Принципы построения систем управления асинхронным двигателем.

В соответствии с векторными диаграммами и соотношениями между основными переменными АД (гл. 4) его электромеханические свойства при фиксированной частоте питания однозначно определяются как абсолютными значениями магнитных потоков, потокосцеплений и токов цепей машины, так и их векторными взаимосвязями в функции абсолютного скольжения АД. Отсюда и различные принципы управления АД: скалярный, при котором осуществляется регулирование лишь абсолютных значений переменных АД, и векторный, при котором одновременно осуществляется принудительная взаимная ориентация векторов переменныхАД в соответствии с принятым законом управления. При этом управляемость АД может обеспечиваться совместным регулированием либо частоты f₁ и напряженияU₁, либо частоты f₁ и тока I₁статорной обмотки. Первый способ управления принято трактовать как частотное управление, второй – как частотно-токовое управление [4, 8, 9].

Поскольку выбор способа и принципа управления определяется совокупностью статических, динамических, энергетических и затратных требований к асинхронному электроприводу, следует дать их сравнительную оценку.

Скалярный принцип частотного управления является наиболее распространенным в электроприводе. Ему свойственна техническая простота измерения и регулирования абсолютных значений переменных АД. Однако реализация желаемых законов регулирования скорости и момента АД, их стабилизация и ограничение, при которых обеспечивалось бы постоянство или ограничение в допустимых пределах внутренних переменных АД (токов статора и ротора, их потокосцеплений, основного магнитного потока), из-за сложных функциональных зависимостей между ними весьма ограничена. И если в статических режимах за счет комбинаций обратных связей по переменным АД в замкнутых системах частотного регулирования и можно добиться желаемых или близких к ним свойств электропривода, то в динамических режимах эта задача трудно выполнима. Связано это с весьма сложными электромагнитными процессами, протекающими в АД.

Действительно, при любых динамических возмущениях в АД происходит взаимное изменение токов и связанных с ними магнитных потоков машины. При этом скорость изменения магнитных потоков заметно отстает от темпа изменения токов АД. В результате в переходном процессе нарушается взаимосвязь не только абсолютных значений токов и потоков, но и возникает фазовый сдвиг между их векторами. Последний носит свободный и не управляемый в динамике характер. Поскольку и абсолютные значения и взаимные фазовые сдвиги векторов токов и потоков цепей статора и ротора изменяются одновременно, то при наличии взаимосвязанных звеньев, содержащих электромагнитные постоянные времени цепей статора, контура намагничивания, ротора и механическую постоянную времени ротора, изменение переменных АД во времени будет носить затухающий колебательный характер. Период колебаний и коэффициент их демпфирования зависят от соотношений постоянных времени и абсолютного скольжения АД. После окончания переходного процесса абсолютные значения токов и потоков и фазовые сдвиги между их векторами взаимно сориентируются в пространстве и определятся уже в соответствии с заданным установившимся режимом работы АД.

Скалярное частотно-токовое управление АД характеризуется малым критическим скольжением и постоянством критического момента при постоянстве питающего АД тока и изменении его частоты (п. 4.4.5). Однако в разомкнутых системах подобное управление практически исключено, поскольку с увеличением нагрузки (скольжения) резко падает магнитный поток АД и для обеспечения желаемых перегрузочных способностей АД по моменту потребуется заметное превышение номинальных значений напряжения питания и тока статора.

Векторный принцип управления базируется на принудительной взаимной ориентации векторов потокосцеплений и токов АД вполярной или декартовой системах координат (4.42), (4.43) в соответствии с заданным законом регулирования. В замкнутых системах векторного управления по цепям обратных связей наряду с абсолютными значениями регулируемых переменных поступает информация о текущем пространственном положении их векторов. За счет регулирования модулей переменных и углов между их векторами обеспечивается полное управление АД как в статике, так и в динамике, обеспечивая тем самым заметное улучшение качества переходных процессов по сравнению со скалярным управлением. Именно этот факт и является определяющим при выборе систем с векторным управлением.

Информация о текущих значениях модуля и пространственного положения векторов переменных АД может быть получена как прямым их измерением с помощью соответствующих датчиков, так и косвенно на основе математической модели АД. Конфигурация и сложность такой модели определяются техническими требованиями к электроприводу. В общем случае подобные системы с косвенным регулированием координат электропривода из-за нестабильности параметров АД и сложной их взаимосвязи уступают по своим статическим и динамическим показателям системам с прямым векторным управлением. При сложности вычислительных операций и алгоритмов управления электроприводом достоинство систем с косвенным регулированием в простоте технических решений и, соответственно, в практической надежности.

При векторном управлении регулирование электромагнитного момента АД может осуществляться формированием мгновенных значений как напряжений, так и токов в обмотках статора. Вариант частотно-токового векторного управления является наиболее распространенным, поскольку при регулировании тока обеспечивается регулирование момента не зависимого от частоты питания АД (п. 4.4.5), что упрощает схему управления, а также одновременно достаточно просто обеспечивается ограничение перегрева двигателя. При этом напряжения на обмотках статора АД, образуются автоматически в зависимости от его режима работы.