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

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННЫЕ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЕ АСИНХРОННЫЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ.

1.1. Современная элементная база силовой электроники.

1.2. Преобразователи частоты.

1.3. Особенности работы асинхронного двигателя и инвертора в системе ПЧ-АД.

1.4. Скалярное управление.

1.5. Векторное управление.

1.6. Оптимизация энергопотребления.

1.7. Задачи исследования.

1.8. Выводы.

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ.

2.1. Общие вопросы моделирования асинхронного двигателя.

2.2. Моделирование установившихся режимов.

2.3. Динамическая модель.

2.4. Учет вытеснения тока в обмотке ротора.

2.5. Учет потерь в стали.

2.6. Учет насыщения магнитной цепи.

2.7. Выводы.

3. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ СКАЛЯРНОГО УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

ТУРБОМЕХАНИЗМОВ.

3.1. Анализ эффективности использования частотно-регулируемого электропривода в турбомеханизмах.

3.2. Исследование возможностей оптимизации магнитного потока.

3.3. Разработка метода компенсации снижения перегрузочной способности (IR-компенсации).

3.4. Разработка структуры и алгоритма работы системы скалярного управления.

3.4.1. Общая структура электропривода.

3.4.2. Алгоритм широтно-импульсной модуляции.

3.4.3. Компенсация снижения перегрузочной способности.

3.4.4. Энергосберегающий режим.

3.4.5. Уточненная структура системы управления.

3.5. Выводы.

4. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ПРЯМОГО УПРАВЛЕНИЯ МОМЕНТОМ

4.1. Разработка алгоритма управления инвертором.

4.1.1. Принцип прямого управления моментом.

4.1.2. Общая структура системы прямого управления моментом

4.1.3. Модификация регуляторов момента и потока.

4.1.4. Моделирование системы прямого управления моментом без учета наблюдателя.

4.2. Разработка адаптивного наблюдателя регулируемых координат.

4.2.1. Основные проблемы идентификации регулируемых координат.

4.2.2. Общая схема идентификации регулируемых координат.

4.2.3. Предварительный анализ степени влияния параметров двигателя и неточностей измерений на работу системы.

4.2.4. Предварительная идентификация параметров двигателя.

4.2.5. Работа в режиме предварительного намагничивания.

4.2.6. Вычисление потокосцепления статора.

4.2.7. Вычисление скорости вращения ротора.

4.3. Синтез регулятора скорости.

4.4. Структура системы прямого управления моментом.

4.5. Выводы.

5. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ АЛГОРИТМОВ

УПРАВЛЕНИЯ.

5.1. Моделирование системы скалярного управления.

5.2. Моделирование системы прямого управления моментом.

5.3. Выводы.

В настоящее время наблюдается устойчивая тенденция к расширению спроса потребителей на регулируемые электроприводы переменного тока. Благодаря достижениям в области силовой электроники и микропроцессорных средств управления, появляется возможность построения высококачественных электроприводов на базе асинхронных двигателей, которые, являясь наиболее удобным по условиям эксплуатации классом электрических машин, в то же время требуют использования сложных алгоритмов управления. Повышенные требования к аппаратной и программной части обусловлены сложностью асинхронного двигателя, как объекта управления.

В настоящее время подавляющее большинство асинхронных электроприводов строится на базе преобразователей частоты (ПЧ), выполненных по схеме неуправляемый выпрямитель - автономный инвертор напряжения. Анализ современного состояния систем частотного регулирования скорости вращения асинхронных двигателей показывает, что существуют два основных типа систем управления преобразователями частоты.

К первому типу относятся так называемые системы скалярного управления, задачей которых является формирование фазных напряжений двигателя на основании заданных значений его амплитуды и частоты, причем амплитудное значение, как правило, имеет жесткую зависимость от частоты. Данный принцип является наиболее простым способом реализации частотного 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.

Оптимизация законов регулирования амплитуды напряжения в функции его частоты является практически единственной задачей при исследовании систем скалярного управления. Фиксированная зависимость иф, как правило, используемая в рассматриваемых преобразователях, 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 неблагоприятно сказывается на магнитном состоянии двигателя, что приводит к уменьшению его перегрузочной способности. Данное явление обуславливает необходимость стабилизации магнитного потока путем компенсации падения напряжения на активных сопротивлениях статора как для обеспечения работоспособности системы в области низких частот, так и для повышения пускового момента при разгоне двигателя.

Исследования установившихся режимов асинхронных двигателей свидетельствуют о том, что для достижения высоких энергетических показателей при изменении момента нагрузки целесообразно не стабилизировать, а определенным образом изменять магнитное состояние двигателя. В частности, для достижения минимума энергопотребления в установившемся режиме следует снижать амплитуду напряжения при уменьшении момента нагрузки.

Так как фиксированный закон и(Г) не обеспечивает одновременной реализации двух указанных подходов к регулированию магнитного состояния двигателя, 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. Данные свойства системы достигаются за счет разделения каналов регулирования потокосцепления и скорости двигателя, не достижимого при использовании скалярного управления. При построении указанных систем используется векторное представление физических величин. Преобразователи, использующие данный принцип управления, имеют сравнительно высокую стоимость и применяются в механизмах с повышенными требованиями к качеству регулирования скорости.

Наиболее распространенным принципом построения систем векторного управления является ориентация системы координат по вектору потока ротора. Две проекции вектора тока статора в такой системе координат независимо определяют потокосцепление и момент двигателя, что позволяет строить систему управления на базе контуров регулирования проекций фазных токов. Недостатком указанных систем является необходимость использования информации о параметрах двигателя и, как следствие, чувствительность к их изменениям, а также необходимость установки датчика скорости или положения. 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. Система характеризуется максимальным быстродействием контура момента. 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 не публикуются. Таким образом, разработка адаптивного наблюдателя потока и момента для системы, реализующей описанный принцип, является актуальной задачей.

Цель данной работы заключается в разработке принципов построения, структур 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 и исследование структуры системы прямого управления моментом.

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

5. Экспериментальная проверка усовершенствованных алгоритмов управления на математических моделях и макетных образцах.

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.

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 двигателя, основанный на стабилизации электродвижущей силы (ЭДС), наведенной потоком статора, с использованием измеренных значений фазных токов. Предложенный алгоритм, в отличие от широко используемой

V коррекции фиксированного закона 1ДТ), 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.

Положения диссертационной работы доложены на Одиннадцатой научно-практической конференции "Электроприводы переменного тока" (Екатеринбург, 1998); II Международной (XIII Всероссийской) научно-технической конференции "Проблемы автоматизированного электропривода"

10

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 электромеханическом заводе" (Баранчинский, 2000 г.).

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

По материалам диссертации опубликовано десять печатных работ.

Автор считает своим приятным долгом выразить искреннюю благодарность доценту кафедры "Электропривод и автоматизация промышленных установок" Уральского государственного технического университета Ишматову Закиру Шарифовичу за консультации и помощь, оказанные при выполнении и оформлении диссертационной работы, а также ассистентам кафедры Аверьянову Максиму Александровичу и Кириллову Андрею Владиславовичу за помощь в проведении экспериментальных исследований.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

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. Для двигателей большой мощности эта цифра составляет 1-2%.

2. Разработан алгоритм компенсации снижения перегрузочной способности двигателя (Ш-компенсации) для системы скалярного управления. В отличие от широко используемой коррекции зависимости амплитуды напряжения от частоты, 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 Ж-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 максимальным быстродействием контура момента. Время отработки ступенчатого задания на номинальный момент составляет от 0,6 мс на нулевой скорости до 7 мс на номинальной скорости.

5. Разработан оригинальный метод предварительной идентификации параметров асинхронного 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. Погрешность оценки сопротивления статора - не более 1%, сопротивления ротора - не более 7% для двигателей большой и средней мощности. Для двигателей мощностью 1-2 кВт погрешность может достигать 25%, что обуславливает необходимость использования тепловой модели.

7. Разработан оригинальный, не имеющий аналогов адаптивный наблюдатель регулируемых координат, обеспечивающий качественные переходные процессы во всем диапазоне частот вращения при 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, вызванном нагревом двигателя (без использования тепловой модели).

8. Разработана методика синтеза ПИ-регулятора скорости для системы прямого управления моментом. Минимальное время переходного процесса при ступенчатом задании на скорость составляет 0,05 с.

9. Разработанные алгоритмы управления проверены при имитационном моделировании и на макетных образцах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Адаптивные фильтры: Пер. с англ./ Под ред. К.Ф.Н.Коуэна и П.М.Гранта. -М.: Мир, 1988.

2. Артишевская C.B. Экспериментально-аналитический метод определения параметров асинхронных машин // Электричество. 1999. №11.

3. Архангельский H.JL, Чистосердов B.JI. Формирование алгоритмов управления в частотно-управляемом приводе // Электротехника. 1994. № 3.

4. Борцов Ю.А., Поляхов Н.Д., Путов В.В. Электромеханические системы с адаптивным и модальным управлением Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1984.

5. Борцов Ю.А., Поляхов Н.Д., Соколов П.В. Синтез адаптивного нечеткого регулятора электропривода // Электротехника. 1996. № 7.

6. Браславский И.Я., Зюзев A.M., Трусов Н.П. Сравнительный анализ способов регулирования подачи центробежных насосов // Электротехническая промышленность. Серия Электропривод. 1983. Вып. 2.

7. Браславский И.Я., Ишматов З.Ш., Барац Е.И. Исследование частотно-регулируемого асинхронного электропривода с прямым управлением моментом //

8. Материалы научно-технической конференции "Научные идеи В.А. Шубенко на рубеже веков". Екатеринбург: УГТУ, 1999.

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

10. Браславский И.Я. О возможностях энергосбережения при использовании регулируемых асинхронных электроприводов // Электротехника. 1998. №8.

11. Бычкова Е.В., Прудникова Ю.И. Обзор современных зарубежных преобразователей частоты и опыт их применения // Электротехника. 1995. № 7.

12. Войнова Т.В. Математическая модель для исследования трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором как объекта регулирования и для прямого процессорного управления // Электротехника. 1998. № 6.

13. Генетические алгоритмы, искусственные нейронные сети и проблемы виртуальной реальности / Г.К.Вороновский, К.В.Махотило, С.Н.Петрашев, С.А.Сергеев. Харьков: Основа, 1997.

14. Громыко В.Д., Санковский Е.А. Самонастраивающиеся системы с моделью М.: Энергия, 1974.

15. Грузов B.JL, Красильников А.Н., Машкин A.B. Анализ и оптимизация алгоритмов управления в частотно-регулируемых электроприводах с инверторами напряжения // Электротехника. 2000. № 4.

16. Изерман Р. Цифровые системы управления: Пер. с англ. М.: Мир,1984.

17. Изосимов Д.Б., Козаченко В.Ф. Алгоритмы и системы цифрового управления электроприводами переменного тока // Электротехника. 1999. № 4.

18. Казанский В.М. Развитие производства асинхронных двигателей // Электричество. 1999. №10.

19. Кашкаиов В.В. Управление силовым преобразователем в замкнутом токовом контуре // Силовые вентильные преобразователи: Межвузовский сборник научных трудов / Новосибирский электротехнический институт; отв. ред. Г.В. Грабовецкий. Новосибирск, 1984.

20. Козаченко В.Ф., Миколаенко В.П., Кудряшов A.J1. Микроконтроллерная система управления преобразователями частоты для объектно-ориентированных асинхронных электроприводов насосов и вентиляторов // Электротехника. 1995. № 7.

21. Козаченко В.Ф. Основные тенденции развития встроенных систем управления двигателями и требования к микроконтроллерам // Chip News. Новости о микросхемах. 1999. № 1(34).

22. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин: Учеб. для вузов по специальности «Электромеханика». 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1994.

23. Курнышев Б.С., Данилов С.П. Идентификация динамических параметров асинхронного электропривода // Труды II Межвузовской отраслевой научно-технической конференции "Автоматизация и прогрессивные технологии". Новоуральск, 1999. Часть 1.

24. Лезнов B.C. Экономия электроэнергии в насосных установках.-М. :Энергоатомиздат, 1991.

25. Лизец М., Поташников М.Ю. Современная активная и пассивная электронная элементная база для силовой электроники // Электротехника. 1996. №4.

26. Методы синтеза микропроцессорных систем автоматического управления электроприводами: методическое руководство к курсовому и дипломному проектированию / З.Ш. Ишматов, Е.Г. Казаков, A.B. Кириллов. Екатеринбург: УГТУ, 2000.

27. Никитин В.М. Управление значением выходного напряжения трехфазного инвертора // Электротехника. 1996. № 4.

28. Новиков В.А., Рассудов Л.Н. Тенденции развития электроприводов, систем автоматизации промышленных установок и технологических комплексов // Электротехника. 1996. № 7.

29. Объектно-ориентированные преобразователи частоты для электроприводов насосов / А.В.Кудрявцев, Д.Д.Богаченко, А.Н.Ладыгин, А.А.Никольский, Г.М.Федоров // Электротехника. 1995. № 7.

30. Объектно-ориентированный частотно-регулируемый асинхронный электропривод на современной базе / В.Н.Остриров, В.С.Носач, А.В.Бирюков, Макати Омар // Электротехника. 1995. № 7.

31. Опыт разработки и внедрения IGBT-инверторов для асинхронного электропривода / Б.Е.Калашников, В.М.Лещенко, В.И.Ольшевский, И.И.Фейгельман // Электротехника. 1998. № 7.

32. Панкратов В.В., Зима Е.А. Исследование алгоритмов идентификации для систем частотно-регулируемого электропривода // Материалы научно-технической конференции "Научные идеи В.А. Щубенко на рубеже веков". Екатеринбург: УГТУ, 1999.

33. Пелли Б.Р. IGBT биполярные транзисторы с изолированным затвором (выбор наиболее экономически эффективных решений при их использовании) // Электротехника. 1996. № 4.

34. Поздеев А.Д. Электромагнитные и электромеханические процессы в частотно-регулируемых асинхронных электроприводах. Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 1998.

35. Преобразователи частоты для энергосберегающих электроприводов массового назначения / А.В.Мищенко, Н.С.Масленникова, В.Д.Лобода, А.Ф.Фадеев // Электротехника. 1996. № 12.

36. Преобразователь частоты для регулируемого электропривода широкого применения / А.В.Кудрявцев, Д.Д.Богаченко, А.Н.Ладыгин, А.А.Никольский, Г.М.Федоров // Электротехника. 1994. № 7.

37. Применение методов нейронных сетей и генетических алгоритмов в решении задач управления электроприводами / В.Б.Клепиков, С.А.Сергеев, К.В Махотило., И.В.Обруч // Электротехника. 1999. № 5.

38. Розанов Ю.К., Завгородний П.Н. Применение нечеткой логики в силовой электронике (аналитический обзор) // Электротехника. 1997. №11.

39. Розанов Ю.К., Флоренцев С.Н. Электропривод и силовая электроника // Электротехника. 1997 .№11.

40. Сивокобыленко В.Ф., Павлюков В.Л., Хенниуи Халид. Метод расчета схем замещения и пусковых характеристик глубокопазных асинхронных двигателей // Электротехника. 1996. № 1.

41. Системы автоматического управления объектами с переменными параметрами: Инженерные методы анализа и синтеза / Б.Н. Петров, Н.И. Соколов, A.B. Липатов и др. М.: Машиностроение, 1986.

42. Современное состояние и тенденции в асинхронном частотно-регулируемом электроприводе / Л.Х.Дацковский, В.И.Роговой, Б.И.Абрамов, Б.И.Моцохейн, С.П.Жижин // Электротехника. 1996. № 10.

43. Современный электропривод: состояние, проблемы, тенденции / Л.Х.Дацковский, А.В.Бирюков, О.Ш.Вайнтруб, В.И.Роговой // Электротехника. 1994. №7.

44. Создание серии IGBT-преобразователей частоты для регулируемых асинхронных электроприводов / Барский В.А., Брызгалов М.Г., Горяйнов М.А., Дубров H.H., Пащенко A.A., Уфимцев И.В. // Электротехника. 1999. № 7.

45. Состояние и перспективы развития регулируемых электроприводов (аналитический обзор докладов) / М.Г.Юньков, Д.Б.Изосимов, В.В.Москаленко, В.Н.Остригов // Электротехника. 1994. № 7.

46. Справочные данные по элементам электропривода: Методические указания к курсовому проекту по дисциплине «Теория электропривода» / И.Я.Браславский, А.М.Зюзев, В.И.Лихошерст, В.П. Метельков, С.И.Шилин. -Екатеринбург: УГТУ, 1995.

47. Терехов В.М. Современные способы управления в электроприводе // Электротехника. 2000. № 2.

48. Уидроу Б., Стирнз С. Адаптивная обработка сигналов: Пер. с англ. -М.: Радио и связь, 1989.

49. Управление асинхронным двигателем с адаптацией к изменяющейся постоянной времени ротора / Ч. Аттаианесе, А. Дамиано, И. Марониу, А. Перфетто // Электротехника. 1996. № 7.

50. Фираго Б.И., Фершиши Н.Б.А. Рациональное построение асинхронных электроприводов, работающих в циклических режимах // Электротехника. 1998. № 4.

51. Флоренцев С.Н., Ковалев Ф.И. Современная элементная база силовой электроники (тенденции развития рынка полупроводниковых приборов силовой электроники) // Электротехника. 1996. № 4.

52. Флоренцев С.Н. Состояние и перспективы развития приборов силовой электроники на рубеже столетий (анализ рынка) // Электротехника. 1999. №4.

53. Флоренцев С.Н. Состояние и тенденции развития силовых IGBT-модулей // Электротехника. 2000. № 4.

54. Шакарян Ю.Г., Ильинский Н.Ф. Инструкция по расчету экономической эффективности применения частотно-регулируемого электропривода М.: Изд-во МЭИ, 1997.

55. Шрейнер Р.Т., Дмитриенко Ю.А. Оптимальное частотное управление асинхронными электроприводами Кишинев: Штиинца, 1982.

56. Энергосберегающие технические решения в электроприводе. Колл. авторов / Под. ред. А.О.Горнова М.: Изд-во МЭИ, 1991.

57. Энергосберегающие электроприводы / В.М.Никитин, А.Д.Поздеев, Ф.И.Ковалев, Г.Н.Шестоперов // Электротехника. 1996. № 4.

58. Alminoja J., Koivo И. Fuzzy logic estimator of rotor time constant in induction motor // Proceeding Of The 1997 Finnish Workshop On Power And Industrial Electronics. Helsinki University of Technology. Espoo, Finland. August 26, 1997.

59. A PWM strategy reducing torque-ripple in inverter-fed induction motor / K.Taniguchi, M.Inoue, Y.Takeda, S.Morimoto // IEEE Transaction On Industry Application. Vol. 30, No. 1, January/February 1994.

60. Berthereau F., Robyns В., Hautier J.P. Theoretical and Experemental Study of a Fuzzy Logic Based Multunodel F.O.C. of an induction motor // Proc. of the SPEEDAM'2000. Ischia, Italy. 13-16 June 2000.

61. Birou I., Imecs M. Speed Control of an Induction Motor Drive with Fuzzy Logic Controller Based on a DSP Computing System // Proc. of the SPEEDAM'2000. Ischia, Italy. 13-16 June 2000.

62. Blasko V. Analysis of a Hybrid PWM Based on Modified Space-Vector and Triangle-Comparison Method // IEEE Transaction On Industry Application. Vol. 33, No. 3, May/June 1997.

63. Borgard D.E., Olsson G., Lorenz R.D. Accuracy issues for parameter estimation of field oriented induction machine drives // IEEE Transaction On Industry Application. Vol. 31, No. 4, July/August 1995.

64. Depenbrock M. Direct Self-Control (DSC) of Inverter-Fed Induction Machine // IEEE Transaction On Power Electronics. Vol. 3, No. 4, October 1988.

65. Direct torque control of AC motor drives / M.Aaltonen, P.Tiitinen, J.Lalu, S.Heikkila// ABB Review. No. 3/1995.

66. Dong-Choon Lee, Seung-Ki Sul, Min-Ho Park. High-Perfomance Current Regulator for a Field-Oriented Controlled Induction Motor Drive // IEEE Transaction On Industry Application. Vol. 30, No. 5, September/October 1994.

67. Elbuluk M., Langovsky N., Kankam N.D. Disign and Implementation of a Closed-Loop Observer and Adaptive Controller for Induction Motor Drives // IEEE Transaction On Industry Application. Vol. 34, No. 3, May/June 1998.

68. Fang-Zheng Peng, Fukao T. Robust speed identification for speed-sensorless vector control of induction motors // IEEE Transaction On Industry Application. Vol. 30, No. 5, September/October 1994.

69. Gerlando A.D., Perini R. Energy Saving Improved Evaluation of Inverter Upgrade in Submersible Pump Induction Motor Drive // Proc. of the SPEED AM'2000. Ischia, Italy. 13-16 June 2000.

70. Ghouili J., Cheriti A. Induction Motor Dynamic Neural Stator Flux Estimation Using Active and Reactive Power for Direct Torque Control // Proc. of the SPEED AM'98. Sorrento, Italy. 3-5 June 1998.

71. Giannakopoulus G.B., Vovos N.A. A technique for modeling inverter-fed induction motor drive systems // EPE Journal. Vol. 5, No. 1, March 1995.

72. Inverter State Selection by Neural Network in DTC Induction Motor Drive / D.Casadei, C.Rossi, G.Serra, A.Tani // Proc. of the SPEEDAM'2000. Ischia, Italy. 13-16 June 2000.

73. Harnefors L., Nee H.P. Model-Based Current Control of AC Machines Using the Internal Model Control Method // IEEE Transaction On Industry Application. Vol. 34, No. 1, January/February 1998.

74. Hava A.M., Kerkman R.J., Lipo. T.A. A High-Performance Generalized Discontinuous PWM Algorithm // IEEE Transaction On Industry Application. Vol. 34, No. 5, September/October 1998.

75. High-Response Flux Control of Direct-Field-Oriented Induction Motor with High Efficiency Taking Core Loss into Account / K.Matsuse, T.Yoshizumi, S.Katsuta, S.Taniguchi // IEEE Transaction On Industry Application. Vol. 35, No. 1, January /February 1999.

76. Hofmann H., Sanders S.R. Speed Sensorless Vector Torque Control of Induction Machines Using a Two-Time-Scale Approach // IEEE Transaction On Industry Application. Vol. 34, No. 1, January/February 1998.

77. Hwi-Beom Shin. New Antiwindup PI Controller for Variable-Speed motor Drives // IEEE Transaction On Industrial Electronics. Vol. 45, No. 3, June 1998.

78. Jansen P.L., Lorenz R.D. A Physically insightful approach to design and accuracy assessment of flux observers for field oriented induction machine drives // IEEE Transaction On Industry Application. Vol. 30, No. 1, January/February 1994.

79. Jansen P.L., Lorenz R.D., Novotny D.W. Observer-based Direct Field Orientation: Analysis and Comparison of Alternative Methods // IEEE Transaction On Industry Application. Vol. 30, No. 4, July/August 1994.

80. Jong-Woo Choi, Seung-Ki Sul. A new compensation strategy reducing voltage/current distortion in PWM VSI systems operating with low output voltages // IEEE Transaction On Industry Application. Vol. 31, No. 5, September/October 1995.

81. Jung-Ik Ha, Seung-Ki Sul. Sensorless Field-Orientation Control of an Induction Machine by High-Frequency Signal Ingection // IEEE Transaction On Industry Application. Vol. 35, No. 1, January/February 1999.

82. Ju-Suk Lee, Takeshita T., Matsui N. Stator-Flux-Oriented Sensorless Induction Motor Drive for Optimum Low-Speed Performance// IEEE Transaction On Industry Application. Vol. 33, No. 5, September/October 1997.

83. Kazmierkowski M.P. Advanced AC motor control // Proceeding Of The 1997 Finnish Workshop On Power And Industrial Electronics. Helsinki University of Technology. Espoo, Finland. August 26, 1997.

84. Kisch D.O., Sirbu G., Kisch M. Sensorless Vector Controlled Asynchronous Motor Drive Estimating Rotor Flux and Speed // Proc. of the SPEED AM'98. Sorrento, Italy. 3-5 June 1998.

85. Lowery T.F., Petro D.W. Application considerations for PWM inverter-fed low-voltage induction motors // IEEE Transaction On Industry Application. Vol. 30, No. 2, March/April 1994.

86. Mathematical Models of a Digital Vector Control System / M.Tsuji, K.Tsubou, K.Izumi, E.Yamada // Proc. of the SPEEDAM'2000. Ischia, Italy. 13-16 June 2000.

87. Maurice B. Simplified digital control for three phase induction motor drive // EPE Journal. Vol. 2, No. 3, October 1992.

88. Ming-Fa Tsai, Ying-Yu Tzou. A Transputer-Based Adaptive Speed Controller for AC Induction Motor Drives with Load Torque Estimation // IEEE Transaction On Industry Application. Vol. 33, No. 2, March/April 1997.

89. Mir S.A., Elbuluk M.E., Zinger D.S. Fuzzy Implementation of Direct Self-Control of Induction Mashines // IEEE Transaction On Industry Application. Vol. 30, No. 3, May/June 1994.

90. Munoz-Garcia A., Lipo T.A., Novotny D.W. A New Induction Motor V/f Control Method Capable of High-Performance Regulation at Low Speeds // IEEE Transaction On Industry Application. Vol. 34, No. 4, July/August 1998.

91. Nash J.N. Direct Torque Control, Induction Motor Vector Control Without an Encoder // IEEE Transaction On Industry Application. Vol. 33, No. 2, March/April 1997.

92. Nillesen M., Pasquariello M., Vandenput A. The Application of Direct Torque Control Using the DC-link Voltage for Flux-Observation // Proc. of the SPEEDAM'98. Sorrento, Italy. 3-5 June 1998.

93. Noguchi T., Kondo S., Takahashi I. Field-Oriented Control of an Induction Motor with Robust On-Line Tuning of Its Parameters // IEEE Transaction On Industry Application. Vol. 33, No. 1, January/February 1997.

94. Pana T. Sensorless Vector-Controlled Induction Motor Drive System for Electric Vehicles // Proc. of the SPEED AM'2000. Ischia, Italy. 13-16 June 2000.

95. Single Current Sensor Techique in the DC Link of Three-Phase PWM-VS Inverters: A Review and a Novel Solution / F.Blaabjerg, J.K.Pedersen, U.Jaeger, P.Thoegersen // IEEE Transaction On Industry Application. Vol. 33, No. 5, September/October 1997.

96. Takahashi I., Noguchi T. A New Quick-Response and High-Efficiency Control Strategy of an Induction Motor // IEEE Transaction On Industry Application. Vol. 22, No. 5, September/October 1986.

97. The Synthesis of Neural Observer for DTC Induction Motor Drive / I.Ya.Braslavsky, Z.Sh.Ishmatov, M.A.Averyanov, E.I.Barats, E.I.Kostylev E.I. // Proc. of the SPEED AM'2000. Ischia, Italy. 13-16 June 2000.

98. Tiitinen P., Pohjaiainen P., Lalu J. The next generation motor control method: Direct Torque Control (DTC) // EPE Journal. Vol. 5, No. 1, March 1995.

99. Tsuji M., Yamada E. Advanced Vector Control for Induction Motor Drives //Proc. of the SPEEDAM'98. Sorrento, Italy. 3-5 June 1998.232

100. Variable Structure Torque and Stator Flux Control of PWM Inverter-Fed Asynchronous Machine Drives / F.Moldoveanu, M.Cristea, V.Comnac, M.Cernât, I.Draghici // Proc. of the SPEED AM'2000. Ischia, Italy. 13-16 June 2000.

101. Weiser R.S. Optimal Rotor Flux Regulation for Fast-Accelerating Induction Machines in the Field-Weakening region // IEEE Transaction On Industry Application. Vol. 34, No. 5, September/October 1998.

102. Young-Real Kim, Seung-Ki Sul, Min-Ho Park. Speed sensorless vector control of induction motor using Extended Kalman Filter // IEEE Transaction On Industry Application. Vol. 30, No. 1, January/February 1994.

103. Zero-Speed Tacholess IM Torque Control: Simply a Matter of Stator Voltage Integration / K.D.Hurst, T.G.Habetler, G.Griva, F.Profumo // IEEE Transaction On Industry Application. Vol. 34, No. 4, July/August 1998.

104. Общая структура моделирующей программы

105. Общая последовательность расчета выглядит следующим образом.

106. Задание структуры электропривода и параметров всех объектов.

107. Задание параметров графического вывода.3. Инициализация системы.

108. Цикл расчета, в котором осуществляется обработка команд управления с клавиатуры, шаг расчета для каждого объекта системы и графический вывод контролируемых величин.

109. Модель асинхронного двигателя

110. Моделирование работы асинхронного двигателя производится по уравнениям, приведенным во второй главе. Последовательность операций на каждом шаге расчета выглядит следующим образом.

111. Перевод напряжений статора из трехфазной системы координат в двухфазную по уравнениям (4.5).

112. Коррекция параметров роторной цепи с учетом вытеснения тока по2.27).

113. Коррекция индуктивностей с учетом насыщения по (2.41).

114. Решение системы уравнений (2.20) (2.25) с учетом потерь в стали по (2.35) - (2.38) методом Рунге-Кутта четвертого порядка.

115. Перевод токов статора из двухфазной системы координат в трехфазную.

116. Модель инвертора напряжения

117. Моделирование инвертора напряжения заключается в расчете трех фазных напряжений статора по (4.4) с учетом табл. 4.2.

118. Модель идеального источника синусоидального напряжения

119. Расчет текущих значений трех фазных напряжений статора при моделировании идеального источника синусоидального напряжения производится следующим образом:

120. Ри**(») = <Ри**("-1) + Ьа>о*', (П1Л)и$ь = их сон(<р1к * -2к / 3); (П1.3)их: = их сон(* +2л /3), (П1.4)где к шаг интегрирования, используемый при численном решении уравнений асинхронного двигателя (шаг расчета).

121. Модель механизма с постоянным моментом нагрузки

122. Постоянная нагрузка моделируется простым заданием величины Мс, которая умножается на ^чщп/о.),) в случае реактивного момента нагрузки.

123. Модель центробежного насоса

124. Моделирование работы центробежного насоса производится по уравнениям, приведенным в п. 3.1. Последовательность операций на каждом шаге расчета выглядит следующим образом.

125. Расчет величины (2 через (3.11).у

126. Расчет подачи (). Если О", рассчитанное по (3.11), меньше нуля, то фиксируется режим холостого хода насоса и О 0.4.

127. Расчет выходного напора Н2 по (3.6).

128. Расчет момента нагрузки Мс по (3.8) и умножение его на $1£п(о)г).

129. Широтно-импульсный модулятор

130. Пространственно-векторная широтно-импульсная модуляцияпроизводится по алгоритму, описанному в п. 3.4.2. Последовательность расчета выглядит следующим образом.

131. Расчет угла (pus* по (П1.1).

132. Приведение угла <pus* к диапазону 0; 2л.

133. В случае окончания периода 1ПИМ Тц производится расчет длительностей временных интервалов для следующего периода. При этом рассчитывается номер ближайшего отстающего вектора напряжения по формуле1. Nv. = im1. PlJs * n/3/. (П1.5)

134. После этого определяется ближайший опережающий вектор напряжения N^=N„1+1 (если А^;=6, то Д^2=1) и угол

135. Х = (ри^-Жз{Му1-1). (П1.6)

136. Определение текущего вектора напряжения в зависимости от текущего момента времени г1 и рассчитанных в начале периода ШИМ моментов включения векторов.

137. Регулятор напряжения для системы скалярного управления

138. Последовательность расчета заданного напряжения выглядит следующим образом.

139. Расчет заданного напряжения ГУ,* по (3.32) с учетом фильтрации части (3.32), выделенной в (3.38). Алгоритм цифрового фильтра первого порядка записывается как 20.у(п) = у(п)1.ет1. П1.8)где у фильтруемая величина; Тф- постоянная времени фильтра.

140. Переход в энергосберегающий режим происходит при выполнении условий (3.39) и (3.40). Критерием возврата в режим Ж-компенсации служитусловие (3.41) или резкое изменение задания на частоту питающего напряжения.

141. ПИ-регуляторы давления и скорости для системы скалярного управления

142. Структура задатчика интенсивности показана на рис. П1.1. При работе на ненасыщенном участке нелинейного звена задание на скорость рассчитывается по формулеа>*(п) = -— r f 'Mz" (П1.10)1. Tz/T + 1где Tz T,nAü)q Qmax

143. Рис. П1.1. Структура задатчика интенсивности

144. При работе на насыщенном участкесог* (п) = сог* (п-1)л0^81^а)г**-о>г*(п-1). (П1.11)зи

145. ПИ-регулятор скорости для системы ПУМ

146. Блок управления инвертором системы ПУМ

147. В данном блоке производится управление инвертором в рабочем режиме, в режиме предварительного намагничивания (РПН) и в режиме предварительной идентификации (РПИ).

148. В рабочем режиме расчет осуществляется в следующей последовательности.

149. На основании заданных значений момента и потока статора, а также оценок этих величин рассчитываются выходные логические сигналы йт и йу (рис. 4.41).

150. Рассчитывается номер сектора неподвижной системы координат (рис. 4.3) по формуле

151. По табл. 4.1 выбирается номер необходимого вектора напряжения ТУу.

152. Для отслеживания частоты коммутации рассчитывается частота включения каждого транзистора.1.1. П1.12)

153. В режиме идентификации активного сопротивления статора (РИАСС) управление производится по алгоритму PHOT, но с малым заданным током.

154. В режиме идентификации индуктивностей (РИИ) и активного сопротивления ротора (РИАСР) управление производится сначала в PHOT, а при достижении заданного потока в РСП.

155. В РПН управление производится в следующей последовательности.1. PHOT.

156. Переход в РСП при достижении заданного потока.

157. Переход в РСТ после временной задержки (см. п. 4.2.5).

158. Адаптивный наблюдатель регулируемых координат

159. Последовательность расчета адаптивного наблюдателя на каждом шаге выглядит следующим образом.

160. Искусственное введение помехи в сигналы двух фазных токов статора.

161. Перевод двух фазных напряжений и двух фазных токов статора из трехфазной системы координат в двухфазную по (4.6).

162. Вычисление вектора тока статора по аналогии с (4.8), (4.9).

163. Вычисление интеграла фазного тока статора 3 (только для РПН и1. РПИ).

164. Фильтрация тока и напряжения одной из фаз (только для РПН и РПИ).

165. Расчет оценок индуктивностей по (4.23) (4.25).

166. Расчет исходной оценки активного сопротивления ротора по (4.22) (только в РИАСС).

167. Интегрирование оценок проекций потока статора:

168. Wsx(п) = ¥sx(п-1) + Тс(Usx -Rsisx). (П1.14)

169. Вторая проекция вычисляется аналогично. В РПН и РПИ вместолиспользуется Rs0.

170. Вычисление вектора потока статора по (4.8) и (4.9).

171. Расчет оценки момента по (4.10).

172. Расчет проекции тока ротора по (4.28) и ее усреднение (только в PHOT).

173. Расчет потока ротора по (4.16) (4.18).

174. Фильтрация модуля вектора потока ротора (расчет У^у).

175. Расчет предварительной оценки активного сопротивления ротора по (4.27) (только в PHOT).

176. Расчет желаемого потока ротора Расчет производится по формуле

177. Уг0 = ^ * сс4ф„ -ф^-f- (П1.15)с последующей фильтрацией с постоянной времени &ТГ

178. Коррекция оценок проекций потока статора, эквивалентная введению корректирующей обратной связи в подынтегральное выражение (4.7) и выполняемая следующим образом:= ¥*х(п) + Ког 1% о %г )са"Ф<к11. П1.16)у)м/п) = 1/}п,(п) + ксог (</% -ф^\1. П1.17)

179. Вычисление величины /ЛЛ- по формулеЕ1. Ех = сохсрщ.1. П1.18)

180. Вычисление второй оценки потока ротора Ч/г2 по (4.45).

181. Коррекция оценки активного сопротивления статора:к8 (п) = к8(п-1) + тскК (гг/ -Фг2).1. П1.19)21. Фильтрация угла фщ.

182. Коррекция сумм, входящих в выражение (4.54).

183. В момент перехода к новому периоду Г производится расчет скорости вращения магнитного поля по (4.54) (4.55), расчет скорости вращения ротора по (4.47) и фильтрация полученной величины сЬгг ■

184. Рис. П2.1. Схема силовых цепей и основные блоки управления макета преобразователя частоты- устройство автоматики (УА).

185. ИСМ содержит цепи управления транзисторами, а также защитные и диагностические цепи. УА обеспечивает управление симистором У82, тиристором У81, а также передачу информации в МПУУ о состоянии входного контактора.

186. Рис. П2.2. Экспериментально полученные фазные токи двигателя при прямом пускеа)источником синусоидального напряжения1. СПРАВКАоб использовании результатов кандидатской диссертации БАРАЦА ЕВГЕНИЯ ИЛЬИЧА

187. Разработка и исследование усовершенствованных структур электроприводов на основе систем "Преобразователь частоты асинхронный двигатель" при