУ произведена с использованием данных опытов холостого хода и короткого замыкания, а также заданных в техническом задании параметров УМТЭТ.

Список литературы

1. Усольцев, А.А. Частотное управление асинхронными двигателями [Текст]: учебное пособие / А.А.Усольцев . - СПб: СПбГУ ИТМО, 2006. - 94 с.

2. Калачев, Ю.Н. Векторное регулирование (заметки практика) [Текст]: Электрон. Текстовые дан. - Режим доступа: http://www.privod-news.ru/docs/Vector_Kalachev.pdf

Аннотация

УДК 621.316.7

Моделирование тягового асинхронного электропривода с векторным управлением. Морозов А.В. Россия, г. Ижевск, ФГБОУ ВО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова»

Рассмотрена система управления инвертором тягового привода унифицированной машины технологического электротранспорта. Описан процесс настройки параметров системы векторного управления, а также результаты моделирования работы системы.

Ключевые слова: векторное управление, электропривод, схема замещения.

Размещено на Allbest.ru