Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Ивановский государственный энергетический
университет имени В. И. Ленина»

А.Б. ВИНОГРАДОВ

ВЕКТОРНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Иваново 2008

УДК 62-83:621.3.07
В48
Виноградов А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока / ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина».¾ Иваново, 2008.¾ 298 с.  ISBN

Рассмотрены математические основы, структуры, алгоритмы и современные средства управления электроприводами переменного тока: асинхронными, синхронными, вентильно-индукторными. Основное внимание уделено векторным подходам к управлению электроприводами, в основу которых положен метод векторного представления переменных в пространстве состояний. С использованием понятия результирующего вектора и координатных преобразований рассмотрены различные варианты математического описания электродвигателей переменного тока: асинхронных, синхронных, индукторных, в том числе с учетом эффекта насыщения элементов магнитной системы, потерь в стали и поверхностного эффекта.
Рассмотрены принципиальные схемы, способы и особенности формирования управляющих сигналов силовых полупроводниковых преобразователей, широко применяемых в электроприводе переменного тока. Уделено внимание управлению матричным преобразователем частоты, а также таким вопросам, как компенсация влияния «неидиальностей» силовых ключей, динамическое моделирование тепловых процессов в IGBT-модулях.
На уровне математических выражений, структурных, функциональных схем и блок-схем алгоритмов работы рассмотрены различные варианты построения систем управления электроприводами переменного тока: асинхронными, синхронными, вентильно-индукторными. Кроме традиционного подхода к векторному управлению с прямой и косвенной ориентацией при цифровой реализации рассмотрены примеры цифрового релейно-векторного управления, цифрового адаптивно-векторного управления с использованием и без использования датчика углового перемещения, прямого управления моментом, пример применения векторной ориентации переменных в асинхронном электроприводе с частотным управлением. Отдельное внимание уделено таким вопросам, как идентификация переменных и параметров двигателей, адаптация параметров системы управления к изменению параметров силовой части привода в процессе его работы, векторному управлению активным IGBT-выпрямителем. Для ряда рассмотренных примеров построения систем управления представлена процедура синтеза регуляторов.

Табл. 14.  Ил. 151.  Библиогр.: 54 назв. 
Печатается по решению редакционно-издательского совета ГОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина»
Научный редактор
доктор технических наук, профессор А.Р. Колганов
Рецензенты:
Флоренцев С.Н. (ООО «Русэлпром-электропривод)
Глазунов В.Ф. (ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина»)

ISBN                                                                               (с)   А.Б. Виноградов 2008

ВВЕДЕНИЕ

3

1.

Понятие результирующего вектора и его представление в различных системах координат

4

2.

Координатные преобразования

8

3.

Математическое описание асинхронной машины

15

3.1. Математическая модель асинхронного двигателя в естественных координатах

16

3.2. Преобразование уравнений асинхронного двигателя

23

3.3. Запись уравнений относительно потокосцеплений статора и ротора

30

3.4. Запись уравнений относительно тока статора и потокосцепления ротора

33

3.5. Уравнения в преобразованных координатах для частных случаев

34

3.6. Математическое описание АД с учетом насыщения цепи намагничивания

35

3.7. Математическое описание АД при частотном управлении

39

3.8. Математическое описание АД с учетом потерь в стали, поверхностного эффекта, насыщения магнитной системы основным потоком и потоками рассеяния

44

4.

Математическое описание синхронного двигателя

53

4.1. Математическое описание синхронного двигателя без демпферной обмотки

54

4.2. Статические характеристики электропривода с синхронным двигателем

59

4.3. Математическое описание синхронного двигателя с демпферной обмоткой

63

4.4. Математическое описание синхронного двигателя с постоянными магнитами

66

5.

Математическое описание вентильно-индукторного привода

70

5.1. Структурная схема вентильно-индукторного привода

70

5.2. Особенности конструкции индукторной машины 

71

5.3. Принцип действия ВИП

73

5.4. Математическое описание m- фазного ИД с независимым управлением фазами

76

5.5. Математическое описание 6-фазного ИД с общей точкой

79

6.

Силовые преобразователи, широко применяемые в электроприводе переменного тока

81

6.1. Непосредственные преобразователи частоты

81

6.2. Двухзвенные ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока

83

6.3. Двухзвенный ПЧ с неуправляемым выпрямителем и автономным  инвертором напряжения

88

6.4. Двухзвенный ПЧ с рекуперативным выпрямителем и автономным  инвертором

91

7.

Широтно-импульсная модуляция сигналов управления автономным инвертором напряжения

91

7.1. ШИМ на основе сравнения сигналов управления с опорным сигналом

92

7.2. Принципы построения векторных широтно-импульсных модуляторов

95

7.3. Понятие об асинхронных и синхронных ШИМ

102

7.4. Компенсация влияния "мертвого" времени

104

7.5. Релейно-векторное формирование алгоритмов управления инвертором напряжения в замкнутом контуре тока статора

108

8.

Алгоритмы пространственно-векторного управления  матричным преобразователем частоты

118

8.1. Векторное описание состояний матричного преобразователя частоты

119

8.2. Синтез алгоритма управления

123

8.3. Результаты моделирования

134

9.

Построение тепловой защиты преобразователя частоты на основе динамической тепловой модели IGBT-модуля

137

9.1. Тепловая модель IGBT-модуля

139

9.2. Перегрузочная способность преобразователя с защитой по динамической тепловой модели IGBT-модуля

148

9.3. Экспериментальные результаты и промышленная реализация

150

10.

Асинхронный электропривод при частотном управлении

155

10.1. Механические характеристики

155

10.2. U/f–регулирование скорости

159

10.3. Пример реализации принципов векторной ориентации переменных в асинхронном электроприводе с частотным управлением

167

11.

Системы векторного управления асинхронным электроприводом

178

11.1. Принцип ориентации переменных по полю

178

11.2. Система векторного управления асинхронным двигателем с непосредственным измерением потокосцепления

183

11.3. Система векторного управления асинхронным двигателем с моделью роторной цепи

187

11.4. Пример построения системы векторного управления в асинхронном электроприводе серии ЭПВ

196

11.4.1. Синтез регуляторов тока

200

11.4.2. Синтез регулятора скорости

202

11.4.3. Формирование заданного тока статора по оси d

204

11.5. Пример построения цифровой релейно-векторной системы управления асинхронным электроприводом

206

11.6. Пример построения системы прямого управления моментом асинхронного двигателя

208

11.7. Пример системы частотно-токового управления

219

12.

Идентификация переменных и параметров в асинхронном электроприводе

220

12.1. Автоматическая настройка параметров системы управления на параметры силового канала электропривода

221

12.2. Адаптация к изменению постоянной времени ротора

226

12.3. Адаптация к изменению параметров механической части привода

230

12.4. Пример построения наблюдателя состояния асинхронного электропривода с адаптивно-векторным управлением без датчика на валу двигателя

234

12.5. Бездатчиковое определение скорости в асинхронном электроприводе

240

13.

Специальные режимы работы асинхронных электроприводов с частотным и векторным управлением

244

13.1. Режим управления за счет энергии торможения

244

13.2. Режим безударного переключения двигателя между ПЧ и питающей сетью

248

13.3. Режим плавного пуска на вращающийся двигатель

249

14.

Системы управления электроприводами на основе синхронного электродвигателя

251

14.1. Пример построения системы векторного управления синхронным двигателем с постоянными магнитами

252

14.2. Принцип действия электропривода с бесконтактным двигателем постоянного тока

257

14.3. Принцип построения и математическое описание электропривода с вентильным двигателем на основе двухфазной синхронной машины

260

14.4. Математическое описание электропривода с вентильным двигателем на основе трехфазной синхронной машины

266

14.5. Системы управления электроприводом с вентильным двигателем

272

15.

Векторное управление рекуперативным выпрямителем напряжения

277

16.

Система управления вентильно-индукторным двигателем

285

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

289

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

291