автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Адаптивные алгоритмы оценивания координат бездатчиковых электроприводов переменного тока с расширенным диапазоном регулирования

На правах рукописи

ВДОВИН ВЛАДИМИР ВЛАДИМИРОВИЧ

АДАПТИВНЫЕ АЛГОРИТМЫ ОЦЕНИВАНИЯ КООРДИНАТ БЕЗДАТЧИКОВЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С РАСШИРЕННЫМ ДИАПАЗОНОМ РЕГУЛИРОВАНИЯ

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 АПР 2014

005547332

Новосибирск - 2014

005547332

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

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Панкратов Владимир Вячеславович

Официальные оппоненты:

Поляков Владимир Николаевич,

доктор технических наук, старший научный сотрудник, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, профессор кафедры электропривода и автоматизации

промышленных установок

Ланграф Сергей Владимирович,

кандидат технических наук, доцент, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, доцент кафедры электропривода и электрооборудования

Ведущая организация

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники»

Защита состоится «15» мая 2014 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.173.04 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет» 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного технического университета.

Автореферат разослан «¡1 » аидих 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Нейман Владимир Юрьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Основными видами электрических машин переменного тока малой и средней мощности, применяемыми в системах регулируемого электропривода (ЭП), являются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (АДКЗР), асинхронные двигатели с фазным ротором (АДФР) и синхронные двигатели с постоянными магнитами (СДПМ). Векторное управление ими позволяет достигать высоких динамических и статических показателей ЭП, удовлетворяющих требованиям большинства промышленных механизмов. Для построения замкнутых систем регулируемого ЭП с векторным управлением необходима информация о токах двигателя, опорном векторе потокосцеплений и частоте вращения. Прямое измерение потокосцеплений и скорости в общепромышленных ЭП затруднительно, поэтому широкое практическое применение находят алгоритмы так называемого бездатчикового (sensorless) векторного управления. Разработка методов построения систем управления ЭП переменного тока с различными наблюдателями и алгебраическими вычислителями явилась предпосылкой для появления к середине 80-х годов 20-го века первых серийных ЭП, не оснащенных датчиками магнитного состояния и координат механического движения (скорости, положения ротора), однако до сих пор они имеют существенные ограничения по диапазону и режимам регулирования.

Значительный вклад в исследование структур и разработку алгоритмов бездатчикового векторного управления внесли зарубежные и отечественные ученые F. Blaabjerg, A. Consoli, M. Iwata, G. Griva, G. Hennenberger, J. Holtz, R. Jötten, H. Kubota, T.A. Lipo, R.D. Lorenz, T. Ohtani, C. Schauder, И.Я. Браслав-ский, А.Б. Виноградов, В.М. Завьялов, А.М. Зюзев, Д.Б. Изосимов, В.Г. Каширских, C.B. Ланграф, В.В. Панкратов, С.М. Пересада, В.В. Рудаков, Ю.С. Усы-нин, Р.Т. Шрейнер и многие другие.

Современный бездатчиковый электропривод на базе АДКЗР или СДПМ содержит преобразователь частоты (ПЧ), оснащенный датчиками только электрических величин - токов и напряжений двигателя. Большинство мощных АДФР имеет питание от промышленной сети 6-10 кВ, что при управлении со стороны статора требует применения ПЧ с соответствующим выходным напряжением. Текущий уровень развития силовой полупроводниковой техники предполагает построение такого преобразователя в виде многоуровневого ПЧ, обладающего высокой стоимостью. Более дешевым вариантом является установка ПЧ в роторную цепь, линейное напряжение которой, как правило, составляет 500 - 1000 В. Статорная обмотка при этом питается от промышленной сети 6 -10 кВ. Такое включение АДФР носит название «асинхронизированная синхронная машина» (АСМ).

Большинство методов бездатчикового управления, описанных как в зарубежной, так и в отечественной литературе, основаны на математических моделях электромагнитных процессов, протекающих в машине переменного тока. Все они совмещают вычисление оценки частоты вращения с вычислением мо-

дуля и углового положения опорного вектора потокосцеплений и отличаются друг от друга точностью оценивания скорости, чувствительностью к дрейфу параметров, входящих в математическую модель наблюдателя, способностью функционировать в характерных областях на плоскости механических характеристик ЭП. Диапазон регулирования скорости в двигательном режиме в практических разработках бездатчиковых электроприводов не превышает 50... 100:1, а в режимах генераторного торможения значительно уже.

Алгоритмы оценивания неизмеряемых координат систем бездатчикового векторного управления можно разделить на пассивные и активные. Активные алгоритмы предполагают введение в основной спектр напряжения или тока специальных тестовых воздействий для дальнейшего анализа реакции на них электрической машины. Однако, инжектируя тестовые сигналы даже с довольно малой амплитудой, приходится мириться с дополнительными потерями в двигателе и ПЧ, что ухудшает энергоэффективность электромеханической системы в целом и увеличивает установленную мощность силовых элементов.

Системы пассивного оценивания делятся на неадаптивные и адаптивные. Неадаптивные системы используют либо статорную модель электромагнитных процессов либо роторную. Адаптивные же системы используют две модели — эталонную и настраиваемую, что расширяет их функциональные возможности. Для построения таких алгоритмов используется метод функций Ляпунова.

Диапазон регулирования известных бездатчиковых электроприводов ограничен как точностью применяемых датчиков и неидеальностями ПЧ, так и принятыми при разработке алгоритмов оценивания координат и параметров допущениями, а также практической реализацией присутствующих в них идеальных звеньев интегрирования и дифференцирования. Существенное ограничение диапазона регулирования вызвано также чувствительностью этих алгоритмов к изменениям параметров электрической машины, которыми оперирует вычислитель, от их реальных величин. Наиболее критичными являются отклонения активных сопротивлений статорной и роторной цепей, которые обусловлены нагревом машины и питающего кабеля.

Проблема синтеза и реализации алгоритмов оценивания координат и параметров машин переменного тока, не имеющих теоретических ограничений и формально работоспособных во всех точках плоскости механических характеристик ЭП, представляет значительный научно-практический интерес и в литературных источниках рассмотрена в недостаточной степени.

Целью работы является построение на единой методической основе и исследование адаптивных алгоритмов вычисления неизмеряемых координат систем векторного управления электроприводами на базе АДКЗР, СДПМ и АДФР, пригодных для их применения в четырехквадрантном общепромышленном ЭП переменного тока с расширенным диапазоном регулирования.

Для достижения поставленной цели в диссертации сформулированы следующие задачи.

1. Проанализировать известные математические модели управляемых АДКЗР, СДПМ и АСМ, используемые при построении систем регулируемого ЭП, опре-

делить рациональные формы их представления при оценивании неизмеряемых координат электропривода.

2. Разработать и исследовать адаптивные алгоритмы вычисления опорного вектора потокосцеплений и частоты вращения ротора АДКЗР, СДПМ и АСМ по основным (рабочим) составляющим электрических величин, не требующие ин-жекции в двигатель специальных тестовых воздействий и формально работоспособные на всей плоскости механических характеристик электропривода.

3. На основе полученных результатов сформулировать обобщенную методику синтеза алгоритмов оценивания координат регулируемых электроприводов переменного тока при измерениях электрических переменных на выходе преобразователя частоты.

Научная новизна работы.

1. Сформулирована новая обобщенная методика структурно-параметрического синтеза адаптивных алгоритмов текущего оценивания координат и параметров электрических машин переменного тока в условиях неполных измерений, использующая в структуре вычислителя наблюдатель электромагнитных процессов полного порядка и, в отличие от известных, обеспечивающая устойчивость процессов оценивания во всех режимах работы электропривода благодаря целенаправленному заданию соотношений между элементами матрицы «стабилизирующей добавки» и матрицы весовых коэффициентов функции Ляпунова.

2. Разработаны алгоритмы оценивания опорного вектора потокосцеплений и частоты вращения ротора АДКЗР и неявнополюсного СДПМ по основным рабочим гармоникам электрических величин с возможностью адаптации к изменениям активного сопротивления статора и вычисления его текущего значения. Алгоритмы отличаются от известных работоспособностью во всех четырех квадрантах плоскости механических характеристик ЭП без инжекции в двигатель дополнительных тестовых воздействий. Сформулирована методика расчета параметров предложенных законов адаптации наблюдателей по частоте вращения и активному сопротивлению статора, учитывающая положение рабочей точки ЭП и обеспечивающая желаемое качество процессов оценивания. Предложен новый высокоэффективный алгоритм активной предварительной идентификации параметров схемы замещения АДКЗР, совмещенный с процессом намагничивания двигателя.

3. На основе структуры наблюдателя электромагнитных процессов полного порядка разработан новый пассивный алгоритм оценивания опорного вектора потокосцеплений статора и частоты вращения ротора АСМ, работоспособный во всех четырех квадрантах плоскости механических характеристик ЭП без формальных ограничений по частоте скольжения.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Разработанные алгоритмы оценивания позволяют существенно расширить диапазоны регулирования скорости бездатчиковых электроприводов, относятся к классу пассивных, поскольку не вносят искажений в спектр напряжения, формируемого на выходе ПЧ, и не требуют дополнительных энергетических и капитальных затрат. Оценивание вектора потокосцеплений, частоты вращения ро-

тора, активного сопротивления статора, являющееся результатом работы предложенных алгоритмов, предполагает прямое измерение только электрических величин, фигурирующих в структуре полупроводникового преобразователя частоты, и может быть реализовано на базе типовых измерительно-информационных средств промышленных ПЧ. Предложенная методика синтеза алгоритмов вычисления координат состояния и параметров двигателей переменного тока может быть использована для построения систем управления другими, схожими по структуре динамическими объектами.

Методология и методы исследования.

Для решения поставленных задач используются методы современной теории автоматического управления, положения теории электропривода, аналитические методы расчета, основанные на применении аппарата дифференциальных уравнений и передаточных функций. Проверка работоспособности разработанных алгоритмов осуществляется методами цифрового моделирования в пакете программ Matlab 6.5 — Simulink 5.0 и натурного эксперимента.

Положения, выносимые на защиту.

1. Алгоритм вычисления вектора потокосцеплений ротора, частоты вращения ротора и активного сопротивления статора АДКЗР. Методика расчета коэффициентов законов адаптации. Алгоритм предварительной идентификации параметров двигателя.

2. Алгоритм вычисления направления вектора потокосцеплений от постоянных магнитов, частоты вращения ротора и активного сопротивления статора неяв-нополюсного СДПМ. Методика расчета коэффициентов законов адаптации.

3. Алгоритм вычисления вектора потокосцеплений статора и частоты вращения ротора АСМ.

4. Обобщенная методика синтеза алгоритмов текущего оценивания координат и параметров электроприводов переменного тока на основе адаптивной системы с наблюдателем полного порядка.

Личный вклад автора в научные работы, опубликованные в соавторстве с научным руководителем, заключается в постановке частных задач исследования, выполнении расчетов, разработке методик структурно-параметрического синтеза алгоритмов управления и оценивания, исследовании синтезированных алгоритмов методом численного моделирования, анализе полученных результатов. В остальных работах, опубликованных в соавторстве, автором осуществлены постановка задач исследования, выбор методов их решения и анализ результатов.

Реализация результатов работы. Результаты, полученные в диссертационной работе, приняты к внедрению в системах управления асинхронными электроприводами подъемно-транспортных механизмов и синхронных электроприводов специального назначения производства ЗАО «ЭРАСИБ» (г. Новосибирск), а также используются в учебном процессе Новосибирского государственного технического университета (НГТУ).

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, проект № 7.559.2011, гос. per. номер НИР 01201255056.

Степень достоверности и апробация работы.

Достоверность изложенных в диссертации результатов и выводов подтверждается цифровым моделированием в пакете программ Matlab - Simulink и результатами натурного эксперимента.

Результаты работы были представлены на конференциях по итогам научной работы за 2009-2010 гг. и 2010-2011 гг. «Дни науки НГТУ - 2010» и «Дни науки НГТУ -2011», Новосибирск; на Всероссийских научных конференциях молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации», Новосибирск, 2009, 2010 гг.; XVII Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии», Томск, 2011 г.; V Юбилейной международной научно-технической конференции «Электромеханическое преобразование энергии», Томск, 2011 г.; XV научно-технической Международной конференции «Электроприводы переменного тока», Екатеринбург, 2012 г.; VII Международной (XVIII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2012, Иваново, 2012 г.; V Всероссийской научно-практической конференции «Автоматизированный электропривод и промышленная электроника», Новокузнецк, 2012г.; на конкурсе молодежных научно-исследовательских работ, проводимом Санкт-Петербургским государственным политехническим университетом, 2013 г.; XIV Международной конференции молодых специалистов по микро/нанотехнологиям и электронным устройствам EDM-2013, Алтай, 2013 г.

Публикации.

Материалы диссертации нашли отражение в 18 опубликованных работах, в том числе в 4 статьях в ведущих рецензируемых журналах.

Объём и структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, списка используемой литературы из 64 наименований и 5 приложений. Количество страниц основного текста 211, в том числе рисунков 101, таблиц 12.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи диссертации, научная новизна, практическая значимость полученных результатов, основные положения, выносимые на защиту, обоснована достоверность результатов и дана общая характеристика структуры работы.

Первая глава диссертационной работы посвящена математическому описанию электромагнитных процессов в машинах переменного тока. Математическая модель АДКЗР построена в координатах ток статора - потокосцепле-ние ротора, модель СДПМ - в координатах ток статора - потокосцепление от постоянных магнитов. Обе модели представлены в декартовой системе координат, неподвижной относительно статора. Управляющим воздействием является напряжение, подаваемое на статор. Метаматематическая модель АСМ построена в координатах ток ротора - потокосцепление статора. Модель представлена в системе координат, неподвижной относительно ротора. Все модели приведены

к виду, соответствующему первой задаче диссертации, выявлены их общие особенности, позволяющие решать остальные задачи работы. С учетом значительной степени разделения темпов электромеханических переходных процессов в бездатчиковых ЭП и желаемых алгоритмов оценивания неизмеряемых координат для их построения предложено использовать адаптивные модели динамики электромагнитных переменных двигателя.

Вторая глава диссертационной работы посвящена методике структурного синтеза алгоритма оценивания опорного вектора потокосцеплений, частоты вращения ротора и активного сопротивления АДКЗР и анализу известных решений. Рассмотрены наиболее распространенные алгоритмы бездатчикового векторного управления АДКЗР, содержащие адаптивную систему с задающей (эталонной) моделью (АСЗМ) немецкого исследователя С. Schauder и алгоритмы на основе наблюдателей полного порядка (НЛП) финского исследователя М. Hinkkanen и японского Н. Kubota. Показано, что область неработоспособности алгоритма АСЗМ лежит в области малых частот питания и обусловлена наличием «открытых» интеграторов в его структуре. Область неустойчивости наблюдателя НПП Н. Kubota расположена в генераторных режимах на малых частотах питания и граничит с характеристикой динамического торможения.

Для синтеза алгоритма оценивания координат и параметров математическая модель электромагнитных процессов АДКЗР представлена в виде

fx = Ax + Bu,

О)

где

lsß

usßY

У = Сх,

ц/ш ~ вектор координат состояния объекта;

вектор управляющих воздействий; С = [Е 0] - матрица

-Ь

«=и* = к

выхода; у = Сх = = [/5а р - вектор-столбец доступных для прямого измерения переменных; А - собственная матрица объекта,

А =

Rrkr р, Rs р.

krRr Е

Rrkr

Е--

-соЛ}

-—E + ®eD

в =

D

Е

J_

Ls

О

0 -1

1 о

- матрица управления; Е =

единичная матрица;

Rr

Rs, kr,

, Tr, Lm - параметры двигателя; a>e — электри-

ческая частота вращения ротора двигателя.

Математическая модель НПП в неподвижной системе координат: |х = Ах + Ви + Ь(у - у), {у = Сх,

и; Ь = [Ь,- Ь,.]1-!

где ' - знак оценки соответствующих величин; ь = (ъ,- Ьу, ] - матрица «стабилизирующей добавки»; А - собственная матрица наблюдателя,

А =

г Е Е

ОЕ ^сге

кгКгЕ/

Як к

гЯ т /5е

-^Е + юД)

Данная модель принята в качестве настраиваемой, в качестве эталонной модели используется непосредственно двигатель.

С помощью метода функций Ляпунова синтезированы предлагаемые законы адаптации НПП и матрица стабилизирующей добавки

а>„

О

где кп, ка - коэффициенты пропорционально-интегрального закона адаптации по частоте вращения; = г5 - /5 - ошибка оценивания вектора токов; кр - коэффициент интегрального закона адаптации по сопротивлению статора; ~~ начальная (априорная) величина активного сопротивления статора.

Для расчета коэффициентов законов адаптации наблюдателя разработаны инженерные методики, основанные на линеаризации моделей квазиустановив-шихся режимов. Показано, что коэффициент адаптора по активному сопротивлению статора должен изменяться согласно положению рабочей точки в плоскости механических характеристик. Структурная схема предлагаемого алгоритма оценивания неизмеряемых координат и активного сопротивления статора АДКЗР представлена на рисунке 1.

Результаты цифрового моделирования работы разработанного алгоритма в составе бездатчикового ЭП на базе двигателя 4А225М4УЗ мощностью 55 кВт представлены на рисунке 2. Здесь изображены процессы по механической частоте вращения, ошибке вычисления скорости и фазным токам статора при работе электропривода на частоте вращения юном/25 при набросе номинальной генераторной нагрузки. Именно в этом режиме известный алгоритм оценивания (прототип) становится неустойчивым. Переходные процессы при работе ЭП на частоте вращения <аном/25 в генераторном режиме и отклонении активного сопротивления статора на 10% в большую и меньшую сторону приведены на рисунке 3.

Для определения параметров схемы замещения АДКЗР, необходимых для работы предлагаемого алгоритма оперативного оценивания, предложен алгоритм их предварительной идентификации, который может быть совмещен с этапом предварительного намагничивания двигателя.

Третья глава посвящена синтезу алгоритма вычисления положения, частоты вращения ротора неявнополюсного СДПМ и активного сопротивления

статора. Рассмотрен известный алгоритм вычисления координат СДПМ, использующий понятие расширенной ЭДС. Показано, что область неработоспособности данного алгоритма лежит в области малых частот вращения.

о

0.4 0.2 0 -0.2

^мех ' рад/с | —

Г, С

д, рад ¡'с - — - -

1

1

! 1 /,с

0123456789 10

Рисунок 2 - Переходные процессы в ЭП с предлагаемым алгоритмом

Для синтеза алгоритма оценивания неизмеряемых координат математическая модель неявнополюсной СДПМ представлена в виде (1), где в данном случае х = isp za zpY = [/м isp eos ye sin yeY -вектор координат

®мех рад/с - •

t, с

2 1J 1

0.5 0

-0.5 -1

0.065

8,рад/с

. 1

* Г

Í, С

Rs,Ou R^ / - / Rs \ i i i

* * i i \ к \ \

\

t, с

0 5 10 15 20 25

Рисунок 3 - Переходные процессы в ЭП с предлагаемым алгоритмом оценивания АДКЗР при отклонении активного сопротивления статора

состояния

объекта; и = и5 = [н9а и5р - вектор управляющих воздействий; С = [Е 0] - матрица выхода СДПМ; у = Сх = I , = [/га ¡8р ]т - вектор-столбец

доступных для прямого измерения переменных; А - собственная матрица СДПМ

А =

---Е -ffl„

Ч'

1л Ls 0

-D

В =

0

- матрица управления; Ls=Ld=Lq- индуктивность СДПМ; -

потокосцепление статора от постоянных магнитов.

Математическая модель НПП также имеет вид (2), где Ь = [ь ,• Ь г ]т -матрица «стабилизирующей добавки»; А - собственная матрица наблюдателя,

А =

Ls Ls

О О

С помощью метода функций Ляпунова получены законы адаптации данного НПП и матрица стабилизирующей добавки

юе = ки \z]mdt + knе]Ы ; Rs=kp Jzjîsdt + Rs0 ; L = [О 0]T.

Предложены методики расчета коэффициентов законов адаптации ки, кп, кр. Проведенное исследование показывает, что коэффициент передачи адаптера по сопротивлению статора кр должен изменяться согласно положению рабочей точки в плоскости механических характеристик.

Структурная схема разработанного адаптивного алгоритма оценивания направления опорного вектора потокосцепления от постоянных магнитов, частоты вращения ротора и величины активного сопротивления статорной обмотки СДПМ представлена на рисунке 4.

На рисунке 5 приведены результаты цифрового моделирования работы предлагаемого алгоритма в бездатчиковом ЭП мощностью 160 кВт. Здесь изображены процессы по механической частоте вращения, ошибке вычисления скорости и фазным токам статора при работе электропривода на нулевой частоте вращения, набросе и сбросе номинальной нагрузки. Переходные процессы при работе ЭП на частоте вращения й^ом/10 в генераторном режиме и отклонении активного сопротивления статора на 10% в большую и меньшую сторону представлены на рисунке 6.

Для ЭП турбомеханизмов предложено отказаться от сложных алгоритмов вычисления начального угла поворота ротора, а для фиксации положения ротора перед запуском формировать постоянный вектор токов, направленный по оси фазы А двигателя.

Четвертая глава посвящена методике структурного синтеза алгоритма оценивания опорного вектора потокосцеплений статора и частоты вращения ротора АСМ. Рассмотрены известные варианты построения алгоритмов наблюдения для АСМ. Показано, что области неработоспособности данных алгоритмов, в зависимости от используемой модели, находятся в области малых частот вращения или на синхронной и подсинхронных частотах вращения.

Для синтеза алгоритма оценивания неизмеряемых координат математическая модель АСМ представлена в виде (1), где х = [im irp y/sa - вектор координат состояния; U = \ura Urp Usa UspY~ вектор управляющих

воздействий; С = [Е о] - матрица выхода; у = Сх = \r = [ira irp Р - вектор-столбец измеряемых переменных; А - собственная матрица,

л

X

и,, ч

_IX

ф

1 \ г

1

/ Л

"ф1

I.

"7\1Д

X

VI

сое уе

БШ уе

Уе

Л,

в/"'

Адапторы

VI

Рисунок 4 - Структурная схема алгоритма оценивания неизмеряемых координат и активного сопротивления статора СДПМ

20 10 О -10 -20 10 5 0 -5

-10 400

200

0

-200

-400

«мех >|рад/с

с

8,рад/с ........1........ .........1........

¡Л— , ,

Г

1 ! и с

1 Г--1

и \ А 1у У1/ У/!

1 л! к ^ Л11Г л'

1 |/ Чп1 и

! !

0.2 0.4 0.6 0.8

1.2 1.4 1.6 1.;

Рисунок 5 - Переходные процессы в ЭП с предлагаемым алгоритмом оценивания СДПМ

0.15 0.125 0.1 0.075 0.05 0.025 0

®мех ,о.е.

t, с

1.1

0.9 0.8

t, С

22

24

6 8 10 12 14 16 18 20 Рисунок 6 - Переходные процессы предлагаемого алгоритма оценивания СДПМ при отклонении активного сопротивления статора

А =

— E + ft)eD +

Т тг г тг

ere bnRLs ьае

-—Е

L,

ksRs Е

Г г

В =

-Е --

-'сге О

тг

ос

Е

Е

- матрица управления; Rr, Rs, ks, Z^, Tr, Lm - пара-

метры ACM.

Математическая модель НПП также имеет вид (2), где L = [l,- L^ J1 -матрица «стабилизирующей добавки»; А - собственная матрица наблюдателя

А =

Г L

ksRs Е

R,

С помощью метода функций Ляпунова синтезированы закон адаптации наблюдателя по скорости и матрица стабилизирующей добавки

О

сое = -ки |е]т!г<к - кпг]т!г ■ ь =

а>е D-

ksLsRs

2Rr + Rsks

Структурная схема разработанного алгоритма представлена на рисунке 7.

Результаты цифрового моделирования предлагаемого алгоритма в бездат-чиковом ЭП на базе двигателя 4АНК355М4УЭ мощностью 400 кВт приведены на рисунке 8. Здесь изображены процессы по механической частоте вращения, фазным токам ротора и ошибке вычисления скорости при работе электропривода на синхронной частоте вращения, набросе и сбросе номинальной нагрузки.

В этой же, четвертой главе сформулирована обобщенная методика структурно-параметрического синтеза глобально устойчивых адаптивных алгоритмов текущего оценивания координат состояния и параметров электрических машин переменного тока в условиях неполных измерений, использующая в структуре вычислителя наблюдатель электромагнитных процессов полного порядка, которая также может быть использована для схожих объектов.

Обобщенная структурная схема алгоритмов оценивания, содержащих наблюдатель полного порядка вида (2), представлена на рисунке 9.

В пятой главе приведены результаты экспериментального исследования бездатчикового асинхронного ЭП с векторным управлением, представлены результаты исследования чувствительности алгоритма оценивания с эталонной моделью к отклонениям параметров машины. Экспериментально исследован известный адаптивный НПП и предлагаемый алгоритм оценивания. Фотография экспериментального стенда представлена на рисунке 10.

т.

Рисунок 9 - Обобщенная структурная схема алгоритма оценивания с НЛП

Рисунок 10 - Эксперементальный стенд

Результаты экспериментов позволили выявить области неустойчивой работы известных адаптивного НПП и алгоритма типа АСЗМ, которые подтверждают теоретические выкладки главы 2. Подтверждена работоспособность предлагаемого алгоритма оценивания в областях плоскости механических характеристик, которые ранее были недостижимы для бездатчиковых асинхронных ЭП, в диапазоне регулирования скорости до 100:1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные в диссертационной работе исследования позволили получить следующие основные результаты.

1. Разработаны адаптивные алгоритмы текущего оценивания опорного вектора потокосцеплений, частоты вращения и активного сопротивления статора АДКЗР и неявнополюсного СДПМ, формально отличающиеся от известных работоспособностью во всех четырех квадрантах плоскости механических ЭП без инжекции в двигатель дополнительных тестовых воздействий.

2. Разработан аналогичный указанным выше новый глобально устойчивый пассивный алгоритм оценивания вектора потокосцеплений статора и частоты вращения АСМ.

3. Предложены методики расчета параметров разработанных алгоритмов, обеспечивающие требуемое качество процессов адаптации.

4. На основе вышеперечисленных результатов сформулирована обобщенная методика структурно-параметрического синтеза глобально устойчивых адаптивных алгоритмов оперативного оценивания координат и параметров электрических машин переменного тока в условиях измерений только электрических величин на выходных клеммах преобразователя частоты. Определены рациональные формы представления математических моделей электрических машин для решения задач текущего оценивания.

5. Предложен новый высокоэффективный алгоритм автоматической предварительной идентификации параметров АДКЗР в системах частотно-регулируемого электропривода, который может быть совмещен с предварительным намагничиванием двигателя. Предъявлены требования к средствам измерения токов и напряжений, обеспечивающие достаточную точность определения параметров машины.

Разработанные алгоритмы оценивания в качестве настраиваемой модели используют наблюдатели электромагнитных процессов полного порядка и синтезированы на основе метода функций Ляпунова. Их главное свойство, заключающееся в теоретической устойчивости во всех режимах работы электропривода, достигнуто благодаря целенаправленному выбору соотношений весовых коэффициентов функции Ляпунова и элементов матриц «стабилизирующих» добавок наблюдателя. Настраиваемые модели не содержат «открытых» интеграторов, что позволяет избежать динамической «коррекции нулей» и формально не ограничивает достижимый диапазон регулирования ЭП. Разработанные алгоритмы позволяют при использовании типовых измерительно-информационных средств общепромышленного ЭП с цифровым управлением добиться значительного расширения диапазона регулирования и рекомендуются к широкому применению в новых разработках. На примере модельного ЭП с АДКЗР мощностью 55 кВт показано, что при применении датчиков тока и напряжения класса точности 0,1 и погрешности их обработки 1,0 % диапазоны регулирования должны составить не менее 100... 150:1.

Перспективы дальнейшей разработки темы диссертации заключаются в расширении множества настраиваемых параметров наблюдателя, более полном учете характеристик намагничивания двигателей, распространении предложенного подхода на другие типы электроприводов.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в изданиях из перечня ведущих рецензируемых научных журналов.

1. Вдовин В.В. Глобально устойчивый адаптивный наблюдатель для систем общепромышленного асинхронного электропривода / В.В. Панкратов, В.В. Вдовин, С.С. Доманов, Г.Г. Ситников // Электротехника. - 2011. - №6. - С.42 -47.

2. Вдовин В.В. Синтез адаптивного наблюдателя координат бездатчикового асинхронного электропривода / В.В. Вдовин, В.В. Панкратов // Известия Томского политехнического университета. - 2012. - Т. 320, № 4. Энергетика. -Томск: Изд-во ТПУ. - С. 147 - 153.

3. Вдовин В.В. Адаптивный наблюдатель координат для бездатчикового магнитоэлектрического синхронного электропривода / В.В. Вдовин, В.В. Панкратов // Известия вузов. Электромеханика. - 2012. - № 6. - С. 70 - 74.

4. Вдовин В.В. Адаптивный алгоритм вычисления координат для бездатчикового векторного управления машинами двойного питания / В.В. Вдовин, Д.А.

Котин, В.В. Панкратов // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. - 2013. - №6. - С. 23 - 27. Прочие публикации.

5. Вдовин В.В. Алгоритмы векторного управления общепромышленным электроприводом / В.В. Вдовин, В.А. Вдовин // Наука. Технологии. Инновации: Материалы Всероссийской научной конференции молодых ученых в 7-ми частях. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2009. Часть 3. - С. 246 - 247.

6. Вдовин В.В. Алгоритм текущей идентификации координат состояния в без-датчиковых асинхронных электроприводах // Наука. Технологии. Инновации: Материалы Всероссийской научной конференции молодых ученых в 4-х частях. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2010. Часть 2. - С. 185 -186.

7. Вдовин В.В. Глобально устойчивый алгоритм текущей идентификации координат в бездатчиковых асинхронных электроприводах / В.В. Вдовин, В.В. Панкратов // Автоматизированные электромеханические системы: сб. научных трудов / под общ. ред. В.Н. Аносова. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011. - С. 45 - 55.

8. Вдовин В.В. Алгоритм идентификации координат состояния и сопротивления статора в асинхронном электроприводе // Современные техника и технологии: сборник трудов XVII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. В 3 т. Т. 1. Томский политехнический университет. — Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. - С. 420 - 421.

9. Вдовин В.В. Разработка интеллектуальных устройств силовой электроники на кафедре электропривода НГТУ / В.В. Вдовин, С.С. Доманов, В.А. Мельников, Г.Г. Ситников, В.В. Панкратов // Электромеханические преобразователи энергии: материалы V Юбилейной международной научно-технической конференции, посвященной памяти Г.А. Сипайлова; Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во ТПУ, 2011. - С. 183 - 187.

10. Вдовин В.В. Адаптивный наблюдатель координат состояния для бездатчи-кового асинхронного электропривода / В.В. Вдовин, В.В. Панкратов // Электромеханические преобразователи энергии: материалы V Юбилейной международной научно-технической конференции, посвященной памяти Г.А. Сипайлова; Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во ТПУ, 2011. -С. 187-191.

11. Берестов В.М. Частотно-регулируемый электропривод с резервным питанием от сети постоянного тока / В.М. Берестов, В.В. Вдовин, В.Ю. Волков, С.С Доманов, В.А. Клан, Д.А. Котин, В.В. Панкратов // Электроприводы переменного тока: Труды Международной пятнадцатой научно-технической конференции. - Екатеринбург: ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина», 2012. - С. 43 - 47.

12. Берестов В.М. Инженерная методика расчета синусных фильтров для активных выпрямителей и инверторов напряжения с ШИМ / В.М. Берестов, В.В. Вдовин, С.С. Доманов, В.В. Панкратов, Г.Г. Ситников // Электроприводы переменного тока: Труды Международной пятнадцатой научно-технической

конференции. - Екатеринбург: ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина», 2012. - С. 167-171.

13. Вдовин В.В. Адаптивный наблюдатель скорости и положения ротора магнитоэлектрического синхронного двигателя для систем бездатчикового электропривода / В.В. Вдовин, Д.А. Котин, В.В. Панкратов // Труды VII Международной (XVIII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2012 (Иваново, 2-4 октября 2012 г.). - Иваново: ИГЭУ, 2012. - С. 395 - 400.

14. Вдовин В.В. Адаптивный наблюдатель координат состояния для бездатчикового векторного управления асинхронизированной синхронной машиной /

B.В. Вдовин, В.В. Панкратов // Труды V Всероссийской научно-практич. конф. «Автоматизированный электропривод и промышленная электроника» АЭПЭ-2012. - Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2012. - С. 27 - 35.

15. Вдовин В.В. Электроприводы двойного питания для шахтных подъемных машин / В.А. Отченаш, В.В. Панкратов, Д.А. Котин, В.В. Вдовин, С.С. Дома-нов, Г.Г. Ситников // Труды V Всероссийской научно-практической конф. «Автоматизированный электропривод и промышленная электроника» АЭПЭ-2012. - Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2012. - С. 94 - 101.

16. Вдовин В.В. Алгоритмы пассивной текущей идентификации для бездатчи-ковых электроприводов переменного тока / В.В. Вдовин // Конкурс молодежных научно-исследовательских работ: материалы работ победителей и лауреатов конкурса. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2013. - С. 49 - 50.

17. Vdovin V.V. State Observer for Sensorless Vector Control of Doubly Fed Induction Motor / V.V. Vdovin, D.A. Kotin, V.V. Pankratov // Proceedings of 14th International Conference on Young Specialist on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM 2013). - Erlagol, Altai, July 1 - 5, 2013, pp. 382 - 388.

18. Вдовин В.В. Методика синтеза алгоритмов вычисления координат состояния и параметров сложных динамических объектов на основе наблюдателей полного порядка / В.В. Вдовин // Международный научно-исследовательский журнал. - 2013. -№7 - Типография ООО «Импекс», г. Екатеринбург, 2013. -

C. 6-10.

Подписано в печать «06» марта 2014 г. Формат 60x84x1/16 Бумага офсетная. Тираж 120 экз. Печ. л. 1.25. Заказ №170

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ

«НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

04201459174

На правах рукописи

ВДОВИН ВЛАДИМИР ВЛАДИМИРОВИЧ

АДАПТИВНЫЕ АЛГОРИТМЫ ОЦЕНИВАНИЯ КООРДИНАТ БЕЗДАТЧИКОВЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С РАСШИРЕННЫМ ДИАПАЗОНОМ РЕГУЛИРОВАНИЯ

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -

д. т. н., профессор В.В. Панкратов

Новосибирск - 2014

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

АД - асинхронный двигатель

АДКЗР — асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором АДФР - асинхронный двигатель с фазным ротором АНПП - адаптивный НПП

АСЗМ - адаптивная система с задающей (эталонной) моделью

АСМ - асинхронизированная синхронная машина

АЦП - аналого-цифровое преобразование

МДП - машина двойного питания

МЦС - модель цепи статора

НПП - наблюдатель полного порядка

ПК - преобразователь координат

ПЧ - преобразователь частоты

РП - регулятор потокосцепления

PC - регулятор скорости

РТ - регулятор тока

СВУ - система векторного управления

СДПМ - синхронный двигатель с постоянными магнитами

ШИМ - широтно-импульсная модуляция

ЭП - электропривод

EKF - Extended Kaiman Filter (расширенный фильтр Калмана) FOC - Field-Oriented Control (векторное управление) FOO - Full Order Observer (наблюдатель полного порядка)

AFOO - Adaptive Full Order Observer (адаптивный наблюдатель полного порядка)

IGBT - Insulated-gate bipolar transistor (биполярный транзистор с изолированным затвором)

MRAS - Model Reference Adaptive System (адаптивная система с задающей моделью)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.............................2

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................7

ГЛАВА 1. ВЕКТОРНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ МАШИНАМИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В УСЛОВИЯХ НЕПОЛНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ..............20

1.1 Математическое моделирование машин переменного тока....................20

1.1.1 Преобразования координат...............................................................20

1.1.2 Баланс мощностей и определение электромагнитного момента .... 26

1.1.3 Математическая модель АДКЗР как объекта управления...............28

1.1.4 Математическая модель АСМ..........................................................31

1.1.5 Математическая модель СДПМ........................................................33

1.2 Векторное управление машинами переменного тока на основе идеализированного ПЧ....................................................................................34

1.2.1 Принцип векторного управления АДКЗР........................................38

1.2.2 Принцип векторного управления СДПМ.........................................41

1.2.3 Принцип векторного управления АСМ............................................43

1.2.4 Способы автоматической ориентации вращающейся системы координат и вектора управляющих воздействий по магнитному полю двигателя.....................................................................................................45

1.3 Бездатчиковое векторное управление.......................................................47

1.3.1 Методы оперативного оценивания координат состояния...............47

1.3.2 Адаптивное управление в бездатчиковых СВУ с оцениванием координат по основным рабочим гармоникам электрических величин . 49

1.4 Выводы........................................................................................................51

ГЛАВА 2. СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМА ВЫЧИСЛЕНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ И ОПОРНОГО ВЕКТОРА ПОТОКОСЦЕПЛЕНИЙ АДКЗР, МАЛОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО К ДРЕЙФУ АКТИВНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ СТАТОРА............................................................................52

2.1 Обзор адаптивных алгоритмов вычисления координат АДКЗР..............52

2.1.1 Алгоритмы типа АСЗМ.....................................................................52

2.1.2 Алгоритм на основе НПП (Кубота)..................................................63

2.1.3 Алгоритм на основе АНПП (Хинкканен).........................................75

2.1.4 Выводы...............................................................................................79

2.2 Предлагаемый метод структурного синтеза алгоритмов вычисления .... 80 оценок координат АДКЗР на основе адаптивного наблюдателя состояния. 80

2.2.1 Синтез наблюдателя полного порядка.............................................80

2.2.2 Алгоритм текущей идентификации электрической частоты вращения ротора АД..................................................................................85

2.2.3 Алгоритм текущей идентификации электрической частоты вращения ротора АД и активного сопротивления статорной цепи.........88

2.2.4 Влияние отклонения сопротивления ротора на процессы вычисления частоты вращения и сопротивления статора.......................94

2.3 Сравнительный анализ предлагаемого алгоритма с известными............96

2.4 Исследование чувствительности предлагаемого алгоритма идентификации АДКЗР к отклонениям параметров....................................102

2.5 Предварительная идентификация параметров АД.................................105

2.6 Выводы......................................................................................................118

ГЛАВА 3. СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПОДСИСТЕМЫ ОЦЕНИВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ И УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ СДПМ, МАЛОЧУВСТВИТЕЛЬНОЙ К ДРЕЙФУ АКТИВНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ СТАТОРА.............................................................................................................119

3.1 Обзор алгоритмов оценивания неизмеряемых координат СДПМ.........119

3.1.1 Бездатчиковый алгоритм управления СДПМ, использующий «расширенную ЭДС»...............................................................................119

3.2 Структурный синтез алгоритма оценивания координат неявнополюсного СДПМ на основе адаптивного наблюдателя состояния...............................127

3.2.1 Синтез наблюдателя на основе прямого метода Ляпунова...........127

3.2.2 Синтез адаптера по частоте вращения...........................................132

3.2.2 Синтез адаптора активного сопротивления статора......................135

3.3 Исследование чувствительности адаптивного алгоритма оценивания координат СДПМ к отклонениям параметров..............................................141

3.4 Предварительная идентификация параметров СДПМ. Определение начального положения ротора. Раскрутка постоянным током....................146

3.5 Выводы......................................................................................................151

ГЛАВА 4. СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПОДСИСТЕМЫ ОЦЕНИВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ И ОПОРНОГО ВЕКТОРА ПОТОКОСЦЕПЛЕНИЙ СТАТОРА АСМ. ОБОБЩЕНИЕ МЕТОДИКИ СИНТЕЗА...............................153

4.1 Обзор алгоритмов оценивания координат АСМ....................................153

4.1.1 Ориентация вращающейся системы координат при прямом измерении углового положения ротора АСМ........................................153

4.1.2 Вычисление углового положения вектора потокосцеплений статора и частоты вращения ротора методом АСЗМ..........................................154

4.1.3 Структура АСЗМ без измерения напряжений статора..................158

4.1.4 Структура АСЗМ с адаптацией по ЭДС статора...........................159

4.1.5 Вычисление углового положения вектора потокосцеплений статора и частоты вращения ротора АСМ при измерениях только переменных на выходе ПЧ.................................................................................................162

4.2 Синтез и исследование адаптивного наблюдателя координат АСМ.....164

4.2.1 Синтез адаптивного наблюдателя координат АСМ......................164

4.2.2 Исследование чувствительности алгоритма оценивания координат АСМ к отклонениям активных сопротивлений обмоток.......................173

4.2.3 Выводы.............................................................................................175

4.3 Общая методика синтеза алгоритмов оценивания состояния в условиях неполных измерений и неопределенности параметров объекта.................176

4.4 Выводы......................................................................................................183

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АДАПТИВНЫХ АЛГОРИТМОВ БЕЗДАТЧИКОВОГО ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ..........185

5.1 Иследование алгоритма АСЗМ................................................................185

5.1.1 Эспериментальная установка для исследования АСЗМ................185

5.1.2 Результаты экспериментального исследования.............................187

5.1.3 Исследование чувствительности алгоритма АСЗМ к отклонениям параметров................................................................................................193

5.2 Исследование алгоритма АНПП...............................:..............................199

5.3 Выводы......................................................................................................202

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................203

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................205

ПРИЛОЖЕНИЯ....................................................................................................212

ПРИЛОЖЕНИЕ А..........................................................................................212

ПРИЛОЖЕНИЕ Б...........................................................................................223

ПРИЛОЖЕНИЕ В..........................................................................................230

ПРИЛОЖЕНИЕ Г...........................................................................................234

ПРИЛОЖЕНИЕ Д..........................................................................................243

ВВЕДЕНИЕ

Известно, что более 60% всей вырабатываемой в мире электроэнергии потребляется электроприводами (ЭП), причём большинство из них - это электроприводы общепромышленных механизмов (насосов, вентиляторов, компрессоров, транспортеров и т.п.), а также электроприводы различных технологических установок, не требующие глубокого регулирования и высокого быстродействия и изначально оснащенные электродвигателями переменного тока. Применение в них двигателей постоянного тока (ДПТ), обладающих благоприятными регулировочными характеристиками и допускающих относительно простое построение системы управления, как правило, ограничено непропорционально высокими эксплуатационными затратами, низкой надежностью и невозможностью функционирования во взрывоопасных, загрязненных и агрессивных средах.

Возможность регулирования поступающей механической мощности требуется большинством технологических процессов. При нерегулируемом электроприводе оно обычно осуществляется путем управляемого изменения в самом технологическом процессе. В частности, в насосах, компрессорах, вентиляторах - путем открытия и закрытия заслонок, в металло - и деревообрабатывающих станках - применением механических коробок передач. Однако такие технические решения нельзя считать экономически эффективными. Практика показала, что при переходе к регулируемому электроприводу можно сэкономить до (30...60)% потребленной электроэнергии по сравнению с нерегулируемым. Кроме того, уменьшаются пусковые токи и броски момента, что продлевает срок службы механических узлов.

По этим причинам мировое сообщество активно переходит на использование регулируемого по скорости электропривода переменного тока. Это связано, прежде всего, с развитием соответствующей элементной базы: силовой полностью управляемой полупроводниковой техники, микроэлектроники и

микропроцессорной техники, а также становлением теоретических основ - теории векторного управления электроприводами переменного тока, теории автоматического управления многосвязными нелинейными объектами. Все это позволяет осуществить построение высокоэффективных систем управления электроприводами переменного тока.

Основными машинами переменного тока средней и большой мощности, применяемыми в промышленности, являются асинхронные двигатели с корот-козамкнутым ротором (АДКЗР), асинхронные двигатели с фазным ротором (АДФР) и синхронные двигатели с постоянными магнитами (СДГТМ).

Широкое использование в электроприводах АДКЗР обуславливается их известными преимуществами - простотой конструкции ротора, не содержащего скользящих контактов и постоянных магнитов, вследствие этого - высокой технологичностью, низкой ценой и высокой надежностью, а также минимальной требовательностью к обслуживанию. Кроме того, АДКЗР не требуют организации специальных пусковых мероприятий при прямом питании от сети. Поэтому применяются, в основном, в нерегулируемом ЭП.

Исследования в области действующего электрооборудования отечественных промышленных предприятий показывают широкое применение в мощных (более 300 кВт) механизмах с тяжелыми условиями пуска (ЭП подъемно-транспортных механизмов, ЭП главного движения вращающихся цементных печей и пр.) асинхронных двигателей с фазным ротором. Применение в подобных механизмах ЭП на базе АДФР с резисторными релейно-контакторными системами управления объясняется высокой перегрузочной способностью АДФР (коэффициент перегрузки - 2,5, как у ДПТ), простотой регулирования путем введения в цепь ротора добавочных активных сопротивлений. С теоретической точки зрения для электрического регулирования частоты вращения АДФР возможно закоротить обмотку ротора и подключить статорную обмотку к преобразователю частоты (ПЧ), получив тем самым хорошо проработанный электропривод на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Однако большинство мощных АДФР имеет питание от промышленной сети 6 —

10 кВ, что потребует применения ПЧ с соответствующим выходным линейным напряжением. Текущий уровень развития силовой полупроводниковой техники требует построения такого преобразователя на базе многоуровневого преобразователя частоты, обладающего высокой стоимостью. Более дешевым вариантом является установка ПЧ в роторную цепь, линейное напряжение которой, как правило, составляет 500 - 1000 В. Статорная обмотка при этом питается от промышленной сети 6-10 кВ. Такое включение АДФР носит название «асин-хронизированная синхронная машина» (АСМ).

СДПМ все чаще находят применение в ЭП, требующих высокого качества регулирования, вытесняя ДПТ. СДПМ обладают высокими удельными энергетическими показателями - высоким КПД, за счет отсутствия потерь в роторе, и высокими массогабаритными показателями. Кроме того, за счет использования постоянных магнитов всегда имеется номинальный магнитный поток, что позволяет исключить из пусковой диаграммы ЭП участок предварительного намагничивания, необходимый для АДКЗР. За счет отсутствия скользящих контактов СДПМ характеризуются малыми эксплуатационными затратами.

Современный ЭП переменного тока, как правило, содержит двухзвенный преобразователь частоты, выпрямитель которого нагружен на автономный инвертор напряжения (АИН), работающий в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Указанная структура преобразователя частоты позволяет независимо от режимов работы ЭП обеспечить высокий коэффициент мощности силовой цепи. В случае необходимости длительных рекуперативных режимов работы вместо нерегулируемого выпрямителя целесообразно использовать активный выпрямитель напряжения (АВН) работающий в режиме стабилизации звена постоянного тока, который обеспечивает требуемый уровень напряжения звена постоянного тока независимо от просадок питающей сети, обеспечивая тем самым требуемый диапазон регулирования частоты вращения. АВН, а также позволяет формировать синусоидальный ток, потребляемый из сети, с требуемым coscp. Для улучшения формы потребляемых токов на вход АВН устанавливается трехфазный силовой синусный фильтр [1].

В 1971 г. Ф. Блашке предложил новый принцип управления машинами переменного тока [2]. В соответствии с этим принципом электромагнитные процессы рассматриваются не в стационарной (кларковской) системе координат, а во вращающейся ориентированной системе координат Парка-Горева. Ориентация системы координат, как правило, осуществляется по опорному вектору потокосцеплений. Для АДКЗР в качестве опорного вектора, как правило, используется вектор потокосцеплений ротора, для АДФР - вектор потокосцеплений статора, а для СДПМ - вектор потокосцеплений, созданных постоянными магнитами.

Согласно [3] для реализации систем векторного управления необходимо иметь информацию обо всем векторе состояния машины. Соответственно возникает проблема получения информации об опорном векторе потокосцеплений при отсутствии полных измерений. В разное время эту проблему решали путем измерения индукции магнитного поля в расточке статора двигателя - использовали датчики Холла - или же на основании косвенной информации о потоках, получаемой по ЭДС, наводимой в специально уложенной в статор измерительной обмотке. Для измерения угловой скорости ротора использовались тахоге-нераторы или импульсные датчики. Однако все это требовало замены или доработки огромного парка машин, которые не предназначались для регулирования и не были снабжены этими датчиками.

Нецелесообразность применения датчиков Холла и измерительных обмоток подтверждается тем фактом, что вследствие несинусоидальности распределения магнитного поля по воздушному зазору машины, зубцовых пульсаций магнитного потока и погрешностей установки самих датчиков Холла на геометрических осях фазных обмоток получаемые с их помощью оценки лишь приближенно пропорциональны по мгновенным значениям компонентам интегрального вектора главных потокосцеплений двигателя. Использование же измерительных обмоток основано на интегрировании наведенных в них ЭДС, что связано с известными трудностями и налагает весьма жесткие ограничения на диапазон рабочих частот по статорным переменным. В целом, все описанные

выше способы получения информации о координатах состояния машин переменного тока значительно снижают надежность электропривода.

К началу 80-х годов были достигнуты значительные успехи в области современной теории автомат