Информационное обеспечение системы частотно-регулируемого ЭП с АД

Представленные ранее зависимости, характеризующие статические и динамические свойства частотно-регулируемых асинхронных двигателей, показывают, что максимальный момент, развиваемый двигателем, скорость вращения его ротора, потери в двигателе и его системе электропитания являются сложными функциями как входных величин — амплитуды и частоты подводимого к статору АД напряжения, так и режима работы самой машины, который определяется вторичными величинами привода. К последним следует отнести токи статора и ротора, магнитные потоки статора, ротора и воздушного зазора двигателя, его ЭДС, частота тока ротора (скольжение), электромагнитный момент, скорость вращения ротора и другие величины.

В связи с этим при разработке рассматриваемых систем электропривода, как и других, обладающих заданными статическими и динамическими показателями, для организации каналов обратных связей возникает необходимость выбора и применения датчиков, которые обеспечивали бы измерение и регистрацию различных электрических, энергетических и механических величин, характеризующих режим работы прежде всего исполнительного двигателя.

Следует отметить, что формирование сигналов, обеспечивающих построение каналов стабилизирующих, корректирующих обратных связей, в системах частотного управления имеет свои особенности и в большинстве случаев требует специальных датчиков. Кроме того, учитывая особенности конструкции асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, ряд параметров, характеризующих режим работы АД, может быть определен только косвенным путем.

Основными электромагнитными величинами, определяющими режим работы асинхронного двигателя являются токи статора, ротора и намагничивания, ЭДС статора и ротора, потокосцепления статора, ротора и воздушного зазора АД.

Из перечисленных величин наибольшей доступностью и сравнительной простотой измерения характеризуется ток статора, информация о мгновенном или действующем значениях которого, его амплитуда может быть получена с использованием хорошо известных устройств, реализующих традиционные методы формирования пропорционального току проводника сигнала. При этом следует отметить, что ввиду изменения частоты тока статора для получения исходной информации о нем в частотно-регулируемых электропривода следует использовать шунты.

Для формирования сигналов, пропорциональных другим указанным электромагнитным величинам, во многих случаях используют специально построенные аналоговые или цифровые вычислительные устройства, алгоритм функционирования которых реализует зависимости, характеризующие математические описание процессов в АД. В таких устройствах можно использовать в качестве первичной информацию о напряжении, подводимом к статору двигателя, и его токе. Ток, сигнал, пропорциональный фазной ЭДС статора, формируется путем реализации алгоритма, определяемого выражением.

.

которая получена из первого уравнения системы. Интегрирование результата, найденного по (1.19), позволяет сформулировать сигнал, который пропорционален магнитному потоку соответствующей фазы статора.

Следует отметить, что в системах частотного управления АД напряжение, подводимое к статору двигателя, из всех других, характеризующих режим его работы электромагнитных величин, в наибольшей степени искажено в сравнении с синусоидальной. Это обстоятельство является одним из основных недостатков использования представленного метода измерения ЭДС и потокосцепления статора.

Для регистрации магнитного потока применяются также датчики Холла, устанавливаемые на зубце статора. Однако реальные сигналы, формируемые с их помощью, содержат помехи, обусловленные особенностями обмоточных данных машины, вспомогательными зубцовыми гармониками, несинусоидальностью питающего напряжения, что определяет сложность выделения полезного сигнала. Кроме того, существуют проблемы связанные с установкой и надежностью функционирования датчика Холла в условиях работающего двигателя.

В настоящее время для измерения ЭДС двигателя и использования ее в совокупности с информацией о других измеренных величинах с целью получения сигналов, пропорциональных необходимым электромагнитным параметрам и проекциям соответствующих им обобщенных векторов, получают распространение дополнительные измерительные обмотки (витки), размещенные на статоре двигателя. Измерительная обмотка или виток могут быть наклеены на пазовый клин статора, однако наиболее целесообразно их располагать под клиньями в пазах, в которых находится рабочая обмотка статора. При этом конструкция и место установки дополнительной измерительной обмотки ИО зависят от требований, которые предъявляются к ней в части совпадения ее оси с осью соответствующей рабочей обмотке РО или, например, с линией перпендикулярной оси рабочей обмотки. Так, измерительная обмотка может располагаться в двух соседних пазах, охватывая один зубец статора, когда указанные оси находятся на оси зубца или охватывать два соседних зубца, когда необходимая ось проходит по оси паза.

В результате, с измерительных обмоток снимается сигнал, пропорциональный ЭДС статора двигателя. Для получения сигнала, пропорционального потокосцеплению статора, необходимо ЭДС измерительных обмоток проинтегрировать.

Использование дополнительной измерительной обмотки, ось которой в данном случае совпадает с осью соответствующей фазной рабочей обмотки статора, в совокупности с информацией о токе этой же фазы статора для формирования сигналов, пропорциональных фазным значениям потокосцепления шо в воздушном зазоре двигателя, тока его намагничивающего контура iм и тока статора ir, характеризуется функциональными схемами, представленными на рис. 6.

В схеме (рис.6) предполагается, что потокосцепление статора равно потокосцеплению воздушного зазора, а связь между потокосцеплением воздушного зазора и током намагничивающего контура является линейной. Напряжение Uцs на выходе интегратора определяет мгновенное значение потокосцепления измерительной обмотки шио, пропорциональное мгновенному значению магнитного потока статора.

.

где — коэффициент передачи интегратора (рис.6). Коэффициент передачи масштабного усилителя определяется с учетом (1.20) из условия получения на его выходе сигнала Uшо, пропорционального потокосцепления воздушного зазора, которое в данном случае как было отмечено выше, принято равным потокосцеплению статора. Тогда:

Здесь — коэффициент пропорциональности между сигналом Uшо и потокосцеплением , — число витков фазной обмотки статора АД. Напряжение на выходе масштабного усилителя с коэффициентом передачи пропорционально току намагничивания. При этом характеризуется выражением:

где — коэффициент пропорциональности между напряжением на выходе второго масштабного усилителя и током намагничивания;

— индуктивность намагничивающего контура, соответствующая номинальному режиму работы АД.

Сигналы на выходе масштабного усилителя, обозначенного на (рис.6),, с коэффициентом пропорциональности также определяет ток статора. Коэффициент передачи этого усилителя определяется, как.

где — сопротивление шунта, включенного последовательно с рабочей обмоткой РО.

Выходы со второго и третьего масштабных усилителей поступает на вход блока алгебраического суммирования, на выходе которого в соответствии с выражением:

получаем напряжение, пропорциональное току ротора АД.

Следует отметить, что информация о потокосцеплении и токах в рассматриваемом устройстве (рис.6) характеризуется наличием значительной ошибки, обусловленной не учетом нелинейности вебер-амперной характеристики и потокосцеплений рассеяния статора.

Одной из наиболее важных и в то же время наиболее сложно измерямых величин, характеризующих работу электроприводов, является вращающий момент двигателя. При этом наибольшие трудности возникают при оценке момента двигателя в электроприводе переменного тока.

Существующие в настоящее время способы измерения момента двигателей основаны на применении тензометрических датчиков, вибродатчиков, датчиков Холла, других устройств, однако их общими недостатками являются сложность технической реализации в эксплуатируемых электроприводах, а также трудности, связанные с выделением полезной составляющей из общего сигнала. Другие способы, основанные на использовании датчиков ускорений — акселерометров, асинхронных машин с полым ротором с двумя обмотками на статоре и других позволяют осуществлять регистрацию динамического момента.

Следует отметить, что при разработке и исследовании электроприводов большой интерес представляет информация об электромагнитном, динамическом моментах АД, моменте статическом на валу двигателя, а также соответствующие устройства, обеспечивающие формирование пропорциональных этим величинам сигналы.

Электромагнитный момент АД равен сумме вращающего момента (момента на валу) двигателя Мвр и моментов, определяемых потерями в стали Мст, потерями на трение в подшипниках Мтр, вентиляционными потерями Мв:

МЭМ = Мвр + Мст + Мтр + Мв Учитывая, что сумма последних трех слагаемых в правой части (1.26) составляет 3−5% номинального момента двигателя и, измеряя его электромагнитный момент, можно с соответствующей погрешностью, не превышающей 5%, оценивать момент на валу асинхронного двигателя. С другой стороны, при исследовании или эксплуатации электроприводов с асинхронного двигателя зачастую важно иметь информацию об изменении именно электромагнитного момента двигателя, например, с целью использования ее в качестве сигнала обратной связи для получения требуемых показателей электропривода.

Для измерения электромагнитного момента АД можно воспользоваться методом, основанным на измерении электромагнитной мощности:

Электромагнитная мощность, передаваемая в ротор через воздушный зазор АД, определяется из выражения:

;

где — обобщенный вектор ЭДС статора, который равен обобщенному вектору приведенный к цепи статора ЭДС ротора; - комплекс, сопряженный с обобщенным вектором тока статора. Равенство (1.27), характеризующее мгновенное значение электромагнитной мощности, можно преобразовать к виду:

;

где использованные фазные ЭДС и токи статора двигателя.

Таким образом, для измерения электромагнитного момента АД достаточно, например, использовать реализацию зависимостей (1.26) и (1.27). При этом в (1.26) необходимо использовать среднее значение мгновенной мощности, которое при его определении по (1.28) в симметричных режимах работы АД совпадает с мгновенным значением.

Можно отметить, что, с другой стороны, вращающий момент асинхронного двигателя характеризуется выражением:

где — постоянная двигателя; - угол между векторами ЭДС и тока ротора.

Уменьшение ошибки по скорости электропривода, вызванной изменением возмущающего воздействия — статического момента на валу исполнительного двигателя, может быть достигнуто использованием обратных связей по этому возмущающему воздействию. Для реализации таких связей необходима информация об уровне момента нагрузки на валу двигателя. Непосредственное измерение статического момента представляет значительные трудности, поэтому для этих целей используют, преимущественно, косвенные методы регистрации, основанные на том, что момент нагрузки на валу двигателя, как следует из уравнения движения, определяется как разность электромагнитного и динамического моментов.

Сигнал, пропорциональный ускорению, можно получить путем дифференцирования сигнала с датчика угловой скорости вращения ротора, например тахогенератора, или, применив специальный датчик угловых ускорений. При использовании тахогенератора с целью получения сигнала, характеризующего ускорение вала двигателя и его динамический момент, можно применить пассивный дифференцирующий контур с передаточной функцией.

;

где — постоянная времени контура. При этом сигнал на выходе дифференцирующего контура, пропорциональный ускорению, определяется с учетом (1.30) из выражения:

где — коэффициент передачи тахогенератора; - передаточное число редуктора между валами двигателя и механизма; - скорость и угол поворота вала механизма.

Принимая во внимание уравнение движения привода, сигнал, снимаемый с датчика электромагнитного момента АД, можно определить, как.

Сопоставляя выражение (1.31) и (1.32), можно сделать вывод, что на выходе датчика электромагнитного момента необходимо включить дополнительное корректирующее устройство, обеспечивающее согласование сигналов по времени и по уровням:

В результате (1.33) с учетом (1.32) можно преобразовать к виду:

При вычитании (1.31) из (1.34) получается сигнал, пропорциональный статическому моменту на валу исполнительного двигателя:

Из (1.34), (1.35) следует, что на выходе датчика электромагнитного момента необходимо включить дополнительное инерционное звено, обеспечивающее согласование сигналов по уровню и во времени. Датчик электромагнитного момента требует включения на его входе фильтра для сглаживания пульсации выходного сигнала. Передаточная функция фильтра в этом случае определяется из выражения (1.33). Реализация (1.35) с учетом приведенных ранее выражений обеспечивается датчиком статического момента, функциональная схема которого представлена на рис. 7.

В качестве датчика ускорения можно использовать также двухфазный асинхронный двигатель с полным ротором, одна из обмоток которого питается постоянным напряжением, а с выхода другой снимается практически безинерционно сигнал, пропорциональный динамическому моменту испытуемой машины.

где — коэффициенты пропорциональности между входным напряжением датчика и ускорением или динамическим моментом двигателя соответственно. электропривод асинхронный двигатель передаточный В данном случае для согласования каналов регистрации электромагнитного и динамического моментов на выходе датчика МЭМ необходимо включить согласующий усилитель с коэффициентом усиления, равным.

Тогда, учитывая (1.37) в (1.32), получим:

;

При вычитании (1.36) из (1.38) получается величина, значение которой пропорционально моменту нагрузки на валу двигателя:

Функциональная схема датчика статического момента, сигнал на выходе которого определяется по (1.39) и где использован датчик электромагнитного момента, не требующий фильтрации выходного напряжения, изображена.

Следует отметить, что в этом устройстве могут быть использованы без изменения его структуры датчики электромагнитного момента.

Современные системы электропривода, в том числе системы частотного регулирования асинхронных двигателей, строятся на принципах, требующих измерения скорости вращения ротора, а в случае электропривода с синхронным двигателем и скольжения двигателя. Последнее также, как правило, предполагает наличие информации о скорости вращения ротора машины. При этом использование, например тахогенератора, других устройств на валу двигателя, которые обеспечивали бы получение сигналов, пропорциональных скорости вращения ротора, в ряде случаев нежелательно. Прежде всего это следует отнести к электроприводам, исполнительным органом которых является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, когда за счет применения устанавливаемого на валу машины датчика скорости (тахогенератора) происходит ликвидация основных преимуществ привода с асинхронным двигателем в части, например, его несложности и возможности эксплуатации в агрессивных средах.

В связи с изложенным целесообразно рассмотреть возможность получения информации о скорости вращения ротора АД с использованием нетрадиционных методов, исключающих наличие на валу двигателя дополнительных устройств. Один из них может быть основан на преобразовании сигнала, полученного на зажимах, представленной ранее дополнительной измерительной обмотки в статоре АД, место и расположение которой в данном случае не имеет принципиального значения.

Следует отметить, что в измерительной обмотке наводится ЭДС, определяемая не только основной гармоникой потока, но и его высшими гармониками, наличие которых обусловлено наряду с другими причинами особенностями конструкции АД. Из всех высших гармоник ЭДС, дополнительной измерительной обмотки, наиболее выраженными являются зубцовые гармоники ротора, которые вызваны неравномерность воздушного зазора ввиду наличия зубцов и пазов на поверхности ротора двигателя, не зависят от электромагнитных параметров АД, а их частота пропорциональна скорости вращения ротора.

Выражение ЭДС измерительной обмотки с учетом указанных гармоник в предположении синусоидального изменения соответствующих гармоник магнитного потока может быть представлена в виде:

где — основная гармоника, частота которой определяется частотой магнитного потока в воздушном зазоре АД и пропорциональна частоте подводимого к статору двигателя напряжения; - гармоника ЭДС, частота которой равна произведению скорости вращения ротора и число зубцов ротора; - амплитуды соответствующих гармоник; - их начальные фазы.

Интегрирование и дифференцирование ЭДС (1.40) дает:

Если (1.41) умножить на квадрат величины, характеризующей частоту магнитного потока в воздушном зазоре АД, и результат сложить с (1.43), то получается величина :

изменяющаяся по гармоническому закону с частотой, пропорциональной скорости вращения двигателя. Функциональная схема устройства измерения скорости вращения ротора АД, основанного на изложенном принципе и реализующая (1.43), представлена на рис. 9. На выходе устройства целесообразно включить дифференцирующую цепочку, которая обеспечит уничтожение постоянной составляющей сигнала, возникающей в процессе интегрирования (1.41), а также формирователь импульсов.

Переменный сигнал, частота которого пропорциональна скорости вращения ротора, может быть получен в результате суммирования ЭДС:

которые наводятся в трех идентичных дополнительных измерительных обмоток в статоре АД, сдвинутых друг относительно друга на 120 электрических градусов. В (1.44) учтены аналогичные (1.40) гармоники ЭДС. Суммирование составляющих (1.44), в результате которого первые гармоники ЭДС каждой из измерительных обмоток взаимно уничтожаются, дает сигнал частота которого пропорциональна скорости вращения ротора АД. В (1.45)введены следующие обозначения:

В одном из них (рис. 10,а) (1.44) реализуется в сумматоре с последующей подачей результирующего сигнала на вход формирователя импульсов, в другом (рис. 10,б) — путем включения дополнительных измерительных обмоток в открытый треугольник.

Следует отметить, что представленные принципы получения сигналов, частота которых пропорциональна скорости вращения ротора АД, могут быть использованы системах электропривода со сравнительно небольшим диапазоном регулирования скорости. Уровень указанного ограничения определяется числом зубцов ротора двигателя и требуемыми точностными показателями по скорости электропривода.

Для обеспечения заданных характеристик статических и динамических режимов частотно-регулируемых электроприводах с асинхронными двигателями вместо обратной связи по скорости можно использовать обратную связь по абсолютному или относительному скольжению. Получение сигнала, пропорционального скольжению, можно осуществить путем прямой аппаратной реализации алгоритма, с использованием датчика скорости двигателя.

На практике применяют известные способы и соответствующие им устройства косвенного измерения скольжения. В качестве одного из них можно привести устройство, построение которого основано на реализации известной зависимости:

Функциональная схема устройства для измерения скольжения, построенная для определения в соответствии с (1.46), изображена на рис. 11. В нем использованы блоки получения сигналов, пропорциональных току ротора и электромагнитной мощности двигателя, примеры построения которых были рассмотрены ранее. Для обеспечения фильтрации сигнала, характеризующего квадрат тока, введен фильтр, а с целью согласования во времени сигналов, пропорциональных квадрату тока ротора и электромагнитному моменту соответствующее звено включено и на входе устройства получения сигнала, который определяет электромагнитный момент двигателя.