автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование наблюдателя угловой скорости для асинхронных электроприводов по схеме ТРН-АД

На правах рукописи

Тимошкин Вадим Владимирович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ НАБЛЮДАТЕЛЯ УГЛОВОЙ СКРОСТИ ДЛЯ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПО СХЕМЕ

ТРН-АД

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 НОЯ 2014

005554403

Омск-2014

005554403

Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Научный руководитель: Кандидат технических наук, доцент

Глазырин Александр Савельевич

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор,

профессор кафедры «Электропривода и автоматизации промышленных установок» ФГАУ ВПО «Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Зюзев Анатолий Михайлович

Доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Энергетика» ФГБОУ ВПО «Нижневартовский государственный университет»

Сушков Валерий Валентинович

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный

технический университет им. И.И.Ползунова» (г. Барнаул)

Защита состоится «18» декабря 2014 г. в 14-00 часов на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 212.178.03 в Омском государственном техническом университете по адресу: 644050, Омск, пр. Мира, 11, корпус 6, ауд. 340.Тел./факс: (3812) 65-34-07, e-mail: dissov_omgtu@omgtu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного технического университета и на сайте организации: www.oingtu.ru.

Автореферат разослан «с?2» 2014 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять по адресу: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11, Ученому секретарю объединенного диссертационного совета ДМ 212.178.03.

Ученый секретарь объединенного

диссертационного совета ДМ 212.178.03 ^/v^S^ Лысенко O.A.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность работы. На сегодняшний день электроприводы переменного тока нашли свое применение в различных отраслях промышленности. Больше половины электроприводов построено на основе асинхронных машин, ввиду их неплохих показателей с точки зрения цены и надежности. Асинхронные двигатели (АД) с короткозамкнутой обмоткой активно применяются на производствах, где их необходимая мощность может достигать от нескольких киловатт до мегаватт.

Персептивным решением задач автоматизации и регулирования угловой скорости установок электроцентробежных погружных насосов (УЭЦН), применяемых для добычи нефти, является асинхронный электропривод с тиристорным регулятором напряжения (ТРН-АД). При пуске АД с большой выходной мощностью возникают значительные пусковые токи, которые негативно влияют как на механическую системы электропривода, так и на питающую сеть. Прямой пуск электроцентробежных насосов без ограничений по току и моменту приводит к гидроударам, которые могут привести к нарушению герметичности трубопровода. Устройства плавного пуска (УПП) УЭЦН на базе электропривода ТРН-АД позволяют избежать вышеуказанных неблагоприятных факторов при эксплуатации.

Для повышения эффективности управления как в динамике, так и в статике электропривода ТРН-АД, необходима обратная связь по угловой скорости. Наличие обратной связи по угловой скорости в электроприводе ТРН-АД позволяет осуществить разгон АД по заранее заданной характеристике. Необходимый темп разгона электропривода, при изменяющейся нагрузке на валу двигателя и моменте инерции, возможно обеспечить только при наличии обратной связи. Обратная связь по скорости также дает возможность получить жесткие статические характеристики и повысить устойчивость электропривода при работе на низких скоростях. Для ряда механизмов, например для УЭЦН, установить датчиков скорости на валу двигателя проблематично. В таких случаях следует угловую скорость оценивать с помощь косвенных методов на основе измерения статорных токов и напряжений.

Существенный вклад в создание и усовершенствование асинхронных электроприводов с тиристорным регуляторам напряжения внесли многие российские и зарубежные ученые: Браславский И.Я., Нестеров К.Е., Зюзев A.M. (Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина), Андрющенко O.A., Бойко A.A., Петрушин B.C., Якимец A.M. и др. (Одесский Национальный политехнический университет), I. Cadirci, М. Ermis, М. Rahman (Bilten Information Technologies and Electronics Research Institute, Турция), Saqib, M.A. (Univ. of Eng. & Technol, Lahore, Пакистан), Коваль A.C., Скарыно Б. Б. (Киевский политехнический институт).

Особенностями импульсно-фазового управления статорным напряжением является наличие бестоковых пауз и как следствие несинусоидальный характер токов и напряжений статора. Предложенные решения в области построения наблюдателей угловой скорости ротора для электроприводов ТРН-АД основаны на измерении ЭДС статора в момент бестоковой паузы, при этом точность оценки скорости зависит от продолжительности протекания тока. На величину ЭДС статорных обмоток асинхронного двигателя помимо угловой скорости вращения ротора влияет также флуктуация омических сопротивлений статора и ротора, зависящая от баланса выделяемого и отводимого тепла в электродвигателе. Изменение параметров асинхронного двигателя приводит к неконтролируемому увеличению погрешности оценки угловой скорости. Поэтому для обеспечения заданной точности оценивания угловой скорости ротора при изменении параметров электродвигателя необходимо вводить коррекцию или делать наблюдатель малочувствительным к изменению параметров. Анализ открытых источников не выявил успешно реализованных походов, позволяющих решить данную проблему. Следовательно, представленная диссертационная работа является актуальной и своевременной.

Идея работы заключается в повышении эффективности эксплуатации электроприводов типа ТРН-АД за счет внедрения наблюдателя угловой скорости с компенсацией изменения активных сопротивлений статора и ротора вследствие изменения температурного режима АД.

Объектом исследования является наблюдатель угловой скорости ротора асинхронного электропривода с импульсно-фазовым регулированием статорного напряжения.

Предметом исследования являются методы и алгоритмы оценки угловой скорости асинхронного электропривода по схеме ТРН-АД.

Целью диссертации является разработка и исследование наблюдателя угловой скорости асинхронного электропривода по схеме ТРН-АД с компенсацией влияния изменения омических сопротивлений электродвигателя.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих научных задач:

• Произвести анализ существующих методов оценки угловой скорости ротора АД с импульсно-фазовым управлением. Выявить наиболее перспективные структуры и методы оценки состояния АД.

• Создать имитационную модель асинхронного электропривода в трехфазной системе координат по схеме ТРН-АД с непосредственным управлением ключами.

• Разработать метод предварительной идентификации параметров схемы замещения АД с применением генетических алгоритмов на основе информации полученной с помощью датчиков тока, напряжения и скорости.

• Разработать структуру наблюдателя угловой скорости для электропривода по схеме ТРН-АД, учитывающую его особенности и позволяющую производить оценку скорости с приемлемой точностью.

• Разработать методику расчета коэффициентов наблюдателя угловой скорости с применением генетических алгоритмов и нейронной сети.

• Исследовать работоспособность наблюдателя угловой скорости при изменении активного сопротивления статора и ротора с целью определения диапазона устойчивого управления электропривода.

• Разработать корректирующее устройство для компенсации влияния изменения активных сопротивлений статора и ротора на процесс оценки угловой скорости.

• Произвести экспериментальную проверку полученных результатов.

Методы исследования. Для решения поставленных задач

использовались экспериментальные и теоретические методы исследований. В качестве теоретических методов применялись: математическая модель асинхронного двигателя с короткозамкнутой обмоткой в трехфазной системе координат, математический аппарат генетических алгоритмов и нейронных сетей, основы теории автоматического управления.

Достоверность полученных результатов и выводов диссертационной работы подтверждается как путем использования численного моделирования в программной среде Ма11аЬ БтиПпк, так и реальными экспериментальными исследованиями, которые показали адекватность математических моделей в совокупности принятых допущений.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработана имитационная модель в трехфазной системе координат асинхронного электропривода по схеме ТРН-АД, позволяющая учитывать такие особенности импульсно-фазового управления, как несинусоидальность токов и напряжений и наличие бестоковых пауз.

2. Предложена структура наблюдателя угловой скорости ротора для асинхронного электропривода по схеме ТРН-АД на основе двухфазной математической модели АД и метода оценки момента нагрузки, позволяющая с использованием штатных средств измерения производить оценку скорости во всех статических и динамических режимах электропривода.

3. Предложен метод предварительной идентификации электромагнитных и механических параметров асинхронного двигателя, реализованный на основе генетических алгоритмов при предварительном получении динамических кривых статорных напряжений, токов и угловой скорости электродвигателя.

4. Разработана структура устройства для компенсации влияния изменения активных сопротивлений статора и ротора на процесс оценки угловой скорости наблюдателя в составе электропривода ТРН-АД, позволяющая определять состояние АД и значение необходимого

корректирующего воздействия.

Практическая ценность работы:

1. Разработан алгоритм управления силовыми ключами электропривода с тиристорным регулятором напряжения в виде программного кода на языке С++.

2. Предложены практические рекомендации по процедуре настройки наблюдателя угловой скорости электропривода по схеме ТРН-АД.

3. Разработан автономный программный комплекс «ТРН-АД» в среде ВшШег С++, служащий для исследования и настройки наблюдателя угловой скорости.

4. Предложены технические решения по совершенствованию асинхронных электроприводов, отраженные в патентах РФ на изобретения №102160, №103260, №115984, №123541, №2502079.

Реализация результатов работы. Основные результаты исследований внедрены на предприятии ОАО «НПО» «Сплав» (г. Тула), а именно: методика идентификации параметров схемы замещения асинхронной машины на основе генетических алгоритмов; структура модифицированного наблюдателя угловой скорости для электроприводов ТРН-АД; программный комплекс для исследования электропривода ТРН-АД.

Результаты, выносимые на защиту:

1. Имитационная модель в трехфазной системе координат асинхронного электропривода по схеме ТРН-АД с непосредственным управлением ключами, позволяющая учитывать особенности импульсно-фазового управления.

2. Метод идентификации параметров схемы замещения асинхронной машины на основе массивов данных, полученных с датчиков тока, напряжения и скорости с применением генетических алгоритмов.

3. Предложена структура наблюдателя угловой скорости ротора для асинхронного электропривода по схеме ТРН-АД на основе двухфазной математической модели АД и метода оценки момента нагрузки.

4. Устройство для обеспечения корректирующих воздействий на наблюдатель угловой скорости при изменении активных сопротивлений обмоток статора и ротора АД.

Апробация работы. Результаты, полученные в ходе диссертационной работы, докладывались, обсуждались и получили одобрение на Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии», Томск, 3-5 декабря 2010 г.; на Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии», Томск, 18-22 апреля 2011 г.; на всероссийской научной конференции молодых ученых - Новосибирск, 3-5 декабря 2010 г.; на отраслевой научно-технической конференции - Северск, 17-21 мая 2010 г.; на научных семинарах кафедры электропривода и электрооборудования ЭПЭО Национального исследовательского Томского политехнического

университета.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 работ, в том числе 6 статьей в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, 4 работы опубликованы в сборниках конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, заключения, списка литературы, приложения, выполнена на 162 страницах машинописного текста, содержит 86 рисунка, 29 таблиц, список использованной литературы из 111 наименований и приложение из четырех страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрено состояние проблемы на текущий момент, сформулированы задачи работы и цели, обоснована научная новизна и актуальность.

В первой главе рассмотрены конструктивные решения, разрабатываемые для повышения эффективности управления асинхронного электропривода в составе ТРН-АД в том числе за счет использования обратной связи по скорости. Определена область применения ТРН-АД и перспективные отрасли для внедрения.

Представлено технико-экономическое обоснование выбора электроприводов на примере двух крупных представителей Siemens и Abb.

S, руб

4-Ю5

2-Ю"

О 100 200 кВт О 1UU ZUUKÜT

а) б)

Рис.1. Кривые стоимости преобразователя частоты и тиристорного

регулятора напряжения от мощности: а) Siemens , б) ABB

Установлено, что в России используются как отечественные ТРН (ПТРН-Р1Ш, АСТЭК-02), так и зарубежные разработки (Schneider Electric, Siemens, Danfoss, ABB, Hitachi, Toshiba, Analog Devices). Наибольшая разница в цене ПЧ и ТРН наблюдается у ABB, так например, для мощности 200 кВт она соответствует 420 600 руб. За такую стоимость можно купить четыре привода ТРН-АД вместо одного ПЧ (рис.1).

Рассмотрены перспективные разработки наблюдателей угловой скорости ротора АД при импульсно-фазовом управлении. Определены их достоинства и недостатки. Проанализированы возможные альтернативные варианты построения наблюдателей на примере исследований для электроприводов с векторным управлением. Выявлены основные сложности,

которые могут возникнуть при синтезе наблюдателей угловой скорости при импульсно-фазовом управлении.

Рассмотрены алгоритмы для получения первоначальной информации в виде параметров электродвигателя для синтеза наблюдателей угловой скорости. В результате анализа выявлено, что большинство разрабатываемых методик для идентификации параметров узко специализированы, так как позволяют определять ограниченное число параметров и требуют начальную информацию о электродвигателе в виде момента инерции или индуктивностей обмоток.

На основании проведенного анализа в конце главы сформулирована цель работы и определены задачи исследований.

Во второй главе разработана имитационная модель в трехфазной системе координат асинхронного электропривода по схеме ТРН-АД, позволяющая учитывать такие особенности импульсно-фазового управления, как несинусоидальность токов и напряжений и наличие бестоковых пауз.

Система дифференциальных уравнений, описывающих процессы в статоре и роторе:

: /Ус

¿Ув ¿Ус

ск

0 = ЯЛ +

О = Л.г +

ск

¿Ус ск

■ + (\|/с -\|/0)ш/7з

(1)

где сопротивление фазы статора, /Л,/П,;с- токи статора, I]А,иа,1!с-

напряжения статора, Уа'Ув'Ус- потокосцепление статора, /?г-сопротивление фазы ротора, 'а,'ь>'с~ токи ротора, У^Уь-Ус" потокосцепления ротора, со - угловая скорость вращения вала двигателя.

Матричное представление выше приведенных уравнений в нормальной форме Коши будет выглядеть следующим образом:

¡И-КГ

с1г

[Щ-

Ш„

(2)

где текущие значения матриц представлены ниже:

1л =

-¿т/2 -Ал/2 к -А./2

-4./2 и -А./2 -¿т/2

"¿,„/2 "¿т/2 Ц "А. >2 К

Цп -¿,„/2 -А»/2 -Цп/2 -Ал/2

К -Ао/2 ц -¿т/2

-¿ш/2 К -Ал/2 К .

0 0 0 0 0 0 0 0 л5 о о о о /?г о о о о лг о о о о /?г

к1 = ЗЬт/2 ,к2 =(Ьг + Цп/2); индуктивности по Т-образной схеме замещения АД: Ьт - индуктивность намагничивания, ЬТ- индуктивность ротора, ¿¡. - индуктивность статора.

Момент АД определялся по следующему выражению:

л/3

Имитационная модель АД в трехфазной системе координат была реализована в МаиаЬ2007Ь/81гтш1тк (рис. 2). Для моделирования изменения параметров системы была введена матрица

эквивалентных сопротивлений /?э, с помощью элементов которой можно изменять значение сопротивления как в обмотке статора, так и в обмотке ротора. Момент

электропривода определялся по выражению (3) и далее, согласно основному уравнению

электропривода вычислялась скорость вращения вала двигателя. Для проведения исследования процессов в электроприводе ТРН-АД была разработана имитационная модель в Ма11аЬ2007Ь/81шиПпк (рис. 3). Она состоит из трех пар встречновключенных тиристоров (У81...У86) ключей К1, К2, КЗ, и блока реверса. Тиристоры управляются с помощью сигналов, ,г0| ,12 ,1т ,¿3 ,?03. Элементы силовой части выполнены на основе блоков, взятых из библиотеки SimPowerSystems.

Формирование управляющих сигналов осуществляется с помощью блока управления. Данный блок состоит из двух частей. Первая отвечает за синхронизацию с сетью и формирование импульсов при переходе синусоидального напряжения через ноль. Вторая формирует непосредственно управляющие импульсы для тиристоров. На рис. 4 показаны переходные процессы по скорости, а на рис. 5,6 показаны диаграммы напряжений и токов электропривода ТРН-АД.

1А " 0 0 0 0 0 0 0

1В 0 0 0 0 0 0 0

= 1с <„ ¿2 = 0 0 0 К 0 -К 0 0 0 к2 0 -к2 /? = 0 0 0 0

Ч -к 0 к кг 0 кг 0 0

Л. к -К 0 К -к2 0 0 0

до 1 ш « с и а

где гР - число пар полюсов.

Рис. 2. Структура имитационной модели АД в трехфазной системе координат

Измерение напряжений

Рис. 3. Имитационная модель асинхронного электропривода по схеме

ТРН-АД

Рис. 4. Переходные процессы скорости 1- разомкнутая система; 2 - задание на скорость; 3 - ТРН-АД замкнутый по датчику скорости; 4 - ТРН-АД замкнутый по наблюдателю

Рис. 5. Диаграммы выходных Рис. 6. Переходные процессы

напряжений ТРН статорных токов

На рис. 7,8 представлены показатели статики и динамики для электропривода по схеме ТРН-АД в виде интегральных ошибок при различных задающих воздействиях. Из диаграмм видно, что разомкнутая система электропривода не позволяет контролировать пуск АД и отрабатывать заданную скорость. Система, замкнутая по сигналу с наблюдателя угловой скорости ротора, имеет приемлемые показатели

интегральных ошибок, которые сопоставимы с показателями системы,

угловой скорости, установленного

замкнутой по сигналу с датчика непосредственно на валу двигателя.

Дш,%

Дсо,%

_ ______ _ _ И (й,

150 140 130 120 110 100 90 80

Рис. 7. Зависимость интегральной ошибки по скорости для динамики электропривода по схеме ТРН-АД 1 - разомкнутая система; 2 - система с датчиком угловой скорости; 3 - система с наблюдателем угловой скорости

150 140 130 120 110 100 90

■ I

■ 2

' 3

О),

рад/с

Рис. 8. Зависимость интегральной ошибки по скорости для статики электропривода по схеме ТРН-АД 1 - разомкнутая система; 2 - система с датчиком угловой скорости; 3 - система с наблюдателем угловой скорости

Третья глава посвящена разработке метода идентификации параметров схемы замещения асинхронной машины на основе массивов данных, полученных с датчиков тока, напряжения и скорости с применением генетических алгоритмов (ГА).

Представлена, разработанная структура устройства для компенсации влияния изменения активных сопротивлений статора и ротора на процесс оценки угловой скорости наблюдателя в составе электропривода ТРН-АД.

Подтверждено, что применение ГА позволяет за счет использования вероятностных правил успешно решать задачу глобальной оптимизации при идентификации параметров АД как сложных нелинейных дииамических объектов в составе электропривода по схеме ТРН-АД.

—,/„.

Модель АД

"И

БПК2 Блок отработки невязки

(0

Рис. 9. Структурная схема идентификации параметров АД с помощью ГА БПК1 ,БПК2 - блоки преобразования координат; БП1, БП2 - блоки памяти

Идентификация параметров АД осуществлялась на основе структурной схемы рис.9, где й = [С/А £/„ ис]' - вектор входных сигналов статорных напряжений С/А,£/в,(Ус; мар = [{7а (7р]г-вектор входных сигналов напряжений в двухфазной неподвижной системе координат а,(3; ' = [/Л 'в /с]' -вектор

статорных

токов;

- вектор

статорных токов в двухфазной неподвижной системе координат а, (3; = [/а ^р] Т ~ вектор оценок статорных токов в двухфазной неподвижной

системе координат а,(3; г = |Д 1г Ьт у Мс[ МС2] - вектор

оценок параметров АД; Мс]- момент нагрузки холостого хода; МС2- момент нагрузки; Д- невязка, характеризующая точность оценки параметров; юдв- угловая скорость АД; ш - оценка скорости АД; А - ошибка, характеризующая точность оценки параметров, содв - скорость

электродвигателя, ю - оценка скорости электродвигателя.

С помощью датчиков тока статора и угловой скорости снимаются массивы данных / ,содв для соответствующих входных воздействий к, которые затем записываются в блоки памяти (БП1), (БП2). Полученные входные воздействия напряжений преобразуются в двухфазную систему координат с помощью блока преобразования координат (БПК1) йа/1 и

подаются в блок имитационной модели АД, где на выходе формируется вектор оценки токов /ар. В блоке отработки невязки сравниваются расчетные значения оценок тока /а„ и значения, полученные непосредственно с двигателя /ар. В итоге вычисляется ошибка А, на основании ее в блоке ГА

формируется вектор оценки параметров двигателя г .

На основе данных, полученных для серии АД, с помощью ГА был настроен нейросетевой аппроксиматор, который позволяет на основе параметров АД и системы управления определять настроечные коэффициенты наблюдателя угловой скорости.

Для определения угловой скорости асинхронного электропривода ТРИАД была предложена следующая структура наблюдателя угловой скорости

(рис. 10). В основе наблюдателя угловой

скорости для ТРН лежит модель в двухфазной неподвижной системе

координат и блок отработки невязки.

Принцип работы

наблюдателя заключается в нахождении оценки момента нагрузки на валу двигателя путем минимизации ошибки А/ . Как только будет найдена оценка Мс получим на выходе адекватную оценку

Рис. 10 Структура наблюдателя угловой скорости ротора для АД при импульсно-фазовом управлении

скорости ш. Как в статике, так и в динамике, статорные токи имеют нелинейную зависимость от текущего момента двигателя. Если принятьМс а Мдв, то приближенное определение момента нагрузки АД и его можно представить как:

мс

(4)

где

2 + / 2

■'•■и

2 Л 2

/а + /„ - результирующий модуль тока статора

и его оценка; Кг1 - нелинейный коэффициент, характеризующий связь между моментом нагрузки и током электродвигателя; Кг1 - нелинейный коэффициент, характеризующий связь между оценкой момента нагрузки и оценкой тока статора электродвигателя.

Коэффициент Кг1 имеет нелинейный характер, так как зависит от величины приложенного напряжения к статорным обмоткам, а также от текущей нагрузки на валу двигателя. Если принять во внимание, что мы имеем адекватные параметры схемы замещения для математической модели асинхронного двигателя в неподвижной системе координат, то данное равенство можно принять за тождественное Кл = Кг2. Тогда момент оценки нагрузки будет определяться как:

Мс-К?ЕГ\1к /я ,

КРЕГ- коэффициент пропорционального регулятора.

Наблюдатель скорости описывается следующей дифференциальных уравнений:

~ = 7-К СО " (0 + *"ЛV.(О + ^грсо(Оур (О]

Ш Ь,;

(5)

системой

ск ск

у,а)/.]

Мс(0 = кГЕГ\1к -¡1

= /? Д Л« (г) - АгVга СО - грШФ,(0

(6)

где К, = Ьт / ¿г, Лг = Л, / ¿г, Кт = 1,5К,1?, ¿е = Ь, + С / ¿г, ЛЕ = + Яг К, -вспомогательные коэффициенты; ,С/р - статорные напряжения АД в

двухфазной системе координат; /а, /3 — оценки токов в двухфазной системе координат; ф0,- оценки потокосцепления в двухфазной системе

координат; /?5,/?г- активные сопротивления статора и ротора; индуктивность статора и ротора; У-момент инерции.

В пространстве состояний наблюдатель можно представить в виде следующей структурной схемы (рис. 11).

т

Рис. 11 Наблюдатель скорости в пространстве состояний БРМ - блок расчета момента АД, БРМТ - блок результирующего модуля тока, |а| - вычисление модуля СДУ в пространстве состояний для наблюдателя угловой скорости на основе математической модели АД в двухфазной системе координат:

(7)

- /?Е /¿Е 0 КгАг!Ц

с! 0 Кггр&1Ц: КЛ

ск 0 КГКГ К 0

ТР. Я, 0 А, 0

э

О

о о

А =

О О

О

и иэ о о о

ККг

о

1(0

КАг!Ье КГ1Р &/Ц, Аг г„и

Кггр&>ИЕ К А.

[4.(0/13 0 ^ '1.Ж

0 з > х =

0 0 0

, 0 0 у , 0 ,

Электромеханическая часть, описывается с помощью следующих уравнений: момент оценки

М(0 = кик( О^О-УрШО], (8)

оценка скорости

^ = у(м(0-Мс(0),где МС0) = КТЕГ\1„-1Й\ • (9)

ш,

рад/с. 2-М Нм 100

50

Рис. 12. Переходные процессы по скорости и моменту АД: 1 - угловая скорость АД СОдв , 2 - скорость задания 00ЗАД; 3 - оценка скорости СО ;

4 - момент АД

Из данных процессов видно, что ТРН-АД отрабатывает заданную скорость. Максимальная ошибка по скорости, току наблюдается в начале переходного процесса пуска.

Для повышения эффективности работы наблюдателя угловой скорости ротора необходимо вводить пропорционально-интегральный принцип отработки невязки, что увеличивает скорость сходимости и повышает точность оценки (рис. 11).

В ходе исследования наблюдателя на робастность было установлено, что при изменении параметров электродвигателя появляются автоколебания в оценке скорости. Было выявлено, что основной причиной этого является то, что параметры схемы замещения для наблюдателя остаются прежние, а непосредственно у двигателя изменяются. Чем ниже скорость, тем существеннее происходит влияние изменения состояния АД на работу наблюдателя. Как показали исследования электропривод может продолжать отрабатывать заданную скорость с определенной погрешностью, но не во всем диапазоне.

На рис. 12 представлена структурная схема блока смещения БСМ, с помощью которого повышается робастность и эффективность работы электропривода ТРН-АД. Принцип данного подхода заключается во введении адаптивного смещения в контур обратной связи по скорости. Было установлено, что чем выше скорость, тем стабильнее ведет себя наблюдатель

-Мс(0),где Мс(0 = КРЕГ|/я -/

при изменении параметров АД. Принцип ввода корректирующего воздействия (рис.12) основан на следующем: как только оценка момента сопротивления Мс попадает в область ограничений, которая обычно выбирается в пределах от 0 до 1,05А/Н, то это свидетельствует о наличие изменения параметров АД. Так как в системе уже присутствует небольшой сдвиг, то при попадании Мс в область ограничений, ДА/ увеличивается. Для уменьшения пульсаций и определения заданной величины смещения в контур скорости вводится апериодическое звено с постоянной времени Т2 и коэффициентом усиления к3, которые выбираются экспертом исходя из текущих условий.

Рис. 12. Структурная схема блока смещения БСМ

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям. Экспериментальная установка предназначена для исследования асинхронного электропривода, выполненного по схеме ТРН-АД. В качестве нагрузки используется машина постоянного тока. Внешний вид экспериментальной установки представлен на рис. 14. Сбор данных производился при помощи платы 6024Е фирмы National Instruments, позволяющая оцифровывать сигналы датчиков с периодом дискретизации 100 мкс или 200 точек на период при частоте 50 Гц, квантование по уровню осуществляется 12 разрядным АЦП с погрешностью (1/4096)* 100% или не более 0,024%.

Для исследования режимов электропривода ТРН-АД был разработан программный комплекс в среде С++ Biulder с интуитивно понятным интерфейсом, который позволяет производить исследования как на имитационной модели, так и на экспериментальной установке.

Параметры схемы замещения АД были получены путем использования разработанного алгоритма идентификации на основе ГА. Полученные результаты идентификации представлены в табл. 1.

Таблица 1. Параметры АД, полученные в результате идентификации

Параметр Rs , Ом R,, Ом ¿s, Гн L,, Гн

Минимальное значение 104 10 4 10"4 Ю"4

Максимальное значение 100 100 2 2

Оценка 46,086 45,699 1,106 0,929

Параметр ¿т,Гн J у , кг -м2 Мс1 ,Нм М с2 ,Нм

Минимальное значение 10"4 10"4 10" Ю"4

Максимальное значение 2 0,1 10 10

Оценка 0,924 0,0045 0,11 0,34

При анализе полученных данных (табл. 2) было установлено, что максимальная ошибка по скорости Дсота). не зависит от угла управления и наблюдается в момент переходных процессов, т.е. при пуске или торможении.

Погрешность оценки скорости колеблется от 2% до 8% в зависимости от текущей нагрузки на валу двигателя и угла задания.

Трехфазная 1рапсформагорнаи г руниа

Рис. 14. Внешний вид экспериментальной установки ТРН-АД

При работе на небольших углах управления ошибка по скорости в статике не превышает 3%, что подтверждают переходные процессы на рис 15,16.

Таблица 2 _ _____

а ,град А/тах .А д»тал .рад^с ЛсоПр. Дш, Д/,

рад/с о.е. о.е.

а,„1„ 0,03 8 2,1 0,036 0,042

40 0,044 9,5 4,8 0,04 0,051

60 0,055 12 9,5 0,08 0,075

а- угол управления; А/тах,Дсо„

значения максимальных абсолютных

ошибок по току и скорости для наблюдателя; Дсйг] оценки скорости при набросе нагрузки; Дсо, Д/-ошибок по скорости и току для наблюдателя.

Пуск

1Р- абсолютная ошибка интегральные значения

рад/с /100, А

100

Рис. 15. Переходные процессы по Рис. 16. Переходные процессы по скорости и току при скорости и току при а=60°

Повысить эффективность работы наблюдателя можно за счет более лучшей идентификации параметров схемы замещения АД с помощью ГА.

Несинусоидальности напряжений и токов, подаваемых на вход разработанного наблюдателя угловой скорости не влияют на его работоспособность. Наблюдатель производит оценку скорости с приемлемой точностью, что позволяет повысить качество пуска, обеспечить заданный темп разгона.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие результаты:

1. Технико-экономический анализ показал обоснованность и целесообразность применения для решения определенного круга задач электроприводов типа ТРН-АД.

2. Разработана имитационная математическая модель асинхронного электропривода ТРН-АД, учитывающая особенности формирования напряжений, подаваемых на обмотки АД, в результате изменения угла управления. Учтено влияние несинусоидалыюсти напряжений на переходные процессы путем использования имитационной модели АД в трехфазной системе координат.

3. Разработан метод идентификации параметров схемы замещения асинхронной машины на основе генетических алгоритмов с возможностью одновременно определять электромагнитные и механические параметры АД на основе данных, полученных с датчиков тока, напряжения и скорости.

4. Предложена структура наблюдателя для оценки угловой скорости электропривода, выполненного по схеме ТРН-АД, позволяющая определять оценку скорости с учетом текущей нагрузки на валу двигателя.

5. Разработано корректирующее устройство для компенсации влияния изменения активных сопротивлений статора и ротора на процесс оценки угловой скорости наблюдателем в составе электропривода ТРН-АД.

6. Разработано программное обеспечение для экспериментального исследования и моделирования характеристик электропривода ТРН-АД с интуитивно понятным интерфейсом.

7. Проведена апробация и исследование наблюдателя угловой скорости на лабораторной установке ТРН-АД. Несмотря на значительную несинусоидальность статорных напряжений и токов, а также наличие токовых пауз, вызванных особенностями работы тиристорного регулятора, модифицированный наблюдатель скорости показал приемлемые результаты.

Научные публикации по теме диссертации в изданиях, рекомендованных

ВАК

1. Идентификация параметров механической системы на примере вибрационного электромеханического преобразователя энергии / В.В.Тимошкин, A.C. Глазырин, C.B. Цурпал, Т.А. Глазырина // Известия Томского политехнического университета. 2010. - Т. 316, № 4. - С. 174-177.

2. Исследование параметрической робастности бездатчикового векторного асинхронного электропривода с идентификатором Калмана / В.В. Тимошкин, C.B. Ланграф, A.C. Глазырин, Т.А. Глазырина, К.С. Афанасьев, JI.E. Козлова // Известия Томского политехнического университета, 2010. - Т. 317 -№ 4. - С. 120-123.

3. Нейросетевая идентификация и диагностика электрических машин в условиях сильных импульсных помех / В.В. Тимошкин, Р.Ю. Ткачук, A.C. Глазырин, В.И. Полищук, Т.А. Глазырина, JI.E. Козлова // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока.-2011-№. 2-С. 282-285.

4. Тимошкин В.В. Разработка наблюдателя скорости для системы управления асинхронного электропривода с тиристорным регулятором напряжения / В.В. Тимошкин, Л.Е. Козлова, A.C. Глазырин // Фундаментальные исследования. -2012 - №. 9, ч.З - С. 656-661.

5. Функциональная вейвлет-диагностика состояния обмоток роторов трехфазных электрических машин/В.В. Тимошкин, Т.А. Глазырина, В.И. Полищук, A.C. Глазырин // Электричество. - 2012.- № 6 - С. 42-46.

6. Разработка и исследование нейросетевого регулятора для электропривода с механической нагрузкой типа "пара трения" /В.В. Тимошкин, A.C. Глазырин, C.B. Ланграф, Л.Е. Козлова, Т.А.-Глазырина, К.С. Афанасьев // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2011. - №. 1 (23).-С. 171-177.

Другие научные публикации по теме диссертации:

7. Тимошкин В.В., Нейросетевой датчик скорости двигателя постоянного тока /

B.В. Тимошкин, Л.Е. Козлова, A.C. Глазырин // Технология и автоматизация атомной энергетики и промышленности: Материалы отраслевой научно-технической конференции - Северск, 17-21 мая. - 2010: СТИ НИЯУ МИФИ, 2010.-С. 66.

8. Тимошкин В.В., Синтез и настройка нейронных сетей для задач электропривода, аппроксиматор на основе нейронной сети / В.В. Тимошкин, A.C. Глазырин, Глазырина Т.А. // Современные техника и технологии: Сборник трудов XVI Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых - Томск, 12-16 апреля 2010. - Томск: ТПУ, 2010. -

C. 480-482.

9. Тимошкин В.В., Управление электромеханическими системами с отрицательным вязким трением / В.В. Тимошкин, A.C. Глазырин // Наука. Технологии. Инновации: Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых - Новосибирск, 3-5 декабря 2010. - Новосибирск: НГТУ, 2010. -С. 199-200.

10. Тимошкин В. В. Очистка от шума сигналов в диагностических комплексах и каналах обратных связей электропривода / В.В. Тимошкин, A.C. Глазырин, Т.А. Глазырина // Современные техника и технологии: Сборник трудов XVII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых: в 3 т., Томск, 18-22 Апреля 2011. - Томск: ТПУ, 2011. - Т. 1 -С. 544-545 - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

Патенты и свидетельства о регистрации:

11. Пат. №102160 РФ. МПК Н02Р 21/13 (2006.01), Н02Р 27/08 (2006.01). Устройство управления асинхронным двигателем / В.В. Тимошкин, К.С. Афанасьев, Т.А. Глазырина, A.C. Глазырин, JI.E. Козлова, C.B. Ланграф. Заявка № 2010135746; Опубл. 10.02.2011, Бюл. №4.-2 е.: ил.

12. Пат. №103260 РФ. МПК Н02Р 21/00 (2006.01), Н02Р 27/08 (2006.01). Устройство управления асинхронным двигателем / В.В. Тимошкин, JI.E. Козлова, Т.А. Глазырина, A.C. Глазырин, C.B. Ланграф, К.С. Афанасьев. Заявка № 2010135993; Опубл. 10.02.2011, Бюл. №4.-2 е.: ил.

13. Пат. №115984 РФ. МПК Н02Р 23/14 (2006.01). В.В. Тимошкин, Устройство для определения оценки частоты вращения асинхронного двигателя / A.C. Глазырин, Р.Ю. Ткачук, Т.А. Глазырина, К.С. Афанасьев, Д.В. Гречушников, C.B. Ланграф. Заявка № 2011136412/07; Опубл. 13.05.2012, Бюл. № 13.-2 с.: ил.

14. Пат. №123541 РФ. МПК G01R 31/34 (2006.01). Устройство для определения параметров асинхронного двигателя / В.В. Тимошкин, A.C. Глазырин, Т.А. Глазырина, Р.Ю. Ткачук, В.И. Полищук. Заявка №2012132379/28; Опубл. 27.12.2012, Бюл. № 36. - 2 е.: ил.

15. Пат. №2502079 РФ МПК G01R 31/34 (2006.01), Способ определения параметров асинхронного электродвигателя / В.В. Тимошкин, A.C. Глазырин, Т.А. Глазырина, Р.Ю. Ткачук, Полищук В.И. Заявка №2012132986/28; Опубл. 27.07.2012.

Личный вклад автора В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат: в публикациях [1] - исследование и разработка алгоритма идентификации (60%); [2] - схема организации электропривода (25%); [3] - выбор оптимальной структуры нейронной сети и параметров для обучения сети (40%); [4] - имитационная модель ТРН-АД, технико-экономическое обоснование (75%); [5] - алгоритм обработки сигналов с помощью вейвлетов (50%); [6] - синтез нейросетевого контроллера (70%) [7,8,] - структура нейронной сети, обучение (60%); [9] -структура нейросетевого регулятора, выбор обучающей выборки и обучение ИНС (70%); [10] - алгоритм очистки сигналов (60%); [11] - исследование и проверка работоспособности фильтра Калмана на имитационной модели (30%); [12] - выбор оптимальной структуры нейроэмулятора (40%); [13] - схема организации устройства для определения частоты вращения (35%); [14] - схема организации устройства для идентификации параметров (55%); [15] - алгоритм идентификации с помощью ГА, способ отработки невязки (55%).

Подписано к печати 16.10.2014. Формат 60x84/16. Бумага «Снегурочка». Печать XEROX. Усл. печ. л. 0,99. Уч.-изд. л. 0,89. _Заказ 1023-14. Тираж 100 экз._

# Национальный исследовательский Томский политехнический университет Система менеджмента качества Издательства Томского политехнического университета .„_.._Сертифицирована в соответствии с требованиями ISO 9001:2008

излатеаьствоУтпу. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30 Тел./факс: 8(3822)56-35-35, www.tpu.ru