РАЗДЕЛ 2
ВЕКТОРНЫЙ АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ МАШИНОЙ ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ
2.1. Принципы и режимы работы машины двойного питания
В разделе 1 отмечена перспективность использования машины двойного питания, работающей в генераторном и двигательном режимах, как самой экономичной системы регулирования. Практическая реализация МДП (рис. 2.1) требует эффективного алгоритма управления и соответствующих преобразователей частоты в роторной цепи МДП. Прежде чем перейти к разработке алгоритма управления МДП остановимся кратко на основных особенностях и характеристиках этой машины.
Для работы машины переменного тока в установившемся режиме необходимо, чтобы векторы поля статора и ротора были неподвижны в пространстве один относительно другого [24].
Рис. 2.1. Схема машины двойного питания
Поскольку результирующий вектор поля статора вращается в пространстве с угловой скоростью , а ротор - со скоростью , то для выполнения указанного условия вектор поля ротора должен вращаться относительно ротора со скоростью [23, 24]:
, (2.1)
т.e. пропорциональной скольжению двигателя s, причем, если скорость двигателя ниже синхронной, то в ту же сторону, что и ротор, а при вышесинхронной скорости - в противоположную [24].
Для того, чтобы осуществлялось вращение вектора поля ротора, ток в его обмотках должен иметь частоту скольжения f2, определяемую из соотношения
. (2.2)
В машине двойного питания обмотки ротора подключены к источнику напряжения переменной частоты f2. В зависимости от способа задания частоты преобразователя различают два режима работы машины двойного питания: синхронный и асинхронный [24].
При синхронном режиме работы частота скольжения задается независимо от угловой скорости. Тогда каждому значению сигнала управления соответствуют определенная частота f2 и, как следует из (2.1), определенная рабочая скорость ?, не зависящая от нагрузки. Изменяя частоту f2, можно регулировать эту рабочую скорость. В синхронном режиме машина двойного питания работает как синхронная машина.
При асинхронном режиме машины двойного питания частота напряжения источника, подключенного к вторичным обмоткам машины, всегда поддерживается равной частоте скольжения f1s. Регулированию при этом подлежат лишь величина и фаза напряжения источника.
В этом случае машина двойного питания всегда работает как асинхронная (даже при угловой скорости, равной синхронной), т.e. скольжение машины изменяется при изменении нагрузки на его валу.
В машине двойного питания в контуре обмоток ротора всегда действуют два источника одинаковой частоты f1s: собственная ЭДС ротора МДП E2s (E2 - ЭДС короткого замыкания) и внешнее напряжение источника питания со стороны ротора U2 [23]. На рис. 2.2 показана схема замещения машины двойного питания.
Ток ротора I2 будет определяться из уравнения равновесия напряжений в контуре ротора выражением [24]
(2.3)
или
,
где , .
Рис. 2.2. Схема замещения МДП
Активная и реактивная составляющие тока I2 (относительно вектора ЭДС ротора) будут равны:
(2.4)
Активная составляющая тока ротора будет определять момент и активную мощность системы, а реактивная составляющая - реактивную мощность, циркулирующую в статорной и роторной цепях МДП [24]. На рис. 2.3 приведена векторная диаграмма машины двойного питания.
Рис. 2.3. Векторная диаграмма МДП
Равенства (2.4) показывают, что, регулируя независимо значение и фазу напряжения U2, можно управлять активной и реактивной мощностями МДП. Так, регулируя по соответствующему закону U2 и ?, можно при постоянном скольжении поддерживать неизменным реактивный ток (I2r) при изменении нагрузки (I2a) или поддерживать определенное соотношение между активной и реактивной мощностями (например, cos?1=const). Из (2.4) следует также, что при соответствующих значениях U2' и ? активная составляющая тока ротора может быть отрицательна при положительном скольжении (0?s?l) и положительна при отрицательном скольжении. Последнее означает, что машина двойного питания может работать в таких режимах как генераторный при скорости ниже синхронной и двигательный при скорости выше синхронной.
В [8] показано, что выражение для момента МДП может быть записано следующим образом:
, (2.5)
где р1 - число пар полюсов, f1 - частота питающей сети, Е2 - фазное действующее значение ЭДС ротора МДП, I2 - действующее значение тока в роторе, - угол между ЭДС и током ротора, m1 - число фаз обмотки статора.
Величина Е2 определяется намагничивающим током. Подключение статора машины к питающей сети позволяет с достаточно высокой степенью точности утверждать, что вектор намагничивающего тока , вращающийся с постоянной частотой , имеет постоянную амплитуду. Это обусловлено тем, что вектор не содержит быстрозатухающих составляющих, а медленнозатухающими свободными составляющими вектора можно пренебречь, поскольку они малы, а их постоянные времени достигают нескольких секунд [15]. Таким образом, регулирование момента в асинхронной машине связано с изменением активной составляющей тока ротора I2.
Максимально возможный диапазон регулирования угловой скорости вверх и вниз от синхронной скорости определяется двумя параметрами: возможными максимальными значениями частоты и напряжения на выходе преобразователя, служащего для питания роторной цепи машины.
2.1.1. Режимы работы и энергетические диаграммы машины двойного питания
Одна из основных идей, лежащих в основе МДП, заключается в полезном использовании энергии скольжения асинхронной машины. Энергетический баланс для всех установившихся режимов работы машины в схеме двойного питания выражается следующим равенством [14, 24]:
, (2.6)
где Р1потр - мощность, потребляемая (или отдаваемая) машиной со стороны статора (если не принимать во внимание потери в статорной цепи, то эта мощность пропорциональна мо