Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Герман-Галкин С.Г. Лекции. Моделирование в мехатронике - файл Лекция 9.doc


Загрузка...
Герман-Галкин С.Г. Лекции. Моделирование в мехатронике
скачать (7987 kb.)

Доступные файлы (10):

Лекция 1.doc230kb.13.11.2008 15:22скачать
Лекция 2.doc708kb.13.11.2008 15:22скачать
Лекция 3.doc1787kb.13.11.2008 15:21скачать
Лекция 4.doc2575kb.13.11.2008 15:21скачать
Лекция 5.doc3282kb.13.11.2008 15:20скачать
Лекция 6.doc542kb.13.11.2008 15:18скачать
Лекция 7.doc1148kb.13.11.2008 15:19скачать
Лекция 8.doc1604kb.13.11.2008 15:19скачать
Лекция 9.doc1229kb.13.11.2008 15:20скачать
Литература.doc38kb.13.11.2008 15:27скачать

Лекция 9.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...
Лекция 9. Модельное проектирование синхронных систем [4,5, 6, 17, 20] .



9.1 Введение.
В мехатронных системах с синхронными двигателями широкое применение нашли магнитоэлектрические синхронные машины.

На базе этих машин строятся подсистемы, которые сокращенно называются вентильными двигателями (ВД) и бесконтактными двигателями постоянного тока (БДПТ).

Вентильные двигатели (рис. 9.1) – это устройства, в которых магнитоэлектрическая синхронная машина с синусоидальным распределением магнитного поля в зазоре включена в замкнутую систему с использованием датчика положения ротора (ДПР), преобразователя координат (ПК) и автономного инвертора (АИ). Форма магнитного поля в зазоре обуславливает способ формирования напряжения (тока) на выходе АИ. В ВД на выходе инвертора необходимо формировать синусоидальный ток, что достигается за счет синусоидальной широтно – импульсной модуляции в инверторе.

Отмеченная модуляция реализуется в ПК при этом амплитуда модулирующего сигнала определяется сигналом на входе ПК, а мгновенная фаза – углом поворота ротора (сигналом с ДПР). Таким образом, регулирование скорости ВД осуществляется за счет изменения входного сигнала.




Рис.9.1. Функциональная модель ВД.

Датчики положения ротора можно поделить на две группы безинерционные и инерционные. К первой группе относятся импульсные и цифровые ДПР. Ко второй – ДПР, выполненные на вращающихся трансформаторах или индукционных редуктосинах.

Важно подчеркнуть, что статические и динамические характеристики ВД зависят от свойств каждого блока, входящего в его состав.


^ Бесконтактные двигатели постоянного тока (рис. 9.2) – это устройства, в которых магнитоэлектрическая синхронная машина с трапецеидальным распределением магнитного поля в зазоре включена в замкнутую систему с использованием датчика положения ротора (ДПР) и полупроводникового коммутатора (КП). В данном устройстве на выходе КП и соответственно на обмотках синхронной машины формируется прямоугольное напряжение.

В качестве датчиков положения ротора в БДПТ используются импульсные датчики (электромагнитные, датчики Холла). Число таких датчиков равно числу фаз статора двигателя.

Регулирование скорости в БДПТ осуществляется за счет изменения напряжения питания полупроводникового коммутатора.



Рис.9.2. Функциональная модель БДПТ.
В данной главе первостепенное внимание уделяется вентильным двигателям и системам, построенным на их основе. При математическом описании бесконтактного двигателя постоянного тока обычно используют модель двигателя постоянного тока. При этом вопросы проектирования систем с БДПТ ничем не отличаются от проектирования систем постоянного тока (эти вопросы рассмотрены в гл.7).

В вентильных двигателях при определенных условиях проявляются свойства существенно отличные от свойств двигателей постоянного тока. Поэтому вопросы проектирования систем с ВД требуют подробного рассмотрения.

^ 9.2 Математическое описание, структурная схема и модель вентильного двигателя в неподвижной системе координат с безынерционным каналом ДПР-ПК.

Обобщенная магнитоэлектрическая синхронная машина показана на рис.9.3 [ ]. Она содержит две обмотки на статоре, обозначенные и явнополюсный ротор в виде постоянного магнита, поле которого направлено по оси .



Рис.9.3 Обобщенная магнитоэлектрическая синхронная машина
Уравнения равновесия эдс в обмотках статора и моментов на валу записываются в виде:


(9.1)


В уравнениях (9.1) - проекции мгновенных значений напряжения и тока статора на оси, - сопротивления статорной обмотки, - механическая угловая скорость, электромагнитный момент, момент нагрузки и механический угол поворота вала, - момент инерции ротора.

В уравнениях (9.1) потокосцепления по неподвижным осям находятся из выражений [ ]:


(9.2)

где - поток, созданный постоянным магнитом ротора на пару полюсов.

Если пренебречь насыщением стали, то выражения для собственных индуктивностей и взаимной индуктивности имеют вид:
(9.3)

где - индуктивность обмотки статора по продольной и поперечной оси.
С учетом уравнений (9.1), (9.2), (9.3) полное описание синхронной магнитоэлектрической машины в неподвижной системе координат запишется в виде:
(9.4)




где р-число пар полюсов, m- число фаз в машине.

Уравнения (9.4) описывают синхронную магнитоэлектрическую машину с синусоидальным распределением магнитного поля в зазоре. Для того, чтобы из этих уравнений получить уравнения ВД необходимо связать напряжения на статоре ВД с углом поворота ротора, который определяется сигналом с ДПР.

В этом случае напряжения должны зависеть от начальной установки датчика положения ротора и от угла поворота ротора и определяться выражениями:
, (9.5)

где амплитуда первой гармоники напряжения на выходе инвертора.
В реверсивных системах, а мехатронные системы, как правило, реверсивные, датчик положения ротора выставляется так, чтобы .

Дальнейшие исследования ВД и замкнутых систем на его основе осуществляется с двигателем, параметры которого помещены в таблицу 9.1.
Таблица 9.1

Параметры

.ВД

U1


R







J

p

m

Ед. измерения

В

Ом

Гн

Гн

Вб

кГм^2







Значение

200

0.96

5.25e-3

2.25e-3

0.183

13e-3

4

3


U1- амплитуда номинального напряжения на фазе двигателя.

Модель ВД в неподвижной системе координат показана на рис.9.4 (файл VD_Mod_ab).



Рис.9.4 Модель ВД в неподвижной системе координат



Блоки u1, Teta_0, ua, ub вычисляют напряжения по уравнениям:
(9.6)

где - коэффициент усиления силового полупроводникового преобразователя (автономного инвертора).

На рис.9.5 представлены переходные процессы (файл VD_Mod_ab.m) при U1=20В, из которых следует, что данный ВД может считаться линейным звеном как по управлению, так и по возмущению.




Рис.9.5 Переходные процессы в ВД при U1=20В



На рис.9.6 представлены переходные процессы по управлению при U1=200 В., из которых следует, что при больших сигналах ВД является нелинейным звеном, где существенным образом проявляются перекрестные связи.




Рис.9.6. Переходные процессы в ВД при U1=200В.





Рис.9.7. Окно настройки параметров блока To Workspace
Графическое представление переходных процессов здесь и далее реализуется путем записи их в рабочее пространство блоком To Workspace с последующим запуском программы построения этих процессов. Окно настройки параметров блока To Workspace показано на рис.9.7 для различных моделей изменяется только один параметр в поле Sample time. Время в этом поле должно быть равно максимальному шагу интегрирования, установленному в параметрах симуляции модели.

Математическое описание ВД в неподвижной системе координат достаточно сложное, его приходится применять при импульсном управлении ВД, когда нельзя использовать уравнения (9.5) для напряжений на фазах двигателя.
В случае питания обмоток статора синусоидальным или квазисинусоидальным (ШИМ по синусоидальному закону) напряжением следует использовать вращающиеся координаты для упрощения математического описания ВД и, как следствие, упрощения синтеза системы регулирования, т.к. последняя, как известно, строится во вращающейся системе координат.
^ 9.3 Математическое описание, структурные схемы и модели вентильного двигателя во вращающейся системе координат с безынерционным каналом ДПР-ПК .
Для упрощения математического описания ВД используется система координат d-q, жестко связанная с ротором при этом ось d совмещается с направлением магнитного поля ротора.

В этом случае операторные уравнения, которыми описываются электромагнитные и электромеханические процессы в вентильном двигателе имеют вид:
(9.7)
В уравнениях (9.7) - проекции напряжения и тока статора на оси, - проекция потокосцепления ротора на ось d, - постоянные времени и индуктивность обмотки статора по продольной и поперечной осям, - сопротивления статорной обмотки, - механическая угловая скорость, электромагнитный момент, момент нагрузки и механический угол поворота вала, - момент инерции ротора.




Рис.9.8 Структурная схема ВД


Структурная схема ВД, составленная по уравнениям (9.7), приведена на рис.9.8.

Напряжения можно задавать независимо друг от друга, а можно их значения увязать с начальной установкой датчика положения ротора , как это показано в пунктирной рамке на рис.9.8. В этом случае напряжения определяются выражениями:
(9.8)
В любом случае в реверсивных системах реализуются соотношения .

Структуру ВД с независимым заданием в дальнейшем будем называть двухканальной, структуру ВД, где напряжения зависят от начальной установки ДПР в дальнейшем будем называть одноканальной.
Модель ВД во вращающейся системе координат показана на рис.9.9 (файл VD_Mod_dq).




Рис.9.9 Модель ВД во вращающейся системе координат.



Переходные процессы в модели (рис.9.9) полностью идентичны, представленным на рис.9.5, 9.6.
^ 9.4 Анализ влияния перекрестных связей в ВД.

Из структурной схемы ВД видно, что он отличается от двигателя постоянного тока наличием перекрестных связей по переменным состояния в уравнениях равновесия эдс на обмотках и добавочным слагаемым момента в уравнении равновесия моментов на валу ВД. Этот момент возникает вследствие наличия в роторе явновыраженных полюсов и называется реактивным моментом синхронной машины.

Количественное влияние перекрестных связей на динамические характеристики вентильного двигателя можно исследовать на модели, представленной на рис. 9.10 (файл VD_DPT_Mod_dq), где реализованы две модели:

1 Модель ВД с перекрестными связями (верхняя модель).

2 Модель ВД без перекрестных связей (нижняя модель), которая в точности повторяет модель ДПТ.

Переходные процессы по управлению и возмущению для двух значений напряжения на ВД 20 В. и 200 В. представлены рис. 9.11 и рис.9.12 (файл VD_DPT_Mod_dq.m).



Рис.9.10. Модель ВД во вращающейся системе координат и эквивалентная модель ДПТ.






Рис.9.11. Переходные процессы в ВД и эквивалентным ДПТ при U1=20 B.




Рис.9.12 Переходные процессы в ВД и эквивалентным ДПТ при U1=200 B.





Рис. 9.13. Векторная диаграмма ВД.
Влияние перекрестных связей при больших сигналах проявляется в "затягивании" переходного процесса по скорости при скачке управляющего сигнала. Перекрестные связи при нулевом значении напряжения вызывают появление тока продольной составляющей , что можно проследить на векторной диаграмме (рис.9.13).
Ток продольной составляющей влияет на суммарный магнитный поток, что сказывается в реакции на скачок управляющего сигнала.




Рис.9.14 Переходные процессы в ВД по току продольной и поперечной составляющей при U1=200 B.

На рис.9.14 (файл VD_Mod_Id,Iq.m) показан переходной процесс токов по продольной и поперечной составляющим для последнего опыта, что полностью подтверждает влияние продольной составляющей на переходные процессы по скорости и моменту ВД.

^ 9.5 Статические характеристики ВД при питании от источника напряжения.

В установившемся режиме момент и ток потребления двигателя определяются из системы (9.7).
(9.9)
(9.10)
Для неявнополюсного двигателя и из 9.9, 9.10 легко получить уравнения момента и тока потребления неявнополюсного двигателя.
(9.11) (9.12)
Характеристики ВД, построенные по уравнениям 9.9, 9.10 (файл Char_Mech.m), показаны на рис.9.15. для максимального напряжения и различных соотношений постоянных времени по продольной и поперечной осям.



Рис.9.15. Механические и электромагнитные характеристики ВД.



При малых моментах наблюдается рост скорости, механическая характеристика двигателя в этой области аналогична характеристике ДПТ с последовательным возбуждением. В случае явнополюсного ротора существенную роль при малых скоростях и больших моментах (режим близкий к короткому замыканию) играет реактивная составляющая момента. Интересно отметить, что реактивный момент приводит к появлению неустойчивой области работы ВД.

Токи продольной и поперечной составляющей в установившемся режиме определяются из уравнений:

(9.13 )

На рис.9.16 показаны их зависимости от момента (файл Char_Mech).



Рис.9.16. Зависимость токов продольной и поперечной составляющих от момента ВД.

^ 9.6. Датчики положения ротора и преобразователи координат, выполненные на вращающихся трансформаторах.
В качестве датчика положения ротора и преобразователя координат (ДПР-ПК) в системах управления с ВД часто используется вращающийся трансформатор (ВТ), число полюсов которого согласовано с числом полюсов ВД [5]. Вращающийся трансформатор может быть использован как в режиме амплитудной модуляции, так и в режиме фазовой модуляции.



Рис.9.17. Одноканальная система ДПР-ПК с амплитудной модуляцией.



При использовании амплитудной модуляции в ВТ возможны два способа построения преобразователя координат (ПК, рис.9.17). В первом случае на обмотку возбуждения ВТ поступает амплитудно-модулированный сигнал с выхода модулятора. Модулирующим сигналом модулятора является входной сигнал, а несущим сигналом – высокочастотный сигнал с генератора. К синусной и косинусной обмоткам ВТ подключены демодуляторы, на выходе которых использованы фильтры, выделяющие модулирующий сигнал. При таком построении в реверсивных системах начальный угол установки ВТ должен быть выбран равным , тогда входной сигнал модулятора определяет значение составляющей напряжения вращающейся системы координат. Такой способ построения, как это отмечено выше, называется одноканальным.

При использовании второго способа на обмотку возбуждения ВТ поступает немодулированный сигнал с генератора несущей частоты (рис.918), демодуляторы и фильтры генерируют систему вращающихся координат. Преобразование сигналов ud, uq из вращающихся координат в неподвижные осуществляется в преобразователе в соответствии с уравнениями
( 9.14)



Рис.9.18. Двухканальная система ДПР-ПК с амплитудной модуляцией.



При таком (двухканальном) построении начальный угол установки датчика положения ротора следует задать нулевым, а ориентацию напряжения на статоре относительно поля ротора во вращающейся системы координат осуществить соответствующим заданием величин .

При использовании фазовой модуляции в ВТ возможны также два способа построения преобразователя координат (ПК, рис.9.1). Первый, одноканальный вариант с фазовой модуляцией показан на рис.9.19. В этой схеме генератор несущей частоты вырабатывает два сдвинутых по фазе на 90 эл. град. синусоидальных сигнала несущей частоты, которые поступают на синусную и косинусную обмотки ВТ, и одновременно на фазовые детекторы (ФД). С обмотки возбуждения ВТ сигнал несущей частоты и сигнал управления поступают на умножитель, который выполняет роль фазовращателя. Фазовые детекторы и фильтры выделяют напряжения неподвижной системы координат.



Рис.9.19. Одноканальная система ДПР-ПК с фазовой модуляцией.




При использовании второго двухканального способа с обмотки возбуждения ВТ немодулированный сигнал поступает непосредственно на фазовые детекторы (рис.9.20), ФД и фильтры генерируют систему вращающихся координат. Преобразование сигналов ud, uq из вращающихся координат в неподвижные осуществляется в преобразователе в соответствии с уравнениями ( 9.14).



Рис.9.20. Двухканальная система ДПР-ПК с фазовой модуляцией



При таком построении, также как и в случае амплитудной модуляции, начальный угол установки датчика положения ротора необходимо задать нулевым, а ориентацию напряжения на статоре относительно поля ротора во вращающейся системы координат осуществить соответствующим заданием величин .
^ 9.7. Математическое описание, структурные схемы и модели вентильного двигателя с инерционным каналом ДПР-ПК -АИ.
Во всех рассмотренных реализациях ДПР и ПК на ВТ присутствуют балансные модуляторы, демодуляторы и НЧ фильтры. В любом варианте эти блоки влияют на амплитуду и фазу сигнала управления и при синтезе регуляторов их параметры необходимо учитывать.




Рис.9.21. Спектр сигнала на выходе балансного модулятора.
Спектр сигнала на выходе балансного модулятора показан на рис.9.21. Информация о входном сигнале, который изменяется с частотой , заложена в боковых частотах. Амплитуда этих частот равна половине амплитуды основной, несущей частоте (). Это означает, что коэффициент передачи тракта ДПР-ПК по амплитуде равен К=0.5.

Частотные характеристики фильтра в основном сказываются на фазовой характеристике тракта ДПР-ПК.

Чаще всего в качестве фильтра используется апериодическое звено, частотная характеристика которого определяется уравнением:
(9.15)

где .

Автономный инвертор, как это следует из предыдущего, может также быть представлен апериодическим звеном, частотная характеристика которого описывается уравнением
(9.16)

где .*

*При высоких частотах коммутации современных транзисторов инерционность автономного инвертора можно не учитывать, считая его непрерывным безинеруионным звеном с коэффициентом усиления Кср.




Рис.9.22. Векторная диаграмма ВД с инерционным каналом ДПР-ПК.
Фазовый сдвиг в канале ДПР-ПК-АИ приводит к смещению, вектора напряжения на статоре относительно оси в сторону отставания. При этом возрастает продольная составляющая тока якоря и соответственно суммарный магнитный поток. Рост потока вызывает падение скорости. Эти процессы прослеживаются на векторной диаграмме (рис.9.22).

Одноканальная модель ВД, реализованная в соответствии с функциональной схемой (рис.9.17 ), показана на рис.9.23 (файл VD_Mod_VT), в которой блок VD_ab представляет собой ВД в неподвижной системе координат, модель которого рассмотрена выше (рис.9.4).

Динамические процессы в с рассмотренной реализацией ДПР-ПК исследованы на модели при напряжении на обмотках , т.к. именно при большом напряжении в наибольшей степени проявляются нелинейные свойства ВД . Эти процессы показаны на рис.9.24.




Рис.9.23. Модель одноканальной структуры ВД в неподвижной системе координат.


Если сравнить эти процессы с аналогичными (рис.9.6) для ВД с безинерционным каналом ДПР-ПК-АИ, то можно заметить что за счет увеличения сдвига фазы напряжения и соответственно тока относительно оси увеличивается поток и снижается скорость вентильного двигателя.






Рис.9.24. Переходные процессы в модели с одноканальной структурой.

Одноканальная структура ВД с инерционным каналом ДПР-ПК-АИ во вращающейся системе координат, соответствующая структурам (рис.9.17, рис.9.19 ), показана на рис.9.25.



Рис.9.25. Одноканальная структура ВД во вращающейся системе координат.



(9.17 )
В реверсивных системах датчик положения ротора выставляется так, чтобы , тогда
. (9.18 )
Одноканальная модель ВД показана на рис.9.26 (файл VD_Mod_VT_dq). В блоке Subsystem1 вычисляются по уравнениям (9.18).



Рис.9.26. Модель одноканальной структуры ВД во вращающейся системе координат.



Двухканальная модель ВД, соответствующая структурам (рис.9.18, рис.9.20), показана на рис.9.27 (файл VD_Mod_VT_dq1). В блоке Subsystem1 вычисляются по уравнениям
(9.19 )
Переходные процессы в ВД для рассмотренных структур совершенно аналогичны и при максимальном напряжении показаны на рис.9.28 эти процессы полностью повторяют процессы, полученные выше для модели ВД в неподвижной системе координат (рис.9.24).



Рис.9.27. Модель двухканальной структуры ВД во вращающейся системе координат.


Таким образом, запаздывание в канале ДПР-ПК-АИ приводит к появлению нелинейности по управлению, т.к. напряжения на обмотках двигателя изменяются с изменением скорости. В структурах рис.9.17, рис.9.19 эти нелинейности компенсировать не удается. В структурах, показанных на рис.9.18, рис.9.20, они могут быть компенсированы по управлению путем введения определенных обратных связей. Эти вопросы будут рассмотрены далее при синтезе замкнутых систем с вентильным двигателем.



Рис.9.28. Переходные процессы в двухканальной модели ВД.

^ 9.8 Статические характеристики ВД с инерционным каналом ДПР-ПК –АИ.
В установившемся режиме электромагнитные и электромеханические процессы в вентильном двигателе описываются уравнениями:
(9.20)
Откуда можно найти выражение для электромеханических и электромагнитных характеристик ВД.
Выражение для момента имеет вид:



Рис.9.29. Механические и электромагнитные характеристики ВД с инерционным каналом ДПР-ПК.
(9.21)


Ток, потребляемый двигателем.
(9.22)

По уравнениям 9.21,9.22 на рис.9.29 построены механические и электромагнитные характеристики ВД (файл Char_Mech1), из которых видно, что увеличение постоянной времени фильтра приводит к снижению скорости и возрастанию тока якоря. При этом рост тока происходит в основном за счет роста продольной составляющей.
Токи продольной и поперечной составляющих находятся из уравнений:
. (9.23 )
Зависимости этих токов от момента рассчитанные по (9.23) (файл Char_Mech1), показаны на рис.9.30.

Таким образом, при использовании вращающегося трансформатора в качестве датчика положения ротора динамические и статические характеристики вентильного двигателя существенно изменяются при изменении инерционности в канале ДПР-ПК-АИ. Это свойство ВД необходимо учитывать как при проектировании регуляторов в замкнутой системе, так и при проектировании силового полупроводникового преобразователя.



Рис.9.30. Зависимости токов продольной и поперечной составляющих от момента в ВД с инерционным каналом ДПР-ПК.



^ 9.9. Исследование виртуальной модели ВД с безинерционным каналом ДПР-ПК и инвертором с синусоидальной ШИМ.
Виртуальная модель для исследования ВД показана на рис.9.31 (файл VD_Virt_Inv_abc). Модель содержит трехфазную магнитоэлектрическую синхронную машину (Permanent Magnet Synchronous Machine), управляемую от трехфазного инвертора (Universal Bridge), блок управления инвертором (PWM Generator) и преобразователь координат dq-abc (блоки Fcn, Fcn1,Fcn2), в котором реализуются зависимости:
(9.24)
В блоке Universal Bridge реализуется усиление входных сигналов в соответствии с уравнениями:

(9.25)



Рис.9.31. Виртуальная модель ВД с безинерционным каналом ДПР-ПК.






Рис.9.32. Переходные процессы в виртуальной модели ВД при U1=20 В.
Переходные процессы в ВД при амплитудном значении первой гармоники фазного напряжения равным U1=20 В и U1=200 В. показаны на рис.9.32, 9.33.
Процессы виртуальной модели повторяют процессы, полученные на структурных моделях (см. рис.9.5, рис.9.6,рис. 9.11, рис.9.12.) с безинерционным каналом ДПР-ПК-АИ. Это свидетельствует о том, что запаздывание, вносимое АИ не сказывается на динамических процессах в ВД.



Рис.9.33. Переходные процессы в виртуальной модели ВД при U1=200 В.



Виртуальная модель ВД представляет собой своего рода лабораторный стенд, на котором осуществим исследование не только динамических характеристик ВД, но и статических, электромагнитных, энергетических и спектральных характеристик.

В качестве статических рассмотрим механические () характеристики ВД.

В качестве электромагнитных рассмотрим зависимости тока в цепи питания инвертора и тока потребления двигателем от скорости вращения ().

В качестве энергетических рассмотрим зависимости мощности в цепи питания инвертора, полной и активной мощности на выходе инвертора от мощности на валу двигателя ().

Из спектральных характеристик рассмотрим спектры напряжения и тока на выходе инвертора.

Модель для исследования всех перечисленных характеристик показана на рис.9.34 (файл VD_Virt_Inv_Measur).




Рис.9.34. Модель для исследования статических характеристик ВД.





Рис.9.35 Механическая характеристика ВД.
Исследование установившихся режимов в модели реализовано путем формирования линейно нарастающего момента на валу ВД (блок Мн) после окончания переходного процесса. Для этого в течение 0.2 с. момент на валу равен нулю.

За это время заканчивается переходной процесс и скорость ВД достигает значения скорости холостого хода. В течение последующих 0.2 с. момент плавно нарастает от нуля до 100 Нм. Результаты моделирования в этом промежутке времени записываются в рабочее пространство Matlab блоком To Workspace с последующим расчетом всех перечисленных характеристик (файл VD_Virt_Inv_Measur.m).

Результаты расчета экспортируются в Excel для построения этих характеристик. Механическая характеристика ВД показана на рис

Электромагнитные и энергетические характеристики показаны на рис.9.36. Эти характеристики служат основой для проектирования инвертора и источника питания. Заметим, что на энергетических характеристиках почти не видна разница в мощности на выходе инвертора и в его источнике питания




Рис.9.36. Электромагнитные и энергетические характеристики ВД.



Спектральные характеристики напряжения и тока на выходе инвертора снимаются в установившемся режиме при постоянном моменте нагрузки на валу ВД с использованием блоков Scope и Powergui. На рис.9.37 показано выходное линейное напряжение инвертора и его спектр, а на рис.9.38 – ток на выходе инвертора и его спектр.



Рис.9.37. Форма и спектр линейного напряжения питания ВД.





Рис.9.38. Форма и спектр тока в фазе ВД.


^ 9.10. Исследование виртуальной модели ВД с инерционным каналом ДПР-ПК и инвертором с синусоидальной ШИМ.
Виртуальная модель ВД с инерционным каналом ДПР-ПК и инвертором с синусоидальной ШИМ и одноканальной структурой показана на рис.9.39 (файл VD_Virt_VT_Measur.) Здесь в блоке Subsystem1 вычисляются по уравнениям
. ( 9.26)




Рис.9.39. Виртуальная модель ВД с инерционным каналом ДПР-ПК.





Рис.9.40. Механическая характеристика ВД с инерционным каналом ДПР-ПК.
Исследование модели и построение основных характеристик осуществляется аналогично рассмотренным выше. Динамические процессы виртуальной модели повторяют процессы, полученные на структурных моделях (см. рис 9.24).

Инерционность в канале ДПР-ПК существенно влияет на механические характеристики (сравнить рис.9.35 и рис.9.40) и на энергетические характеристики (сравнить рис.9.36 и рис.9.41). Из сравнения энергетических характеристик можно видеть, что кпд и коэффициент мощности в ВД с инерционным каналом ДПР-ПК приблизительно в 1.5 раз меньше.




Рис.9.41. Электромагнитные и энергетические характеристики ВД с инерционным каналом ДПР-ПК.



Исключить влияние перекрестных связей и запаздывания в канале ДПР-ПК на динамические, механические, электромагнитные и энергетические характеристики ВД возможно на пути построения замкнутых по току систем регулирования. Поэтому в дальнейшем рассматриваются замкнутые системы, в которых в обязательном порядке присутствуют токовые контура.

^ 9.11 Синтез регуляторов в двухконтурной скоростной системе с вентильным двигателем во вращающейся системе координат с безынерционным каналом ДПР-ПК.
Функциональная схема двухконтурной скоростной системы показана на рис.9.42.



Рис.9.42. Структура синхронной скоростной системы с инерционным каналом ДПР-ПК.




Контур тока в такой системе может быть реализован двояким способом. В первом случае контур тока реализуется в неподвижной системе координат. В этом варианте регулятор тока может быть только релейного типа. Во втором случае контур тока реализуется во вращающейся системе координат (пунктир рис.9.42). В этом случае регулятор тока может быть как релейным, так и линейным. При безинерционном канале ДПР-ПК и использовании релейного регулятора тока синтез регулятора скорости не зависит от места включения регулятора тока и от структуры этого регулятора. Напомним, что в зависимости от способа формирования сигналов управления , рассматриваются одноканальные и двухканальные структуры.
Пример 9.1. Рассмотрим пример построения скоростной системы с релейными регулятороами в контуре тока.

В этом случае контур тока можно считать безинерционным, а силовой регулятор - источником тока. Тогда передаточная функция объекта регулирования без учета перекрестных связей будет представлена интегрирующим звеном (см. рис.9.8).

, (9.27)

а передаточная функция разомкнутой системы будет равна

(9.28)

При пропорциональном регуляторе скорости с коэффициентом усиления Кр и коэффициентом обратной связи передаточная функция замкнутой по скорости системы будет апериодической с постоянной времени .

Модель системы (файл VD_Mod_drive_Hist_dq), в которой учтены перекрестные связи в ВД и модель без учета перекрестных связей, которая аналогична двигателю постоянного тока, реализованы параллельно (рис.9.43). Результаты моделирования системы с ВД и эквивалентной системы постоянного тока полностью совпадают. Переходные процессы "в малом" показаны на рис.9.44. Построение переходных процессов реализовано в фале ( VD_Mod_drive_Hist_dq.m).

Из сравнения результатов моделирования видно, что в замкнутой системе при наличии токовых контуров вентильная машина может быть представлена структурой, соответствующей структуре двигателя постоянного тока. При этом синтез скоростных и следящих систем с ВД подобен синтезу в системах постоянного тока, рассмотренном в гл.7.




Рис.9.43. Модели одноконтурной скоростной системы с ВД и эквивалентной системы с ДПТ.



Переходные процессы "в большом" показаны на рис.9.45.




Рис.9.44. Переходные процессы «в малом» в модели одноконтурной скоростной системы с ВД.






Рис.9.45. Переходные процессы «в большом» в модели одноконтурной скоростной системы с ВД.



Для придания системе астатизма по возмущению следует синтезировать ПИ регулятор скорости, рассчитав его параметры аналогично примеру 7.3 (Гл.7).

Пример 9.2. Рассмотрим пример синтеза регуляторов тока и скорости в скоростной системе с автономным инвертором, который представим звеном с запаздыванием на период коммутации =0.0002 с (f=5000Гц.) и коэффициентом усиления =200.

Когда в ВД использован синхронный двигатель с явновыраженными полюсами, то постоянные времени в каналах различны. Поэтому параметры регуляторов тока в каналах будут так же различаться. Для выбранного ВД (табл.9.1) электромагнитные постоянные времени значительно превышают постоянную времени силового регулятора и его можно считать безинерционным. Поскольку канал q "отвечает" за момент, то регулятор скорости включен в этот канал. Структурная схема замкнутой системы приведена на рис.9.46 Синтез регуляторов в этой структуре осуществим без учета перекрестных связей между каналами.




Рис.9.46. Структурная схема замкнутой двухконтурной скоростной системы с ВД.


Если в качестве токового регулятора использовать пропорциональный регулятор, то замкнутый токовый контур опишется апериодическим звеном с передаточной функцией

Для канала d , где . (9.29 )

Для канала q , где . (9.30)

Если в канале скорости выбрать пропорциональный регулятор с коэффициентом усиления

, (9.31 )

то скоростная система будет настроена на оптимум по модулю, а передаточная функция замкнутой скоростной системы будет равна

(9.32)

На рис.9.47 приведена модель (файл VD_Mod_drive_dq), с выбранными и рассчитанными в соответствии с уравнениями (2.29 ), (2.30 ), (2.31) параметрами

.

Здесь же помещена эквивалентная модель постоянного тока с теми же самыми регуляторами. Переходные процессы в этих двух системах совершенно одинаковые, они представлены на рис.9.48, рис.9.49.




Рис.9.47. Модели замкнутой двухконтурной синхронной системы с ВД и эквивалентной системы постоянного тока.


Для придания системе астатизма по возмущению (моменту) необходимо в регулятор скорости добавить интегральную составляющую.




Рис.9.48. Переходные процессы «в малом» в модели двухконтурной скоростной системы с ВД.



Рис.9.49. Переходные процессы «в болшом» в модели двухконтурной скоростной системы с ВД.



^ 9.12. Синтез регуляторов в двухконтурной скоростной системе с вентильным двигателем с инерционным каналом ДПР-ПК.

Пример 9.3. Рассмотрим двухканальную систему управления ВД с релейными регуляторами тока, реализованными в неподвижной системе координат.

Модель этой системы показана на рис.9.50 (файл VD_Mod_VT_drive_Hist_ab2). Здесь блок VD_ab представляет собой модель ВД в неподвижной системе координат. Регулятор скорости (блок Kw) рассчитан так же как в примере 9.1. Коэффициент передачи фильтра принят равным 2 для компенсации уменьшения напряжения управления в модуляторе.




Рис.9.50. Модель двухканальной системы управления ВД с релейными регуляторами тока в неподвижной системе координат.


Переходной процесс в системе "в малом" по управлению и возмущению показан на рис.9.51. Сравнение динамических свойств системы с аналогичными (рис.9.44) показывают, что в данном случае переходной процесс по управлению несколько затянут, а динамический момент уменьшился в два раза.




Рис.9.51. Переходные процессы в модели двухканальной системы управления ВД с релейными регуляторами тока в неподвижной системе координат.


Пример 9.4. Рассмотрим двухканальную систему управления ВД с релейными регуляторами тока, реализованными во вращающейся системе координат.




Рис.9.52. Модель двухканальной системы с релейными регуляторами тока, реализованными во вращающейся системе координат.
Модель этой системы показана на рис.9.52 (файл VD_Mod_VT_drive_Hist_dq2). Здесь блок VD_dq представляет собой модель ВД во вращающейся системе координат. Регулятор скорости (блок Kw) рассчитан так же как в примере 9.1.

В данном случае переходные процессы в системе полностью повторяют процессы в системе с безинерционным каналом ДПР_ПК, представленные на рис.9.44, рис.9.45. Такие свойства системы с инерционным каналом ДПР_ПК можно объяснить тем, что инерционный канал находится внутри релейного токового контура.

Пример 9.5. Рассмотрим двухканальную систему управления ВД с линейными регуляторами тока, реализованными во вращающейся системе координат.




Рис.9.53. Модель двухканальной системы с линейными регуляторами тока, во вращающейся системе координат.
Модель этой системы показана на рис.9.53 (файл VD_Mod_VT_drive_dq2). Здесь блок VD_Mod_dq представляет собой модель ВД во вращающейся системе координат.

Регуляторы тока и регулятор скорости в системе выбраны такими же, как в примере 9.2. Переходные процессы в системе полностью повторяют процессы в системе с безинерционным каналом ДПР_ПК, представленные на рис.9.48, рис.9.49.

^ 9.13 Синтез регуляторов в двухконтурной синхронной скоростной виртуальной системе.

Рассмотрим вопрос синтеза скоростного регулятора в системе с трехфазным автономным инвертором и релейными регуляторами в контуре тока.

В этом случае, как и ранее, контур тока можно считать безинерционным, а инвертор - источником тока.

Регулятор скорости синтезируем в соответствии с методикой, описанной в примере 9.1. Модель замкнутой системы (файл VD_virt_drive_abc) представлена на рис.9.54 , а ее динамические характеристики "в малом"– на рис.9.55.

Сравнивая эти характеристики с характеристиками синтезированной структурной модели (рис.9.43) можно судить об их полной идентичности.




Рис.9.54. Модель виртуальной двухконтурной скоростной системы с релейными регуляторами тока.





Рис.9.55.Переходные процессы в виртуальной двухконтурной скоростной системы с релейными регуляторами тока.




Виртуальная модель позволяет исследовать не только динамические характеристики системы, но и все статические (электромагнитные, энергетические, регулировочные, механические) характеристики.
^ 9.14.Виртуальная одноконтурная скоростная система с бесконтактным двигателем постоянного тока.
Мехатронную систему с БДПТ рассмотрим на примере одноконтурной скоростной системы, аналогичной той, которая исследована в п.7.6, гл.7. Модель замкнутой системы показана на рис.9.56 (файл BDPT_Virt).



Рис.9.56. Модель замкнутой одноконтурной скоростной системы с БДПТ.



В этой системе инвертор выполняет роль коммутатора. При этом каждый транзистор инвертора включен в течение =1200 . . На рис.9.57 показаны импульсы управления транзисторами одного плеча инвертора и ток нагрузки этого плеча в установившемся режиме работы.

При таком управлении инвертором изменять напряжение на его выходе можно только в звене постоянного тока. В модели для этой цели используется управляемый источник напряжения (Controlled Voltage Source), который управляется от регулятора скорости.

При синтезе регулятора скорости приходиться упрощать математическое описание БДПТ (уравнения , гл.6), заменяя его эквивалентным двигателем постоянного тока.

В этом случае уравнения, которыми описывается БДПТ будут выглядеть следующим образом:
(9.33)

где - напряжение и ток статора (якоря), - параметры двигателя, которые вводятся в поля окна настройки параметров БДПТ (рис.6.18, гл.6), m=3– число фаз.



Рис.9.57. Электромагнитные процессы в БДПТ.
В соответствии с уравнениями (9.33) на рис.9.58 построена структура БДПТ. Эта структура подобна структуре ДПТ (рис.7.1), в которой

.

В таблице 9 приведены данные БДПТ. Основные из них (затемненные графы) соответствуют рассмотренному в гл.7 ДПТ.





Рис.9.58. Структурная схема БДПТ.



Таблица 9.





Км

КЕ



J

T1

T2

1/Ом

1/Амс2

Нм/A

Вс

с

кГм^2

с

с

0.86

1.42

0.51

0.34

0.043

0.36

0.044

2.15



Поскольку целесообразно строить ПИ регулятор (табл.1, гл.3), который компенсировал бы большую постоянную времени объекта

(9.34)

Тогда передаточная функция разомкнутой системы будет равна:
(9.35)




Рис.9.59. Переходные процессы в замкнутой одноконтурной скоростной системе с БДПТ.



Оптимум по модулю в такой системе достигается при , откуда находятся коэффициенты передачи пропорциональной и интегральной части регулятора.
(9.36)
При параметры регулятора будут равны ,

а переходные процессы в замкнутом скоростном контуре по моменту и скорости при скачке входного сигнала в момент времени и скачке возмущающего сигнала (момента на валу БДПТ) в момент времени представлены характеристиками на рис.

Сравнивая параметры регулятора и результаты моделирования с примером 7.1 гл.7 можно судить о возможности представления БДПТ эквивалентным ДПТ с математическим описанием, соответствующему системе уравнений ( ).
В пакете Sim Power System представлены два имитационных стенда замкнутых синхронных систем. Панели настройки параметров этих стендов аналогичны рассмотренным в главах 7, 8 стендам постоянного тока и асинхронным.



Скачать файл (7987 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru