автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование уосвершенствованных структур электроприводов на основе систем "преобразовательчастоты-асинхронный двигатель" при различных способах управления

На правах рукописи

БАРАЦ Евгений Ильич

РГ6 од

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫХ

СТРУКТУР ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ НА ОСНОВЕ СИСТЕМ "ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ - АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ" ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБАХ УПРАВЛЕНИЯ

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

Авторе ферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

!

Екатеринбург - 2000

Работа выполнена на кафедре "Электропривод и автоматизация промышленных установок" Уральского государственного технического университета - УПИ, г. Екатеринбург.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Браславский И. Я. Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Защита диссертации состоится 27 декабря 2000 г. в 12 часов в аудитории Э-406 на заседании диссертационного совета К.063.14.04 в Уральском государственном техническом университете.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Ваш отзыв по данной работе в двух экземплярах, подписанный и заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу: 620002, г.Екатеринбург, ул. Мира, 19, К-2, УГТУ-УПИ, ученому секретарю совета, тел.(3432) 75-44-16, факс (3432) 59-16-15.

Автореферат разослан 24 ноября 2000 г.

Носырев М. Б.;

кандидат технических наук

ШилинС.И.

Ведущее предприятие - НИИТЯЖМАШ АО "Уралмаш".

Ученый секретарь диссертационного совета К.063.14.04, доц., д-р техн. наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время наблюдается устойчивая тенденция к расширению спроса потребителей на регулируемые электроприводы переменного тока, Сегодня большинство асинхронных электроприводов строится на базе преобразователей частоты (ПЧ), выполненных по схеме неуправляемый выпрямитель - автономный инвертор напряжения. Анализ современных исследований и разработок по частотному регулированию скорости вращения асинхронного двигателя (АД) показывает, что существуют два основных типа систем управления ПЧ.

К первому типу относятся так называемые системы скалярного управления. Преобразователи со скалярным управлением благодаря относительно низкой стоимости широко используются в механизмах, не предъявляющих высоких требований к качеству регулирования скорости. В первую очередь это относится к турбомеханизмам, таким как насосы, вентиляторы, компрессоры. Данный класс механизмов обладает широкими потенциальными возможностями энерго- и ресурсосбережения, которые успешно реализуются при внедрении указанного типа преобразователей. Фиксированная зависимость 11(0, как правило, используемая в рассматриваемых системах, не позволяет одновременно обеспечить удовлетворительные механические и энергетические характеристики двигателя в широком диапазоне изменения частоты и момента нагрузки. Возрастание удельного веса падения напряжения на активных сопротивлениях статора по сравнению с суммарным прикладываемым напряжением при снижении частоты сопровождается снижением магнитного потока двигателя, что приводит к уменьшению его перегрузочной способности. Данное явление обусловливает необходимость стабилизации магнитного потока путем компенсации падения напряжения на активных сопротивлениях статора. Исследования установившихся режимов асинхронных двигателей свидетельствуют о том, что для достижения высоких энергетических показателей при изменении момента нагрузки целесообразно не стабилизировать, а определенным образом регулировать магнитное состояние двигателя. Так как фиксированный закон Щ) не обеспечивает одновременной реализации двух указанных принципов, задача гибкого управления амплитудой напряжения с учетом текущего режима

работы и момента нагрузки является весьма актуальной в области систем скалярного управления.

Ко второму типу систем управления относятся высококачественные системы векторного управления, обеспечивающие характеристики асинхронного электропривода, близкие к характеристикам привода постоянного тока. ПЧ с векторным управлением имеют сравнительно высокую стоимость и применяются в механизмах с повышенными требованиями к качеству регулирования скорости. Наиболее распространенным принципом построения таких систем является ориентация системы координат по вектору потока ротора. Большинство современных публикаций в области частотно-регулируемого электропривода посвящено разработке алгоритмов адаптации к изменяющимся параметрам объекта управления. Кроме того, существует четкая тенденция к отказу от датчиков скорости и разработке алгоритмов адаптивной идентификации состояния двигателя по измеренным фазным токам и напряжениям. Наиболее актуальная задача - получение адекватной оценки магнитного потока в диапазоне низких частот вращения магнитного поля. Следует отметить, что сегодня не существует общего решения проблемы адаптивной идентификации при отсутствии датчиков на валу двигателя.

Новым направлением в области разработки высококачественных алгоритмов управления является принцип прямого управления моментом. Указанный принцип не использует идею ориентации системы координат. В данном случае раздельное управление потоком статора и моментом достигается путем использования релейных регуляторов указанных величин и выбора такого состояния инвертора напряжения, которое обеспечивает необходимый знак изменения как потока статора, так и момента двигателя. Прямое управление моментом пока имеет ограниченное использование, так как предъявляет более высокие требования к быстродействию микропроцессорной техники и качеству идентификации по сравнению с обычными системами векторного управления. Алгоритмы оценивания регулируемых величин запатентованы и не публикуются в литературе. Таким образом, разработка адаптивного наблюдателя потока и момента для системы, реализующей описанный принцип, в настоящее время является актуальной задачей.

Цель работы заключается в разработке принципов построения, структуры и алгоритмов управления для двух типов современных систем частотно-регулируемого электропривода с учетом выделенных выше

актуальных задач. В связи с этим в работе ставятся и решаются следующие задачи.

1. Исследование возможностей энергосбережения при скалярном управлении асинхронным двигателем.

2. Разработка регулятора напряжения с переменной структурой, который обеспечивает гибкое управление амплитудой напряжения в зависимости от режима работы электропривода со скалярным управлением.

3. Разработка структуры системы прямого управления моментом.

4. Разработка адаптивного наблюдателя регулируемых координат для системы прямого управления моментом при отсутствии датчика скорости.

5. Исследование разработанных алгоритмов управления на математических моделях и макетных образцах.

Методы исследования. Работа выполнена с привлечением теории электропривода, теории электрических машин, теории автоматического управления. В работе широко используется имитационное компьютерное моделирование. Экспериментальные данные получены с помощью лабораторной установки, разработанной с участием автора.

Научная значимость и новизна работы. В процессе решения поставленных задач были получены следующие новые научные результаты:

1. Разработан энергосберегающий алгоритм регулирования напряжения в системе скалярного управления, основанный на итеративном поиске точки минимального энергопотребления в установившемся режиме работы.

2. Разработан алгоритм компенсации снижения перегрузочной способности, основанный на стабилизации электродвижущей силы (ЭДС), наведенной потоком статора, с использованием измеренных значений фазных токов. Предложенный алгоритм в отличие от широко используемой коррекции фиксированного закона позволяет учесть текущий режим работы и избежать перекомпенсации, следствием которой являются повышенные броски тока при пуске двигателя.

3. Определена структура релейных регуляторов момента и потока статора для системы прямого управления моментом.

4. Разработан метод предварительной идентификации параметров асинхронного двигателя, не требующий отсоединения механизма от вала двигателя.

5. Разработан алгоритм работы адаптивного наблюдателя регулируемых координат для системы прямого управления моментом, обеспечивающий высокое качество переходных процессов во всем диапазоне частот вращения в условиях изменения активных сопротивлений обмоток двигателя.

Практическая ценность работы заключается в использовании разработанных алгоритмов для построения системы скалярного управления электроприводом насосной установки, а также в создании необходимой базы для последующих теоретических и экспериментальных исследований системы прямого управления моментом.

Апробация работы. Положения диссертационной работы доложены на Одиннадцатой научно-практической конференции "Электроприводы переменного тока" (Екатеринбург, 1998); II Международной (ХШ Всероссийской) научно-технической конференции "Проблемы автоматизированного электропривода" (Ульяновск, 1998); Международной электронной научно-технической конференции (Вологда, 1999); Второй межвузовской отраслевой научно-технической конференции "Автоматизация и прогрессивные технологии" (Новоуральск, 1999); Научно-технической конференции "Идеи В.А.Шубенко на рубеже веков" (Екатеринбург, 1999); Международном симпозиуме по силовой электронике, электроприводам, современным двигателям (Италия, Искья, 2000); Научно-практической конференции "Перспективы разработки и производства электрических машин на Баранчинском электротехническом заводе" (Баранчинский, 2000).

Реализация результатов работы. Разработанные алгоритмы скалярного управления использованы в процессе модернизации насосной станции ТП-83 (г.Екатеринбург) при внедрении преобразователя частоты.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано десять печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, трех приложений. Общий объем составляет 250 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведено обоснование актуальности темы диссертации, перечислены основные задачи, решаемые в настоящее время в области частотного управления, поставлена цель и основные задачи исследований.

В первой главе проведен обзор современных частотно-регулируемых асинхронных электроприводов и основных задач, решаемых в данной области. Поставлены конкретные задачи исследований, вытекающие из проведенного обзора.

В первую очередь, рассмотрены достижения современной силовой электроники, приведены достоинства, недостатки, некоторые характеристики и перспективы использования силовых полупроводниковых приборов.

Рассмотрены основные принципы построения современных ПЧ. Приведены особенности работы асинхронного двигателя в системе ПЧ-АД. Выделены два основных способа построения систем управления - скалярные системы и векторные системы. Перечислены основные проблемы и задачи, возникающие при разработке тех и других типов систем управления, а также возможные пути их решения. Особое внимание уделено вопросам оптимизации энергопотребления.

Вторая глава посвящена разработке математической модели объекта управления. За основу взяты известные уравнения обобщенной электрической машины, записанные в двухфазной неподвижной системе координат. Для анализа установившихся режимов используется известная схема замещения асинхронного двигателя. Исходная модель уточняется путем учета потерь в стали, вытеснения тока в обмотке ротора и насыщения.

В третьей главе разрабатывается структура и алгоритм работы системы скалярного управления. В качестве базового механизма используется насосный агрегат, так как насосные установки являются наиболее широким классом объектов с потенциальной возможностью энергосбережения.

В первую очередь проведен анализ эффективности внедрения частотно-регулируемого электропривода для турбомеханизмов. Для этого разработана математическая модель насосного агрегата, учитывающая такие факторы, как наличие статического напора и ненулевое давление на входе системы. Показаны принципиальные различия двух способов регулирования давления:

путем изменения гидравлического сопротивления (регулирование задвижкой) и путем изменения скорости вращения вала.

Для подтверждения высокой эффективности использования регулируемого электропривода приводятся результаты испытаний насоса холодного водоснабжения жилых зданий, проведенных на подкачивающей станции ТП-83 г. Екатеринбурга. После внедрения ПЧ расход электроэнергии снизился на 40,2%, расход воды - на 20%. Снижение расхода воды является следствием уменьшения объема непроизводительных утечек при поддержании минимально необходимого давления.

Интерес представляет исследование возможностей оптимизации магнитного потока в установившемся режиме. Предполагается, что система поддерживает заданную скорость вращения. При неполном моменте нагрузки для улучшения энергетических показателей целесообразно видоизменять закон U/f-const и снижать амплитуду напряжения. При этом уменьшаются потери в стали и потери в меди статора, а также увеличиваются потери в меди ротора. На рис. 1 показаны зависимости потерь в двигателе АР от прикладываемого напряжения при номинальной скорости и различных моментах нагрузки Ые-Путем моделирования установившихся режимов при различных значениях скорости &г и момента нагрузки найдены оптимальные уровни питающего напряжения Us и возможная экономия потребляемой мощности. Уровни напряжения, обеспечивающие минимум потерь, показаны на рис. 2. В данном случае моделируется двигатель 4A160S2 (15 кВт). При номинальной скорости и моменте нагрузки, составляющем 10% от номинального момента двигателя, путем оптимизации потока можно сэкономить порядка 500 Вт. Для двигателей малой мощности (1,1 кВт) и большой мощности (110 кВт) - 150 Вт и 2600 Вт соответственно.

Показано, что оптимальному режиму соответствуют постоянные уровни коэффициента мощности и скольжения, что подтверждает возможность использования поддержания постоянства этих величин для минимизации потерь. Сложность заключается в том, что оптимальные значения скольжения и коэффициента мощности можно рассчитать только с использованием параметров двигателя и текущего значения скорости. Поэтому в системе скалярного управления наиболее целесообразно использовать поисковый

алгоритм, основанный на расчете потребляемой мощности и поиска ее минимума путем итеративного изменения напряжения.

ДР.кВт I

2 0 Мс=0.4Мы

1,5

1.0

мс-О.ИЛ

мс/м„

0,2 0,А ' 0,6 0,8 ~ 1,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Рис. 1. Зависимость потерь в двигателе Рис. 2. Оптимальные уровни напряжения

от прикладываемого напряжения

При выполнении диссертационной работы получен алгоритм компенсации снижения перегрузочной способности двигателя на низких частотах вращения. Для стабилизации магнитного потока используется известная идея поддержания постоянства ЭДС, наведенной потокосцеплением статора. При этом получена следующая формула для амплитуды напряжения:

I/, =1,К5со$<р+рЕ;

( V

щ

Рок)

-СА)2

зт <р ,

(1)

где - модуль вектора напряжения; Ь - модуль вектора тока статора, определяемого через измеренные мгновенные значения токов двух фаз; <р -угол между вектором тока и вектором напряжения; Ду/ - номинальное значение ЭДС статора, вычисленное через номинальные данные двигателя; со0 - угловая частота питающего напряжения; о>о\' - номинальная угловая частота питающего напряжения; - активное сопротивление статора, определяемое в ходе предварительной идентификации. Метод определения Ду описан в четвертой главе.

Упрощенная функциональная схема разработанной системы скалярного управления, включающей в себя два рассмотренных выше способа

регулирования напряжения, показана на рис. 3. Частота питающего напряжения может задаваться различными способами: регулятором технологического параметра (РТП) при наличии датчика технологического параметра (например, выходного давления), регулятором скорости (РС) при наличии датчика скорости, путем непосредственного задания с пульта управления.

Плавный разгон обеспечивается задатчиком интенсивности (ЗИ). Интегратор (И) используется для вычисления текущего углового положения вектора напряжения дед*. Регулятор напряжения (РН) состоит из регулятора напряжения в динамических режимах (РНДР) и регулятора напряжения в энергосберегающем режиме (РНЭР). Идентификатор режима (ИР) служит для выбора одного из двух способов регулирования. Критерием входа в установившийся режим является стабилизация частоты питающего напряжения и модуля тока статора. Критерием выхода из этого режима является изменение уровня тока. Рассчитанное заданное напряжение 11,* и угол <ра* используются широтно-импульсньш модулятором (ШИМ).

и

При построении РНДР используется формула (1). При этом для уменьшения колебаний тока и момента при разгоне двигателя используется фильтрация рассчитанного напряжения Us*. Для того чтобы избежать запаздывания полезного сигнала, из (1) выделяется выражение 2E?J(оъ'соо^2, составляющее основную часть (1) и не содержащее высокочастотных помех. Фильтрация применена только к оставшейся части (1). Идентификатор активного сопротивления статора (НАС) Rs используется только в режиме предварительной идентификации.

PHP производит постоянное изменение значения U,* с малым шагом для поддержания минимума потребляемой мощности, рассчитанной по формуле Рэ-U.s%<p , где - проекция вектора тока статора на вектор заданного напряжения. Значение Рэ усредняется в течение периода итераций.

На рис. 4 показан результат моделирования работы электропривода в установившемся режиме при номинальной скорости и постоянном моменте нагрузки, составляющем 10% от номинального момента двигателя. Моделируется двигатель 4A160S2 (15 кВт). Частота ШИМ равна 5 кГц. Изменение напряжения производится каждые две секунды с шагом, составляющим 1% от номинала. Пилообразный характер кривой тока статора обусловлен упрощением процедуры графического вывода.

ЛНа рис. 5 показаны результаты моделирования

работы электропривода при

Ч

-—- номинальном моменте нагрузки,

иллюстрирующие преимущества

введения IR-компенсации. При

разгоне до номинальной скорости

mmmmmmmi введение компенсгщии улучшает

*;с механические свойства системы 20 40 60 80 100 120 140 , , с л п

„ „ „ (рис. 5,а и 5,6). При разгоне до

Рис. 4. Поиск оптимального напряжения

скорости, составляющей 20% от номинала, и последующем механическом возмущении в виде двукратного момента нагрузки (рис. 5,в и 5,г) эффект компенсации очевиден. При ее отсутствии двигатель работает на пределе перегрузочной способности и опрокидывается при механическом возмущении.

Рис. 5. Процессы пуска в системе скалярного управления

В четвертой главе разрабатывается структура и алгоритм работы системы прямого управления моментом.

Прямое управление моментом (ПУМ) является наиболее современным способом управления частотно-регулируемыми асинхронными электроприводами. В отличие от систем с ориентацией поля системы с ПУМ не включают в себя контуры регулирования проекций тока статора, определяющих электромагнитный момент и поток статора. В новых системах контуры регулирования потока и момента, содержащие релейные регуляторы, являются внутренними. Основная идея управления заключается в том, что на каждом шаге расчета определяется оптимальное состояние инвертора напряжения, то есть такое, которое вызовет изменение момента и потока статора в нужную сторону, чтобы свести к нулю ошибку между заданными и действительными значениями регулируемых величин.

Основную идею ПУМ иллюстрирует рис. 6, на котором в неподвижной системе координат показаны векторы потокосцеплений статора ХУ, и ротора а также восемь возможных векторов напряжения 11^7, обеспечиваемых инвертором.

Известно, что электромагнитный момент двигателя М пропорционален произведению модулей потокосцеплений и синуса угла у между ними. Модуль потока ротора изменяется медленно. Модуль потока статора, как правило, поддерживается постоянным. Поэтому управление моментом осуществляется в основном за счет изменения угла у. Эхо достигается путем выбора одного из

векторов напряжений, который вызывает такое изменение положения % относительно %, которое обеспечит необходимый знак приращения момента одновременно с необходимым знаком приращения модуля потока. В каждом из шести секторов неподвижной системы координат (рис. 6) существует определенный набор векторов напряжения для всех возможных комбинаций требуемых знаков изменения модуля потока и момента.

При разработке системы ПУМ поставлена задача обеспечения работоспособности системы в условиях неточного измерения мгновенных значений тока. В модель введена случайная ошибка измерения, не превышающая 5% от номинального тока. Дискретность расчета по времени в контурах момента и штока принята равной 25 мкс. Исследования показали, что при выбранной дискретности по времени можно использовать регуляторы с обычной релейной характеристикой.

Упрощенная функциональная схема разработанной системы управления показана на рис. 7. Задание частоты вращения ротора подается на вход задагчика интенсивности (ЗИ), который обеспечивает разгон с постоянным ускорением. Далее заданный сигнал фильтруется с помощью низкочастотного фильтра первого порядка (Ф), введенного при синтезе контура скорости. ПИ-регулятор скорости (РС) сравнивает заданное значение с оценкой частоты вращения ротора и формирует задание на момент. Звено ограничения (30) введено для того, чтобы не допустить высоких значений заданного момента.

Релейные регуляторы момента и потока статора сравнивают заданные значения регулируемых величин с их оценками и формируют логические сигналы для блока выбора вектора напряжения (БВВН), который управляет ключами инвертора с учетом текущего угла потока статора ,

Наиболее важной частью системы ПУМ является адаптивный наблюдатель регулируемых координат, а именно момента, потока статора и скорости. Все данные получены через токи и напряжения статора, причем последние определяются блоком вычисления напряжения (БВН) через и текущий номер вектора напряжения Ы„. Базовые уравнения для оценки указанных величин выглядят следующим образом:

(2)

где Ь5,Ьг,Ьт - соответственно оценки индуктивности статора, ротора и взаимной индуктивности; а ~ оценка коэффициента рассеивания; рп - число пар полюсов двигателя; й, и й, оценки активных сопротивлений статора и ротора соответственно. Скорость вращения ротора вычисляется с использованием оценки скорости вращения магнитного поля, которая принимается равной угловой частоте вращения вектора потока ротора. Отсюда возникает необходимость дифференцирования угла вектора потока ротора. При этом контур скорости работает с периодом дискретности 1 мс. Для повышения точности оценки щ разработан алгоритм линейной аппроксимации значений угла потока ротора, вычисленных в течение 1 мс. Данный алгоритм основан на выделении линейной составляющей из полученных данных путем минимизации среднеквадратичной ошибки. Предложенный метод снижает требования к последующей фильтрации скорости без внесения какого-либо дополнительного запаздывания, а следовательно, повышает быстродействие системы в целом.

Анализ выражений (2) и (3) показывает, что из-за использования операции интегрирования система имеет высокую чувствительность к так как интегрирование связано с накоплением ошибок. Неточность оценки Иг не

влияет на работу контуров потока и момента, но влияет на точность оценки скорости. Чувствительность к индуктивностям двигателя невелика, так как они также используются только для расчета скорости через поток ротора.

Оценка потока статора является наиболее важной задачей. От ее точности зависит работоспособность системы и качество регулирования. Наблюдатель, построенный по (2) и (3) неработоспособен без использования алгоритмов адаптации, так как даже при малейшем рассогласовании оценки Я, и его действительного значения система неустойчива вследствие эффекта накопления ошибок.

Для получения исходных оценок параметров двигателя разработан режим предварительной идентификации, в ходе которого определяются активные сопротивления и индуктивности. Предложенный метод основан на использовании питания обмоток постоянным током и не требует отсоединения механизма от двигателя.

Наиболее просто реализуется режим определения Я5. При этом в течение нескольких секунд происходит переключение между векторами Щ и ¿7/ инвертора таким образом, чтобы поддерживать ток в заданном диапазоне [/„,,„ /тон]. Активное сопротивление статора определяется путем деления постоянной составляющей фазного напряжения на постоянную составляющую фазного тока. Погрешность оценки во всех случаях не превышает 1%.

Определение индуктавностей также проводится в режиме постоянного тока. Процесс идентификации показан на рис. 8. Производится намагничивание двигателя путем поддержания тока, близкого к номинальному. Затем система переходит в режим поддержания заданного потока. Благодаря высокой точности оценки Я ошибка определения потока не успевает накопиться за время идентификационного теста. При этом = * / 1$(ср) >

где 1,(ср) - среднее

значение тока статора после его снижения до величины тока намагничивания. Величина Д. принимается равной а величина Ьт определяется с использованием типового отношения Ь/Ьт. Проведение данного теста при различных заданных уровнях потока статора позволяет снять характеристику намагничивания и учесть тем самым нелинейные свойства магнитной цепи при построении наблюдателя.

Идентификация Яг проводится после определения индуктивных параметров. При этом используется тот же режим намагничивания (рис. 8).

Метод основан на линейной аппроксимации кривой потока ротора в процессе намагничивания. В этом случае оценка активного сопротивления ротора будет определяться как кг0 = /(//1гх(ср} )> гДе Уг ~ значение оценки потока

ротора в момент перехода в режим поддержания потока; tf - время намагничивания с ограничением тока; ¡„(ср) - среднее значение оценки проекции тока ротора за время (/. Погрешность оценки индуктивностей и активного сопротивления ротора во всех случаях не превышает 5%.

Перед пуском двигателя необходимо установить заданный уровень потока. Для этого вводится режим предварительного намагничивания (РПН), который реализуется тем же способом, что и на рис. 8. Для того чтобы установленный уровень потока не зависел от текущего значения Д,, применяется не стабилизация заданного потока, а стабилизация тока на уровне ¡¡(ср), который определен в ходе предварительной идентификации. В ходе РПН производится коррекция текущих значений оценок активных сопротивлений. Считается, что индуктивности не зависят от степени нагрева двигателя и соответствуют исходным оценкам. Оценка Л, вычисляется путем деления постоянной составляющей напряжения на 1,(СР). По мере уточнения значения Я, корректируются данные, необходимые доя расчета /?г. Время РПН зависит от степени нагрева двигателя. При номинальной мощности, равной 15 кВт, это время составляет от 350 мс до 2 с. Наибольшая длительность РПН соответствует максимальному нагреву двигателя. Погрешность установленного потока во всех случаях не превышает 3%, погрешность оценки /?, - не более

1%, погрешность оценки Лг - не более 7% для большинства двигателей. Исключение составляют двигатели малой мощности (1-2 кВт), для которых погрешность идентификации 11г в РПН может достигать 25%. Точность оценки !1Г можно повысить путем введения тепловой модели, которая не рассматривается в данной работе.

Получение оценки потока является наиболее важной и в то же время наиболее сложной задачей при построении систем векторного управления. Отсутствие универсального решения данной задачи приводит к необходимости разработки адашивного регулирования потока, учитывающего специфику системы ПУМ. В данной системе оценка потока статора всегда соответствует заданному значению, поэтому в качестве критерия отклонения от заданного режима используются колебания модуля оценки потока ротора. При этом вводится понятие "желаемого" уровня потока ротора

Ч <пгр + 1

где уг^ - проекция вектора Ф5 на ось, совмещенную с вектором Ч?г , Тг -оценка постоянной времени ротора. Выражение (4) получено из уравнения роторной цепи модели двигателя, которое не было использовано в (2) и (3). Поэтому, в общем случае, при неточной оценке потока статора Фг * Ч*г0 . Стабилизация осуществляется путем введения обратной связи в подынтегральное выражение (2), пропорциональной разности (^ Так

как значение получено не через реальные значения штока статора и ротора, то данный метод не гарантирует получение адекватных оценок потокосцеплений, но обеспечивает подавление колебательных процессов, что иллюстрирует рис. 9, на котором показан пуск двигателя до номинальной скорости.

Предложенный метод обеспечивает удовлетворительное качество переходных процессов только в том случае, если погрешность оценки Д, не превышает 5%. При погрешности 10% и более система становится неработоспособной. Поэтому возникает задача корректировки оценки Я, при нагреве двигателя. Для этого вводится еще одна оценка модуля потока ротора

1

Аи'а/ ^ 77 » (5)

где ^ - проекция вектора 7, на ось, совмещенную с вектором Фг. Моделировшше показывает, что даже при стабилизации потока ротора на уровне ¥го, при ошибке оценки активного сопротивления статора Фг Фг3, так как в (5) не используется величина оценки потока статора в отличие от (4). Для корректировки К5 вводится интегральный регулятор, алгоритм которого записывается следующим образом:

Рис. 9. Пуск до номинальной скорости при погрешности оценки Я, - 5%: а - без стабилизации потока ротора; б - при стабилизации потока ротора

Рк3 = фг-Фг2), (6)

где кц - коэффициент регулятора, который должен быть как можно меньше, но таким, чтобы успевать корректировать оценку сопротивления по мере нагрева двигателя. Только в этом случае можно обеспечить независимую работу двух описанных алгоритмов адаптации. Моделирование подтверждает высокую эффективность предложенного метода во всем диапазоне частот вращения магнитного поля, включая нулевую. Структурная схема наблюдателя потока показана на рис. 10. Использованы следующие обозначения: ксо/Тт -коэффициент, определяющий быстродействие алгоритма подавления колебаний потока; ф^ - угол вектора потока ротора; £с7. = о£5; сглаженное значение модуля потока ротора; 7> - постоянная времени фильтра модуля потока статора; ПК - преобразователь координат.

Для определения коэффициентов ПИ-регулятора скорости используется настройка на скорейшее затухание переходных процессов. Желаемое быстродействие системы задается постоянной времени фильтра оценки скорости. Таким образом, быстродействие ограничивается уровнем помех

измерения тока. Для рассматриваемого двигателя ступенчатое задание на скорость при отсутствии момента нагрузки и помех измерения может быть отработано за 0,05 с, а при выбранном уровне помех - за 0,1 с.

-*0*

V«

ПК

Л

а>1

—ю-

«Иг

ПК

1 * к.

ТгР+1 /ч>С р

ЧЛ

ЧчСд

1-ст

л

а

♦о*

44

зу

►а

(0 Е

£ К

г

X О)

ё 3 л Ш

Л

а

Л

Л\|/6

Ъу

Рис. 10. Структурная схема наблюдателя потока

На рис. 11 показан ряд переходных процессов, подтверждающих высокое качество разработанной системы управления.

В пятой главе проводится моделирование разработанных систем электроприводов в различных режимах. Некоторые результаты приведены на рис.4, 5,8,9,11.

Рис. П. Результаты моделирования системы ПУМ: а - отработка ступенчатого задания на момент при скорости, равной 50% от номинальной; б - ток фазы при быстром реверсе с Мс=0; в - медленный реверс при активном Мс; г - линейное Мс при нулевой скорости.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработан поисковый энергосберегающий алгоритм регулирования напряжения в установившемся режиме для системы скалярного управления. Введение данной функции позволяет сэкономить до 13% от номинальной мощности асинхронного двигателя.

2. Разработан алгоритм компенсации снижения перегрузочной способности двигателя (Ж-компенсации) для системы скалярного управления. В отличие от широко используемой коррекции зависимости иф предложенный алгоритм учитывает текущий режим работы двигателя, используя измеренные значения фазных токов, что позволяет избежать перекомпенсации и, следовательно, бросков тока при пуске двигателя. Введение фильтрации напряжения при разгоне позволяет дополнительно уменьшить колебания тока и момента.

3. Разработана структура системы скалярного управления, одновременно реализующая функции Ш.-компенсации в динамических режимах и энергосберегающего управления в установившихся режимах.

4. Разработан принцип управления инвертором напряжения в системе прямого управления моментом. Замена гистерезисных регуляторов потока статора и момента регуляторами с обычной релейной характеристикой позволяет улучшить форму фазных токов и момента двигателя за счет повышения частоты коммутации ключей инвертора. Система обладает высоким быстродействием контура момента. Время отработки ступенчатого задания на номинальный момент составляет от 0,6 мс на нулевой скорости до 7мс на номинальной скорости.

5. Разработан новый метод предварительной идентификации параметров двигателя, не требующий отсоединения механизма. Погрешность оценки не превышает 5%, а для активного сопротивления статора - 1 %.

6. Разработан алгоритм предварительного намагничивания двигателя с одновременной оценкой активных сопротивлений статора и ротора. Погрешность уровня установленного потока статора не превышает 3% относительно заданного значения. Ширешность оценки сопротивления статора - не более 1%, сопротивления ротора - не более 7%. Для двигателей малой мощности (1-2 кВт) точность оценки активного сопротивления ротора снижается (погрешность - до 25%), что обусловливает необходимость введения тепловой модели.

7. Разработан оригинальный, не имеющий аналогов адаптивный наблюдатель регулируемых координат, обеспечивающий качественные переходные процессы во всем диапазоне частот вращения при тепловом изменении активных сопротивлений и отсутствии датчика скорости. В наиболее тяжелых режимах при работе на нулевой скорости отклонение потока статора от заданного значения составляет не более 8-9%. Погрешность оценки скорости может достигать 2% от номинального значения при двукратном увеличении сопротивления ротора (без использования тепловой модели).

8. Разработана методика синтеза ПИ-регушггора скорости для системы прямого управления моментом. Минимальное время отработки ступенчатого задания на скорость составляет 0,05 с.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Барац Е.И., Браславский И .Я., Ишматов З.Ш. Микропроцессорная система управления частотно-регулируемым асинхронным электроприводом насоса // Труды одиннадцатой научно-практической конференции "Электроприводы переменного тока" ЭППТ-98. Екатеринбург: УГТУ, 1998.

2. Барац Е.И., Ишматов. ЗШ. Алгоритм компенсации снижения перегрузочной способности двигателя при скалярном управлении частотно-регулируемым асинхронным электроприводом // Сборник трудов и докладов научно-практической конференции "Перспективы разработки и производства электрических машин на Баранчинском электротехническом заводе". Баранчинский: БЭМЗ,2000.

3. Браславский И.Я., Ишматов З.Ш., Барац Е.И. Исследование частотно-регулируемого асинхронного электропривода с прямым управлением моментом // Материалы научно-технической конференции "Научные идеи В.А. Шубенко на рубеже веков". Екатеринбург: УГТУ, 1999.

4. Браславский И.Я., Ишматов З.Ш., Барац Е.И. К выбору рациональных структур частотно-управляемых асинхронных электроприводов для производственных механизмов // Тезисы докладов международной электронной научно-технической конференции "Перспективные технологии автоматизации". Вологда: ВОГТУ, 1999.

5. Браславский И.Я., Ишматов З.Ш., Барац Е.И. Принципы построения микропроцессорной системы управления частотно-регулируемым асинхронным электроприводом насоса // Электротехника. 1998. №8.

6. Браславскин И.Я., Ишматов З.Ш., Барац Е.И. Частотно-регулируемый асинхронный электропривод насоса // Тезисы докладов И Международной (XIII Всероссийской) научно-технической конференции "Проблемы автоматизированного электропривода". Ульяновск: УлГТУ, 1998.

7. Браславский И Я., Ишматов З.Ш., Барац Е.И. Частотно-регулируемый асинхронный электропривод с прямым управлением моментом // Труды II Межвузовской отраслевой научно-технической конференции "Автоматизация и прогрессивные технологии". Новоуральск, 1999. Часть 1.

8. Исследование системы прямого управления моментом асинхронного двигателя с помощью пакета MATLAB / И.Я.Браславский, ЗЖИшматов, A.B. Аверьянов, Е.И.Барац, А.М.Упчер // Вопросы совершенствования электротехнического оборудования и электротехнологий: Сборник статей. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2000. №8

., 9. Энергосберегающий алгоритм управления асинхронным двигателем / И.Я.Браславский, З.ШИшматов, АВ.Кириллов, Е.И.Барац, М.В.Невраев // Вопросы .совершенствования электротехнического оборудования и элекгротехнологий: Сборнике статей. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2000. №8

1.0. The Synthesis of Neural Observer for DTC Induction Motor Drive / I.Ya.Braslavsky, Z.Shlshmatov, M.A.Averyanov, E.LBarats, A.V.Kostylev // Proc. of the SPEEDAM'2000. Ischia(Italy), 2000.

Подписано в печать 22.11.2000

Бумага типографская. Офсетная печать

Уч.-изд.л. 1,27 Тираж 100 Заказ 326

Формат 60x84 1/16 Усл. печ.л. 1,39 Бесплатно

Издательство УГТУ-УПИ 620002, г.Екатеринбург, ул. Мира, 19

Ризография НИЧ УГТУ-УПИ 620002, г.Екатеринбург, ул. Мира, 19