автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Микропроцессорная система управления асинхронным частотным электроприводом



БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

ЭЛЬ-СЛББАГ МАРУАН ИСМАИЛ

УДК 621.313.33.018

МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЧАСТОТНЫМ ¡ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск 1995

Работа выполнена на кафедре "Электропривод и аэто;иатизащ;я промышленных установок и технологических комплексов" Белорусской государственной политехнической академии. Научный руководитель - кандидат технических tsayK, доцзнт

Петренко ЮН.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Анхимюк В. Л.,

кандидат технических наук, доцент Кузьм ицкий И.Ф.

Ведущее предприятие - Минское станкостроительное

производственное объединение им. Октябрьской революции.

Защита состоится 1S95 года в часов в ауд. 201

корп. 2. на заседании специализированного совета К 056.02.02. Белорусской государственной политехнической академии по адресу: 220027, г. Минск, пр т Ф. Скорииы, 65, Белорусская государственная политехническая академия.

Отзывы и замечания на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря специализированного совета.

Автореферат разослан

"tb'-MQJt 1995 г.

Ученый секретарь специализирован! юга совета,

доктор технических нзук, профессор ^ с^^-с-с^— А.Н. Герасимович

© ЭЛЬ~САБКАГ МАРУАН 14СМАИЛ, 199Ь

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Для массового частотного асинхронного электропривода, особенно дефицитного в условиях Республики Беларусь, необходимо совершенствование имеющихся и поиск новых технических решений, направленных на улучшение его характеристик и технико-экономических показателей.

Работа выполнялась в соответствии с Госбюджетной темой 93-24 "Разработка программно-технических средств автоматизации технологических процессов в промышленности и обучающих программ на их основе".

Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка технических решений асинхронного частотного электропривода с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения, обеспечивающих высокое качество переходных процессов и рациональное сочетание микропрограммных и аппаратных средств управления с использованием микропроцессорной техники, а также разработка математического и программного обеспечения для исследования и проектирования частотных электроприводов с широтно-имлульсной модуляцией.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1. Впервые обоснован комплексный критерий оценки качества ШИМ напряжения для питания асинхронных двигателей.

2. Дано дальнейшее развитие исследованию различных методов формирования Напряжения. Разработана методика проектирования преобразователей частоты с Ш И М.

3. Предложена структура частотного электропривода со следящей системой формирования напряжения и с управляющей микроЭВМ во внешнем контуре управления.

следующем:

- разработанный пакет прикладного программного обеспечения позволяет проводить оценку качественных показателей способов формирования напряжения в системах частотного электропривода с ШИМ и оптимизировать параметры ШИМ.

- разработана и экспериментально опробована система частотного электропривода с цифровым управлением и микроЭВМ во внешнем контуре управления.

Методика проектирования частотного электропривода с ШИМ использовалось при курсовом и дипломном проектировании на кяфедре

"Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов" БГПА, а также в НИР кафедры.

методика исследования может быть использована при проектировании частотных электроприводов с широт»ю импульсной модуляцией. Структура электропривода с управляющей ЭВМ может являться основой создания опытного образца.

- математическое и программное обеспечение для исследования характеристик различных способов синусоидальной ШИМ, а также синтезированных видов ШИМ, ^позволяющее эффективно оценить качество напряжения;

- комплексный критерий для оценки качества ШИМ напряжения, учитывающий влияние высших гармоник на потери в меди двигателя от токов высших гармоник;

- методика оптимизации программной ШИМ на основе комплексного критерия, позволяющая выбрать распределение углов, соответствующее минимуму потерь в меди двигателя;

- математическая модель инвертора с отслеживанием выходного сигнала, применеие которой сокращает время проектирования и наладки;

- структура и реализация частотного электропривода с управляющей ЭВМ во внешнем контуре управления, удачно сочетающая в себе аппаратные и микропрограммные средства управления, и обеспечивающая удовлетворительные для широкого применения статические и динамические характеристики;

- микропроцессорная система управления инвертором с многопакетной программной ШИМ с инструментальной поддержкой, обеспечивающая унификацию при изготовлении электропривода.

Личный вкпаа соискателя. Автору принадлежит постановка задач и проведение исследований, разработка алгоритмического и программного обеспечения, проведение расчетов на ЭВМ и интерпретация их результатов, активное участие в создании экспериментальной установки и проведение экспериментов.

Апробация ^Ш^ЗШ' Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:

- на Республиканской научно-технической конференции "Электропривод и автоматизация промышленных установок Республики Беларусь", г. Минск, 1994 г.;

- на научно-тахнических конференциях профессорски преподавательского состава Белорусской государственной политехнической академии, секция "Электропривод", 1908-1991 гг.

В/1ублишшшость_рез}'дьтлгоа Основные результаты диссертации опубликованы в двух тезисах докладов Республиканской научно-технической конференции "Электропривод и автоматизация промышленных установок Республики Беларусь", Минск, 1994 г.

состоит из введения,

четырех глав и двух приложений. Полный объем составляет 258 стр., из них иллюстрации, таблицы и приложения (2), список использованных источников (93 наименования) занимают 111 стр.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ЙЭ_0В8деким_обоснована актуальность темы диссертации и приведен краткий обзор сисчем электропривода, формулируется цель и задачи диссертации.

В__первой_главд анализируются способы частотного управления

асинхронным короткозамкяутым двигателем. Устойчивой тенденцией в автоматизированном алект|х>приводе (АЭП) является приближение цифровых методов управления к силовому преобразователю, что находит свое отраженна в разработке встроенных контроллеров. Однако для реализации неоспоримых преимуществ асинхронных короткозамкнутых двигателей (АД) их технические характеристики (прежде всего диапазон регулирования и качество переходных процоесст) должны быть на уровне электроприводов постоянного тока, что повсеместно приводит к большим аппаратным затратам и более сложным алгоритмам управления., АЭП с частотным управлением отличается многообразием структурных и схемотехнических решений. Основная проблема заключается в способах фломировония выходного напряжения преобразователя частоты (ПЧ) и в обеспечении требуемой величины магнитного потока двигателя в процессе регулирования.

Во второй глаза рассматриваются статические преобразователи для частотного электропривода, использующие принцип модуляции напряжения по определенному закону, на основе которого можно достичь высоких технико-экономических показателей и заданного качества выход юга напряжения.

Особое место занимают способы, основанные на использовании принципа слежения за выходным сигналом - напряжением или током, которые могут быть выполнены на основе АИН и ПЧНС.

В общем случав напряжение на нагрузке равно

где Т — + - период несущей частоты;

О г частота модуляции; и а - напряженно источника питания; - коэффициент глубины модуляции. При расчете угловых координат переключений ограничивающим фактором является минимальное по длительности значение импульса напряжения, которое находится как раз: ость есседних значений координат, близлежащих к к/2.

«шт = 1 ~ \ (siavanl + smvan2)

(2)

где М = (i)/Q - отношение несущей частоты к модуляционной (принимается четным); v - порадркгармоник(V = 1,3,5,...).

Формирование напряжения при ШИМ можно производить и другим путем, не связывая era с видом функций несущей и модулирующей частот или с определенным законом распределения амплитуд и углов импульсов при АИМ. Под программной модуляцией будем понимать формирование напряжения по заранее определённому качественному показателю или закону. Такая модуляция, например, может обеспечить исключение определенного числа гармонических составляющих.

В^грмьеЙ.ХЯ88е_исследувтся работа двигателя при неси! ¡усоцдальном напряжении. Влияние гармонического состава на работу АД удобно проводить

векторно-пзрмоническим методом, согласно которому ток Isv статора v -

гармоники определяется по выражению

L = USV/(R3V +jXJV), (3)

гдв Usv ■ напряжание v -й гармоники;

R3U, jX9v - параметры свернутой относительно входа Т-образной сзвмы замеидения АД

Учитывая,что при ччстопгом управлении АД роботает преимущественно при малых скольжениях, активноо сопротивление? ротора определяется по с}<ормулз

Кгуа/р - Иг . (4)

Применение простейших инверторов с фазовой коммутацией ограничивается пульсирующими моментами, доминирующими из которых являются моменгы от 5-й и 7-й гармоник, которые пульсируют с шестикратной частотой.

С учетом сказанного, уравнение движения может быть записано в вида

М, 4 М6 - Ме = .Мго / <и (5)

или

Км • р + аМн 5ш(б© ,/гр) • 1 - Мй = J <1<»/«И, (б)

где Км - М^/рд = М}|/Рл коэффициент

пропорциональности для момента первой гармоники;

¡VI й - момент шестикратной частоты;

а — Мбтах / Мн - относительная амплитуда пульсаций.

Имея в виду, что Р = а — еи /<0 5П (а - диапазон изменения частоты)

и Тм = О 6Н/КМ , можно определить относительную величину амплитуды пульсаций скорости

^аах, 3 р„___ ^

®сР (а- Мв/К„)/1+ ЗбТ*м?

Помимо расширения диапазона частотного регулирования задачей ШИМ является уменьшение потерь в АД от токов высших гармоник. С целью определения наилучшего способа модуляции проведено исследование синусоидальной ШИМ с различным видом и фазовым углом сигнала несущей частоты (всего б вариантов). В качестве параметра принято число импульсов N в полупериоде сигнала основной частоты. По критерию минимума коэффициента гармоник тока К} лучшие показатели имеет вариант, при котором вершины сингалов несущей частоты и частоты модуляции совпадают при я/2.

Применение микропроцессоров и цифровых аппаратных средств позволяет принципиально по-новому строить стратегию ШИМ, формируя углы

и Ш

ш 2

Ыг

а-н

я

ил

ос

РисЛ.Формирование ступенчатого напряжения-

переключения пе другим законам, отличным от отношений синусоидального и Треугольного сигналов.

Опишем напряжение, состоящее из последовательности импульсов.

Имея в виду симметрию относительно Ж и те/2, обозначим углы

переключения а(, г да I ~ 1,2,..., М и

Л я

О <.ух1 <.а2 <*...<> ам < —.

А

Естественно принять соотношения <*о = 0; ...аШ] =

Напряжение вида рис.1 может рассматриваться как последовательность фукнций амплигудой равной 21)Л и переменного знака. На интервале эти импульсы располагаются в следующих позициях на оси

ю1 = 0, а7, а2г...,ам, я - - а2, я -

Это позволяет записать уравнение напряжения следующим образом:

и = и(а) =

б

У

Ч

ч

Ч

V

V

V

U,(а) = U4L(-i)M j-7 + 2а(а) + 2£ t(-7)f •

|о(а - aj) - о(а - я + а,)]},

О <, а <, я = ~ я)>

п <> ге <. 2п, (8)

где О - единичная фукнция,

L = +./(— 7), если выходное напряжение положительно (отрицательно) а интервала |ct м ,(п/.

Обозначив Ц-/)М = А, амплитулное значение V-й гармоники

будет:

для двухполярной ШИМ-2 • >

411 Г M I

uvra ^ А + ,(-/)Wa,

vk l i

для одиополярнс/й ШИМ-1

Юл Й

(9)

V i

Uïm = A—^2,(-;)cosva,. (Ю)

Vît Î

Коэффициент A изменяет лишь знак амплитуды напряжения, что равносильно изменению фазы.

Таким образом, напряжение пида рис.1 полностью определяется »качениями a.jf et^ ,aM при U^ = С0И31.

Коэффициент гармоник тоха к;, ранее применявшийся для оценки кпчестш напряжения является ' косвенным критерием. Более достоверным является зависимость потерь в меди статора PMg и ротора Ряг

Относительное значение тока статора ÎVJ с учетом ряде допуидений^ гармоники порядка v можно найти

iv=Uv/vaXi, (11)

где Xj - сопротивление имдуктиглкхггей рассеяния (Оэ).

Таким обряяом суммарные потери в меди будут

Р = Р + Р = 12Р /1?>

где Иу = = + 11г,

что справедливо при в\> —> 1 по мере роста у. Суммарные потери от всех высших гармоник

= ПЗ)

Пренебрегая зависимостью активного сопротивления от часто1Ы, потери в меди пропорциональны коэффициенту потерь км| в виде

к„1 = ¿(^М)2. (14)

Известно, что эффект вытеснения тока увеличивает как сопротивление статора, так и ротора. Однако добавочные потери имеют место, в основном, в роторе.

Приняв рекомендуемую зависимость сопротивления ротора в форме

Кп. = V®(«)

где (В 2V = ^ 1)а и * частота тока у -й гармоники в роторе, получим потери в меди ротора

(16)

А

Теперь можно записать уточненное значение коэффициента потерь в

меди

(17)

V* 1

Характерной особенностью коэффициентов потерь км1 и км2 яшгяегся отсугствие в них параметров двигателя, поэтому они являются обобщенными.Используя обобщенный критерий км2 можно поставить задачу синтеза ШИМ напряжения. Для этой цели разработана программа МАНУЮ1 Применительно к ПЭВМ. Некоторые результаты расчета представлены на рис. 2 и рис 3, где обозначено: 12- потери в меди; К2 - коэффициент гармоник тока. Существенное снижение потерь можно достичь уже при одной дополнительной коммутации. Соответствующие зависимости представлены на рис. 2

(двухполярная ШИМ) и рис. 3(однополярная ШИМ). Оптимальные значения углов при двух коммутациях равны а^ — 9граД, а2 = 14граД и отличаются от значений, полученных при подавлении наиболее существенной 5-й и 7-й гармоник (а | = 16граД, а2 = 22 Г рад), которые в литературе называются "оптимальными". Исследования показали, что при числе углов коммутации более 7 оптимальное распределение практически совпадает с распределением, полученным при подавлении наиболее существенных гармоник.

Четвертая глава посвящена разработке и исследованию частотного электропривода на основе АИН с отслеживанием выходного напряжения. В такой структуре основными элементами системы являются источник опорного синусоидального сигнала (трехфазного) переменной амплитуды и частоты и релейный элемент с гистерезисом. Система управления может быть выполнена как аналоговой так и цифровой. В качестве опорных источников используются цифровые генераторы синусоидального напряжения с ЦАП на выхода. Аналитическое исследование такого инвертора затруднено из-за нелинейности ряда элементов. Поэтому было использовано математическое моделирование на ЦВМ. С целью сокращения времени для написания и отладки программы использован язык символьного описания математических моделей. Исходным документом для написания программы при использовании пакета прикладных программ является структурная схема, синтезированная на основе математической модели с учетом синтаксических требований входного языка. Расчеты, выполненные для инвертора мощностью 3кВт, представлены на рис. 4. Там жэ приведена осциллограмма выходного напряжения инвертора, полученная на экспериментальной установке. Сравнение результатов расчета с результатами лабораторного эксперимента свидетельствуют о высокой степени адекватности структурной модели инвертора.

Структурная схема электропривода с системой управления на базе микро-ЭВМ изображена на рис. 5. Микро-ЭВМ выполняет функции задлтчика скорости (ЗС), регулятора скорости (РС), функционального преобразователя (ФП) и ограничивает выходной сигнал РС и относительную частоту инвертора С*. Выходная величина РС ограничивается уровнем критического скольжения Р в

динамических режимах, т.е. электропривод ускоряется или тормозится с ограничением абсолютного скольжения.

• Пропорционально-интегральный (ПИ) регулятор скорости программно реализован в соответствии с разностным уравнением.

С целью сокращения машинного времени, необходимого для вычисления управляющего воздействия РС, операции умножения выполняются таблично,

т.е. организовано два одномерных массива в ППЗУ, и программным путам производится выборка по значениям Лео содержимого массмва.Стабидизацин магнитного потока статора осуществляется путем формирования относительной амплитуды питающего напряжения у ТИН, в зависимости от

величины относительной частоты статора а и абсолютного скольжения р Аналитически указанная зависимость выражается уравнением

У~кГ~ (г^)27(х[)Тр2 '

(18)

В (18) используются коэффициенты, зависящие от параметров двигателя. С целью увеличения быстродействия определение

значений функции у производится по таблице в зависимости от двух текущих

координат <х„ " Рп-

Алгоритм управления состоит из двух частей: расчет и заполнение таблиц функционального преоорозобагаля и ПИ регуляторе (подготовительный этап) и непосредственно алгоритма стабилизации скорости и потока. При заполнении таблицы ФП, вычисленные по формуле (18) значения

относительного напряжения у у для соответствующих , и р пересылочтся в

ячейку ОЗУ с адрэсом

Ац = 32 + Р^ + Б. (19)

где О - конечный цпрос области ОЗУ, отведанной для десятичных ячеек. Относительная частота (X в машинном коде принимает значения от О до 63. абсолютное скольжение Р от 0 до 31 Таблица ФП занимает области ОЗУ объемом 2 Кбайт. Кромо заполнения таблицы ФП на подготовительном этапе осущест вляется заполнение таблицы деления целых чисел на четыре в диапазоне от 1 до 255 и заполнение таблицы ПИ-рв1улятора Вычисления на подготовительном этапе выполняются в десятинной системе счисления с последующим переводом в шестнадцатиричную. Программа подготовки с использованием системы команд "Электроника ДЗ-28" занимает 524 шага с О по 623.

После окончания подготовительных вычислений микро-ЭВМ переходит а режим ожидания, дс прихода команды выдачи задающего воздействия (В 3. С приходом задания по частоте вращзния (й 3 запускается подпрограмма

Рис.4.Задающий сигнал(1) и напряжение на

Еыходе инвертора: модель(2),эксперимент(3)

РС. Значения частоты вращения ротора (О г (8 бит) через интерфейс ввода помещается в рабочий регистр микро-ЭВМ После ввода СО г вычисляется рассогласование Дю , которое является входным сигналом РС. Подпрограмм регулятора скорости содержит 124 шшд с 524 по 648. Время выполнения подпрограммы 0,5 мс. В конце подпрограммы РС через интерфейс вывода выводятся значения частоты преобразователя (6 бит) и команда на реверсирование инверторе если задающее воздействие изменило знак. Подпрограмм РС состоит из 110 шагов с 649 по 759, время выполнения 0,6 мс.

Подпрограмма ФП состоит из 92 шагов с 776 по 867 и длится 0,75 мс.

Экспериментальная проверка алгоритма управления производилась в комплексе, состоящем из микро-ЭВМ "Электроника ДЗ-28" .преобразователя частоты на базе транзисторного инвертора напряжения и асинхронного двигателя серии 4А <РН = 0,55 К Вг,П„ = 2740 О б/ М ИН ) с цифровым датчиком скорости. На рис. 6 приведены осциллограммы угловой частоты вращения ротора АД и напряжения инвертора.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о целесообразности использования описанного алгоритма управления для частотно-регулируемого

Рис.5.Структурная схема частотного электропривода с ыикроЗШ

алекцюпривода с асинхронным двигателем и возможности реглизаиии алгоритма средствами микропроцессорной техники в реальном масштабе бремени.

Опыт отладки программы, написанной по вышеописанному алгоритму, и экспериментальная проверка ое позволили сформулировать требовании к системе управления ЧЭП-ШИМ на основе ^разрядного микропроцессора, например К580. Объем ОЗУ должен составить 4 Кбайт, а объем ПЗУ, предназначенного дпя хранения программы и констант, - 2 Кбайт Интерфейс ввода-вывода должен оодзржятъ два канала вывода 8-разрялных слов и один канал управляющих сигналов (4 бите), а также /уза капали ввода.

Система управлении реализует программную ШИМ, при которой углы коммутации, в соответствии с заданным алгоритмом управления, предварительно вычисляются и хранятся в постоянно запоминающем устройстве^ и их выборка осуществляется в реальном масштабе ьромени.

Выводы

С целью разработки повременного электропривода поременного тока на основе асинхронных короткозамкнутых двигателей, обеспечивающих достижение необходимых качественных показателей процессов регулирования, были проведены теоретические и экспериментальные исследования, анализ которых позволявI сделать следующие выводы:

1. Значительную долю регулируемых электроприводов с асинхронными короткознмкнугыми двигателями (A4) составляют электроприводы с диапазоном регулирования в пределах 20...300 при мощности преобразователя меное 5С кВА» такие электроприводы строятся по структуре управляемый выпрямитель инверторе ШИМ.

2. Определена, с учетом общепринятых допущений, относительная амплитуда пульсаций ско(хх;ги, которая зависит от частоты питания основной ibjjmohmkh, электромеханической постоянной времени элвкг(>0прИЕ0ДО, жесткости механичесхой характеристики vi момента нагрузки.

3. Исследований различных способов синусоидальной ШИМ позволило Быяиить, что нпилу«ше характеристики имбСн вариант модуляции, при котором

еершины сигнала управления основной гармоники и сигнала частоты модуляции ссппвдюг при л/2. При числе импульсов за полупериод N -10 все способы примерно равнозначны.

4. Предложен обойденный критерий качества дпя оценки ШИМ нопркхгения, учитывающий зависимость сопротивления ротора от частоты тока и не-довисяа^й от параметров конкретного двигателя.

Рис.6.Временные диаграммы угловой частоты вращения

ротора АД и напряжения инвертора: а),б)-часгота вращения соответственно при частотном пуске и набросе нагрузки; тахограммы при отработке перемещений: малого(г) и болъшого(п); выходное напряжение(д)

6. Методом численного эксперимента с использованием-разработанного программного обеспечения определены оптимальные значения углов коммутации вентилей, которые практически совпадают при использовании критерия минимума потерь и минимума обобщенного критерия.

6. Оптимальные значения углов различны для доухполяриой и одногюлярной ШИМ.

7. Разработан и экспериментально исследован частотный алектроприиод на осного АНН с отслеживанием выходного сигнала и микроэвм во внешнем контуре регулирования, имеющий удовлетворительные качественные показатели при диапазоне регулирования до 300 Определено рациональное сочетание программных и аппаратных способов реализации функций управления.

8. Для реализации программных видов ШИМ разработана микропроцессорная система с аппаратной поддержхой.

Аппаратные и программные затраты на реализацию системы с отслеживанием выходного сигнала и с программной ШИМ примерно равнозначны.

Разработанный эдектролривод можэг найти применение для широкого класса механизмов, где предпочтительно применение асинхронных короткозамкнутых двигателей В качества таковых могут быть электроприводы главного движения металлорежущих станков, различные манипуляционныо механизмы гибних производственных систем и др. с диапазоном регулирования до 300 ...500 и мощностью до 10 кВт.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

V Маруа'н Саббаг. Цифровое моделирование транзисторного инвертора с отслеживанием выходного напряжения. Тезисы респуб. научно-техничогхой конференции "Автоматизированный электропривод промышленных установок", Минск, 1994гС. 38.

2. Мэрузн Саббаг. Частотный электропривод с управляющей ЭВМ. Тезисы респуб. нау^м-техничоской конференции "Автоматизированный электропривод промышленных установок", Минск, 1594гС. 39-40.

РЕЗЮМЕ

Эль-Саббаг Маруан Исмаил

'Микропроцессорная система управления асинхронны» ■юстотмым апектропри водом".

Асинхронный корсткозпмкнутый двигатель, частотное управление, отслеживание напряжения, широтно-импульснан модуляция, оптимизяция формы напряжения, критерий оптимизации, программная широтно-импульавя модуляция, математической моделирования, система с упривлнюшрй ЭВМ, переходные процессы, макропроцессор*«» управление, программное обеспечение, аппаратное обеспечение.

Исследован частотный электропривод с асинхронным короткозамкнутым двигателем.

Целью работы яоляетси разработка техничесюос решений асинхронного частотного электропривода с широтно-импульснай модуляцией выходного напряжения, обеспечивающих высокое качество переходных процессов и рациональное сочетание микропрограммных и аппаратных средств управления с использованием микропроцессорной техники, а также разработка матоматическоги и программного обеспечения для исследования и проектирования частотных электроприводов с широтнопмлульсной модуляцией.

в работе используется теория обобщенной машины, математическое моделирование на ПЭВМ и экспериментальные исследования С применением микропроцессорной техники, интегральных микросхем и силовых транзисторов. На основании предложенного критерия получено оптимальное распределение углов коммутации силовых ключей преобразователя частоты, которое обеспечивает минимум потерь в меди двигателя от токов высших гармоник. Разработана эффективная математическая модель инвертора с отслеживанием выходного напряжения, предложена и исследована стсглстиов частотного

Электропривода с датчиком скорости с ЭВМ во внешнем контуре управления. Определено рациональной распределение программных и аппаратных средств управления. РазраС этан алгоритм регулятора скорости. Соотношение между частотой и напряжением питания двигателя поддерживается путем вычисления последнего по аналитической зависимости, содержащей, кроме параметров двигателя, информацию о текущем значении частоты тока в роторе. Представлены рзэультаты экспериментальных исследований. Результаты могут быть использованы при проектировании с диапазоном регулирований до 500 в оазличных механизмах.

18

РЭЗЮМЕ

Эпь-Саббаг Мэруан 1смат "Мжрапрацэсармай сктэма »рэвання ао1нхронным частотным эпектрэпры водам".

Астхронны ка ротка замкнуты рухавЫ, частотнае юраванне, сачэнне напружання. шыротначмпульсная мадуляцыя, агггым1зацыя формы иапружанни, крытэрый апггым^зацьн, праграмная шыротна-1мпульсная мадуляцыя, матаматычнэе мадэл^раванне, сютэма э юруючай ЭВМ, переходный працэсы, мкрапрацэсарнае юраванне, праграмнае забеспячэнне, апаратнао забеспячэнне.

Даследаван частотны эпектрапрывод з ка ротка замкнутым рухавгам Мэтай работы з'яуляецца распрацоука техн1чных рашэння^ асЫхроннага частотмага электрапрывсду э шыротначмпульснай мадуляцыяй выходка! а напружання, ш забяспечваюць высокую якасць переходных працэса9 < рацыннальнао спаиучэнне м1крапраграмных I апаратных сродка? фавання э выкарыстаннем м;крапрацэсарнай тэхнМ, а таксама распрацоуха матдмэтычнага ( праграмната забеспячэння для даследавання I праехтавакня частотных влвюрапркдода)? э шыротнампупьснай мадуляцыяй.

У рабоца выкарысто^васцца тзорыя абагульненай машыны, матэматычнае мадзгмраванне на ПЭВМ > эксперымонтальныя даследаванш з убыванием м1крапрацэсэрнай тэхн1К1. ¡нтегральных мжрасхем I снтавых транлстарау.

На падставв прапамаванага крытэрыя атрымана аптымальнае размеркавамнв вугло^ камутацьи сшазых ключо? пераугваральн1ка частаты, яков аэбяспечвае мМмум страт у медз! рухав;ка ад токау вышэйшых тармонж. Распрацзозна эфектыуная матзмзтычная мадэль ¡нвертару з здследжваннем еыхаднога напружання, прапанаванз I даследавана струхтура частотнага электрапрывода э ЭВМ у энешшм контуры юравання. Азначана рацыянальнае раэмеркаванме лраграммых I апаратных сродкэ? юравання. Распрацаваны алгарьпм рэ1улятара хуткасцк Суадносты памгж частотой I напружаннем с1пкаванмя руха»ка падтрымлёаецца шляхам вылмэння апошняга па аналггычнай запежнасц!, якая эмяшчаег акрамя параметра? рухав!ка, ¡нфармацыю ®б бягучым значэнж частаты току у ротэры. Прапаназаны вын1ю экоперымонтальных даследаванняу. Выжк1 могуць быць выкарыстаны пры праеставанж частотнага электрапрывода з шыротна-'шпульснай мадуляцыяй для масавэга ржывання з дыяпазонам рэгул1равання да 500 у розных мэхан;змах, дзе переважае ?жыванне асЫхроннага рухавга.

ABSTRACT

EL-SABBAH MARWAN ISMAIL.Microprocessor-based Frequency Control System With Induction Motor:

Induction Squirrel Cage Motor, Frequency Control, Slave Voltage Invertor.Pulsewidth Modulation(PWM), Optimum Voltage Waveshape, Objective Function, Programmed PWM, Digital Simulation, Microcomputer-Based Control System, Transients, Microprocessor Control, Software, Hardware.

The world of motor control is changing as companies work hard to conserve energy, improve productivity, and reduce costs.One of the biggest changes is the increased use of adjustable speed drives.AC motors are simpler than DC motors, while the control electronics for AC motors are more expensive. The simplest invertora for frequency control AC drives produce a square-wave voltage with large content of high harmonics which produce torque pulsation and harmonic losses in the motor.

The dissertation emphasises various methods for improving the output voltage waveshape to meet the requirements of practical systems.Several techniques of PWM are proposed.Sine PWM with different carrier ratio and phase shift is studed. Programmed PWM is the most effective because the PWM pattern can be chosen to optimise various objective functions.Mathematical tools and numerical techniques to calculate the optimum switching pattern in the space or PWM inputs are derived here by simulation a personal computer.

A microcomputer-based motor control system with slave voltage DC-AC invertor is developed in this work. Control techniques which might have seen too expensive or too complicated to implement before are made possible by using the microcomputcr(MP) based techniques designed here. In a motor control system proposed here the MP executes the control algorithm and monitores the motor speed and position.The speed of the motor is detected by an encoder.Tlie difference between the feedback speed and the setting speed is processed by a control algorithm to generate the controlling signal.The control algorithm implemented in the MC is a simple computational rule that permits a fast system response .In this study the PI algorithm is used because it is easy to implement and docs not need too much computation time.The experimental study showed good performance of the control system which permits its reccmendations for various applications with speed range up to 500.The complex function required by programmed PWM have been executed by the microprocessor on line, thus greatly reducing the nectssary control hardware.Storage of the entire PWM pattern caa be accommodated withiu one standard 64k x 8 EPROM.

ЭЛЬ-САББАГ МАРУАН ИСМАИЛ

МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЧАСТОТНЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Корректор М.П. Антонова

Подписано в печать 25.04.95. Формат 60x64 1/16. Бумага тип. №2. Офсет, печать. Усл. печ. л. 1. 2. Уч.-изд. л. 1,0. Тир. 100. Зак 402.

Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусская государственная политехническая академия. . Лицензия ЛВ № 1049. 220027, Минск, пр. Ф. Скорины, 65.