ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРЯМОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВЕКТОРНОГО МОДУЛЯТОРА

EFFICIENCY OF DIRECT TORQUE CONTROL OF AN ASYNCHRONOUS MOTOR USING A SPATIAL VECTOR MODULATOR

Saitova Renata Mikhailovna

Master's Degree Student, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Siberian State Industrial University", Russia, Novokuznetsk

Точное и быстрое регулирование крутящего момента асинхронного двигателя является ключевым фактором в широком спектре современных устройств, от промышленного оборудования до электромобилей. Традиционные методы управления, такие как прямое регулирование крутящего момента (DTC), часто оказываются недостаточно эффективными для достижения требуемой точности и быстродействия. Их ограничения связаны с низким быстродействием, зависимостью от скорости вращения и сложностью реализации точного контроля крутящего момента в широком диапазоне режимов работы.

В последнее время все большее внимание уделяется прямому регулированию крутящего момента асинхронного двигателя с помощью пространственно-векторного модулятора (Asynchronous Machine Direct Torque Control with Space Vector Modulator – SVM), которое позволяет достичь высокой точности и быстродействия. SVM работает путем прямого управления магнитным потоком и током статора, обеспечивая точную регулировку крутящего момента независимо от скорости вращения. Однако, для эффективной реализации SVM требуется эффективный метод управления напряжением, обеспечивающий необходимую частоту и амплитуду для управления током статора.

В статье мы рассмотрим принципы работы DTC и SVM, сравним их с традиционными методами управления, а также представим результаты экспериментального исследования. 

Прямое управление крутящим моментом асинхронного двигателя DTC – это простой и доступный метод управления асинхронным двигателем, который идеально подходит для приводов малой и средней мощности с легкой нагрузкой, например, вентиляторов, насосов или компрессоров.

Принцип работы модели прямого управления крутящим моментом асинхронного двигателя (Asynchronous Machine Direct Torque Control (DTC):

Идея заключается в формировании электромагнитного момента путем изменения положения вектора потока статора в заданном направлении. Если пренебречь падением напряжения на активном сопротивлении статора двигателя в виду его относительной малости, то можно получить следующее выражение для вектора потока статора:

где:

 – вектор потокосцепления статора.

  – вектор потокосцепления статора.

Значит, для изменения потока статора в заданном направлении необходимо сформировать вектор напряжения в этом направлении. Величина приращения вектора потока статора определяется временем воздействия и амплитудой вектора напряжения.

Изменение положения вектора потока статора способствует изменению электромагнитного момента двигателя в соответствии с выражением:

где:

 – вектор потока ротора.

 –  угол между векторами потоков статора и ротора.

Отсюда следует, что изменение электромагнитного момента возможно или при увеличении амплитуд векторов потоков, или при изменении угла δ.

В большинстве случаев для питания асинхронного электродвигателя используют автономный инвертор напряжения, выполненный по мостовой схеме рисунок 1:

Рисунок 1. Структурная схема автономного инвертора напряжения и векторы напряжения, которые он формирует

где:

SW.6 — ключи инвертора.

Udc — напряжение шины постоянного тока.

La, Lb, Lc — обмотки статора АД.

Промоделируем данный метод прямого управления крутящим моментом асинхронного двигателя (DTC) в среде MatLab (рисунок 2) для получения данных о фазных токах (рисунок 3) и скорости разгона двигателя (рисунок 4).

Рисунок 2. Модель прямого управления крутящим моментом асинхронного двигателя

Рисунок 3. График фазных токов в электроприводе

Рисунок 4. График контрольной и измеренной скоростей

Векторное управление – это более продвинутый метод управления асинхронным двигателем, чем простое скалярное управление. Оно широко применяется в мощных электроприводах, например, в подъемных кранах и буровых установках. Векторное управление позволяет "направлять" магнитное поле в двигателе, подобно "указателю" компаса. Это дает более точный контроль над крутящим моментом и скоростью двигателя.

Идея заключается в формировании заданного электромагнитного момента путем прямого воздействия вектора напряжения статора на вектор потока статора.

Рисунок 5. Структурная схема DTC

где:

ВА — блок вычисления амплитуды вектора потока статора.

ВС — блок вычисления сектора, в котором расположен вектор потока.

РП и РМ — регуляторы потока и момента соответственно.

Принцип работы модели прямого управления крутящим моментом асинхронного двигателя с помощью пространственно-векторного модулятора (Asynchronous Machine Direct Torque Control with Space Vector Modulator (SVM) работает следующим образом:

• Сначала измеряют токи и напряжения фаз статора электродвигателя и вычисляют составляющие результирующих векторов напряжения (U_α, U_β) и тока (i_α, i_β) статора в системе координат α-β.
• Затем вычисляют составляющие вектора потока статора в системе координат α-β (Ψ_α,, Ψ_β) На основе Ψ_α, Ψ_β и i_α, i_β вычисляют значение электромагнитного момента Т (блок ВМ), номер сектора θ(N) (блок ВС) и амплитуду вектора потока статора Ψ (блок ВА).
• Вычисленные значения электромагнитного момента (T) и амплитуды вектора потока статора Ψ сравниваются с заданными (T_ref, Ψ_ref).
• Затем ошибки регулирования электромагнитного момента и амплитуды вектора потока статора подаются на входы релейных регуляторов потока (РП) и момента (РМ).
• На основе сигналов с выходов РП и PM (d_Ψ, d_M), а также номера сектора θ(N) в таблице переключения выбирается соответствующая ячейка, в которой заложены значения сигналов управления ключами инвертора ИН (S_a, S_b, S_c).
• Сигналы управления S_a, S_b, S_c подаются на управляющие входы инвертора, который создает заданный вектор напряжения.

Зная эти сигналы и положение вектора потокосцепления статора, можно выбрать оптимальную комбинацию состояний ключей инвертора, при которой сформированный вектор напряжения будет минимизировать отклонение от заданных значений.

Принцип работы заключается в том, что вращающийся вектор в схеме вектора пробела соответствует комплексному ссылочному вектору напряжения, который вращается на желаемой электрической частоте машины. В результате инвертор постоянно переключается между двумя состояниями, чтобы сгенерировать желаемые напряжения.

Этот метод позволяет эффективно снизить пульсацию крутящего момента, улучшить работу системы в устойчивом состоянии и обеспечить постоянную частоту переключения инвертора.

Рисунок 6. Модель прямого управления крутящим моментом асинхронного двигателя с помощью пространственно-векторного модулятора

Рисунок 7. График контрольной и измеренной скоростей

Рисунок 8. График фазных токов в электроприводе

Исходя из рисунков 4 и 7 можно сделать вывод, что векторное управление разгоняет двигатель в разы быстрее, чем скалярное.

Вывод

Выбор между скалярным и векторным управлением асинхронным двигателем – это как выбор между "простым" и "умным" способом управления автомобилем.

Скалярное управление – это как "ручная коробка передач" – просто, но не всегда эффективно. Оно подойдет, если вам нужна только грубая регулировка скорости без особой точности.

Векторное управление – это как "автоматическая коробка передач" – более сложное, но более точное и гибкое. Оно подойдет, если вам нужна высокая точность, удержание крутящего момента при разных нагрузках и возможность реагировать на нештатные ситуации быстро и плавно.