Системы управления электроприводами

Основным средством управления электроприводом является программируемый контроллер. Имеются базовый модуль контроллера и модули расширения. С помощью базового модуля решаются все задачи управления локальным электроприводом с учетом его функциональной ориентации на заданную область применения. С помощью интеллектуальных модулей расширения решаются задачи последовательного или параллельного управления несколькими электроприводами, позиционирования, синхронизации скоростей и положений, управления технологическими переменными и др.
Рассмотрим реализацию средств управления в комплектных электроприводах с частотным регулированием скорости фирмы «Siemens». В зависимости от схемы управляемого преобразователя частоты и задач управления приводом базовые модули контроллеров совместно с периферийными устройствами могут иметь разнообразные схемы. На рис. показана схема одного из вариантов контроллера.
Через разъем ХЗОО подключается кабель дистанционного пульта управления одним или несколькими приводами. Пульт может быть удален от блока на 100... 300 м.
Информация с датчиков поступает в контроллер через AS-интерфейс. Частотное управление электродвигателями осуществляется двумя основными способами:
по функциональной характеристике, связывающей напряжение и частоту статора электродвигателя;
применяется для электроприводов, в которых отсутствуют особые требования к динамике;
векторным; применяется для электроприводов со средней и высокой динамиками.
Теоретические аспекты этих способов управления рассматриваются в работе. Каждый из них адаптирован к частным случаям с помощью функциональных модулей, влияющих на статические и динамические характеристики электроприводов.
На рис приведены функциональные схемы систем управления электроприводами, в которых использованы описанные способы (символом «*» обозначены заданные значения переменных, символом «л» — оценки значений переменных).
Все модули функциональных схем реализуются программно на контроллере привода. В соответствии с этим имеется набор типовых программных модулей и программ связки модулей, обеспечивающих реализацию нужной системы управления.
Управление по характеристике реализовано в системах управления одним или несколькими асинхронными электродвигателями. Наиболее простой является система управления, в которой отсутствуют датчики скорости.
Она применяется в приводах насосов, вентиляторов, в транспортных средствах при ограниченном диапазоне регулирования скорости (до 1:10).
Для поддержания постоянства потокосцепления статора в соответствии с характеристикой применяются модули IR-ком-пенсации и коррекции. Повышение «жесткости» механической характеристики электропривода при изменении нагрузки достигается с помощью модуля компенсации скольжения (КС).
В системе предусматриваются регулирование тока ограничения в соответствии с заданным значением воздействием на напряжение или частоту статора и выбор, соответствующей управлению механизмами, имеющими постоянную или вентиляторную нагрузку. Имеется защита от «опрокидывания» привода в случае превышения момента нагрузки выше критического значения.
Для высокоскоростных электроприводов оборудования текстильного производства применяется система управления, аналогичная приведенной на рис, но без модуля КС, ток ограничения регулируется воздействием на напряжение статора.
Для электроприводов механизмов, в которых диапазон регулирования скорости больше 1:10, применяются системы регулирования с датчиками и регуляторами скорости.
В качестве датчиков скорости используют аналоговые или импульсные датчики. Во втором случае применяются датчики с двумя каналами импульсов, имеющих фазовый сдвиг 90°.
Векторное управление реализовано в системах управления асинхронными электродвигателями. В них предусматривается возможность управления одно- и многодвигательными электроприводами, в том числе электроприводами, взаимосвязанными механически по нагрузке. Динамические характеристики таких электроприводов аналогичны динамическим характеристикам электроприводов постоянного тока. Достигается это управлением составляющими вектора тока, первая из которых пропорциональна моменту двигателя, а вторая — потокосцеплению.
Величины оцениваются по динамической модели двигателя, составленной представлением мгновенных значений переменных в виде результирующих векторов и переходом к вращающимся системам координат. В системе предусматривается возможность ограничивать момент двигателя в соответствии с заданным значением и управлять интенсивностью изменения момента.
Вариант векторного управления электропривода без датчика скорости применяется в производственных механизмах при диапазоне регулирования скорости, не превышающем 1:10 (например в экструдерах и вентиляторах большой мощности, в транспортных и подъемных механизмах, центрифугах).
В механизмах с большим диапазоном регулирования скорости применяется система управления с датчиком скорости.
Функциональные возможности базового модуля контроллера могут расширяться подключением интеллектуальных модулей технологической группы Т100...ТЗОО. С помощью этих модулей решаются следующие задачи:
реализации П-, ПИ-, И-, ПД-, ПИД-регуляторов (регуляторов усилия, натяжения, подачи, давления, температуры и других технологических переменных);
задания требуемых режимов пуска приводов в соответствии с управляющей командой;
синхронизированного управления электроприводами;
реализации двух быстрых последовательных интерфейсов со скоростью передачи данных до 187,5 кбод, позволяющих выполнять каскадное управление группами комплектных электроприводов и осуществлять связь с сетью технологического уровня, с технологическим контроллером и (или) промышленным компьютером;
наблюдения за важными сигналами (параметрами) по индикатору параметров (функция мультиметрии).
Некоторые функции управления, которые наиболее часто встречаются в технологических агрегатах, автоматизируемых средствами электроприводов, запрограммированы в модулях памяти группы Т100... ТЗОО в виде стандартных программных модулей. Пользователю предоставляется возможность реализации специальных решений, соответствующих частным технологическим задачам. Выполнить это можно при помощи графического языка проектирования STRUC.
Информация обрабатывается процессором циклически. Время цикла минимум 1 мс. Программные и аппаратные компоненты модуля ТЗОО представлены на рис. Параллельный интерфейс не имеет задержек (ОЗУ двойного доступа) и позволяет осуществить быстрый обмен данными между Т300 и базовым модулем контроллера.
В частотно-регулируемых электроприводах фирмы ABB используется технология прямого управления моментами (технология DTC). Она позволяет управлять двигателем без импульсного датчика скорости. В результате применения мощного цифрового сигнального процессора система быстро реагирует на изменения нагрузки, меняя момент на валу двигателя, чем повышается качество управления.
Асинхронный двигатель представляет собой динамическую систему, фазовое состояние которой характеризуется вектором по-токосцепления ротора. Поэтому оптимальное управление АД осуществляется при Wr = const изменением угла между векторами Щг и *FS или изменением Ws (в специальных режимах работы АД с целью минимизации потерь либо работы с ослаблением поля). Постоянная времени ротора АД, как правило, больше 100 мс, поэтому быстрые процессы регулирования мало влияют на значение потока ротора.
Модель двигателя является важнейшим элементом системы DTC; ее точность определяет выходные характеристики электропривода. Идентичность параметров АД и модели достигается идентификационными режимами работы в процессе ввода электропривода в промышленную эксплуатацию. Основными параметрами, идентифицируемыми в этом режиме, являются: индуктивности статора Ls и цепи намагничивания Lm, сопротивление статора Rs. Учитывается и насыщение магнитной цепи. Расчетная модель АД также учитывает нагревание машины и падение напряжения (омическое и коммутационное) в АИН при определении потока статора.
При этом вектор тока статора определяется по токам двух фаз, а вектор тока ротора рассчитывается.
С учетом динамических характеристик звена регулирования момента DTC регулятор скорости синтезируется как ПИД-регуля-тор, чем достигается высокое быстродействие по контуру скорости и статическая точность регулирования. Выход регулятора скорости включен каскадно с устройством задания и ограничения момента. Это устройство обеспечивает: ограничение момента двигателя, защиту АИН от токовых перегрузок (эта защита имеет временно-токовую характеристику), поддержание напряжения в звене постоянного напряжения.
Оно имеет также вход для задания независимой (от регулятора скорости) уставки момента. Функционально регулятор скорости включает (кроме ПИД-регулятора) модуль ускорения для задания темпа разгона и торможения. В процессе ввода электропривода в эксплуатацию в режиме идентификации осуществляется настройка регулятора на электромеханическую постоянную времени. При реализации обратной связи по скорости с выхода модуля 2 (см. рис. 2.13) статическая точность достигается на уровне 0,1 ...0,5 %.
Для получения более высокого значения этой характеристики электропривода организуется обратная связь с помощью датчика скорости. В этом случае достигается точность до 0,01 %. Система регулирования снабжена устройством независимого задания потока статора АД. Это позволяет реализовать САР с ослаблением потока или заданием потока как функции минимизации потерь и увеличения общего КПД электропривода. Так, при снижении потока статора в режиме малых нагрузок потери могут быть снижены более чем на 60 %.
Таким образом, устройство позволяет учитывать характер нагрузки (например вентиляторная характеристика) при настройке САР. Имеется также блок задания частоты переключения ключей АИН. Этот параметр может регулироваться (в зависимости от типа полупроводникового прибора АИН) от 0,8 кГц (для запираемых тиристоров) до 3,5 кГц (для силовых транзисторов разного типа).
Фазное напряжение асинхронного двигателя формируется переключением трех IGBT-транзисторов между положительным и отрицательным полюсами постоянного напряжения. Система DTC отдельно определяет момент каждого переключения в зависимости от текущих значений потока и момента. Текущие значения потока и момента каждые 25 мкс вычисляются на основе информации о токе и напряжении двигателя в адаптивной модели двигателя. Затем они сравниваются со значениями тока и момента, задаваемыми контроллером, что служит информацией для подачи системой управления переключающих импульсов. Таким образом, не существует фиксированной частоты переключений, в результате чего шумовой спектр не содержит пиков высокой частоты и двигатель имеет низкий уровень шума.
Для распределенного управления большими системами электроприводов используются контроллеры управления приводами АРС2. Один контроллер АРС2 может управлять восемью приводами. Объединение АРС2 в таких системах производится с помощью шины Fieldbus 100. Возможны также платы связи с системами управления верхнего уровня. Небольшие системы электроприводов могут содержать только одну плату АРС2.
Аналогичная идеология построения частотно-регулируемых электроприводов заложена в изделия отечественной фирмы «Триод».