ВЕКТОРНЕ КЕРУВАННЯ АСИНХРОННИМ ДВИГУНОМ. ЧАСТИНА 1: РОБАСТНИЙ АЛГОРИТМ КЕРУВАННЯ, ДОСЛІДЖЕННЯ ДИНАМІЧНИХ РЕЖИМІВ МОДЕЛЮВАННЯМ
ВЕКТОРНЕ КЕРУВАННЯ АСИНХРОННИМ ДВИГУНОМ. ЧАСТИНА 1: РОБАСТНИЙ АЛГОРИТМ КЕРУВАННЯ, ДОСЛІДЖЕННЯ ДИНАМІЧНИХ РЕЖИМІВ МОДЕЛЮВАННЯМ
Пересада С.М., д.т.н., проф., Желінський М.М., аспірант, Рандюк А.А., магістрант
Генерація енергії зі змінною кутовою швидкістю генератора є привабливим рішенням для багатьох енергетичних установок: дизель, гідро і вітрових електростанцій, наземних транспортних засобів, аерокосмічних та морських силових систем [1]. Основна перевага генерації енергії зі змінною швидкістю є більш висока енергоефективнiсть первинного рушія і електричного генератора.
Генератор на основі машини подвійного живлення (МПЖ) з векторним керуванням є привабливим рішенням для генерації енергії зі змінною швидкістю, яка змінюється в діапазоні ковзання, зазвичай 20-30% від синхронної. Перетворювачу в колі ротора необхідно перетворювати лише незначну частку від загальної вихідної потужності, яка залежить від допустимого діапазону ковзання [2]. Синхронні генератори з постійними магнітами (СГПМ) найбільш часто використовуються в сучасних вітроелектростанціях. При цьому в системі генерації необхідне подвійне перетворення електричної енергії за допомогою AC-DC-AC перетворювача значної вартості [3]. Важливо також зазначити, що вартість СГПМ значно вище за асинхронну машину, що обумовлено необхідністю застосування рідкоземельних магнітних матеріалів, які мають дуже обмежене походження, і їх вартість постійно зростає. Тенденція до зниження використання дорогих рідкоземельних магнітів призвела до відновлення інтересу до розробки сучасних концепцій проектування та регулювання асинхронних машин.
Проста та дешева система генерації на основі асинхронної машини з конденсаторним самозбудженням [4] не забезпечує необхідної точності регулювання напруги та частоти.
Альтернативним підходом до генерування є використання асинхронної машини в системах з полеорієнтованим векторним керуванням, результати досліджень яких представлено у великій кількості публікацій починаючи з 1990-х років. Функціональна схема системи з асинхронним генератором (АГ) наведена на рис. 10. Стандартна структура системи генерації є копією системи керування кутовою швидкістю у векторно-керованому електроприводі, в якій ПІ-регулятор швидкості заміненого ПІ-регулятором напруги ланки постійного струму. Схожість двох систем обумовлена тим, що виходи двох регуляторів формують сигнал завдання для моменту електричної машини. Підсистема потокозчеплення в системах генерації і електропривода однакова і базується на прямому чи непрямому полеорієнтуванні.
В алгоритмі [5] зміни кутової швидкості та потоку компенсуються при формуванні моментоутворюючої компоненти вектора струму статора, запропоновано новий спостерігач вектора потокозчеплення, який враховує насичення АГ. В [6] автори пропонують використовувати лінеаризовану модель АГ на основі аналізу в частотній області. Оптимізація активних втрат розглянута в [7]. Властивості стійкості існуючих систем теоретично не доведені, тому їх працездатність в умовах параметричних збурень вимагає додаткових досліджень.
В [8] автори запропонували новий алгоритм векторного керування напругою асинхронного генератора (АГ), заснований на методі лінеаризації зворотним зв’язком. На відміну від існуючих рішень запропонований регулятор забезпечує лінійну динаміку похибки регулювання напруги ланки постійного струму, завдяки компенсації змін потоку та швидкості, а також врахуванню в алгоритмі активних втрат асинхронного генератора.
Відомо, що алгоритми векторного керування асинхронними машинами чутливі до варіацій опору роторного кола. Ця проблема добре вивчена в літературі і запропоновано ряд рішень на основі робастних, адаптивних та інваріантних підходів [9], [10] для систем векторного керування асинхронними двигунами. В той же час в системах генерування ця проблема не досліджувалась.
Вперше в [11] представлено робастний до змін активного опору ротора алгоритм непрямого векторного керування, який потенційно забезпечує робастну стабілізацію динамічних показників системи та покращену енергетичну ефективність процесів електромеханічного перетворення енергії.
При цьому властивості алгоритму [11] вивчені недостатньо, що і визначає актуальність даного дослідження, яке складається з двох частин. В першій представлено результати дослідження динамічних показників системи та енергетичної ефективності процесів електромеханічного перетворення енергії в умовах варіацій активного опору ротора, які отримано шляхом математичного моделювання, в той час як в другій – результати експериментальних досліджень.
