Документация Engee
Notebook

Моделирование и анализ работы асинхронного электропривода со скалярным управлением по законам , и

Пример посвящён моделированию и анализу работы асинхронного электропривода со скалярным управлением по трём законам: U/f с компенсацией падения напряжения (IR и IZ), и . На основе моделирования в Engee продемонстрированы особенности каждого закона управления: поведение скорости ротора и момента при разгоне, установившемся режиме и набросе нагрузки. Результаты актуальны для разработчиков систем управления электроприводами насосов, вентиляторов, конвейеров и других механизмов с различными нагрузочными характеристиками.

Введение

Скалярное управление асинхронным двигателем (АД) — один из наиболее распространённых методов регулирования скорости в промышленных электроприводах. Его принцип основан на поддержании заданного соотношения между амплитудой напряжения статора и частотой питания, что позволяет управлять потоком в машине без датчика положения ротора. Метод получил широкое распространение в 1970–1980-х годах с появлением доступных инверторов напряжения на тиристорах и транзисторах, а сегодня реализован практически во всех серийных частотных преобразователях.

В зависимости от характера нагрузки применяются различные законы скалярного управления:

  • (линейный закон) — обеспечивает постоянство магнитного потока во всём диапазоне частот. Применяется для приводов с постоянным моментом нагрузки: конвейеры, подъёмники, экструдеры. Дополнительные компенсации IR и IZ позволяют поддерживать поток при малых скоростях, когда падение напряжения на активном сопротивлении статора становится сравнимым с ЭДС машины.

  • (квадратичный закон) — поддерживает постоянство отношения напряжения к квадрату частоты. Применяется для вентиляторных нагрузок, насосов и воздуходувок, где момент сопротивления пропорционален квадрату скорости.

  • (закон постоянства потока рассеяния) — обеспечивает более мягкое нарастание напряжения с частотой, чем линейный закон. Применяется для механизмов с пониженными требованиями к начальному моменту.

Скалярное управление уступает векторному по динамическим характеристикам, однако отличается простотой реализации, не требует датчика скорости и хорошо подходит для задач с плавным изменением нагрузки.

Модель примера

Модель scalar_control_im.engee рассматриваемая в данном примере, воссоздана по аналогу scalar_control_im.slx[1].

image.png

Модель состоит из силовой части, блока управления и блоков измерения. Выбор закона управления задаётся параметром Mode (1 — , 2 — , 3 — ), режим компенсации — параметром Compensation (1 — без компенсации, 2 — IR-компенсация, 3 — IZ-компенсация). Таким образом, одна модель покрывает все исследуемые режимы без изменения структуры схемы.

Силовая часть состоит из следующих элементов:

  • Источник постоянного напряжения звена DC с измерением напряжения.

  • Конденсатор звена постоянного тока.

  • Трёхфазный мостовой инвертор напряжения на идеальных полупроводниковых ключах, управляемый сигналами затворов.

  • Блок измерения трёхфазных токов статора с тремя амперметрами, формирующий массив данных.

  • Асинхронный двигатель с параметрами схемы замещения, приведёнными в таблице 1.

  • Датчик угловой скорости ротора.

  • Блок, формирующий ступенчатый момент сопротивления.

Параметры двигателя приведены в таблице 1.

Параметр

Обозначение

Значение

Номинальная мощность

​

164 кВт

Номинальное напряжение (межфазное)

380 В

Номинальная частота

​

50 Гц

Число пар полюсов

2

Активное сопротивление статора

​

0.0122 Ом

Активное сопротивление ротора

0.0099 Ом

Индуктивное сопротивление рассеяния статора

​

0.0591 Ом

Индуктивное сопротивление рассеяния ротора

0.0591 Ом

Индуктивность рассеяния статора

​

0.188 мГн

Сопротивление намагничивания

​

2.39 Ом

Постоянная инерции

0.2734 с

Коэффициент вязкого трения

0.0106 о.е.

Нагрузка формируется блоком Момент нагрузки: в момент времени, задаваемый сигналом Step, момент переключается между значениями и (торможение). Тем самым воспроизводятся пуск, установившийся режим и наброс/сброс нагрузки.

Задатчик интенсивности

image.png

Задатчик интенсивности реализован как апериодическое звено первого порядка с ограниченной скоростью нарастания: разность между заданием ​ и текущим значением выхода умножается на коэффициент 1000, ограничивается по производной и интегрируется блоком интегратора. Обратная связь по выходу замыкает цепь, обеспечивая линейный разгон со скоростью:

Выходной сигнал Speed поступает в блок управления в виде текущего задания скорости в об/мин (rpmRef).

Описание принципа работы алгоритма управления

Общая структура блока «Управление»

image.png

Блок Управление принимает на вход текущее задание скорости Ref (об/мин) и измеренное напряжение звена постоянного тока Udc. Обработка сигналов выполняется в следующей последовательности:

  1. Скорость → Частота (Скорость->Частота): задание скорости rpmRef пересчитывается в заданную электрическую частоту (Гц).

  2. Скалярное управление: блок формирует заданные фазные напряжения ​ в соответствии с выбранным законом и режимом компенсации.

  3. Нормировка по : вектор ​ делится на отфильтрованное значение (с фильтром​ и ограничителем для защиты от деления на ноль), переводя напряжения в относительные единицы модуляции.

  4. ШИМ генератор: нормированный сигнал подаётся на ШИМ-генератор с частотой коммутации =2 кГц, формирующий трёхфазный набор сигналов управления затворами инвертора.

  5. Разрешающий сигнал: ступенчатый сигнал Step разрешает работу ШИМ-генератора, умножая его выходной сигнал на 0 или 1.

Выходной сигнал блока Управление — вектор SI, содержащий шесть управляющих сигналов затворов инвертора.

Блок «Скалярное управление»

image.png

Блок скалярного управления является ядром алгоритма. На его вход поступает заданная частота , токи статора ​ и сигналы выбора режима Mode и Compensation.

Преобразование частоты в заданное напряжение

На основе формируются три варианта заданного напряжения:

Закон 1 — (линейный):

Отношение поддерживается постоянным, что обеспечивает постоянство основного магнитного потока во всём диапазоне регулирования.

Закон 2 — (квадратичный):

Напряжение нарастает пропорционально квадрату частоты. Магнитный поток при этом линейно уменьшается с ростом частоты: , что соответствует вентиляторной характеристике нагрузки .

Закон 3 — (закон постоянства потока рассеяния):

Напряжение нарастает пропорционально корню из частоты. Поток убывает с частотой медленнее, чем при квадратичном законе.

Выбор между тремя законами осуществляется мультиплексором по сигналу Mode.

Компенсация падения напряжения

При малых скоростях (малых ) заданное напряжение , вычисленное по любому из законов, оказывается мало, и падение напряжения на активном сопротивлении статора начинает существенно снижать ЭДС машины и магнитный поток. Для компенсации этого эффекта реализованы два режима:

IR-компенсация (Compensation = 2):

где — действующее значение тока статора, вычисляемое из (блок RMS с задержкой z−1). Компенсационная добавка пропорциональна активному сопротивлению статора и нагрузочному току, компенсируя активное падение напряжения.

IZ-компенсация (Compensation = 3):

Компенсируется полное падение напряжения на полном сопротивлении статора , включая индуктивную составляющую рассеяния. Это обеспечивает более точное поддержание потока, особенно при средних скоростях, где реактивная составляющая уже значима.

Оба варианта компенсации применяются только к закону (Mode = 1). Для законов и компенсация не используется. Выбранное компенсационное значение добавляется к и проходит через фильтр нижних частот​ для устранения высокочастотных пульсаций тока в цепи компенсации.

Итоговое заданное напряжение после компенсации ограничивается по амплитуде.

Формирование трёхфазных напряжений

Из заданной частоты ​ интегрированием вычисляется угол напряжения:

Заданное напряжение и угол используются для построения трёхфазного вектора напряжения в системе координат :

Затем вектор (, , ) преобразуется из системы координат в трёхфазную систему координат блоком Преобразование αβ0 в abc:

Полученный вектор ​ поступает на выход блока скалярного управления и далее — на нормировку и ШИМ-генератор.

Блок «Управление затворами»

image.png

Блок Управление затворами получает вектор сигналов S и формирует шесть управляющих сигналов затворов инвертора: Ga(H), Ga(L), Gb(H), Gb(L), Gc(H), Gc(L) — по паре на каждый плечо моста (верхний и нижний ключ). Сигналы верхнего и нижнего ключей одного плеча комплементарны с учётом мёртвого времени. Выходной сигнал G передаётся в силовую цепь инвертора.

Блок «Момент нагрузки»

image.png

Блок формирует момент нагрузки , действующий на вал двигателя. Переключатель выбирает между значениями и в зависимости от сигнала Step (порог переключения 0.5). Выходной момент масштабируется коэффициентом −Tbase (знак «минус» — нагрузочный момент направлен против вращения). Сигнал одновременно выводится в пространство модели для отображения на графике.

Моделирование

Моделирование проводится при следующем сценарии:

  1. В момент t = 0 задатчик интенсивности начинает разгон двигателя до = 800 об/мин с постоянным ускорением в течение 1.0 с.

  2. По достижении заданной скорости двигатель работает в установившемся режиме без нагрузки.

  3. В заданный момент времени (Step) прикладывается номинальный момент нагрузки , после чего нагрузка сбрасывается или меняет знак.

Сценарий повторяется для каждого из трёх законов управления (Mode = 1, 2, 3). Режимы компенсации (Compensation = 1, 2, 3) актуальны только для Mode = 1.

Параметры моделирования:

Параметр

Значение

Базовый шаг дискретизации

5 мкс

Частота коммутации

2 кГц

Заданная скорость

800 об/мин

Время разгона

1.0 с

Следующая кодовая ячейка запустит моделирование:

In [ ]:
model_name = "induction_motor_scalar"
model_path = "$(@__DIR__)/$model_name.engee" 
engee.load(model_path) |> engee.run; # загрузили и выполнили модель
engee.close(engee.gcm(), force=true) # закрыли модель

Далее, построим графики мгновенных фазных токов:

In [ ]:
gr(size=(800, 400))
I = WorkspaceArrays.plot_wa(WorkspaceArray{Vector{Float64}}("$model_name/I_abc"))
xlabel!(I, "Время, с")
ylabel!(I, "Ток, А")
title!(I, "Токи фаз Iabc")

I[1][1][:label] = "Фаза A"
I[1][2][:label] = "Фаза B"
I[1][3][:label] = "Фаза C"

plot!(I, legend=:outertopright)
# I
I.png

Графики момента нагрузки и момента двигателя:

In [ ]:
T = WorkspaceArrays.plot_wa(WorkspaceArray{Vector{Float64}}("$model_name/Te & Tload [Н*м]"))
xlabel!(T, "Время, с")
ylabel!(T, "Момент, Н·м")
title!(T, "Момент двигателя и нагрузки")

T[1][1][:label] = "Te (момент двигателя)"
T[1][2][:label] = "Tload (момент нагрузки)"

plot!(T, legend=:outertopright)
# T
T.png

Графики заданной и фактической угловой скорости:

In [ ]:
w = WorkspaceArrays.plot_wa(WorkspaceArray{Vector{Float64}}("$model_name/Скорость ротора & задание [rpm]"))
xlabel!(w, "Время, с")
ylabel!(w, "Скорость, об/мин")
title!(w, "Скорость ротора и задание")

w[1][1][:label] = "Скорость ротора"
w[1][2][:label] = "Задание скорости"

plot!(w, legend=:outertopright)
# w
w.png

В процессе разгона электромагнитный момент двигателя (оранжевая кривая) достигает значений порядка 650 Н·м, после чего снижается до нуля по мере выхода на установившуюся скорость. В интервале t≈1,5–3,0 с двигатель работает на холостом ходу — момент близок к нулю. В момент t ≈ 3,0 с прикладывается момент нагрузки = (синяя кривая): Te принимает значение около 522 Н·м. При t ≈ 3,7 с нагрузка меняет знак на , электромагнитный момент становится отрицательным -522 Н·м. На всём протяжении моделирования наблюдаются характерные для ШИМ-инвертора пульсации момента с частотой коммутации.

Токи статора (фазы a, b, c — синяя, оранжевая, жёлтая кривые) в процессе разгона достигают амплитуды около 560 А, что соответствует пусковому режиму. В установившемся режиме на холостом ходу амплитуда снижается до ≈270 А. После наброса нагрузки при t ≈ 3,0 с токи возрастают до 450 А с характерными ШИМ-пульсациями. При изменении знака нагрузки в t≈3,7 с амплитуда токов увеличивается до 540 А.

Скорость ротора (оранжевая кривая) следует за заданием rpmRef (синяя кривая) в соответствии с характеристикой задатчика интенсивности: линейный разгон завершается к t≈1,5 с, после чего скорость устанавливается на уровне задания 800 об/мин. При набросе нагрузки в t ≈ 3,0 с скорость проседает до 780 об/мин. При изменении знака нагрузки в t ≈ 3,7 с наблюдается аналогичное кратковременное отклонение. Расхождение между заданием и фактической скоростью является следствием разомкнутого скалярного управления — скольжение не компенсируется регулятором скорости.

Заключение

В примере выполнено моделирование работы асинхронного электропривода со скалярным управлением по закону в среде Engee, подтвердившее работоспособность разомкнутой системы управления при разгоне, установившемся режиме и набросе нагрузки. Показано, что линейный закон обеспечивает стабильный разгон двигателя мощностью 164 кВт до заданной скорости 800 об/мин с ограниченным пусковым током, однако вследствие отсутствия обратной связи по скорости фактическая скорость ротора в установившемся режиме отстаёт от задания на величину скольжения. Результаты моделирования подтверждают, что скалярное управление обеспечивает приемлемые динамические характеристики для механизмов, не предъявляющих высоких требований к точности поддержания скорости, — конвейеров, насосов, вентиляторов. Реализованные в модели режимы IR- и IZ-компенсации позволяют улучшить характеристики привода в области малых скоростей за счёт компенсации падения напряжения на сопротивлении статора, что особенно важно при тяжёлом пуске. Модель может служить основой для сравнительного анализа законов управления , , а также отправной точкой при переходе к более сложным алгоритмам — векторному и прямому управлению моментом.

Использованные источники

  1. Asynchronous Machine Scalar Control — MathWorks Documentation
  2. Анучин А. С. Системы управления электроприводов : учебник для вузов. — Москва : Изд. дом МЭИ, 2015. — 371 с. — ISBN 978-5-383-00918-5.