автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование системы векторного управления синхронным реактивным электромеханическим преобразователем

г>

I т

На правах рукописи

Калачиков Павел Николаевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ СИНХРОННЫМ РЕАКТИВНЫМ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург -1997

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете им. В.И.Ульянова (Ленина).

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Коськин Ю. П.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Поляхов Н.Д. кандидат технических наук Яковлев A.B.

Ведущее предприятие - АО "Электросила"

Защита состоится 1997 г. в _часов на

заседании диссертационного совета К 063.36.08 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета имени В.И.Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул.Проф.Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан" ? " \ 997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

БалабухА.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последнее десятилетие наблюдается быстрое развитие электроприводов со статическими преобразователями частоты (СПЧ), в схемах которых используются высокоскоростные переключающие устройства. Эти новые преобразователи частоты имеют высокую удельную мощность, низкие потери в силовых ключах и широкий диапазон частот на выходе.

Развитие СПЧ привело к появлению электрических машин, специально проектируемых для использования с этими новыми высококачественными преобразователями.

Одним из видов таких машин являются синхронные реактивные электромеханические преобразователи (СР ЭМП), оснащенные аксиально-ламинированным ротором или ротором с внутренними немагнитными барьерами. Такие электрические машины в малополюсном исполнении не уступают, а зачастую и превосходят асинхронные двигатели по массогабаритным и энергетическим показателям, выгодно отличаясь от последних легкостью управления. При этом СР ЭМП новых конструкций имеют практически ту же стоимость, что и асинхронные, и могут производиться на том же технологическом оборудовании, что дает им заметное преимущество перед дорогими электромеханическими преобразователями с постоянными магнитами на роторе.

Таким образом, электромеханотронные преобразователи на базе СР ЭМП, совмещенных с СПЧ и системой управления и защиты, называемые синхронными реактивными двигателями (СРД) дают возможность создавать недорогие и надежные исполнительные устройства для различных областей применения, таких как сложная бытовая техника, электроинструмент, электротранспорт, медицинское и социально-реабилитационное оборудование и т.д.

При создании электромеханотронных преобразователей для указанного класса применений необходима разработка такой системы управления, которая, при сохранении достаточно широкого диапазона регулирования обеспечивала бы работу электромеханотрон-ного преобразователя с максимально высоким КПД при низкой себестоимости. Исследования в этой области являются весьма актуальными.

Цель работы - разработка и исследование системы векторного управления СР ЭМП с косвенным заданием положения вектора тока статора путем соответствующей модуляции фазных напряжений.

Основные задачи исследования:

• Описание СР ЭМП как объекта регулирования с учетом питания от статического преобразователя частоты с широтно-импульсной модуляцией фазных напряжений.

• Разработка законов векторного управления СР ЭМП с косвенным заданием положения вектора тока статора.

• Исследование динамических процессов в системе векторного управления СР ЭМП.

• Разработка схем реализации системы векторного управления СР ЭМП.

• Изготовление лабораторной установки и проведение экспериментальных исследований системы векторного управления СР ЭМП.

Методы исследования. Исследование выполнялось с использованием методов математического моделирования электромеханических систем с полупроводниковыми преобразователями, тензорного анализа, векторно-матричной алгебры, современной теории управления (метод пространства состояний), численных методов расчета с использованием ЭВМ, методов символьной математики пакета программ МАТНСАР 6.0+.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• Впервые получен ряд математических моделей и структур СР ЭМП с СПЧ в различных системах координат;

• Разработаны и исследованы законы векторного управления СР ЭМП с позиционной модуляцией фазных напряжений;

• Проведена оценка влияния изменения параметров на точность этихзаконов;

• Получены линеаризованные модели и структурные схемы СРД

• Определены области неустойчивой работы СРД в случае использования позиционной модуляции фазных напряжений.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

• Предложена и испытана новая схема блока силовых ключей СПЧ с использованием бутстрептного способа питания управляющих цепей силовых транзисторов без применения дополнительных источников напряжения, обеспечивающая широкий диапазон регулиро-

вания, высокий КПД и надежную защиту от токовых перегрузок при низкой себестоимости и высокой технологичности в изготовлении;

• Разработана и испытана схема аналогового варианта системы векторного управления СР ЭМП;

• Разработана структура и алгоритмы микропроцессорной реализации системы векторного управления СР ЭМП, а так же пример программы для микропроцессора.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались на 2-й Всесоюзной научно-технической конференции по электромеханотронике, Санкт-Петербург, октябрь 1991 г., на региональных научно-технических конференциях "Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири", г. Иркутск, апрель 1994 г. и апрель 1995 г., на Всероссийской научно-технической конференции "Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири", г. Иркутск, октябрь 1994 г., конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ, Санкт-Петербург, 1994-1996 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано семь печатных работ, из них шесть тезисов докладов и одна статья.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего 128 наименований и двух приложений. Основная часть работы изложена на 124 страницах машинописного текста. Работа содержит 70 рисунков и одну таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определена научно-техническая проблема, актуальность и значение ее решения, современное состояние, цель, новизна работы, сформулированы задачи исследований, основные положения, выносимые на защиту, а так же практическая значимость полученных результатов.

В первой главе анализируются процессы в энергетической подсистеме СРД, образованной синхронным реактивным электромеханическим преобразователем и статическим преобразователем частоты. Сформулированы требования и определены пути получения

моделей энергетической подсистемы СРД, пригодных для анализа и синтеза СРД и учитывающих процессы перераспределения и обмена энергией между первичным источником питания, фильтрующим конденсатором на входе инвертора и синхронным реактивным электромеханическим преобразователем при коммутации силовых ключей инвертора по различным законам.

Получена математическая модель синхронного реактивного электромеханического преобразователя, записанная в фазной системе координат, отличающаяся от известных использованием матричной формы записи и представлением дифференциальных уравнений в нормальной форме Коши с выражением всех переменных величин через измеряемые параметры 1_т, 1_то, Ц, г,. Предложенная форма математического описания СР ЭМП обеспечивает получение совместной модели СР ЭМП с СПЧ путем объединения систем уравнений, описывающих эти структурные элементы СРД с помощью уравнений связи. Кроме того, уравнения СР ЭМП, представленные в матричной форме, дают возможность с помощью аппарата тензорного анализа получить математически корректные соотношения между параметрами СР ЭМП в фазных координатах и используемой при синтезе САУ вращающейся синхронно с ротором системой координат Л,4,0.

Впервые получена система уравнений (1)-(9), описывающая процессы, происходящие в энергетической подсистеме СРД с учетом влияния неуправляемого выпрямителя и емкости фильтрующего конденсатора:

(й4 -Я56)-исар +(Яз62 -ЯХ-Я56)-1а +(Я562 + Яз42 -ЯЕ-Яэ,. -ЯХ-^ч,,

—

0)

(Я82 -ЯзеКзр+^б2 -ЯЕ-ЯЗеЦ +(я$62 +Яз22 -ЯЕ-Я5В -ЯЕ-Яз2Ц

«ас- —

(2)

. __ е, -га-(3-И87 +ЯЕ)-исар +Яз7 -([Ьв-Яа^ч,+ На7 (Яз6 -Яз4)чь

Я2-Я7

Ик, = "

й. —I

А

(2.1в+3.1в+3.11в)..(2.1в-3.1я+3-д

(5)

(I. -2 л'ь" 3

+3-Ьт -[К +31, -г, +3-.ь-г,)+Щ2-1а +3-д -(¡з Ч) -со]-соз(2-е). 4{2-15+3-д-(иа+3.1ь-г,-2-ц]С)-9-1т2-л/3-(1ь+2ча)-со

(г-^+з^+з-д^.^-з^+з-д

-3-Р„

М = ^-Ьт{(1а2-2-1а-1ь-2-1ь2)-зт(2-е)Ч->/3-(1а+2-]ь).со5(2-0)]

л

-9=со

(6)

(7)

(8) (9)

где со - частота вращения ротора; 0 - угол поворота ротора; М -электромагнитный момент на валу; М5- момент сопротивления; рр-число пар полюсов; Л - момент инерции ротора; ¡а,1ь,1с- токи фаз; иаЬ,иье,иас- линейные напряжения; о - сопротивление фазы статора; 1_т,1_т0- соответственно амплитуда первой гармоники и среднее значение главной индуктивности фазы; и- индуктивность рассеяния обмотки фазы статора; ^.и^р- ток и напряжение фильтрующего кон-

денсатора;Яз1...К57 - эквивалентные сопротивления, имитирующие состояние силовых ключей и неуправляемого выпрямителя; ег ЭДС неуправляемого выпрямителя.

Использованные модели силовых ключей инвертора дают возможность моделировать работу СРД при различных способах и законах управления ключами, в том числе и с использованием широтно-импульсной модуляции.

Применение записи уравнений СР ЭМП в фазной системе координат по сравнению с существующими моделями, представленными в осях с!,д,0, значительно уменьшает общее количество уравнений системы за счет исключения операций преобразования координат на каждом шаге интегрирования, за счет чего уменьшает необходимые для решения системы затраты машинного времени и увеличивает точность расчетов.

Во второй главе с помощью тензорного анализа проделан строгий математический вывод уравнений динамики СРД при питании фазных обмоток от управляемых источников напряжения, путем преобразования переменных и параметров полученных в первой главе уравнений СР ЭМП к вращающейся синхронно с ротором системе координатных осей При сопоставлении исходных и преобразованных выражений показано, что при записи вектора входного воздействия (вектора тока для управляемого источника тока или вектора напряжения для управляемого источника напряжения) через его амплитуду и фазу, эти составляющие являются инвариантными по отношению к выбранной системе координат. При этом отпадает необходимость в блоке преобразователя координат, используемом при традиционном построении системы векторного управления, когда управление ведется по законам, работающим во вращающейся системе координат с1,я,0. Кроме того, законы, разработанные в системе координат с1,ц,0 при выражении вектора входных воздействий через его амплитуду и фазу, могут без изменения формы применяться при построении системы векторного управления в фазных координатах.

Полученная динамическая модель (рис.1) позволила впервые получить уравнения статического режима СРД, в том числе выразить механические характеристики, активную и реактивную мощности, электромагнитный КПД и коэффициент мощности, как функции частоты вращения, амплитуды и фазы вектора напряжений статора. В

результате анализа статических характеристик впервые показано, что электромагнитный КПД и коэффициент мощности СР ЭМП при питании обмоток статора от управляемых источников с позиционной модуляцией фазных напряжений не зависят от амплитуды вектора фазных напряжений и5, а определяются только сочетанием параметров, угловой скоростью и величиной фазы вектора напряжений, благодаря чему появляется возможность организовать оптимальное регулирование по максимуму КПД или коэффициента мощности путем изменения только одного из двух независимых входных воздействий на СРД, а именно - угла задания 6г (фазы вектора напряжений), что упрощает систему регулирования.

Рис. 1. Структурная схема синхронного реактивного двигателя во вращающейся системе координат.

Впервые получены уравнения динамического и статического режима СРД при питании обмоток статора от управляемых источников с позиционной модуляцией фазных токов и организацией входного управляющего воздействия в виде амплитуды и фазы пространственного вектора тока. В результате проведенного анализа показано, что электромагнитный КПД в этом случае достигает своего максимума при том же фиксированном значении угла управления, что и максимум электромагнитного момента. В ходе исследования зависимости коэффициента мощности от входных и выходных величин, а так

же параметров СР ЭМП установлен вид одномерной нелинейной зависимости вН^ш) при организации управления по максимуму совф.

Для СР ЭМП с позиционной модуляцией фазных напряжений получены законы изменения угла задания, обеспечивающие: • максимум электромагнитного момента;

02 =^-агсг

Ц-Ц-ю2 -V

2Л

Г,-СО-

(10)

максимум электромагнитного КПД;

-СО-гЛ 02 = агс!д( — {

максимум соэф;

0, = —агсгд

^•СО+Г,.

со-^

(11)

(12)

постоянство тока в оси с* (намагничивающей составляющей тока статора).

0, =2агс1д

л/2-

((-^у^-^соУ-гг,4)-^...]

г-^ЦсоЧгч^-л/гл/з-изЦш

(13)

Показано, что первые два закона обеспечивают качественные характеристики двигателя во всем диапазоне частот вращения, в то время как закон, обеспечивающий максимум коэффициента мощности, не работает в области низких частот вращения, где при использовании этого закона значение момента снижается вплоть до нуля и резко ухудшается КПД.

Установлено, что законы (10)-(12) представляют собой фактически тот или иной вид нелинейной зависимости угла задания от частоты вращения, которая может быть легко реализована как на аналоговых элементах с помощью кусочно-линейной аппроксимации, так и в цифровой форме путем задания таблицы соответствия. Что касается закона (13), обеспечивающего постоянство тока намагничивания, то его реализация требует взаимосвязанного управления сразу двумя независимыми входными переменными: амплитудой и фазой вектора напряжения, что делает его слишком сложным при практическом воплощении в системе с управляемыми источниками напряжения. Кроме того, при работе двигателя по этому закону наблюдается ухудшение КПД и соэф с ростом частоты вращения. Общий вид механических характеристик СРД при использовании различных законов управления приведен на рис. 2.

Определено, что с точки зрения наилучшего использования СРД, простоты реализации и обеспечения устойчивого пуска наиболее предпочтительным является закон, обеспечивающий регулирование с максимальным КПД.

Проведено исследование влияния изменения параметров СР ЭМП, происходящего под воздействием насыщения, на точность работы законов, обеспечивающих регулирование СРД по максимуму момента и максимуму КПД. Приведена методика определения и получены аналитические выражения для коэффициентов ошибок. В результате установлено, что ошибка для регулируемой величины у обоих законов не превышает 1% при 50%-ном уменьшении продольной индуктивности вследствие насыщения, что свидетельствует о хорошей устойчивости по отношению к изменению параметров предложенных законов и об отсутствии необходимости их динамической корректировки.

си

Рис.2. Механические характеристики СРД при управлении углом задания по закону максимума момента, максимума КПД, максимума со$(р и постоянства тока при (Ц=0Ж^.

В третьей главе в результате проведения линеаризации системы дифференциальных уравнений СРД, записанных в системе с1,я,0 получены векторно-матричные модели СРД с учетом использования различных законов векторного управления. С помощью этих моделей получены выражения для характеристических полиномов и передаточных матриц СРД для разработанных ранее законов управления.. Полученная на основании линеаризованной модели структурная схема СРД (рис.3) позволяет легко увидеть все внутренние связи и оценить их влияние на его работу.

Используя выражения для характеристических полиномов линеаризованной системы с помощью алгебраического критерия Гур-вица проведено исследование устойчивости СРД в малом. Получены выражения для коэффициентов Гурвица и определена их зависимость от угла задания и угловой частоты вращения для различных

законов векторного управления. Найдены уравнения для границ устойчивости и определены области неустойчивой работы СРД. Установлено, что законы управления по максимуму электромагнитного момента и КПД могут вызвать неустойчивость только в тормозных режимах работы, в то время как закон управления по максимуму коэффициента мощности порождает неустойчивость в двигательном режиме работы при малых значениях частоты вращения.

Рис.3. Линеаризованная структурная схема СРД

Исследованы электромагнитные и механические переходные процессы в СРД при ступенчатых изменениях задающих и возмущающих воздействий для различных вариантов векторного управления. Установлено, что по отношению к возмущающему воздействию СРД с фиксированным углом задания ведет себя аналогично звену второго порядка с большим коэффициентом демпфирования, при этом значение тока намагничивания практически не меняется. При изменении напряжения управления переходные процессы приобретают выраженный колебательный характер со значительным перерегулированием, а СРД может быть представлен произведением апериодического и колебательного звеньев. При скачкообразном изменении угла задания переходные процессы имеют вид монотонных

кривых с наложением на них высокочастотных колебаний с малой амплитудой.

При исследовании переходных процессов в системе с поддержанием угла задания по определенному закону, установлено, что заданные соотношения между токами соблюдаются в установившихся режимах, однако в переходных режимах наблюдается значительное отклонение от этих соотношений, вызванное в первую очередь разницей постоянных времени по осям d и q (рис.4), что может вызвать необходимость динамической корректировки предложенных законов управления.

—/-г ' м • )

(Ч ■ч

---- ---- ГI 4 ]

о

I

Рис.4. Переходные процессы при изменении угла задания по закону максимума электромагнитного КПД, возникающие при пуске, скачкообразном увеличении момента сопротивления, скачкообразном уменьшении момента сопротивления.

В четвертой главе рассмотрены вопросы создания исследовательского образца системы векторного управления СР ЭМП и представлены результаты проведенных на нем экспериментальных исследований.

На аналоговой элементной базе разработана и применена в макетном образце принципиальная схема системы управления СР ЭМП (см. рис.5), позволяющая исследовать разработанные автором законы управления СР ЭМП. В качестве датчика положения ротора

использован вращающийся трансформатор. Узел поворота координатных осей выполнен на аналоговых перемножителях 525ПС2.

Рис.5. Функциональная схема системы векторного управления СР ЭМП, выполненной на аналоговых элементах.

Показано, что аппаратно-программных средств однокристальной микроЭВМ К1816ВЕ51 достаточно для реализации предложенного автором закона управления. В качестве датчика положения ротора предлагается использовать пятиразрядный кодовый оптический датчик. На одном из встроенных в микропроцессор таймеров выполнен вычислитель угловой скорости ротора, на втором - формирователь ШИМ-сигналов для управления силовыми ключами инвертора, работающий по созданному автором закону. Узел поворота координатных осей, присущий системам векторного управления заменен прямым пересчетом кодового сигнала угла с датчика положения ротора. Диапазон регулирования напряжения управления составляет 256 града-

ций. Приведены рекомендации по расширению возможностей предложенного автором закона управления.

Проведен сравнительный анализ описанных в литературе схемных решений блока силового коммутатора. В работе показано, что для силовых коммутаторов мощностью до 1 кВА наиболее подходящей является бутстрептная схема питания управляющих цепей силовых транзисторов. Приведены разработанные автором методики расчета таких силовых коммутаторов.

В заключительном разделе главы рассмотрены результаты экспериментального исследования системы векторного управления СР ЭМП. Получен ряд статических и динамических характеристик, дающих представление о функционировании предложенной системы векторного управления СР ЭМП. Экспериментальные результаты хорошо совпадают с расчетными, тем самым подтверждаются основные научные положения диссертационной работы.

Приложения содержат пример программы управления синхронным реактивным двигателем с позиционной модуляцией фазных напряжений, написанную на языке АССЕМБЛЕР для микроконтроллера К1816ВЕ51 и альбом принципиальных электрических схем лабораторной установки, разработанной для исследования систем векторного управления СР ЭМП.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Получены математические модель СР ЭМП с выражением всех переменных величин через измеряемые параметры Ц,, 1-то, Ц,

(и

2. Впервые получена система уравнений, описывающая процессы, происходящие в энергетической подсистеме СРД с учетом влияния неуправляемого выпрямителя и емкости фильтрующего конденсатора;

3. Впервые получены и проанализированы уравнения динамического и статического режимов СРД с позиционной модуляцией фазных напряжений и организацией входного управляющего воздействия в виде амплитуды и фазы пространственного вектора напряжений;

4. Для СРД с позиционной модуляцией фазных напряжений впервые получены и исследованы статические законы регулирования, обеспечивающие управление с максимальным КПД, максимальным моментом или максимальным коэффициентом мощности;

5. Проведено исследование влияния изменения параметров СР ЭМП, происходящего под воздействием насыщения, на точность работы законов, обеспечивающих регулирование СРД по максимуму момента и максимуму КПД. Приведена методика определения и получены аналитические выражения для коэффициентов ошибок;

6. С помощью линеаризованной векторно-матричной модели проведено исследование устойчивости системы векторного управления СР ЭМП и определены области и условия неустойчивой работы;

7. Исследованы динамические характеристики системы векторного управления СР ЭМП;

8. Разработана и реализована в макетном образце принципиальная схема системы векторного управления СР ЭМП;

9. Разработана структура и алгоритмы микропроцессорной реализации системы векторного управления СР ЭМП, а так же пример программы для микропроцессора;

10. Предложена и испытана новая схема блока силовых ключей СПЧ с использованием бутстрептного способа питания управляющих цепей силовых транзисторов без применения дополнительных источников напряжения, обеспечивающая широкий диапазон регулирования, высокий КПД и надежную защиту от токовых перегрузок при низкой себестоимости и высокой технологичности в изготовлении.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Калачиков П.Н. Математическая модель вентильного двигателя при учете источника питания // Тезисы докладов 2-й Всесоюзной научно-технической конференции по электромеханотронике, Санкт-Петербург, 23-25 октября 1991 г. Л.: БАН СССР, 1991. С. 106-108.

2. Константинов Г.Г., Калачиков П.Н., Скоморовский М.В. Выбор конструкции вентильного двигателя для электробытовых инструментов // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: Тезисы докладов региональной на-

учно-технической конференции. Ч. 1. - Иркутск: ИрГТУ, 1994. С.16-17.

3. Калачиков П.Н. Электропривод с переключаемыми реактивными двигателями // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: Тезисы докладов региональной научно-технической конференции. Ч. 1. - Иркутск: ИрГТУ, 1994. С. 17-18.

4. Коськин Ю.П., Калачиков П.Н. Электромеханотроника и ее значение в технологиях электроэнергетики // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции. 4,2. - Иркутск: ИрГТУ, 1994. С. 3-5.

5. Калачиков П.Н., Константинов Г.Г., Скоморовский М.В. Алгоритм управления вентильным двигателем с синхронно-реактивным электромеханическим преобразователем // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции. 4.2. - Иркутск: ИрГТУ, 1994. С. 12-14.

6. Калачиков П.Н., Константинов ГГ., Скоморовский М.В. Применение вентильных двигателей для бытового электроинструмента II Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: Тезисы докладов региональной научно-технической конференции. - Иркутск: ИрГТУ, 1995. С. 27-29.

7. Калачиков П.Н. Статический преобразователь частоты для бытового электропривода II Известия ГЭТУ, сб. научн. тр., выпуск 497, Математическое моделирование и оптимизация электротехнических и электротехнологических устройств; СПб., ГЭТУ, 1996. С. 12-16.