автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование алгоритмов формирования переменных в регулируемых системах "инвертор напряжения - асинхронный двигатель"

Р Г 6 О Д "Равах РУ^писи

2 2 СЕН 1Ь9Ь

УДОР Абрахим

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ ФОРМИРОВАНИЯ ПЕРЕМЕННЫХ В РЕГУЛИРУЕМЫХ СИСТЕМАХ "ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ-АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ"

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иваново 1998

Работа выполнена в Ивановском государственном энергетическом университете.

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Курнышев Б. С.

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент

Виноградов А. Б.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Голубев А. Н.,

кандидат технических наук Башин В. Н.

Ведущее предприятие: Ивановский филиал НИИ

"Электропривод".

Защита диссертации состоится 9 октября 1998 г. в Д час. в аудитории Б - 237 на заседании диссертационного совета Д 063.10.01 при Ивановском государственном энергетическом университете.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим отсылать по адресу: 153003, г. Иваново, ул. Рабфаковская 34, Совет ИГЭУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГЭУ. Автореферат разослан " 7 " сентября 1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук,

профессор ТАРАРЫКИН С. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Электропривод, построенный на основе транзисторного преобразователя частоты и асинхронного двигателя с коротко-замкнутым ротором является одной из наиболее перспективных и динамично развивающихся систем в области автоматизированных электроприводов. Это обусловлено высокой надежностью, технологичностью изготовления, хорошими массо-габаритаыми, стоимостными и регулировочными показателями асинхронного двигателя, а также современным уровнем развития электротехнической промышленности и непрерывно совершенствующейся элементной базой.

В настоящее время существует большое количество различных систем управления асинхронным электроприводом, построенных на разных теоретических подходах к управлению его координатами. Эти системы в основном ориентированы на аналоговую, либо аналого-цифровую элементную базу. Аппаратная сложность подобных систем управления, сложность их настройки и невозможность ее автоматизации, а также недостаточная гибкость для эффективного решения задачи адаптации электропривода при изменении режима работы и параметров силового канала создают серьезные проблемы для широкого распространения таких систем. Это обусловило необходимость перехода преимущественно к микропроцессорному управлению асинхронным электроприводом.

Микропроцессорный вариант решения задач управления асинхронным электроприводом становится, в частности, целесообразным, если повышенные требования к его динамическим показателям определяют необходимость построения довольно сложной векторной системы управления, содержащей адаптивные к изменению внешних и внутренних факторов динамические модели, что имеет место, например, в приводах подач металлообрабатывающих станков. Сложность систем управления и, следовательно, целесообразность их микропроцессорной реализации существенно возрастают, если по условиям эксплуатации (взрывоопасные, активные, агрессивные, запыленные среды) установка датчиков механических переменных нежелательна, либо абсолютно недопустима, например, в ряде механизмов химической, текстильной, горнорудной промышленности.

Другой, более обширной сферой применения асинхронного электропривода с микропроцессорными системами управления являются механизмы и технологические процессы, которые предъявляют основные требования не к регулировочным, а к энергетическим показателям электропривода (КПД, совф), что предполагает их оптимизацию в процессе его работы. К данной сфере относятся, например, электроприводы общепромышленных механизмов, таких как вентиляторы, насосы, подъемно-транспортные механизмы.

Ориентация на микропроцессорную реализацию системы управления требует поисков новых подходов к решению традиционных задач управления асинхронным электроприводом и, прежде всего, разработке его математической модели как нелинейного автоматического объекта управления.

При этом наиболее сложной и трудно решаемой из всех задач, относящихся к теории асинхронных машин является задача определения параметров двигателя, которая осложняется их нелинейным характером и зависимостью от многих факторов. Поэтому несмотря на значительный объем выполненных в этом направлении исследований указанную задачу нельзя считать окончательно решенной, что и определяет актуальность данной работы.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование алгоритмов формирования переменных и разработка методик определения параметров в регулируемых системах "Инвертор напряжения-асинхронный двигатель (ИН-АД)".

В соответствии с целью работы в ней решены следующие задачи:

1. Разработана математическая модель асинхронного двигателя с ко-роткозамкнутым ротором с учетом нелинейности магнитной цепи, потерь в стали, механических и дополнительных потерь, позволяющая исследовать процессы в двигателе в статических и динамических режимах работы.

2. Разработана математическая модель системы "формирователь алгоритма управления - инвертор напряжения " с учетом неидеальности силовых вентилей, обеспечивающая формирование напряжения на обмотке статора с нужной частотой и амплитудой.

3. Выполнен анализ влияния неидеальности силовых вентилей на характеристики электропривода и разработан алгоритм компенсации такого влияния, а также обоснована возможность перехода к управлению по эквивалентным (усредненным на интервале дискретности) значениям переменных.

4. Разработаны алгоритмы автоматизированного определения параметров электропривода по системе ИН - АД, обеспечивающие его заданные характеристики.

Методы исследования

Решение указанных задач выполнено на персональном компьютере (ПК) на основе анализа и синтеза переменных системы в пространстве состояний, использования метода преобразования координатного базиса и методов прикладной математики. Полученные теоретические результаты подтверждены экспериментально.

Научная новизна выполненных исследований представлена следующими положениями.

1. Разработкой модели асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с учетом нелинейности магнитной цепи, потерь в стали и особенностей его работы в системе "ИН - АД".

2. Разработкой математической модели системы "ИН - АД" характеристик формирования алгоритма управления, механизм, неидеальности силовых вентилей инвертора напряжения, а также обоснованием возможности перехода к управлению по эквивалентным (усредненным на интервале дискретности по времени) значениям пфеменных.

3. Результатами анализа влияния неидеальности ключей ИН на характеристики электропривода и созданием алгоритма компенсации их влияния.

4. Разработкой методики определения параметров системы "инвертор напряжения - асинхронный двигатель - механизм" и определением их зависимости от заданного вектора напряжения. Практическая ценность. Разработан пакет прикладных программ, позволяющий решать следующие задачи:

- осуществлять анализ динамических процессов в асинхронном электроприводе с преобразователем частоты и с различными вариантами систем управления, построенных на базе как векторных, так и частотных принципов управления;

- осуществлять синтез цифровых алгоритмов управления асинхронным электроприводом;

- осуществлять синтез алгоритмов автоматического определения параметров системы управления асинхронным электроприводом. Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в учебный и научный исследовательский процесс кафедры "Электропривод и автоматизация промышленных установок" Ивановского государственного энергетического университета, а также используются в опытных конструкторских работах Ивановского филиала ВНИИ электропривод. Оснотыетоложекия. выносимые па защиту:

1. Модель асинхронного двигателя с учетом насыщения магнитопро-вода и потерь в стали.

2. Математическая модель "формирователь алгоритмов управления -инвертор напряжения" без учета и с учетом неидеальности силовых ключей инвертора напряжения.

3. Результаты анализа влияния неидеальности ключей ИН, расчет ошибок определения вектора напряжения и способы их компенсации.

4. Методика определения параметров электропривода по системе "ИН-АД".

Апробация работы . Результаты работы, как ^теоретические, так и практические, докладывались и обсуждались на:

- международной научно-технической конференции « VIII БЕНАР-ДОВСКИЕ ЧТЕНИЯ» 4-6 июня, Иваново, 1997.

- XVI научно-технической конференции «Актуальные проблемы электроэнергетики», Нижний Новгород, декабрь, 1997.

- научных семинарах и заседаниях кафедры ЭП и АПУ Ивановского государственного энергетического университета (Иваново, 1996, 1997, 1998).

- международной научно-технической конференции « Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» ( ПРОГРЕСС - 98) 2-5 июня, Иваново, 1998.

Пубшкаиии . По результатам проведенных исследований опубликовано 5 печатных работ. Техническая новизна работы подтверждена положительным решением о выдаче патента РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 71 наименования и двух приложений. Работа содержит 140 страниц машинописного текста, 16 иллюстраций. Общий объем работы 200 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности работы, сформулированы цель и задачи диссертации, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов, а также представлены положения выносимые на защиту.

В первой главе разработана модель асинхронного двигателя с корот-козамкнутым ротором с учетом особенностей его работы в системе " ИН -АД". Показано преимущество математической модели, построенной на основе дифференциальных уравнений, записанных в функции потокосцеп-лений, с учетом потерь в стали статора:

—— = - к « -тг*- + ® к V вУ + «.«;

<11 ■ и

¿V (V „О ву

дг = - » . —® к V ви + » «V .

¿У т „ °

= - Я г ' + (® к - ® гв

<И 1 В

ДУгу _ и ° ГУ

ГУ '

« - Я Г (о к - ® ге)^ гн ; (0

" Г ц - « ГС ' . ги

М е « Т-РСУ ГУ V

^ « Л,., ^ ГД ,„ ^ ГУ

с - ГР(¥ ГУ — - V ги —

<1 <0

г е

Р

3 т

(М в - М с ).

где

°гу в у>Vши»V0у»ги>VГУ) I Ы = * -4-

где

аИ " а 22 = (Los + LmCos2(p)) ; а33 ^ а44 ~ (Lar + LmCoe2(p»;

а13 = а24 = а31 = а42 = LmCos2 0>) 5 (3)

Lm

а12 = а14 = ~а21 = ~а23 = а32 = а34 = "а41 = _а43 =—Sin(2p) .

M'eu.sv.m.rv" фазные потокосцепления обмотки статора (s) и ротора (г) в ортогональной системе координат (u, v), Вб;

Rs,r - сопротивления обмоток статора и ротора, Ом;

е>к - относительная частота вращения системы координат (u, v), рад/с;

ore = рюг. ©г - частота вращения ротора, рад/с;

р - число пар полюсов;

HsiijSv - фазные напряжения на обмотках статора, В; Jm - приведенный момент инерции ротора, КгМ2; Me,с - электромагнитный и статический моменты двигателя, НМ; Lag ot- индуктивности рассеяния соответственно обмоток статора и ротора, Гн;

Lm - взаимная индуктивность обмоток статора, Гн; Хт

р = Arctg(——) - угол смещения вектора тока намагничивания отно-Rm

сительно главного потока, обусловленный потерями в стали.

Связь между токами и потокосцеплениями определяется соотношениями

i i . =Pra. _»rv.

*SU J-J » A6V _ £) • Ш £) » IV ~ £J I W

где igu>sv^u^v" фазные токи обмотки статора (s) и ротора (г) в ортогональной системе координат (u, v), А;

Учет насыщения магнитопровода АД осуществляется в процессе интегрирования уравнений (1) методом последовательных интервалов. При этом взаимная индуктивность при переходе от одного интервала к другому изменяется в соответствии с кривой намагничивания, заданной в программе таблицей значений.

Потери в стали статора учитываются введением сопротивления Rm в контур намагничивания Т- образной схемы замещения АД параллельно Lm (рис. 1). Модель двигателя представляется уравнениями (1) и отличается от обычной модели уравнениями связи, в которых появляется угол (р) смещения вектора тока намагничивания относительно главного потока.

Rs Los

о

Рис. 1. Схема замещения АД при учете потерь в стали

Уравнения связи имеют вид:

= (LOT+LmCoe2(p))isu+ ^Co^ip^-^SinC^;

Vw=^^(p)iw+(LTO+LmCoe2^))iw+^Sin(2p)ira+LmCoe2(p)iIV ; (5) Vro = L^Coe2^ -Ь.йпСгр)!^ +(LOT +LmCos2(p))im-^ SmC^; 4>rv = ~~ ®n(2p)i ад+LmCos2 (p)i gy + Sin(2p)i ro+(LOT +LmCos2(p))irv.

Обычные уравнения связи являются частными случаями системы (5) при Rm =+°о или р = 0.

В этой же главе представлена разработка на языке Turbo Pascal 7.0 сервисной части моделирования системы ИН - АД, позволяющая проводить испытания в различных режимах работы.

Во второй главе разработана математическая модель " формирователь алгоритма управления - инвертор напряжения" позволяющая исследовать имеющие место на практике режимы работы электропривода. Подтверждена достоверность преимущества "треугольного" метода формирования алгоритма управления инвертором напряжения в сравнении с другими по энергетическим показателям. Сделан анализ влияния дискретности сигналов по времени и по уровню на качество переходных процессов в цифровом электроприводе.

Основными определяющими факторами при формировании эквивалентного вектора напряжения статора ив являются продолжительность включения силовых вентилей. Установлено, что при учете пеидеаяьносга ключей инвертора напряжения значительное влияние на формируемый вектор напряжения оказывает относительное положение вектора тока статора.

Рассмотрены частные случаи, когда вектор напряжения находится в первом секторе, а вектор тока в шестом и в первом секторах векторных диаграмм напряжений и токов электропривода. Параметры алгоритма управления ключами ИН рассчитываются по формулам:

Ы • /Я «ч А*.

+ (6)

I и<}

Л1 = и - ^; (7)

где Га, Гв, Ь'г - длительности включения двух ненулевых и нулевого векторов напряжения, с;

U*s - задание по модулю вектора напряжения статора, В;

Ud - напряжение в звене постоянного тока инвертора, В;

Тс - длительность цикла формирования вектора напряжения, С;

9* - задание по угловому положению вектора напряжения статора, рад/С;

At - временная задержка, внесенная неидеальностью силовых вентилей, С;

tm - время, в течении которого транзисторы одной фазы ИН заперты, С;

to« - время отключения транзисторов, С.

При переходе вектора тока статора из шестого сектора в первый продолжительность включения второго ненулевого вектора соответствует случаю идеальных ключей и определяется следующим соотношением:

^=ТиЬТсйп(<р*)- (8)

Установлено, что при учете неидеальности ключей инвертора вводятся ограничения по продолжительности включения векторов. Рассмотрено влияние неидеальности силовых вентилей инвертора на характеристики электропривода и проведена оценка вносимых неидеальностъю ключей ошибок при формировании вектора напряжения (табл. 1).

Таблица I. Значения ошибок фазных напряжений в различных секторах тока, а также различные положения (ф д) вектора ошибки по напряжению.

сект, тока (+--) (- + +)

Дид/Уе +1 +2 +1 -1 -2 -1

Див/Уф -2 -1 +1 +2 +1 -1

ДШУ« +1 -1 -2 -1 +1 +2

Фд -я/3 0 я/3 2я/3 я 4 л/3

где ф д - угол вектора ошибки по напряжению, рад/с;

Уе = ^ ^ - кратность ошибки фазного напряжения, В.

3 Тс

Разработка алгоритма компенсации этих ошибок реализована в блоке компенсации (рис. 2). Его входными сигналами являются величина М, сигнал, информирующий о смене направления тока в одной из фаз статора, и угловое положение вектора напряжения .

Установлено, что влияние компенсации наиболее ярко проявляется в случае высокой частоты формирования напряжения статора и малого значения задания по частоте. При увеличении задания по частоте влияние неидеальности силовых вентилей уменьшается и, соответственно, уменьшается влияние алгоритма компенсации. Предложенный алгоритм компенсации не вносит дополнительных ограничений в реализацию алгоритма пространственно-векторного формирования напряжения. Точность предложенного метода компенсации зависит от точности определения моментов перехода вектора тока с одного сектора в другой.

На рис. 2 введены следующие обозначения:

а - положение вектора тока, рад/с;

из"1, Иэ - модуль векторов задания и измеряемого по напряжению, В; и<1 - напряжение звено постоянного тока, В; Ь - модуль вектора тока статора, А; Ф* - задание по углу вектора напряжения, рад/с;

Рис. 2. Упрощенная схема компенсации ошибок, связанных с неидеальностью силовых вентилей инвертора напряжения при алгоритме пространственно - векторного формирования напряжения на обмотках статора.

В третьей главе представлены методики определения механических потерь и параметров асинхронного электропривода (Д1, параметров схемы замещения АД и момента инерции двигателя). Для определения механических потерь при конкретном скольжении проводится два опыта:

- опыт холостого хода нагрузочной машины.

- опыт соединения испытуемого асинхронного двигателя, отключающегося от сети с нагрузочной машиной.

По результатам этих двух опытов определяется зависимость механических потерь от скорости. Для определения временной задержки силовых вентилей задается режим невращающегося вектора напряжения и рассчи-

тывается временная задержка, вносимая неидеальностью вентилей (7) по формуле:

Ät =

ЗТС AUg

(9)

2 Ud

где AU« - разность модулей заданного и измеряемого векторов напряже-

ния.

Для полного определения параметров схемы замещения основной гармоники тока проводится три опыта: опыт холостого хода и два опыта, близкие к номинальному режиму. В соответствии с данной методикой уче-тываются потери в стали статора последовательным включением сопротивления Кше в цепи намагничивания (рис. 3).

R«

Los

Рис. 3. Схема замещения АД.

(Ю)

Здесь Lmc - взаимоиндуктивность обмоток статора и ротора.

р RA2 . тй~ т> г .у 2'

Rm ш

Lmp= —--

юе 2tcFuR 2+х 2' u Лш m

где Fu -частота основной гармоники тока статора, Гц.

По измеренным в опыте холостого хода току, напряжению, входной активной мощности статора для основной гармоники, расчетным значениям механических потерь и сопротивления Rme, измеряемым при питании двигателя постоянным током, определяются значения Rme и Los + Lme-

Кте(1,) Ьм=ь^*8(ч>0); (12) р

где соб(ф0)= л ; (13)

Ф0 - угол между векторами тока и напряжения обмотки статора, рад; РрО, ий, 180,Рт0 - мощность, Вт; напряжение, В; и ток, А; механические потери, Вт - при холостом ходе;

Этот же подход повторяется для двух других опытов: близких к номинальному режиму после преобразования схемы замещения к форме, идентичной схеме замещения в режиме холостого хода. Соответствующие этим режимам эквивалентные активное и индуктивное сопротивления контуров намагничивания и ротора определяется выражениями:

ТГ1 ХшеХох Х^тпе + +(Хще + Хог ХХше + КгаеХог)

-М--; (Н)

®1,2

К И. И.

(Хте о +ХтеХогХ^Е1в+ е )~(Хте +ХсгХ^те ё ХшеХог)

Х , . - _Ч?__. (15)

е1,2--^ » 4 '

)2+(Хше+Хог)2

„ Р81,2~Рт1,2 /|Л г .т (Кв+11е1.2)., .

-!-Ьо« + Ье1,2=-(17)

31в1,2 п

где соКФ1)2) = —; (18)

Ф12 - угол между векторами тока и напряжения обмотки статора при

скольжениях 8|,г, рад;

1,2 - индексы, соответствующие значению параметров при скольжении ИЛИ $2.

После этого решается предыдущая система уравнений (11... 18). Для определения сопротивления ротора и его индуктивного сопротивления рассеяния получены следующие соотношения.

У ^ (Хцс1^+Rmtr^eUX1^ - ^u) ~ (xmc ~ ^гХ^ше1^ ~ XtaeXelr2) ^0)

(Кше-Кеи^+СХще-Хеи)2

Четвертая глава посвящена экспериментальной части. Здесь приведены результаты экспериментальных исследований, полученные на лабораторным стенде. Установка содержит асинхронный двигатель с коротко-замкнутым ротором мощностью 3 кВт, питаемый от транзисторного инвертора напряжения с системой управления, выполненной на базе микропроцессорного контролера INTEL 87C51FA, и нагрузочное устройство, построенное на базе, электродвигателя постоянного тока питаемого от ти-ристорного преобразователя. Рассмотрены динамические и статические режимы работы данного привода при различных значениях напряжения, подводимого к обмотке статора, частоты медленной составляющей тока статора и разных нагрузках двигателя. Экспериментальные исследования подтвердили адекватность разработанной модели и эффективность предложенной методики компенсации влияния неидеальности ключей инвертора напряжения, а также рациональность методики определения параметров системы асинхронного электропривода.

Основные результаты работы и выводы.

1. Разработана математическая модель асинхронного электропривода с короткозамкнушм ротором с учетом потерь в стали статора, механических потерь и нелинейности магнитной цепи с расширенной возможностью исследования в разных режимах его работы, ориентированная на разработку и исследование цифровых алгоритмов управления, диагностирования и автоматизированной настройки асинхронного электропривода с микропроцессорными системами управления.

2. Разработана математическая модель "формирователь алгоритмов управления - инвертор напряжения", учитывающая дискретные свойства силового преобразователя, а также специфику цифровых и микропроцессорных систем управления асинхронным электроприводом.

3. Предложен алгоритм учета неидеальности силовых вентилей инвертора напряжения, экспериментальноподтверждена эффективность данного алгоритма и выполнен анализ влияния неидеальности ключей на характеристики электропривода, которое существенно проявляется при больших соотношениях частот задания формирования напряжения на выходе ИН.

4. Установлено, что ошибки, вносимые неидеальностью вентилей ИН при определения вектора напряжения, зависят от положения вектора тока и вида алгоритма его формирования. Разработан метод расчета ошибок фазы вектора фазных напряжений, предложены варианты их устранения методом введения блока компенсации в систему управления.

5. Обоснована возможность перехода от управления системой электропривода по мгновенным значениям к управлению по эквивалентным (усредненным на интервале дискретности по времени) значениям перемен-

пых и доказано, что возникающие при этом ошибки увеличиваются с уменьшением соотношения частоты коммутации в ИН и частоты задания.

6. Предложена методика определения параметров системы "инвертор напряжения - асинхронный двигатель - механизм" и разработана программа их автоматического определения на уровне модели. Для этого найдены тестовые режимы, на основе которых определяются параметры инвертора напряжения и асинхронного двигателя.

7. Результаты экспериментальных исследований на лабораторной установке подтверждают теоретические положения (методики, алгоритмы и т.д), а также позволяют рекомендовать разработанный пакет прикладных программ, для анализа и синтеза динамических процессов в асинхронном электроприводе с преобразователем частоты и различными вариантами управляющих систем.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. А. Б. Виноградов, Удор Абрахим. Синтез алгоритмов микропроцессорного управления асинхронным электроприводом// Тез. докл. международной научно-техн. конф. < VIII БЕНАРДОВСКИЕ ЧТЕНИЯ» 4-6 июня, Иваново,1997. -С. 184.

2. А. Б. Виноградов, Удор Абрахим. Применение математического моделирования в разработке цифровых систем управления асинхронным электроприводом// Тез. докл. международной научно-техн. конф. Актуальные проблемы электроэнергетики.-Нижний Новгород: 1997.-С. 18.

3. Б. С. Курнышев, Удор Абрахим. Экспериментальная методика определения параметров асинхронных электродвигателей. // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности, 1997, № 6. С. 114-116.

4. Удор Абрахим. Разработка математической модели системы асинхронного элеюропривода// Тез. докл. международной научно-техн. конф. «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (ПРОГРЕСС - 98) -Иваново: 1998. -С. 398.

5. Заявка на патент № 94011333/09(011002)/ Архангельский Н. Л., Курнышев Б. С., Лебедев С. К., Виноградов А. Б., Чисгосердов В. Л., Сибирцев А. Н., Удор Абрахим. Опубликовано в бюллетене изобретений № 23,1996, приоритет 30. 03 .94.



ИВАНОВСКИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИ* УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

УДОР Абрахим

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ ФОРМИРОВАНИЯ ПЕРЕМЕННЫХ В РЕГУЛИРУЕМЫХ СИСТЕМАХ мИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ-АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ"

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

Диссертация иа соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Г~зярор технических наук Курнышев B.C.

Научный консультант: кандидат технических наук Виноградов А.Б.

Иваново - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ 9

1.1. Анализ известных математических моделей асинхронного двигателя с целью их применения в разработке микропроцессорных алгоритмов управления 9

1.2. Выбор математической модели асинхронного двигателя 17

1.3. Учет насыщения машитопр"«ода 25

1.4. Учет потерь в стали 28

1.5. Учет механических и дополнительных потерь 36

1.6. Выводы 37

2. ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ ФОРМИРОВАНИЯ ПЕРЕМЕННЫХ В СИСТЕМЕ "ФОРМИРОВАТЕЛЬ АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ - ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ - АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ" 39

2.1. Микропроцессорное формирование алгоритмов управления инвертором напряжения 39

2.2. Модель системы "формирователь алгоритма управления -

- инвертор напряжения" с идеальными силовыми ключами 42

2.3. Модель инвертора напряжения с учетом неидеальности ключей 61

2.4. Оценка точности математической модели при учете неидеальности ключей инвертора напряжения 69

2.4.1. Расчет модуля и фазы вектора ошибки 69

2.4.2. Расчет ошибки по модулю и по фазе вектора напряжения 78

2.5. Компенсация влияния неидеальности ключей инвертора напряжения 83

2.5.1. Компенсация влияния неидеальности ключей на характеристики ЭП при управлении мгновенными

значениями переменных 83

2.5.2. Компенсация влияния неидеальности ключей на характеристики ЭП при управлении усредненными

значениями переменных 85

2.6. Обоснование возможности перехода к управлению

по эквивалентным значениям переменных 92

2.7. Выводы 96

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ 98

3.1. Методика опр деления механических потерь 100

3.2. Определение параметров схемы замещения асинхронного двигателя 101

3.3. Разработка алгоритмов автоматизированного определения параметров системы АЭП (ИН-АД-механизм) 111

3.4. Выводы 117

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ 118

4.1. Описание экспериментальной установки 118

4.2. Структура системы управления асинхронным электроприводом 122

4.3. Результаты экспериментальных исследований асинхронного электропривода 127

4.4. Выводы 137 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 138 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 140 ПРИЛОЖЕНИЕ 148

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы . Электропривод, построенный на основе транзисторного преобразователя частоты и асинхронного двигателя с коротко-замкнутым ротором является одной из наиболее перспективных и динамично развивающихся систем в области автоматизированных электроприводов. Это обусловлено высокой надежностью, технологичностью изготовления, хорошими массо-габаритными, стоимостными и регулировочными показателями асинхронного двигателя, а также современным уровнем развития электротехнической промышленности и непрерывно совершенствующейся элементной базой.

В настоящее время существует большое количество различных систем управления асинхронным электроприводом, построенных на разных теоретических подходах к управлению его координатами. Эти системы в основном ориентированы на аналоговую, либо аналого-цифровую элементную базу. Аппаратная сложность подобных систем управления, их сложность настройки и невозможность ее автоматизации, а так^г: недостаточная гибкость для эффективного решения задачи адаптации электропривода при изменении режима работы и параметров силового канала создают серьезные проблемы для широкого распространения таких систем. Это обусловило необходимость перехода преимущественно к микропроцессорному управлению асинхронным электроприводом.

Микропроцессорный вариант решения задач управления асинхронным электроприводом становится, в частности, целесообразным, если повышенные требования к его динамическим показателям определяют необходимость построения довольно сложной векторной системы управления, содержащей адаптивные к изменению внешних и внутренних факторов динамические модели, что имеет место, например, в приводах подач металлообрабатывающих станков. Сложность систем управления и, следовательно, целесообразность их микропроцессорной реализации существенно возрастают, если по условиям эксплуатации (взрывоопасные, активные,

агрессивные, запыленные среды) установка датчиков механических переменных нежелательна, либо абсолютно недопустима, например, в ряде механизмов химической, текстильной, горнорудной промышленности.

Другой, более обширной сферой применения асинхронного электропривода с микропроцессорными системами управления являются механизмы и технологические процессы, которые предъявляют основные требования не к регулировочным, а к энергетическим показателям электропривода (КПД, соБф), что предполагает их оптимизацию в процессе его работы. К данной сфере относятся, например, электроприводы общепромышленных механизмов, таких как вентиляторы, насосы, подъемно-транспортные механизмы.

Ориентация на микропроцессорную реализацию систем управления требует поисков новых подходов к решению традиционных задач управления асинхронным электроприводом и, прежде всего, к разработке его математической модели как нелинейного автоматического объекта управления. При этом наиболее сложной и трудно решаемой из всех задач, относящихся к теории асинхронных машин, является задача определения параметров двигателя, которая осложняется их нелинейным характером и зависимостью от многих факторов. Поэтому, несмотря на значительный объем выполненных в этом направлении исследований, указанную задачу нельзя считать окончательно решенной, что и определяет актуальность данной работы.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование алгоритмов формирования переменных и разработка методик определения параметров в регулируемых системах "Инвертор напряжения - асинхронный двигатель (ИН-АД)".

В соответствии с целью работы в ней решаются следующие задачи:

1. Разработка математической модели асинхронного двигателя с ко-роткозамкнутым ротором с учетом нелинейности магнитной цепи, потерь

в стали, механических и дополнительных потерь, позволяющая исследовать процессы в двигателе в статических и динамических режимах работы.

2. Разработка математической модели системы "формирователь алгоритма управления - инвертор напряжения " с учетом неидеальности силовых вентилей, обеспечивающей формирование напряжения на обмотках статора с требуемой частотой и амплитудой.

3. Анализ влияния неидеальности силовых вентилей на характеристики электропривода и разработка алгоритма компенсации такого влияния, а также обоснование возможности перехода к управлению по эквивалентным (усредненным на интервале дискретности) значениям переменных.

4. Разработка алгоритмов автоматизированного определения параметров электропривода по системе ИН-АД, обеспечивающих его заданные характеристики.

Методы исследования

Решение указанных задач выполнено на персональном компьютере (ПК) на основе анализа и синтеза переменных системы в пространстве состояний, использования метода преобразования координатного базиса и методов прикладной математики. Полученные теоретические результаты подтверждены экспериментально.

Научная новизна выполненных исследований представлена следующими положениями:

1. Разработкой модели асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с учетом нелинейности магнитной цепи, потерь в стали и особенностей его работы в системе "ИН-АД".

2. Разработкой математической модели системы "ИН-АД" с учетом характеристик алгоритмов управления и механизма и неидеальности силовых вентилей инвертора напряжения, а также обоснованием возможности перехода к управлению по эквивалентным (усредненным на интервале дискретности по времени) значениям переменных.

3. Результатами анализа влияния неидеальностей ключей ИН на характеристики электропривода и созданием алгоритма компенсации указанного влияния.

4. Разработкой методики определения параметров системы

II и ««

инвертор напряжения - асинхронный двигатель - механизм и определением их зависимости от заданного вектора напряжения.

Практическая ценность. Разработан пакет прикладных программ, позволяющих решать следующие задачи:

- осуществлять анализ динамических процессов в асинхронном электроприводе с преобразователем частоты и с различными вариантами систем управления, построенных на базе как векторных, так и частотных принципов управления;

- осуществлять синтез цифровых алгоритмов управления асинхронным электроприводом;

- осуществлять синтез алгоритмов автоматического определения параметров системы управления асинхронным электроприводом.

Реализация результатов работы . Результаты работы внедрены в учебный и научный исследовательский процесс кафедры "Электропривод и автоматизация промышленных установок" Ивановского государственного энергетического университета, а также используются в опытных конструкторских работах Ивановского филиала ВНИИэлектропривод.

Основныетоложения, выносимые на защиту:

1. Модель асинхронного двигателя с учетом насыщения магнитопро-вода и потерь в стали.

2. Математическая модель "формирователь алгоритмов управления -инвертор напряжения" без учета и с учетом неидеалыюсти силовых ключей инвертора напряжения.

3. Результаты анализа влияния неидеальности ключей ИН, расчет ошибок определения вектора напряжения и способы их компенсации.

4. Методика определения параметров электропривода по системе "ИН-АД".

Апробация работы . Результаты работы, как теоретические так и практические, докладывались и обсуждались

- на международной научно-технической конференции «VIII БЕ-НАРДОВСКИЕ ЧТЕНИЯ» (Иваново, 4-6 июня 1997 г.),

- на XVI научно-технической конференции «Актуальные проблемы электроэнергетики» (Нижний Новгород, декабрь 1997г.),

- на научных семинарах и заседаниях кафедры ЭП и АПУ Ивановского государственного энергетического университета (Иваново, 1996 -1998 г.г.),

- на международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Иваново, 2-5 июня 1998 г.).

Публикации . По результатам проведенных исследований опубликовано 5 печатных работ. Техническая новизна работы подтверждена положительным решением о выдаче патента Российской Федерации.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литера гуры из 76 наименований и двух приложений. Работа содержит 139 страниц машинописного текста, 56 иллюстраций. Общий объем работы 182 страниц.

1. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С КОРОТКОЗАМКНУ ГЫМ РОТОРОМ

1.3. Анализ известных математических моделей асинхронного двигателя с целью их применения в разработке микропроцессорных алгоритмов управления

Разработка математических моделей, предназначенных для решения задач управления асинхронными двигателями, обычно осуществляется с помощью уравнений, составленных на основе теории цепей, а не на базе уравнений поля. Исторически, первый этап моделирования был связан с уравнениями установившихся режимов, но в связи с ростом требований к параметрам систем электроприводов, особенно к их динамическим характеристикам, потребовались математические модели на основе дифференциальных уравнений с сосредоточенными параметрами. Такой подход в последние десятилетия получил наибольшее распространение. Например, для симметричных асинхронных машин с короткозамкнутым ротором при синусоидальном напряжении процессы преобразования энергии в установившимся режиме описываются общеизвестными уравнениями с комплексными переменными [ 8-9, 11, 14, 65]:

118 =-Ет (1. 1. 1)

иг = Ет -Ir.Zr-Ir.Rr.Cl -8)/8; (1. 1.2)

1т=1в + 1г; (1.1.3)

где и8,1« - модули векторов напряжения и тока статора; иг, 1г - модули векторов напряжения и тока ротора; Ега, 1т - модули векторов ЭДС и тока намагничивания статора и ротора; X 8, X г - полное сопротивление обмотки статора и обмотки ротора; 8 - скольжение.

Эта модель приг одна для описания процессов в электрических машинах в установившемся режиме при круговом поле в воздушном зазоре, то есть она применима для самого простейшего частного случая. И даже в этом случае - с точки зрения задач управления АД - в современных работах глубина и объем анализа процессов недостаточны. Возникает так же задача анализа динамических режимов с учетом несимметричных режимов, при наличии спектра гармоник поля в воздушном зазоре и т. п. Поэтому при теоретических исследованиях процессов в АД одной из основных задач является построение наиболее точной математической модели. Необходимость моделирования может возникнуть, например, по следующим причинам:

- если требуется осуществление анализа процессов в АД или синтеза систем управления;

- при проверке адекватности системы моделирующих уравнений, применяемых в системах управления;

- при оценке реакции двигателя на комплекс регулирующих и возмущающих воздействий;

- в случае выявления оптимальных управяющих воздействий при анализе альтернативных решений для формирования динамики двигателя.

Главную информацию об асинхронном двигателе как объекте управления несут дифференциальные уравнения, описывающие процессы преобразования в нем электромеханической энергии. Несмотря на то, что описание отличается известной сложностью, оно однако позволяет более полно рассмотреть работу АД в разных режимах как в статике, так и в динамике. Создание математических моделей особенно целесообразно тогда, когда они пригодны для решения, возможно, более широкого круга задач, объединенных общностью алгоритма. Реальные асинхронные двигатели являются сложными электромеханическими преобразователями энергии. Они характеризуются большим числом связей, как внутри самого двига-

теля, так и с внешней средой (изменение температуры, помехи, влияние других объектов (механизма, инвертора напряжения и т. д.)).

Система дифференциальных уравнений

трехфазного асинхронного двигателя

В данной главе рассматривается построение модели АД и приводятся результаты исследования асинхронных машин на вычислительной машине.

При моделировании приняты следующие допущения:

а) фазы трехфазной машины симметричны и расположены относительно друг друг а под углом 120°;

б) насыщение магнитной цепи не учитывается;

в) поверхность статора и ротора в зоне воздушного зазора считается гладкой, а взаимные индуктивности между роторными и статорными цепями изменяются по синусоидальному закону;

г) потери в стали не учитываются;

д) воздушный зазор равномерен;

е) напряжение питания статорных обмоток имеет несинусоидальный характер.

С учетом таких допущений, дифференциальные уравнения равновесия напряжений трехфазной обмотки статора имеют следующий вид:

(1. 1.4)

(1. 1.5)

(1.1.6)

Соответственно, для трехфазной обмотки ротора:

О = d¥,ra + R rira ; (1. 1.7)

О = + R rifb ; (1.1.8)

d t

d 4> rb

dt

d ¥ re

О = т гс + R г i г с • (1. 1.9)

dt г гс

г де Rs - активное сопротивление обмотки статора, Ом;

Rr - активное сопротивление обмотки ротора (приведенное значение), Ом;

Usa, Usb, Use ~ мгновенные значения фазных напряжений статора, В; isA, isB, isc - мгновенные значения токов фаз статора, А; ira, irb, ire - мгновенные значения токов фаз ротора (приведенные значения), А;

\¡/sa, M'sb, 4>sc - полные потокосцепления фаз статора, Вб; \|/га, ц/гъ, у™ - полные потокосцепления фаз ротора (приведенные значения), Вб;

Полные потокосцепления обмоток статора и ротора определяются выражениями:

2к

VSA = LsÍsa + M1¿SB + М1*8С + M12Co<0)ira + M12Cos(6 - —)irb +

+ M12Cos(6 + ~^-)irc ; (1.1.10)

2n

WSB = MliSA + LgigB + M,ieC + Mî2Cos(0 + y)ira + MI2Cos(6)irb +

2% ч.

+ M j 2Cos(6 - —)irc ; (1. 1. 11)

2л 2%

= М1ЧА + М1^В +Ь818С +М12Со<0-—+М12Со<0 4 +

3 3

+ М12СО8(0)1гс ; (1. 1. 12)

2%

Уга = Цли + М2*гЬ + М2{тс + М12Со8(0)^А + М12Со§(0 + у)1вВ +

2л

+ М12СО8(0 - ~)18с ; (1. 1. 13)

2%

¥ГЬ = М2*га + ЬАь + М2{то + М12Со<0 " у^А + М12Со8(0)^В +

+ М12СО8(0 + ~^)18С; (1. 1. 14)

2% 2л

^гс =М21т +М21гЬ +Ц.1ГС + М12Соф + ~){вА + М12Со<0 - +

+ М 12Сов(9)1вС ; (1. 1. 15)

где в - электрический угол поворота ротора, то есть угол между осями одноименных обмоток статора и ротора, рад;

М12 - максимальное значение взаимной индуктивности между обмотками статора и ротора (соответствует случаю, когда оси одноименных обмоток совпадают), Гн;

М1 - взаимная индуктивность обмоток статора, Гн;

М2 - взаимная индуктивность обмоток ротора (приведенное значение), Гн;

Ьб, 1х - индуктивности обмоток статора и ротора, Гн.

Дл