Исследование алгоритмов идентификации для систем бездатчикового векторного управления асинхронными электроприводами

Кучер, Екатерина Сергеевна

Электротехнические комплексы и системы

автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Исследование алгоритмов идентификации для систем бездатчикового векторного управления асинхронными электроприводами

кандидата технических наук: Кучер, Екатерина Сергеевна
город: Новосибирск
год: 2012
специальность ВАК РФ: 05.09.03
цена: 450 рублей

Диссертация по электротехнике на тему «Исследование алгоритмов идентификации для систем бездатчикового векторного управления асинхронными электроприводами»

Автореферат диссертации по теме "Исследование алгоритмов идентификации для систем бездатчикового векторного управления асинхронными электроприводами"

На правах рукописи

КУЧЕР ЕКАТЕРИНА СЕРГЕЕВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ ИДЕНТИФИКАЦИИ ДЛЯ СИСТЕМ БЕЗДАТЧИКОВОГО ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 СОЯ 2072

Новосибирск - 2012

005055042

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет»

Научный руководитель:

д.т.н., профессор Панкратов Владимир Вячеславович Официальные оппоненты:

Зиновьев Г еннадий Степанович — д.т.н., профессор, Новосибирский государственный технический университет, профессор кафедры электроники и электротехники;

Ланграф Сергей Владимирович - к.т.н., доцент, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, доцент кафедры электропривода и электрооборудования.

Ведущая организация: Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения российской академии наук, г. Новосибирск

Защита диссертации состоится « 6 » декабря 2012 г., в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.173.04 в Новосибирском государственном техническом университете по адресу: 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного технического университета.

Автореферат разослан « 8, » 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

Нейман Владимир Юрьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время в России, как и за рубежом, широко внедряются системы регулируемого по скорости электропривода (ЭП) переменного тока, большинство которых построено на базе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором (АД). Причиной тому является высокая надежность и низкая стоимость АД в сравнении с другими типами электрических машин, при этом реализация векторного управления АД обеспечивает регулировочные характеристики ЭП, не уступающие характеристикам ЭП постоянного тока. Как правило, электроприводами на базе АД оснащаются общепромышленные механизмы, не требующие глубокого (свыше 1:100) регулирования частоты вращения. Это насосы, компрессоры, вентиляторы, мельницы, прессы, конвейеры и подъемно-транспортные механизмы.

Большой вклад в исследование и построение систем управления ЭП переменного тока внесли выдающиеся отечественные и зарубежные ученые -М.М. Ботвинник, И .Я. Браславский, A.A. Булгаков, A.M. Вейнгер, А.Б. Виноградов, JI.X. Дацковский, Д.Б. Изосимов, Н.Ф. Ильинский, В.И. Ключев, С.А. Ковчин, А.Е. Козярук, В.А. Мищенко, Г.Б. Онищенко, В.В. Рудаков, Ю.А. Сабинин, О.В. Слежановский, Ю.Г. Шакарян, Р.Т. Шрейнер, В.А. Шубенко, И.И. Эпштейн, F. Blaabjerg, F. Blaschke, B.K. Bose, W. Flöter, J. Holtz, W. Leonhard, R.D. Lorenz, M.P. Kazmierkowski, T.A. Lipo, K. Matsuse, D.W. Novotny и др.

Одной из главных проблем построения высококачественных систем векторного управления электроприводами на базе АД является необходимость вычисления в реальном масштабе времени (наблюдение) координат опорного вектора потокосцеплений. Эта задача традиционно решается на основе тех или иных математических моделей АД как объекта управления, которые оперируют значениями различных параметров машины. Вместе с тем, даже параметры классической Т-образной схемы замещения двигателя имеют значительный технологический разброс и, более того, изменяются в процессе функционирования ЭП в довольно широких диапазонах, что не позволяет постоянно пользоваться их номинальными значениями, приведенными в справочной литературе или определенными по результатам опытов в лабораторных условиях. Поэтому в адаптивных системах управления электроприводами реализуются автоматические процедуры активной предварительной идентификации начальных значений интервально неопределенных параметров машины, которые затем уточняются путем их текущей идентификации.

Задача наблюдения опорного вектора потокосцеплений и текущей идентификации изменяющихся параметров АД значительно усложняется в так называемых «бездатчиковых» ЭП, не имеющих сенсоров координат механического движения электропривода - скорости и положения ротора. В таких системах приходится опираться исключительно на результаты прямых измерений электрических величин, доступных во внутренней структуре и на выходных клеммах управляемого преобразователя электрической энергии — преобразователя частоты (ПЧ).

Известны три основных подхода к вычислению координат и параметров электрических машин в процессе работы ЭП.

1. Пассивная текущая идентификация на основе анализа информации об основных рабочих гармониках электрических величин.

2. Пассивная текущая идентификация параметров на основе информации о неосновных (относительно высокочастотных) составляющих электрических величин, генерируемых зубцовыми пульсациями магнитного поля или импульсным характером выходного напряжения силового ПЧ.

3. Активная текущая идентификация на основе анализа реакции объекта управления на инжектированные в статор двигателя тестовые воздействия (как правило, периодическую составляющую напряжения или тока по продольной оси магнитного поля ротора).

В большинстве практических разработок предпочтение отдается первому подходу, не связанному с ухудшением энергетических характеристик ЭП, завышением установленной мощности элементов ПЧ, сложными вычислениями и использованием измерительных цепей высокой точности. Однако вследствие изменений параметров диапазоны регулирования скорости в таких ЭП на практике редко достигают значений 1:50 (1:100 - в лабораторных условиях), а в режимах генераторного торможения значительно сужаются.

Целью диссертационной работы является исследование алгоритмов активной предварительной и пассивной текущей идентификации параметров и наблюдения координат асинхронного бездатчикового ЭП, а также построение адаптивных законов векторного управления, расширяющих диапазон регулирования частоты вращения в двигательном и генераторном режимах работы.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.

1. Разработать беспоисковый алгоритм предварительной идентификации постоянной времени ротора асинхронного двигателя в системах ЭП.

2. Получить условия, при выполнении которых изменяющиеся параметры и неизмеряемые координаты АД принципиально возможно совместно вычислить по измерениям лишь основных гармоник токов и напряжений статора в установившихся режимах работы электропривода.

3. Разработать и исследовать методику совместного синтеза подсистем регулирования и идентификации частоты вращения ротора асинхронного двигателя с адаптацией ЭП к изменениям активного сопротивления статора.

4. Экспериментально исследовать характеристики разработанных алгоритмов в бездатчиковом асинхронном ЭП.

Поставленные задачи решаются с помощью методов современной теории автоматического управления и теории электропривода с использованием математического аппарата дифференциальных уравнений и передаточных функций. Экспериментальное исследование выполнено путем численного моделирования в пакете программ МАТЬАВ - ЗппиПпк и физического макетирования.

Работа выполнена при поддержке Правительства Российской Федерации по государственному контракту № 13.G36.31.0010 от 22.10.2010 г.

Научная новизна основных результатов диссертации заключается в следующем.

рых искомые величины могут быть определены однозначно. Выявлены режимы работы ЭП, в которых однозначное вычисление требуемых величин в процессе их текущей идентификации невозможно. Их признаки могут использоваться для «переключения» структур закона управления.

2. Предложена методика структурно-параметрического синтеза подсистем регулирования и идентификации частоты вращения бездатчикового асинхронного электропривода с векторным управлением, отличающаяся возможностью совместного нахождения передаточных функций регулятора и идентификатора скорости. В процессе определения параметров контуров можно задавать и варьировать желаемые динамические характеристики системы управления ЭП, а также обеспечить астатизм системы регулирования скорости по задающему и возмущающему воздействиям.

Практическая ценность результатов диссертационной работы состоит в следующем.

Предложены два подхода (векторно-матричный и символический) к анализу принципиальной возможности решения (корректности постановки) некоторых имеющих реальный технический смысл задач совместной текущей идентификации параметров и наблюдения координат двигателя в системах частотно-регулируемого электропривода. В результате проведенного исследования выявлены режимы работы ЭП, в которых однозначное вычисление технически целесообразных пар режимных параметров АД в процессе их текущей идентификации невозможно, также даны рекомендации по их применению в частотно-регулируемом ЭП.

Разработаны и экспериментально апробированы инженерная методика расчета параметров адаптивного идентификатора частоты вращения АД, способного обеспечить расширение диапазона регулирования скорости, и простой беспоисковый алгоритм активной предварительной идентификации постоянной времени цепи ротора двигателя.

На защиту выносятся следующие основные результаты.

1. Алгоритм активной предварительной идентификации постоянной времени цепи ротора АД в системах частотно-регулируемого ЭП.

2. Методика анализа условий текущей идентифицируемости координат и параметров асинхронного ЭП с использованием матрицы Якоби.

3. Методика синтеза адаптивного идентификатора частоты вращения ротора с текущей коррекцией активного сопротивления обмотки статора АД.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной школе-конференции «Информационно-телекоммуникационные системы и управление» ИТКСУ-2009 (г. Новосибирск, 2009 г.); на Всероссийских научных конференциях молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» НТИ-2007 , НТИ-2009, НТИ-2010 (г. Новосибирск, 2007, 2009, 2010 гг.); на четвертой научно-технической конференции с международным участием «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» ЭЭЭ-2009 (г. Новосибирск, 2009 г); на X Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП - 2010 (г. Новосибирск, 2010 г.); на V Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энер-

гии» ЭПЭ-2011 (г. Томск, 2011 г.); на XV международной конференции «Электроприводы переменного тока» ЭППТ-2012 (г. Екатеринбург, 2012 г.).

В июне 2012 г. подана заявка о выдаче патента Российской Федерации на полезную модель.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы используются при создании систем управления асинхронными электроприводами в ЗАО «ЭРАСИБ» (г. Новосибирск), а также в учебном процессе Новосибирского государственного технического университета.

Экспериментальные исследования, проведенные в работе, поддержаны грантом по проекту «Исследование предельных точностей оптических методов измерения параметров движения и мехатронных методов управления движением и разработка новых робототехнических и электромеханических систем», темплан, заявка № 7.559.2011.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 работ, 5 из которых - в рецензируемых научных журналах и изданиях, входящих в перечень ВАК РФ для опубликования основных научных результатов диссертаций, 1 - в сборнике научных трудов, 8 - в материалах научных конференций.

Личный вклад автора в работы, опубликованные в соавторстве с научным руководителем, заключается в участии в постановке задач исследований, синтезе алгоритма активной предварительной идентификации постоянной времени ротора АД, выполнении выкладок при определении условий идентифицируемости параметров ЭП. Также соискателем были выполнены постановка задачи, собственно разработка и исследование процедуры структурно-параметрического синтеза алгоритмов управления и идентификации частоты вращения ротора АД.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 70 наименований и 6 приложений. Она содержит 150 страниц основного текста, включая 65 рисунков и 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы важность и актуальность темы диссертационной работы; приведен обзор классических методов идентификации координат состояния и параметров схемы замещения АД; выявлена необходимость анализа корректности постановки некоторых задач совместной текущей идентификации координат и параметров двигателя; сформулированы цель и задачи диссертации, научная новизна и практическая ценность основных результатов диссертационного исследования.

Первая глава диссертационной работы посвящена математическому описанию асинхронного двигателя как объекта векторного управления. Рассмотрен общий подход к векторному управлению асинхронным электроприводом при питании АД от автономного инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

В качестве математической модели электромагнитных процессов в двигателе при общепринятых допущениях использованы известные уравнения электрического равновесия цепей статора и ротора, представленные во вращающейся с произвольной скоростью ортогональной системе координат:

ьг

Т • I | т Ч7 ьг

+ и5,

ьг ьг

(1)

Система (1) совмещается с выражением для электромагнитного момента и уравнением движения привода:

J ■ а = Ме - Мс.

Здесь: 3 - суммарный момент инерции ротора двигателя и жестко связанных с ним маховых масс; Мс — приведенный к валу двигателя момент сопротивления нагрузки; с - коэффициент;/¿.ЧР,. — двумерные векторы-столбцы токов статора

и потокосцеплении ротора; =-

электрическая частота вращения ротора; £) =

угловая скорость системы координат; О -Г

1 О

— матрица

поворота вектора на угол Ьае = —1?т/ьг— эквивалентная индуктивность

рассеяния двигателя; Ьт,Ь5,Ьг — главная взаимная индуктивность машины и

полные индуктивности цепей статора и ротора соответственно; Тг = Кг —

постоянная времени и активное сопротивление цепи ротора; — активное сопротивление цепи статора.

В системе координат, ориентированной по направлению вектора пото-косцеплений ротора уравнения (1) принимают вид

¿се • ^ = "Я, - ^ + «V ■ Ъе ■

<а ( ь Л

¿ае ' + • V гт J + Vщ ('> У V )

5д _ _р ■ _ ' ¿¡I ~ * ' V

¿Угт _ ¿т , ,„

¿1 ~ тг тг Кг""

¿Уш

где у^.со^ - евклидова норма (модуль) и мгновенная круговая частота вектора потокосцеплений ротора; ¡5г/,г1? - намагничивающая и моментообразующая компоненты вектора токов статора; оа, - частота скольжения; ихс!,ихч - ком-

(2)

и* ' соэу^ эту^

У«, — эту у соБу^

и*а -совуу +С/,р -втуц, ^р-СОБу^ -эту,,,

Также в первой главе детально рассмотрены функциональная и структурная схемы бездатчиковой системы векторного управления АД с непосредственным ориентированием по полю ротора на базе ПЧ с ШИМ. Принцип векторного управления позволяет независимо воздействовать на продольную намагничивающую) и поперечную — активную или моментообразующую) составляющие вектора токов статора для управления магнитным состоянием машины и электромагнитным моментом соответственно.

Вторая глава отражает основные результаты проведенного исследования методов предварительной идентификации параметров схемы замещения АД, а также описание разработанной методики активной предварительной идентификации постоянной времени ротора асинхронного ЭП.

Функция предварительной идентификации параметров двигателя - важная составляющая алгоритмического обеспечения бездатчикового электропривода. В зависимости от ситуации, в ходе предварительной идентификации определяются оценки требуемых параметров АД, которые затем используются в адаптивных идентификаторах неизмеряемых координат как начальные значения (приближения) их настраиваемых параметров. Активная идентификация подразумевает применение специальных тестовых воздействий, пассивная — напротив, основывается только на измерениях электрических переменных в рабочих процессах и на оценках координат состояния, определенных с помощью наблюдателей. В задаче предварительной идентификации предпочтительней именно активные алгоритмы, так как с помощью специальных тестовых сигналов можно сфокусироваться именно на влиянии интересующего параметра, не боясь при этом нарушить ход технологического процесса.

За основу принят следующий известный алгоритм, форма соответствующего тестового воздействия изображена на рис. 1.

1. Предварительная оценка сопротивления статора вычисляется на основе системы уравнений (2), при начальном возбуждении двигателя напряжением их(] = IIт • 1(/) с учетом (Оц, = 0, и с учетом падения напряжения в инверторе. Достаточно точные значения вычисляемых оценок активного сопротивления статора и величины статической составляющей падения напряжения в инверторе можно получить через (7...10)- Тг после приложения тестового напряжения. При этом вследствие дискретного характера выходного напряжения ПЧ измерение тока и фиксация среднего за период дискретизации напряжения должны производиться в моменты времени, когда опорный сигнал ШИМ принимает максимальное или минимальное значения.

2. Идентификация эквивалентной индуктивности рассеяния АД осуществляется при ступенчатом изменении напряжения статора. Показано, что в течение первых пяти периодов ШИМ можно достичь погрешности вычисления эквивалентной индуктивности рассеяния в пределах (1-2)% .

3. Предварительная идентификация индуктивности статора осуществляется при линейном изменении напряжения статора. В момент времени, когда ток намагничивания станет равным измеренному ранее установившемуся значению, из зафиксированных значений напряжения можно найти разницу А"«/ ге/ (Рис- О' которая затем и используется для предварительного расчета. Показано, что ошибка идентификации индуктивности статора прямо пропор-

циональна ошибке в определении оценки эквивалентного сопротивления статора и ошибке при формировании напряжения инвертором.

4. Идентификация постоянной времени ротора Тг также производится по экспериментальным данным о переходном процессе тока при ступенчатом изменении напряжения и последующей «линейной заводке».

На примере общепромышленного двигателя 4А200М4УЗ мощностью 37 кВт, определено, какую величину составляет А.

Расчетное значение перепада напряжения составляет около 1 В, это довольно малая величина, т.к. предел измерений датчиков (прямых или косвенных) фазных напряжений двигателя составляет не менее 500 В. Следовательно, для относительно точного измерения напряжений на уровне 1 В нужно иметь разрешающую способность еще на 2 порядка выше. Такими датчиками электроприводы для целей регулирования никогда не оснащают, дабы не увеличивать стоимость и габариты оборудования. Расчет показывает, чтобы &и5С{,ге/ составляла доступную для измерения датчиками общепромышленной системы ЭП величину, производная напряжения должна быть « 800 свою оче-

редь, линейно нарастающий ток статора по истечении рекомендованного интервала времени (6. .10)-Тг достигает недопустимо большой величины, которое не соответствует перегрузочной способности ПЧ по току, которая обычно составляет (120-150)% от номинального тока статора АД.

В этой связи необходимо использовать другой вид тестового воздействия для предварительной идентификации Ь3&ЬГ и постоянной времени ротора асинхронного ЭП, например, гармонического сигнала задающего напряжения.

Суть предлагаемого метода предварительной идентификации параметров АД заключается в определении значений двух точек фазовой частотной характеристики (ФЧХ) и составлении на их основе системы уравнений, из которой можно выразить оценки постоянной времени и активного сопротивления цепи ротора

Л Л

асинхронного ЭП (Дг и 7». Измерение относительной фазы гармонического сигнала осуществляется посредством специальной следящей системы — тригонометрического анализатора, методика построения которого предлагалась и неоднократно описывалась в статьях, а также была реализована в серийных промышленных электроприводах производства ЗАО «ЭРАСИБ», таких как «ЭРА-ТОН-М5» и «ЭРАТОН-ФР».

На основе анализа фазовой частотной характеристики получено алгебраическое уравнение четвертой степени, один из корней которого является веЛ л

личиной Тг ■ По значению Тг вычисляется оценка активного сопротивления цепи ротора двигателя. Погрешность полученных значений постоянной времени и активного сопротивления обмотки цепи ротора асинхронного электропривода зависит только от погрешности определения других параметров схемы замещения АД и точности измерения фазы и частоты.

Третья глава диссертации посвящена методике анализа корректности постановки задач текущей идентификации неизмеряемых координат и изменяющихся параметров АД на основе матрицы Якоби. Получены условия совместной идентифицируемости технически целесообразных пар параметров ЭП. Выявлены режимы работы ЭП, в которых однозначное вычисление требуемых величин в процессе их текущей идентификации невозможно. Даны рекомендации по практическому применению полученных результатов.

Основой разработанной методики является система уравнений (1), записанная для синхронной скорости {ак =со0), и для установившегося режима работы ЭП. Из нее следует, что

иг=г-1г, (3)

,, Г^тЛ , ["/„„ -СОБ,?]

где и, = . , = . ;

[_ 0 ]

1/5т, 15т — модули векторов напряжений и токов статора АД;

" Д, - • (т + а>} • т} )+ I? -о, • а о - <оа ■ (¿1 + Ь ■ Ьг - (1 + ■ т} ))"

яг • (1 + <»/-т?) ~~ и-^ + ^-т?)

¿г.(1 + ^2-Гг2) Л, • (1 + а] ■ Т} )

— полное сопротивление двигателя, представленное в матричной форме.

Из условий совместности уравнения (3) могут быть однозначно определены лишь какие-то два неизвестных параметра, входящих в матричное полное сопротивление. При этом необходимым и достаточным условием идентифицируемости каждой возможной пары параметров АД является невырожденность матрицы Якоби для системы (3):

у = да\ да2

дР2

Эаг[ да2

где аьа2 - идентифицируемые параметры АД; ^ = | '' 2 - вектор-

\_1Г2(.а1>а2)]

столбец функций - левая часть уравнения Р = С/, -■ 2 = 0.

На основе традиционной для задач векторного управления АД математической модели статики двигателя, представленной в векторно-матричной форме, предложена методика анализа принципиальной возможности решения, иными словами, корректности постановки некоторых имеющих реальный технический смысл задач совместной текущей идентификации координат и параметров двигателя в системе частотно-регулируемого электропривода.

Целью проведенного исследования являлось получение условий совместной идентифицируемости технически целесообразных пар параметров ЭП.

Для бездатчикового асинхронного ЭП, такими параметрами могут быть:

• активное сопротивление обмотки статора и электрическая частота вращения ротора АД и сое)~ возможность совместной идентификации и ое отсутствует в режиме идеального холостого хода =0), т.е. на синхронной скорости, и при выбеге (1зт = 0);

• эквивалентная индуктивность рассеяния и электрическая частота вращения ротора АД и сое ) — их возможно совместно идентифицировать во всех режимах работы асинхронного двигателя, кроме режима холостого хода, выбега и режима динамического торможения {о>0 = 0 );

• постоянная времени цепи ротора и электрическая частота вращения ротора АД (Тг и сае) - данные параметры невозможно одназначно идентифицировать в установившихся режимах работы ЭП по информации об основных рабочих гармониках электрических величин;

• взаимная индуктивность и электрическая частота вращения ротора АД ( Ьт и сое) ~ условия идентифицируемости и этих параметров совпадают с полученными для пары о)е.

Для ЭП с датчиком частоты вращения или угла поворота ротора рассматривалась пара Ьт и Тг, используемая для косвенной автоматической ориентации вращающейся системы координат по направлению вектора потокосцеплений ротора посредством модели цепи ротора двигателя. Результат проведенного анализа для выбранной пары такой же, как и в предыдущих случаях.

Предложенная методика анализа корректности постановки задач текущей идентификации неизмеряемых координат и изменяющихся параметров АД в системах частотно-регулируемого ЭП по основным рабочим гармоникам электрических переменных позволяет получить условия, при выполнении которых искомые величины могут быть определены однозначно.

Четвертая глава посвящена структурно-параметрическому синтезу идентификатора частоты вращения и опорного вектора потокосцеплений рото-

pa. Предложена методика совместного синтеза подсистем регулирования и идентификации скорости АД.

Разработан многоэтапный алгоритм идентификации активного сопротивления статора асинхронного ЭП. В основу подхода положены метод адаптивной модели и метод больших коэффициентов, в том числе используется метод разделения движений.

Поскольку ЭП бездатчиковый, возникает необходимость в построении наблюдателя для получения информации о неизмеряемых координатах состояния Ч'гц.Ч'^со.Уу, т.е. их оценок. Наблюдатель является алгоритмом, позволяющим стабилизировать систему, получая требуемые переходные процессы. Используемый адаптивный идентификатор частоты вращения ротора АД основан на методике MRAS - Model Reference Adaptive System (адаптивная система с задающей или эталонной моделью) (рис. 2).

На структурной схеме обозначено: МЦС - модель цепи статора; МЦР - модель цепи ротора; А - адаптер; КН -корректор нулей МЦС; D - матрица поворота; ТА - тригонометрический анализатор.

Синтез наблюдателя заключается в нахождении параметров адаптера и корректора нулей, представляющих собой пропорционально-интегральные регуляторы, расчет которых осуществляется с помощью модального метода.

Для такой существенно нелинейной системы как асинхронный электропривод в большинстве случаев контур регулирования скорости бездатчикового ЭП синтезируется приближенно, исходя из условий разделения движений с процессами идентификации неизмеряемых координат, что приводит к значительным ограничениям по быстродействию электропривода в целом как по задающему, так и по возмущающему воздействиям.

В работе предложена методика совместного структурно-параметрического синтеза регулятора и идентификатора частоты вращения ротора бездатчикового асинхронного электропривода, лишенная указанного выше недостатка. В основу методики положены результаты анализа процессов, протекающих в моделях двигателя и адаптивной системы с эталонной моделью (АСЭМ), представленных в разных вращающихся системах координат. В диссертации это ориентированная по направлению вектора потокосцеплений ротора АД система координат (d,q) и смещенная система, обозначенная как (1,2). Главным допущением является высокое быстродействие (безинерционность) регулируемого источника токов статора двигателя.

Получены следующие уравнения, которые отражают связь между моделью двигателя и настраиваемой системой:

Ф = ^Г' [('51 • (l — cosAy¿)+ is2 ■ sin Ду k ) - ф],

-* Г

——--^--smÁyk --^--cosAyk

Ф + Vr Vr 4V

где о = ос- сое; -отклонения; Дуд. - угол смещения систем коор-

динат (с!,«}) и (1,2) друг относительно друга.

После преобразований, проведенных при условии, что ф и Аук малы, ко-

гда cosAy¿ и 1 ,а sin Аук « Аук, для системы с задатчиком /т1 = \у3гад /Lm получим

\ТГ ■ р + 1)- ф(р) = Lm ■ is2 ■ Дук(р),

р + -

зад

■ = 50) = Юе(р) - СОе(р).

На основе этих уравнений, используя уравнения движения и момента ЭП, построена структурная схема пересекающихся контуров регулирования скорости и идентификатора скорости АД (рис. 3).

Чтобы найти параметры передаточной функции ПИ-регулятора АСЭМ, предлагается приравнять характеристический полином замкнутого контура адаптации к биномиальной стандартной форме. Для получения передаточной функции регулятора скорости используется методика синтеза по возмущающему воздействию, т.е. по требованиям к максимальному динамическому отклонению скорости электропривода при ступенчатом изменении момента сопротивления нагрузки на валу двигателя, к коэффициенту неравномерности вращения (диапазону регулирования) в условиях изменяющихся нагрузок или к интегральной ошибке регулирования (ошибки по положению ротора).

Рис. 3. Структурная схема системы управления и идентификации скорости

По данной методике синтеза, передаточная функция регулятора скорости будет иметь следующий вид

пГ ( „2 ^

'У тп

Л/ с

шс +——

он

где ас — стандартный коэффициент, определяющий степень демпфирования переходных процессов; х— параметр электропривода, характеризующий быстродействие в переходных процессах «в большом»; К/тп - задающее воздействие по моменту электропривода, соответствующее номинальному значению Ме; Я/о», - задающее воздействие по скорости электропривода, соответствующее номинальному значению этой величины; сос- частота среза ЛАЧХ разомкнутого контура скорости, определяющая его быстродействие «в малом».

Методика отличается от традиционной тем, что вместо понятия малой некомпенсируемой постоянной времени оперирует частотой среза ЛАЧХ контура скорости в разомкнутом состоянии, которая при фиксированном коэффициенте ас однозначно определяет основные показатели системы в переходных процессах по возмущению — максимальное динамическое отклонение скорости, коэффициент неравномерности вращения и интегральную ошибку регулирования.

Также в данной главе рассмотрена методика структурного и параметрического синтеза двухэтапного идентификатора активного сопротивления статора асинхронного двигателя. В основу синтеза «быстрого» алгоритма, используемого при предварительном намагничивании АД, положены метод адаптивной модели и метод больших коэффициентов, где, в том числе, используется метод разделения движений, ориентированный на преднамеренную организацию разнотемповых процессов идентификации посредством малого параметра ц. Структурная схема «быстрого» идентификатора активного сопротивления обмотки статора двигателя представлена на рис. 4.

Рис. 4. Структурная схема идентификатора активного сопротивления статора

Построение «медленного» алгоритма текущей идентификации активного сопротивления статора, используемого для вычисления оценки активного сопротивления статора в рабочих режимах ЭП, основано на известной структуре, изображенной на рис. 5.

Рис. 5. Структурная схема «медленного» идентификатора активного сопротивления обмотки статора

Разработанные алгоритмы идентификации активного сопротивления статора, потокосцеплений и частоты вращения ротора в двигательном режиме работы ЭП обеспечивают следующие показатели.

• Идентификация неизмеряемых величин осуществляется точностью не хуже 1%.

• Величина оценки сопротивления устанавливается с погрешностью

(ДЛ^ =0,17%).

• Система ЭП адаптируется к изменениям параметров схемы замещения АД (на примере активного сопротивления обмотки статора).

• «Быстрый» алгоритм идентификации активного сопротивления обмотки статора на 2...3 порядка быстрее устанавливает истинное значение , чем «медленный».

В генераторном режиме ЭП диапазоны изменений частоты вращения и момента нагрузки двигателя ограничены в зависимости от отклонений величины активного сопротивления статора. При достоверной исходной информации о величине , что достигается предварительной и текущей ее идентификацией, диапазоны частоты вращения ротора и момента нагрузки остаются такими же, как и в двигательном режиме работы.

В пятой главе диссертации приведены описание экспериментального стенда, построенного на базе ПЧ «ЭРАТОН-М5» и результаты исследования адаптивных алгоритмов управления бездатчикового асинхронного ЭП.

200т

100т

0 0.4

0,2

0,0 100т

ис

1 2 3 4 5 6 Г 8 9 10 11 12

Time [sec]

Рис. 6. Графики переходных процессов по оценкам частоты вращения и модуля

А А

потокосцепления ротора АД и \|/Д продольной и поперечной составляющим тока статора АД (isd и isq ) при действии на ЭП номинальной нагрузки На рис. 6 в качестве примера представлены переходные процессы при предварительном намагничивании и последующем пуске асинхронного двигателя на номинальную частоту вращения ротора, набросе и сбросе номинальной двигательной нагрузки и торможении.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы и даны рекомендации по их применению.

В приложениях представлены справочные данные модельных АД; синтез системы векторного управления скоростью электропривода с датчиком частоты вращения (или положения ротора); параметры и структурные схемы модели бездатчиковой системы управления скоростью электропривода; результаты моделирования системы управления электроприводом; акты внедрения и использования результатов диссертации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные в рамках диссертационной работы исследования позволили получить следующие результаты.

1. Получены оценки влияния продолжительности алгоритмов активной предварительной идентификации параметров схемы замещения АД на относительную погрешность вычисления оценки соответствующих величин. Предложен алгоритм предварительной идентификации постоянной времени ротора АД с использованием в качестве тестового воздействия гармонического напряжения.

2. Предложена методика анализа корректности постановки задач текущей идентификации неизмеряемых координат и изменяющихся параметров АД в системах частотно-регулируемого ЭП по основным рабочим гармоникам электрических переменных. Методика позволяет получить условия, при выполнении которых искомые величины могут быть определены однозначно. Выявлены режимы работы ЭП, в которых однозначное вычисление требуемых величин в процессе их текущей идентификации невозможно.

3. Предложена методика совместного структурно-параметрического синтеза регулятора и идентификатора частоты вращения ротора бездатчикового асинхронного электропривода. В основу методики положены результаты анализа процессов, протекающих в моделях двигателя и адаптивной системы с эталонной моделью, представленных в разных вращающихся системах координат. Сформулированы результаты анализа устойчивости системы управления частотой вращения асинхронного двигателя с учетом возможных ошибок ориентирования управляющих воздействий по вектору потокосцеплений ротора.

4. Синтезирован «медленно» адаптивный к изменениям активного сопротивления статора идентификатор частоты вращения и вектора потокосцеплений ротора асинхронного двигателя структуры АСЭМ, а также разработана методика параметрического синтеза адаптора и корректора нулей.

5. Синтезирован «быстрый» алгоритм текущей идентификации активного сопротивления обмотки статора, применяемый лишь при предварительном намагничивании машины. Начальные условия по оценке активного сопротивления статора для поочередного использования «быстрого» и «медленного» алгоритмов формируются в процессе его активной текущей идентификации.

6. Исследованы границы устойчивости разработанных алгоритмов адаптации системы ЭП к изменениям активного сопротивления статора, результаты приведены в виде областей устойчивости в длительных двигательном и генераторном режимах работы для АД мощностью 37 кВт: диапазон регулирования частоты вращения ротора в двигательном режиме не менее 1:100, в генераторном — 1:8, при больших диапазонах адаптация системы должны временно «отключаться», а предыдущие оценки параметров — «замораживаться» При кратковременных генераторных режимах в этом случае достигнут диапазон регулирования не менее 1:100.

7. Корректность работы синтезированных алгоритмов бездатчикового векторного управления АД подтверждена на экспериментальном стенде. Идентификаторы обеспечивают указанный выше диапазон регулирования посредством адаптации к изменениям параметров АД.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

Статьи, опубликованные в рецензируемых научных журналах и

изданиях:

1. Кучер Е. С., Панкратов В. В. Исследование условий текущей идентифицируемости координат и параметров асинхронного электропривода // Электричество. 2011. № 5. С. 48 - 52.

2. Кучер Е. С., Панкратов В. В. Активная предварительная идентификация постоянной времени ротора асинхронного двигателя // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2012. №1 (46). С. 127-134

3. Кучер Е. С., Панкратов В. В. Анализ условий идентифицируемости координат и параметров асинхронных электроприводов по основным гармоникам электрических величин // Электротехника. 2012. №9. С. 14 - 17.

4. Панкратов В. В., Зима Е. А., Котин Д. А., Кучер Е. С. Электроприводы с магнитоэлектрическими двигателями — перспективные системы для электрического и гибридного транспорта // Транспорт: наука, техника, управление. Научный информационный сборник ВИНИТИ. 2010. № 8. С. 10 — 14.

5. Панкратов В. В., Волков В. Ю., Волкова Е. А., Котин Д. А., Тетюшева Е. С., Хныкова Т. А. Многодвигательные асинхронные электроприводы с автоматическим выравниванием нагрузок // Транспорт: наука, техника, управление. Научный информационный сборник ВИНИТИ. 2008. №6. С. 32 — 37.

Прочие опубликованные работы:

6. Кучер Е. С., Панкратов В. В. Условия идентифицируемости координат и параметров асинхронных электроприводов по основным гармоникам электрических величин // Электроприводы переменного тока: Труды международной 14-й конференции. Екатеринбург: УрФУ, 2012. С. 63 - 66.

7. Кучер Е. С., Панкратов В. В. О корректности задач текущей идентификации координат и параметров асинхронного электропривода по основным гармоникам электрических величин // Электромеханические преобразователи энергии: Материалы V Юбилейной международной науч.-техн. конф.; 12 — 14 октября 2011 г., Томский политехнический университет. Томск: Изд-во ТПУ, 2011. С. 191-195.

8. Панкратов В. В., Кучер Е. С. Методика совместного синтеза регулятора и идентификатора скорости «бездатчикового» асинхронного электропривода с векторным управлением ер // Материалы четвертой научно-технической конференции с международным участием «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» ЭЭЭ-2009 (Новосибирск, 23 - 24 октября 2009 г.). Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2009. С. 153 - 159.

9. Кучер Е. С. Анализ устойчивости систем управления скоростью асинхронного электропривода // Автоматизированные электромеханические системы: сб. науч. тр. Новосибирск, НГТУ, 2011. С. 32-39.

10. Кучер Е. С. Методика синтеза подсистем регулирования и идентификации скорости «бездатчикового» асинхронного электропривода с векторным управлением // Международной школе-конференции «Информационно-телекоммуникационные системы и управление» ИТКСУ-2009. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2009. С. 58 - 59.

11. Кучер Е. С. Методика совместного синтеза регулятора и идентификатора скорости «бездатчикового» асинхронного электропривода с векторным управлением // Материалы Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» НТИ-2009. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2009. Часть 3. С. 258 - 260.

12. Кучер Е. С. Исследование устойчивости системы управления скоростью асинхронного электропривода // Материалы Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» НТИ-2010. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2010. Часть 3. С. 193 - 194.

13. Панкратов В. В., Кучер Е. С. Анализ задач текущей идентификации координат и параметров асинхронного электропривода // Труды X Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АГ1ЭП - 2010. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2010.С. 24 -27.

14. Тетюшева Е. С. Идентификация активного сопротивления статора «бездатчикового» асинхронного электропривода с векторным управлением // Материалы Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» НТИ-2007. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007. Часть 3. С. 88-89.

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20,

тел./факс (383) 346-08-57 формат 60 X 84/16 объем 1.25 п.л. тираж 110 экз. Заказ № 1487 подписано в печать 29.10.2012 г

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Кучер, Екатерина Сергеевна

ВВЕДЕНИЕ.

1. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ И ПРИНЦИП ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ.

1.1. Уравнения электрического равновесия обмоток асинхронного двигателя и их преобразования.

1.2. Баланс мощностей и электромагнитный момент АД.

1.3. Математическая модель электромагнитных процессов АД в неподвижной системе координат.

1.4. Векторное управление асинхронным электроприводом при питании от АИН с ШИМ.

1.5. Функциональная и структурная схемы бездатчиковой системы. векторного управления АД.

2. АЛГОРИТМЫ АКТИВНОЙ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПАРАМЕТРОВ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ АД.

2.1. Идентификация эквивалентного сопротивления статора.

2.2. Идентификация эквивалентной индуктивности рассеяния.

2.3. Идентификация индуктивности статора и расчет индуктивности ротора

2.4. Идентификация постоянной времени и активного сопротивления ротора.

2.5. Выводы по главе.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ПАССИВНОЙ ТЕКУЩЕЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ КООРДИНАТ И ПАРАМЕТРОВ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПРИ "КЛЕММНЫХ" ИЗМЕРЕНИЯХ.

3.1. Методика постановки условий для текущей идентификации параметров асинхронного бездатчикового ЭП с использованием матрицы Якоби.

3.2. Анализ задач текущей идентификации координат и параметров асинхронного бездатчикового электропривода на основе комплексной формы записи модели.

3.3. Исследование условий текущей идентифицируемости координат и параметров асинхронного бездатчикового электропривода.

3.3.1. Анализ возможности совместной идентификации частоты вращения ротора и активного сопротивления обмотки статора АД.

3.3.2. Корректная постановка задачи идентификации скорости вращения ротора АД и эквивалентной индуктивности рассеяния.

3.3.3. Условия идентификации постоянной времени цепи ротора и электрической частоты вращения ротора АД.

3.3.4. Возможность совместной идентификации взаимной индуктивности и электрической частоты вращения ротора двигателя.

3.4. Проверка условий совместной идентифицируемости параметров АД при наличии датчика скорости и косвенном полеориентировании.

3.4.1. Исследование условий совместной идентификации активных сопротивлений обмоток статора и ротора АД.

3.4.2. Анализ возможности получения оценок эквивалентной индуктивности рассеяния и активного сопротивления модели цепи статора двигателя.

3.4.3. Исследование детерминанта матрицы Якоби для постоянной времени ротора и взаимной индуктивности ЭП.

3.5. Построение якобиана только по модели ротора асинхронного бездатчикового электропривода с векторным управлением.

3.5.1. Анализ системы с совместной идентификацией частоты вращения и постоянной времени ротора асинхронного двигателя.

3.6. Выводы по главе.

4. СИНТЕЗ АДАПТИВНОГО ИДЕНТИФИКАТОРА ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ РОТОРА АД.

4.1. Идентификатор частоты вращения и ориентирующего вектора потокосцеплений ротора.

4.1.1. Структура, принцип действия идентификатора.

4.1.2. Синтез адаптора и корректора нулей.

4.1.3. Методика совместного синтеза подсистем регулирования и идентификации скорости.

4.1.3.1. Построение структурной схемы пересекающихся контуров подсистем регулирования и идентификации.

4.1.3.2. Синтез идентификатора скорости.

4.1.3.3. Обоснование передаточной функции регулятора скорости.

4.1.3.4. Синтез регулятора скорости по возмущающему воздействию

4.1.4. Моделирование системы управления электропривода с идентификатором частоты вращения.

4.2. Синтез алгоритма текущей идентификации активного сопротивления обмотки статора АД.

4.2.1 Синтез «быстрого» алгоритма текущей идентификации на основе адаптивной модели.

4.2.1.1 Структурный синтез и расчет параметров идентификатора активного сопротивления статора.

4.2.1.2 Моделирование процесса идентификации активного сопротивления статора в ходе предварительного намагничивания машины.

4.2.2. Построение «медленного» алгоритма текущей идентификации активного сопротивления статора в рабочих режимах электропривода

4.2.3. Моделирование процесса идентификации активного сопротивления статора и частоты вращения ротора.

4.3. Совместная идентификация постоянной времени ротора и частоты вращения АД на основе модели ротора.

4.3.1 Синтез алгоритма совместного вычисления величины постоянной времени ротора и частоты вращения АД.

4.3.2 Моделирование системы ЭП с алгоритмом совместной идентификации сог и Тг.

4.4 Анализ устойчивости системы управления скоростью бездатчикового асинхронного электропривода.

4.4.1 Построение системы регулирования скорости ЭП.

4.4.2 Моделирование процесса управления частотой вращения ротора асинхронного двигателя.

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АДАПТИВНЫХ СИСТЕМ ЭП С БЕЗДАТЧИКОВЫМ ВЕКТОРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ.

5.1. Исследование влияния температурного дрейфа активного сопротивления статора на статические и динамические характеристики электропривода.

5.2. Влияние температурного дрейфа активного сопротивления обмотки ротора (постоянной времени ротора) на статические и динамические характеристики электропривода.

5.3 Сравнение методов бездатчикового векторного управления АД.

5.4 Описание физической модели электропривода.

5.5 Результаты экспериментального исследования синтезированных алгоритмов на физической модели электропривода.

5.6 Выводы по главе.

Введение 2012 год, диссертация по электротехнике, Кучер, Екатерина Сергеевна

Современная промышленность основывается на широком применении электрического привода (ЭП). Показатель, характеризирующий относительное внедрение электропривода, т. е. коэффициент электрификации силовых процессов, в передовых отраслях промышленности близок в настоящее время к 100%. Важной особенностью современного электропривода и характеристикой перспектив его развития является все более глубокое проникновение в автоматизацию технологических процессов производства.

Электропривод, зародившийся впервой трети XIX в., непрерывно развиваясь, к середине 1930-х годов перестал быть лишь средством приведения в движение рабочих машин. 1930-е годы знаменуются превращением электропривода в промышленном масштабе в устройство, управляющее рабочей машиной [12].

Вытеснение механических систем привода электроприводами происходит благодаря следующим его преимуществам, обнаруживавшимся постепенно в ходе исторического развития: экономичности, меньших затрат, высокой управляемости, возможности на его основе интенсификации и концентрации производства, комплексной механизации и, наконец, автоматизации с применением управляющих средств.

Индивидуальный автоматизированный электропривод в настоящее время получил широкое применение во всех сферах жизни и деятельности общества - от сферы промышленного производства до сферы быта. Благодаря особенностям совершенствования технических показателей электроприводы во всех областях применения является основой технического прогресса.

Современный автоматизированный электропривод - это высоконадежная и экономичная электромеханическая система, способная полностью обеспечить автоматизацию любого технологического процесса, достигать высокого быстродействия и точности в работе, улучшить условия труда обслуживающего персонала [29].

Широта применения определяет исключительно большой диапазон мощностей электроприводов (от долей ватта до десятков тысяч киловатт) и значительное разнообразие их исполнения. Уникальные по производительности промышленные установки - прокатные станы в металлургической промышленности, шахтные подъемные машины и экскаваторы в горнодобывающей промышленности, мощные строительные и монтажные краны, протяжные высокоскоростные конвейерные установки, мощные металлорежущие станки и многие другие - оборудуются электрическими приводами, мощность которых составляет сотни и тысячи киловатт.

В настоящее время в России, как и за рубежом, широко внедряются системы регулируемого по скорости электропривода (ЭП) переменного тока, большинство которых построено на базе асинхронных двигателей с коротко-замкнутым ротором (АД). Причиной тому является высокая надежность и низкая стоимость АД в сравнении с другими типами электрических машин, при этом реализация векторного управления АД обеспечивает регулировочные характеристики ЭП, не уступающие характеристикам ЭП постоянного тока. Как правило, электроприводами на базе АД оснащаются общепромышленные механизмы, не требующие глубокого (свыше 1:100) регулирования частоты вращения. Это насосы, компрессоры, вентиляторы, мельницы, прессы, конвейеры и подъемно-транспортные механизмы.

Двигатели с короткозамкнутым ротором проще и надежнее в эксплуатации, а также значительно дешевле, чем двигатели с фазным ротором. В настоящее время асинхронные двигатели выполняют преимущественно с короткозамкнутым ротором и лишь при больших мощностях и в специальных случаях используют фазную обмотку ротора.

С развитием силовой полупроводниковой и микропроцессорной техники в последние 20-25 лет стало возможным массовое создание устройств частотного регулирования электроприводов с асинхронными двигателями. Эти устройства позволили экономично и точно управлять скоростью и моментом двигателя, избавиться от дросселирования производительности насосов и вентиляторов при помощи вентилей и заслонок, а также сложных и дорогостоящих приводов постоянного тока.

Частотно-регулируемый электропривод на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в настоящее время является самым распространенным и, вместе с тем, наиболее практически целесообразным видом регулируемого электропривода массового применения. Также он обеспечивает удовлетворительные динамические и энергетические характеристики во всем диапазоне скоростей, которые не уступают показателям регулируемого ЭП постоянного тока [32, 34, 42].

Частотно-регулируемый электропривод состоит из АД, обмотка статора которого подключена к преобразователю частоты (ПЧ). Наиболее распространенным типом преобразователей частоты является двухступенчатое преобразовательное устройство на основе силового выпрямителя трёхфазного переменного напряжения сети и автономного инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией (АИН с ШИМ), преобразующего выпрямленное напряжение в переменное трёхфазное с регулируемой частотой и амплитудой.

Большой вклад в исследование и построение систем управления ЭП переменного тока внесли выдающиеся отечественные и зарубежные ученые -М.М. Ботвинник, И.Я. Браславский, A.A. Булгаков, A.M. Вейнгер, А.Б. Виноградов, JI.X. Дацковский, Д.Б. Изосимов,Л.Ф. Ильинский, В.И. Ключев, С.А. Ковчин, А.Е. Козярук, В.А. Мищенко, Г.Б. Онищенко, В.В. Рудаков, Ю.А. Сабинин, О.В. Слежановский, Ю.Г. Шакарян, Р.Т. Шрейнер, В.А. Шубенко, И.И. Эпштейн, F. Blaabjerg, F. Blaschke, B.K. Bose, W. Flöter, J. Holtz, W. Leonhard, R.D. Lorenz, M.P. Kazmierkowski, T.A. Lipo, K. Matsuse, D.W. Novotny и др. [18, 32, 52, 53, 59].

В последнее время особый интерес вызывает проблема создания глубоко регулируемых приводов на базе трехфазных асинхронных двигателей, но их разработка встречает целый ряд затруднений. Наибольших успехов удается достичь, используя векторное управление двигателями. Этот метод требует знания точных значений многих параметров схемы замещения асинхронных двигателей, например, активных и реактивных сопротивлений статора, ротора и намагничивающей цепи. Эти параметры в большинстве справочников не приводятся, приводятся не полностью или являются недостаточно точными. Кроме того, из-за нарушения технологического процесса, а также различных технологий на разных заводах-изготовителях, паспортные параметры машины могут отличаться от справочных данных на 10.20%. Следовательно, при проектировании высококачественного привода у разработчика возникает необходимость знания точных параметров двигателя. Эта же задача стоит и у изготовителей двигателей, так как коммерческая ценность двигателя снабженного индивидуальным паспортом гораздо выше [11].

Метод управления частотными электроприводами, получивший название метода векторного управления (Field Oriented Control), разрабатывался в конце 70-х и начале 80-х годов.

Математический аппарат преобразования координат с использованием вращающихся ортогональных систем позволил представить векторы синусоидально изменяющихся во времени переменных АД векторами постоянных величин, в результате чего упростился анализ и синтез систем управления асинхронным ЭП. Кроме того, за счет привязки системы координат к опорному (ориентирующему) вектору удается исключить из дальнейшего рассмотрения поперечную составляющую опорного вектора [32, 34, 36, 42].

Принцип векторного управления основан на математической модели АД, которая позволяет представить двигатель как двухканальный объект в ориентированной по вектору потокосцепления ортогональной (полеориентирован-ной) системе координат. Это дает возможность независимо управлять выходными переменными объекта, т.е. магнитным состоянием и электромагнитным моментом машины.

На сегодняшний день наиболее распространенными системами векторного управления являются системы, использующие в качестве опорного вектор главного потокосцепления машины или потокосцепления ротора. В рамках диссертации рассматривается второй вариант.

В современном асинхронном ЭП с векторным управлением присутствует тенденция исключения из его структуры датчиков координат механического движения и магнитного состояния за счет привлечения идентификации и организации подсистемы оценки выходных переменных [1, 8, 21, 22, 32, 33, 36, 40, 43, 44, 56, 57, 59, 63, 64, 65, 67, 69].

Задача наблюдения опорного вектора потокосцеплений и текущей идентификации изменяющихся параметров АД значительно усложняется в так называемых «бездатчиковых» ЭП, не имеющих сенсоров координат механического движения электропривода - скорости и положения ротора. В таких системах приходится опираться исключительно на результаты прямых измерений электрических величин, доступных во внутренней структуре и на выходных клеммах управляемого преобразователя электрической энергии -преобразователя частоты (ПЧ).

Обычно для получения информации о текущем значении частоты вращения двигателя вместо датчиков используются специальные алгоритмы идентификации (наблюдатели и идентификаторы), точность которых зависит от точности определения параметров схемы замещения.

Большинство методов бездатчикового векторного управления основаны на косвенном определении электрического положения ротора двигателя по направлению изображающего вектора магнитного потокосцепления. Для вычисления вектора потокосцепления двигателя или непосредственно связанного с ним через интеграл частоты скольжения электрического положения ротора двигателя, на практике наиболее часто используются классические методы оценивания [11, 38], например, такие как адаптивные наблюдатели состояния полного или пониженного порядка (Full Order and Reduced Order State Observers) [65, 66]; специальные наблюдатели, функционирующие в реальных скользящих режимах [61]; расширенный фильтр Калмана (Extended Kaiman Filter (EKF)) [62]; адаптивные системы с задающей (эталонной) моделью (Model Reference Adaptive System (MRAS)) [69], а также многие специальные алгоритмы идентификации частоты вращения ротора АД, например, описанные Ohtani Т. и Xu X. [67, 70].

Алгоритмы текущей идентификации используются в ходе работы электропривода. Как правило, они применяются для слежения за изменениями параметров обмоток вследствие изменения температуры двигателя.

Алгоритмы предварительной идентификации функционируют на этапе подготовки электропривода к работе и вычисляют начальные значения оценок активных сопротивлений, а также значения индуктивностей схемы замещения и постоянную времени ротора АД.

Активная идентификация предполагает использование специальных тестовых воздействий, направленных на выделение того или иного параметра. Пассивная идентификация не вмешивается в ход технологического процесса, а для выделения интересующего параметра использует характерные особенности переходных процессов, чаще всего, по току статора. Применение активных алгоритмов целесообразно на этапе предварительной идентификации. В ходе текущей идентификации предпочтительнее применять пассивные алгоритмы, так как использование тестового воздействия будет неизбежно проявляться как в магнитном потоке, так и в частоте вращения ротора [48], а также вызывать дополнительные потери энергии.

Известны три основных подхода к вычислению координат и параметров электрических машин в процессе работы ЭП.

В большинстве практических разработок предпочтение отдается первому подходу, не связанному с ухудшением энергетических характеристик ЭП, завышением установленной мощности элементов ПЧ, сложными вычислениями и использованием измерительных цепей высокой точности. Однако, вследствие изменений параметров диапазоны регулирования скорости в таких ЭП на практике редко достигают значений 1:50 (1:100 - в лабораторных условиях), а в режимах генераторного торможения значительно сужаются.

Перед началом разработки алгоритмов адаптивных систем управления электроприводами необходимо проанализировать принципиальную возможность решения (корректность постановки) некоторых имеющих реальный технический смысл задач совместной текущей идентификации координат и параметров двигателя в системе частотно-регулируемого электропривода на основе традиционной для задач векторного управления АД математической модели статики двигателя [25, 46].

Таким образом, исследования, направленные на разработку методов и способов, способствующих достаточно точной оценке величин и регулируемых координат, недоступных для непосредственного регулирования, являются важными и актуальными.

Следовательно, можно сформулировать цель и задачи данной диссертационной работы.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.

4. Экспериментально исследовать характеристики разработанных алгоритмов в бездатчиковом асинхронном ЭП.

Поставленные задачи решаются с помощью методов современной теории автоматического управления и теории электропривода с использованием математического аппарата дифференциальных уравнений и передаточных функций. Экспериментальное исследование выполнено путем численного моделирования в пакете программ МАТЪАВ - 81шиНпк и физического макетирования.

Работа выполнена при поддержке Правительства Российской Федерации по государственному контракту № 13.036.31.0010 от 22.10.2010 г.

Научная новизна основных результатов диссертации заключается в следующем.

1. Впервые предложена методика анализа корректности задач текущей идентификации неизмеряемых координат и изменяющихся параметров АД в системах частотно-регулируемого ЭП по основным рабочим гармоникам электрических переменных, позволяющая получить условия, при выполнении которых искомые величины могут быть определены однозначно. Выявлены режимы работы ЭП, в которых однозначное вычисление требуемых величин в процессе их текущей идентификации невозможно. Их признаки могут использоваться для «переключения» структур закона управления.

Практическая ценность результатов диссертационной работы состоит в следующем.

На защиту выносятся следующие основные результаты.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной школе-конференции «Информационно-телекоммуникационные системы и управление» ИТКСУ-2009 (г. Новосибирск, 2009 г.); на Всероссийских научных конференциях молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» НТИ-2007 , НТИ-2009, НТИ-2010 (г. Новосибирск, 2007, 2009, 2010 гг.); на четвертой научно-технической конференции с международным участием «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» ЭЭЭ-2009 (г. Новосибирск, 2009 г); на X Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электрон--ного приборостроения» АПЭП - 2010 (г. Новосибирск, 2010 г.); на V Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии» ЭПЭ-2011 (г. Томск, 2011 г.); на XV международной конференции «Электроприводы переменного тока» ЭППТ-2012 (г. Екатеринбург, 2012 г.).

В июне 2012 г. было подано заявление о выдаче патента Российской Федерации на полезную модель.

Экспериментальные исследования поддержаны грантом по проекту «Исследование предельных точностей оптических методов измерения параметров движения и мехатронных методов управления движением и разработка новых робототехнических и электромеханических систем», темплан, заявка №7.559.2011.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 работ, 5 из которых - в рецензируемых научных журналах и изданиях для опубликования основных научных результатов диссертаций, 1 - в сборнике научных трудов, 8 - в материалах научных конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 70 наименований и 6 приложений. Она содержит 149 страницы основного текста, включая 65 рисунков и 3 таблицы.

Заключение диссертация на тему "Исследование алгоритмов идентификации для систем бездатчикового векторного управления асинхронными электроприводами"

5.6 Выводы по главе

Исследование синтезированных алгоритмов бездатчикового векторного управления АД с короткозамкнутым ротором на экспериментальном лабораторном стенде подтвердило результаты цифрового моделирования проведенное в рамках диссертационной работы. Идентификаторы обеспечивающие процесс адаптации по параметрам асинхронного ЭП, таким как вектора потокосцепления, частота вращения ротора и величина активного сопротивления обмотки ротора АД, обеспечивает управление ЭП во всех четырех квадрантах. Разработанные алгоритмы управления асинхронными ЭП частично реализованы в ПЧ "ЭРАТОН-М5" и "ЭРАТОН-ФР" серийно выпускаемых предприятием ЗАО "ЭРАСИБ" (г. Новосибирск). оor hd

- — —

-Hl— 1 1111 .í ,1, i ,1. .1 1 ,1.!,. lili lili lili lili |i i i ■ Iii i ■ i i

- 1

1 1 1 1 1 I 1 1 1 lili lili 1 1 1 1 lili lili i i i ¡Iii i i i i i r, T г f * ~ n

I i r

-1 lili .1 I 1 1 lili lili lili 1 1 lili i Jr f'i . мм i . i i 1 1

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Time fsec]

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные в рамках диссертационной работы исследования позволили получить следующие результаты.

1. Получены оценки влияния продолжительности алгоритмов активной предварительной идентификации параметров схемы замещения АД на отно

- сительную погрешность вычисления оценки соответствующих величин. Предложен алгоритм предварительной идентификации постоянной времени ротора АД с использованием в качестве тестового воздействия гармонического напряжения.

3. Предложена методика совместного структурно-параметрического синтеза регулятора и идентификатора частоты вращения ротора бездатчико-вого асинхронного электропривода. В основу методики положены результаты анализа процессов, протекающих в моделях двигателя и адаптивной системы с эталонной моделью, представленных в разных вращающихся системах координат. Представлены результаты анализа устойчивости системы управления частотой вращения асинхронного двигателя с учетом возможных ошибок ориентирования управляющих воздействий по вектору потокосцеплений ротора.

4. Синтезирован «медленно» адаптивный к изменениям активного сопротивления статора идентификатор частоты вращения и вектора потокосцеплений ротора асинхронного двигателя структуры МЯАЭ, а также разработана методика параметрического синтеза адаптора и корректора нулей.

6. Исследованы границы устойчивости разработанных алгоритмов адаптации системы ЭП к изменениям активного сопротивления статора, результаты приведены в виде областей устойчивости в длительных двигательном и генераторном режимах работы для АД мощностью 37 кВт: диапазон регулирования частоты вращения ротора в двигательном режиме не менее 1:100, в генераторном - 1:8, при больших диапазонах адаптация системы должны временно «отключаться», а предыдущие оценки параметров -«замораживаться» При кратковременных генераторных режимах в этом случае достигнут диапазон регулирования не менее 1:100.

Библиография Кучер, Екатерина Сергеевна, диссертация по теме Электротехнические комплексы и системы

1. Андреев М. А. Параметрическая идентификация асинхронного элк-тропривода в режиме реального времени. Диссертация . кандидата технических наук // Вологда, 2010. 141 с.

2. Афонин В. И., Кравчик А. Э., Соболенская Е. А., Шлаф М. М. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник. М.: Энергоиздат, 1982. 504 с.

3. Бесекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1972. 768 с.

4. Бойко Е. П., Гаинцев Ю. В. Асинхронные двигатели общего назначения / под ред. В. М. Петрова, А. Э. Кравчика. М.: «Энергия», 1980. 488 с.

5. Виноградов А. Б. Векторное управление электроприводами переменного тока. Иваново, 2008. 298 с.

6. Виноградов А. Б. Адаптивно-векторная система управления бездат-чиковым асинхронным электроприводом // Силовая Электроника. 2006. № 3. С. 50-55.

7. Виноградов А. Б., Сибирцев А. Н., Чистосердов В. Л. Адаптивная система векторного управления асинхронным электроприводом // Электротехника. 2003. №7. с. 7-17.

8. Виноградов А. Б., Колодин И. Ю. Бездатчиковый асинхронный электропривод с адаптивно-векторной системой управления. Электрон, дан. URL: www.vectorgroup.ru/articles/article9

9. Волков А. В., Скалько Ю. С. Идентификация активных сопротивлений частотно-регулируемого асинхронного электродвигателя при их температурном дрейфе // Електротехнша та електроенергетика. 2009. № 1. С. 58 -67.

10. Воронов А. А., Новогранов Б. Н., Титов В. К. Основы теории автоматического регулирования и управления // Учеб. пособие для вузов. М.: «Высшая школа», 1977. 520 с.

11. Давыдова Л. Переход в технике производства от механических систем передачи энергии к электроприводу: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Институт истории естествознания и техники. М., 1969. 17 с.

12. Зима Е. А. Энергооптимальные алгоритмы векторного управления асинхронными электроприводами с улучшенными динамическими характеристиками. Диссертация . кандидата технических наук // Новосибирск, 2003. 208 с.

13. Иванов-Смоленский А. В. Электрические машины. М.: Энергия, 1980. 928 с.

14. Ивлева А. М., Прилуцкая П. И., Черных И. Д. Линейная алгебра. Аналитическая геометрия: Учеб. пособие, 2-е издание, исправленное и дополненное. Новосибирск, 2002. 127 с.

15. Ким Д. П. Теория автоматического управления. Т 1. Линейные системы 2-е издание, исправленное и дополненное. М.: ФИЗМАТ ЛИТ, 2007. 312 с.

16. Ключев В. И. Теория электропривода. М.: Энергоатомиздат, 1985.560 с.

17. Ковчин С. А., Сабинин Ю. А. Теория электропривода: Учебник для вузов. СПб.: Энергоатомиздат, 1994. 496 с.

18. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров // под. ред. И.Г. Арамовича. М.: Наука, 1984. С. 112.

19. Кучер Е. С. Исследование устойчивости системы управления скоростью асинхронного электропривода // Материалы Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» НТИ-2010. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2010. Часть 3. С. 193 194.

20. Кучер Е. С. Анализ устойчивости систем управления скоростью асинхронного электропривода // Автоматизированные электромеханические системы: сб. науч. тр. Новосибирск, НГТУ, 2011. С. 32-39.

21. Кучер Е. С., Панкратов В. В. Исследование условий текущей идентифицируемости координат и параметров асинхронного электропривода // Электричество. 2011. № 5. С. 48 52.

22. Кучер Е. С., Панкратов В. В. Активная предварительная идентификация постоянной времени ротора асинхронного двигателя // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2012. №1 (46). С. 127 134.

23. Кучер Е. С., Панкратов В. В. Анализ условий идентифицируемости координат и параметров асинхронных электроприводов по основным гармоникам электрических величин // Электротехника. 2012. №9. С. 14-17.

24. Москаленко В. В. Автоматизированный электропривод: учебник для вузов. М.: Энергоатоимздат, 1986. 416 с.

25. Нос О. В. Разработка и оптимизация алгоритмов управления асинхронным электроприводом на основе метода непрерывной иерархии. Диссертация . кандидата технических наук. Новосибирск. 1999. 242 с.

26. Панкратов В. В. Метод синтеза алгоритмов текущей идентификации на основе адаптивных моделей // Автоматизированные электромеханические системы. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1997. С. 15-19.

27. Панкратов В. В., Волков В. Ю., Волкова Е. А., Котин Д. А., Тетю-шева Е. С., Хныкова Т. А. Многодвигательные асинхронные электроприводы с автоматическим выравниванием нагрузок // Транспорт: наука, техника, управление. 2008. №6. С. 32 37.

28. Панкратов В. В. Синтез адаптивного идентификатора потокосцеп-лений и активных сопротивлений асинхронного двигателя для систем векторного управления // Изв. вузов. Электромеханика. 1997. № 3. С. 65 68.

29. Панкратов В. В. Векторное управление асинхронными электроприводами: Учеб. пособие. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1999. 66 с.

30. Панкратов В. В. Тенденции развития общепромышленных электроприводов переменного тока на основе современных устройств силовой электроники // Силовая интеллектуальная электроника. Специализированный информационно-аналитический журнал. 2005. №2. С. 27 31.

31. Панкратов В. В., Зима Е. А., Нос О. В. Специальные разделы современной теории автоматического управления: учеб. пособие. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007. 220 с.

32. Панкратов В. В., Зима Е. А. Энергооптимальное векторное управление асинхронными электроприводами: Учеб. пособие. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2005. 120 с.

33. Панкратов В. В., Зима Е. А., Нос О. В. Специальные разделы современной теории автоматического управления: учеб. пособие. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007. 220 с.

34. Панкратов В. В., Котин Д. А. Синтез адаптивных алгоритмов вычисления скорости асинхронного электропривода на основе второго метода Ляпунова // Электричество. 2007. № 8. С. 48-53.

35. Панкратов В. В., Маслов М. О. Синтез и исследование одной структуры бездатчикового асинхронного электропривода с векторным управлением // Электротехника. 2007. № 9. С. 9 14.

36. Панкратов В. В., Маслов М. О. Задачи синтеза алгоритмов идентификации бездатчиковых асинхронных электроприводов с векторным управлением и вариант их решения // Силовая интеллектуальная электроника. 2007. №1. С. 37-43.

37. Панкратов В. В., Маслов М. О. Синтез и исследование алгоритма идентификации частоты вращения асинхронного электропривода // Электричество. 2008. № 4. С. 27 34.

38. Панкратов В. В., Нос О. В. Специальные разделы теории автоматического управления: Учеб. пособие. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 4.1. Модальное управление и наблюдатели. 2001. 48 с.

39. Попов Е. П. Теория нелинейных систем автоматического регулирования и управления. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1979. 256 с.

40. Рудаков В. В., Столяров И. М., Дартау В. А. Асинхронные электроприводы с векторным управлением. Д.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд., 1987. 134 с.

41. Слежановский О. В., Дацковский JI. X., Кузнецов И. С. Системы подчиненного регулирования электропривода переменного тока с вентильными преобразователями. М.: Энергоатомиздат, 1983. 255 с.

42. Справочник по электрическим машинам: В 2 т. Т.2. текст. / под общ. ред. И. П. Капылов, Б. К. Клюкова. М., 1988. 688 с.

43. Тетюшева Е. С., Хныкова Т. А. Построение системы «бездатчикового» асинхронного электропривода с векторным управлением // Материалы научной студенческой конференции «Дни науки НГТУ-2007» III Под ред. В.А. Батаева. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007. С. 73.

44. Чемоданов Б. К. Математические основы теории автоматического регулирования: Учеб. пособие для втузов. Т.1. Изд. 2-е, доп. // под ред. Б. К. Чемоданова. М.: Высш. шк, 1977. 366 с.

45. Blaschke F. Das Prinzip der Feldorientierung die Grundalage fur die Tranvektor Regelung von Drehfeldmaschinen. - Siemens Zeitschrift, 1971. - Bd. 45,-H. 10.-S. 757-760.

46. Bolognani S., Peretti L., Zigliotto M. Parameter Sensitivity Analysis of an Improved Open-Loop Speed Estimate for Induction Motor Drives / IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 23, No. 4, July 2008. pp. 2127 - 2135.

47. Doki S., Sangwongwanich S., Okuma S. Implementation of Speed-Sensor-Liss Field-Oriented Vector Control using Adaptive Sliding Observer/ IEEE IECON, 1992. pp. 453 - 458.

48. Henneberger G., Brunsbach B.-J., Klepsch Th. Field-Oriented Control of Synchronous and Asynchronous Drives Without Mechanical Sensors Using a Kalman Filter / IEEE Press, 1996. pp. 207-213.

49. Holtz J. Sensorless Control of Induction Motor Drives / Processing of the IEEE, Vol. 90, No. 8, Aug 2002. pp. 1358 - 1394.

50. Holtz J. Methods for Speed Sensorless Control of AC Drives/ IEEE PCC-Yokohama, 1993. pp. 415-420.

51. Kubota H., Matsuse K. Speed Sensorless Field-Oriented Control of Induction Motor with Rotor Resistance Adaptation / IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 30, No. 5, September/October 1994. pp. 1219 -1224.

52. Kubota H., Sato I., Tamura Y., Matsuse K. Regenerating-Mode Low-Speed Operation of Sensorless Induction Motor Drive With Adaptive Observer / IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 38, No. 4, July/August 2002. -pp. 1081 1086.

53. Ohtani T., Takada N., Tanaka K. Vector Control of Induction Motor without Shaft Encoder / IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 28, No. 1, January/February 1992. pp. 157 - 165.

54. Rajashekara K., Kawamura A., Matsuse K. Sensorless Control of AC Motor Drives. Speed and Position Sensorless Operation /IEEE Press, 1996. pp. 1-17.

55. Schauder C. Adaptive Speed Identification for Vector Control Of Induction Motors without Rotational Transducers./IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 28, No. 5, September/October 1992. pp. 1054 - 1062.

56. Xu X., Novotny D. Implementation of Direct Stator Flux Orientation Control on a Versatile DSP Based System./IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 27, No. 4, 1991. pp. 694 - 700.

57. Расчет номинальных параметров АД по справочным данным

58. Схема замещения приведена на рис. П. 1.1 14, 18. Все параметры характеризуют номинальный режим и не учитывают насыщение зубцовых зон потоками рассеения.

59. В Г-образной схеме намагничивающий контур вынесен на входные клеммы схемы замещения.

60. Рис. П. 1.1. Г-образная схема замещения АД

61. Номинальные данные АД 4А200М4УЗ 2.: Номинальная мощность: Р^ном = 37 > Номинальное напряжение: 220/380 В;

62. Синхронная частота вращения: пном =1500 об/мин; Номинальное скольжение: = 1,7%; Коэффициент полезного действия: г| = 91%; Коэффициент мощности: созф = 0,9;2

63. Момент инерции: 7 = 0,37 кг ■ м ;

64. Кратность максимального момента к номинальному:1. Мн л л

65. Кратность пускового момента к номинальному: -—— = 1,4;1. Ми2,5;

66. Кратность минимального момента к номинальному:М1. Ш1Пм,1ц

67. Перейдем от Г-образной к Т-образной схеме замещения АД, которая изображена на рис. П. 1.2 14, 18.1. Ог

Похожие работы

Электротехника
05.09.00