автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка способов экспериментального определения параметров и механических характеристик асинхронных двигателей

На правах рукописи

ТАШЛИЦКИЙ Максим Михайлович

РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ И МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.09.03 "Электротехнические комплексы и системы"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2005

Работа выполнена в на кафедре «Автоматизированный электропривод» Московского энергетического института (технического университета)

Научный руководитель: доктор технических наук, проф.

Масандилов Лев Борисович

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, проф. Беспалов Виктор Яковлевич кандидат технических наук, Мелихов Владимир Львович

Высоковольтный научно-исследовательский центр ВЭИ

Защита состоится 20 мая 2005 года в 14 час. 00 мин. в аудитории М-611 на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 13, корп. М.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим отправлять по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан апреля 2005 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.02 к.т.н.

Цырук СА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Асинхронные двигатели (АД) являются простыми, надежными и наиболее распространенными электрическими машинами. К их недостаткам относится сложность управления моментом и скоростью вследствие нелинейности математического описания. Современные системы управления устраняют этот недостаток, что позволило асинхронному регулируемому электроприводу стать альтернативой электропривода постоянного тока. Для создания эффективной системы управления во многих случаях необходим алгоритм определения параметров. Знание параметров также важно для конструкторов и математического моделирования электропривода.

Анализ публикаций по способам экспериментального определения параметров АД показывает, что необходимость обеспечения высокого качества работы электроприводов с полупроводниковыми преобразователями, и прежде всего с преобразователями частоты (ПЧ), обусловливает повышенные требования к точности математического описания. Поэтому важное место в современном электроприводе занимает разработка эффективных способов экспериментального определения параметров двигателей. Многие современные преобразователи частоты, использующие математическую модель объекта управления, имеют встроенную функцию определения параметров. При этом способы определения параметров в информационных материалах фирм-изготовителей как правило не описываются.

Вопросам определения параметров асинхронного двигателя посвящено много работ, в которых предлагаются разные подходы к решению данной проблемы. Несмотря на то, что имеются многочисленные публикации, посвященные проблеме определения параметров АД (особенно в зарубежных журналах), в них рассматриваются только отдельные вопросы. Особенно мало исследований посвящено вопросам разработки алгоритмов и полного математического описания, связанного с конкретной обработкой результатов экспериментов.

Помимо необходимости экспериментального определения параметров двигателя, важной проблемой является разработка автоматизированного способа измерения механических характеристик, что требуется для проведения многих исследовательских работ, а также представляет интерес для организаций, занимающихся производством, ремонтом асинхронных двигателей и исследованием асинхронных электроприводов.

Цель работы. Исследование и разработка способов, алгоритмов и программного обеспечения дли экспериментального автоматизированного определения механических характеристик и параметров асинхронных двигателей.

Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:

— анализ существующих способов экспериментального определения параметров и характеристик асинхронных двигателей;

— разработка автоматизированного способа экспериментального измерения механических характеристик;

— разработка способов, алгоритмов и математического обеспечения для экспериментального определения параметров асинхронного двигателя по результатам анализа специальных динамических режимов;

— разработка способов, алгоритмов и математического обеспечения для экспериментального определения параметров асинхронного двигателя по результатам анализа его установившихся режимов;

— анализ возможностей экспериментального определения параметров асинхронного двигателя с использованием фильтра Калмана;

— сопоставление различных способов экспериментального определения параметров асинхронного двигателя.

Методика проведения исследований. Теоретические исследования проводились с использованием современных теорий машин переменного тока и автоматизированного электропривода.

Применялись математические методы оценивания параметров и состояния в сочетании с методами анализа случайных процессов и матричной алгебры. В работе используются имитационные и аналитические методы цифрового моделирования Simulink шкета Matlab и программирование на языке высокого уровня Borland Pascal.

Эксперименты проводились с использованием лабораторного испытательного стенда с компьютеризованным оборудованием для исследования асинхронных электроприводов.

Научная новизна.

Предложены и экспериментально проверены алгоритмы идентификации параметров асинхронного двигателя с короткозамкнутым

ротором как в режиме реального времени, так и в результате анализа тестовых сигналов.

Получены расчетные формулы для определения обобщенных параметров АД по результатам измерения его переменных (момента, скольжения и действующего значения тока статора) при установившемся режиме работы в двух точках.

Разработан метод измерения динамических механических характеристик АД, близких к статическим.

Практическая ценность работы.

Разработанный метод измерения динамических механических характеристик АД, близких к статическим, может быть использован в научных исследованиях, при проведении учебных лабораторных занятий, при приемо-сдаточных испытаниях в ремонтно-производственных организациях.

Достоверность научных положений и выводов подтверждена результатами вычислительных экспериментов на ЭВМ и экспериментальной проверкой на испытательном стенде на кафедре автоматизированного электропривода Московского энергетического института.

Разработанные методики определения параметров могут быть использованы для настройки систем управления регулируемых асинхронных электроприводов.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 3 печатных работы.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 167 страницах машинописного текста, содержит 52 рисунка, 15 таблиц и список литературы, включающий 105 наименований.

В первой главе произведен обзор отечественных и зарубежных литературных источников, посвященных методам экспериментального определения параметров и измерения механических характеристик асинхронных двигателей.

В настоящее время получили распространение два основных подхода к определению параметров асинхронного двигателя — с использованием

искусственно созданных идентификационных режимов и в реальном времени в процессе работы электропривода.

При использовании идентификационного режима работы электропривода осуществляют две группы способов — с вращением двигателя в процессе определения параметров и без вращения. В первом случае производится один или несколько пусков двигателя на холостом ходу. Недостатком этого способа является трудность обеспечения режима холостого хода в некоторых установках вследствие технологических особенностей электропривода. Во втором случае применяются специальные схемы соединения обмоток АД, реализуемые, например, при помощи преобразователей частоты (ПЧ). Достоинством данного способа является простота осуществления методов посредством ПЧ, недостатком — трудность отслеживания изменения параметров двигателя в ходе работы.

Существует методика для определения параметров АД на базе полевых методов электромагнитного расчета, представляющих из себя решение классических уравнений Максвелла, определяющих соотношение между основными величинами электромагнитного поля. Достоинтством данной методики является то, что наряду с расчетом параметров и характеристик АД выявляются локальные повреждения магнитопровода. К недостаткам относится необходимость знания, кроме фазных токов и напряжений, конфигурации магнитной системы двигателя, что требует его разборки и ограничивает область применения метода.

При втором подходе к определению параметров используют способы, позволяющие находить параметры асинхронного двигателя в режиме реального времени. Такие способы дают возможность осуществлять адаптивное управление асинхронным двигателем, производя коррекцию параметров в ходе работы.

К данному классу алгоритмов относится методика фильтра Калмана, позволяющая определять параметры и переменные состояния асинхронного двигателя. Достоинством данной методики является возможность идентификации параметров непосредственнно во время работы двигателя, недостатком — большой объем вычислений, производимых во время фильтрации. Однако данный недостаток теряет свое значение по мере развития технологий микропроцессорного управления в электроприводе.

В последнее время появились работы, посвященные построению идентификаторов параметров на базе искусственных нейронных сетей и нечеткой логики. Сложность реализации предлагаемых алгоритмов пока

позволяет отнести предлагаемые методы лишь к потенциально перспективным.

Существующие экспериментальные способы измерения механических характеристик делятся на статические и динамические. Статические методы основаны на том, что в процессе испытаний характеристики снимают по точкам, что обеспечивает высокую точность измерений. Однако такие испытания являются длительными, при этом из-за возможных тепловых перегрузок может изменяться температура обмоток двигателей, что приводит к снижению точности измерения переменных.

Для более быстрого измерения механических характеристик применяют динамические методы исследований. При их использовании измеряют не статические, а динамические механические характеристики.

На основе проведенного обзора определены цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе рассматривается методика экспериментального определения механических характеристик асинхронного двигателя. Исследования проводятся на стенде, схема которого представлена на рис. 1.

Дня обеспечения возможности решения поставленной задачи стенд оснащен необходимым комплексом коммутационной, измерительной, защитной и сигнальной аппаратурой, регулирующими устройствами и электрическими машинами, а также датчиками напряжения ДН и тока ДТ, подключенными к персональному компьютеру ПК через аналогово-цифровой преобразователь АЦП.

Для быстрого автоматизированного измерения механических характеристик предлагается динамический метод исследований, при использовании которого измеряют не статические, а динамические механические характеристики, близкие к статическим.

Разработанный способ быстрого измерения механических характеристик состоит в определении средней характеристики между двумя динамическими механическими характеристиками, снятыми при плавном увеличении и уменьшении скорости испытуемого асинхронного двигателя.

Для испытуемого двигателя типа 4А80 на рис. 2, а представлены динамические механические характеристики, снятые при изменении напряжения якоря нагрузочной машины по законам рис. 2, б при питании испытуемого двигателя от ПЧ по закону Цjfconst для частот 50,25,15 Гц.

Рис. 1. Схема исследовательского стенда

Управление электроприводом нагрузочной машины для формирования необходимых видов момента сопротивления осуществляется посредством управляющей ЭВМ с использованием цифро-аналогового преобразователя ЦАП.

(а) (б)

Рис. 2. Экспериментальные динамические механические характеристики испытуемого двигателя типа 4А80 (а) и соответствующие законы изменения напряжения на якоре нагрузочной машины (б)

Момент АД можно определить либо по переменным нагрузочной машины, либо косвенным способом путем измерения токов и напряжений обмоток:

— по переменным статора М Ч^)

— по переменным ротора М =~рп 1тОР2'2)>

где ¡2 — векторы токов статора и ротора; Ч*г — векторы

потокосцепления статора и ротора; М— электромагнитный момент и — число пар

полюсов АД.

На рис. 3 представлены механические характерис-тики испытуемого двигателя MTF011-6, момент в которых определяется по трем способам (по переменным нагрузочной машины, по переменным статора и ротора ИД MTF011-6).

Рис 3, Механические характеристики Характеристики близки друг к другу, исшлуемого двигателя ^'№11-6 что говорит о взаимозаменяемости методов.

Преимуществом предложенного метода измерения момента испытуемого двигателя перед статическим является относительная быстрота проведения измерений и автоматизация этого процесса.

В третьей главе ПРОИЗВОДИТСЯ анализ двух схем включения неподвижной асинхронной машины, изображенных на рис. 4. На основе проведенного анализа предлагается методика определения обобщенных параметров асинхронного двигателя:

мтгои-в

О 5 10 «м

О)

В формулах (1) и (2) Х\, х'2 И Яд — индуктивные сопротивления рассеяния статора, приведенное ротора и сопротивление взаимоиндукции, соответствующие номинальной частоте /1,Ном= ^и; и - активное сопротивление фазной обмотки статора и приведенное ротора; Мц — главная взаимная индуктивность АД.

Дифференциальные уравнения АД в обобщенных параметрах в двухфазной системе координат, вращающейся с произвольной скоростью С0^„ имеют вид:

В системе (3) *¥и, Ч1,,, ии, иу — соответственно потокосцепления и напряжения по ортогональным осям индекс 1 обозначает переменные

статора, а индекс 2 — переменные ротора, — электрическая скорость ротора.

Рис. 4. Схема проведения опытов затухания (а) и возрастания (б) тока статора неподвижною асинхронною двигателя

При замыкании ключей И Кг в схемах рис. 4 по обмоткам статора течет ток, представляющий собой сумму двух экспонент:

4 > "2 > а3 > °4 > а5 ) = °1 е"2' + + «5.

где / - время, а коэффициенты Оу, а2, а3, в5 представляет собой совокупность переменных, зависящих от параметров АД. Для анализа была выбрана математическая модель АД на базе обобщенной электрической машины. В результате анализа были получены следующие выражения для обобщенных параметров, приведенные в табл. 1:

В табл. 1 приняты следующие обозначения: — ток фазы статора; 1тч — начальный ток переходного процесса в опыте по схеме затухания ток£^ — установившийся ток переходного процесса в опыте по схеме возрастания тока.

Таблица!

Параметры АД Схема опыта 1 (затухание тока) Схема опыта 2 (возрастание тока)

К > ^иач н

а 'иач I1 'У

М |_о 1о

К Л -Ч-ЛЛ' / 'г >

X -1 А, 1 'иач где = 0 -I ,2 ^ 1 'у 0

Полученные переходные осциллограммы токов подвергались регрессионному анализу различными методами. Метод градиентного спуска хорошо сходится на первых шагах итерационного процесса и медленнее по мере приближения к оптимальному набору параметров Метод Левенберга-Марквардта использует преимущества методов градиентного спуска, который быстро сходится в начале процесса оптимизации набора параметров и Ныотона-Гауса, быстро сходящегося при приближении текущего набора параметров По итогам

исследований предпочтение было отдано методу Левенберга-Марквардта.

Установлено, что параметры АД однозначно выражаются через полученные в результате анализа коэффициенты <7[, а^, Д5. В табл. 2

приведены расчетные формулы, а в табл. 3 — параметры двигателя 4А80, найденные разными способами.

Таблица 2

Схема опыта затухания тока Схема опыта возрастания тока

г , ~а1> . кк [х а, а, (о, +а,). г а\'аг + , 1 а,аг(а2-а4) •■Ь

Под расчетными в табл, 3 следует понимать параметры, определенные для двигателей МТР011-6 и 4А80 по справочным данным. Под экспериментальными для двигателя МТР011-6 понимаются параметры, рассчитанные по результатам опыта с помощью формул табл. 1, для двигателя типа 4А80--по формулам табл. 2.

Для вычисления производных в начальный момент времени переходного процесса используется односторонняя формула численного дифференцирования на базе интерполяционных многочленов Ньютона с конечными разностями.

Таблица 3

мттоп-6 4А80

расчет эксперимент расчет эксперимент

ток спадает ток растет ток спадает ток растет

а 0.1829 0.201 0.185 0.0911 0.108 0.117

К 303275 28.99 29.01 14.5696 15.586 16.124

к 47.5284 61.94 58.56 9.9693 7.759 7.854

—(о) ¿г' -164.5 -144.5 157.1 -160 -144 138.226

На рис. 5 представлены построенные по данным табл. 3 механические характеристики двигателя 4А80В4.

1— расчитанная по справочным данным механическая характеристика;

2 — экспериментальная характеристика;

3 — расчетная характеристика, построенная по параметрам, найденным по осциллограммам тока в схемах рис. 4, а или б методом нелинейной регрессии;

4 — расчетная характеристика, построенная по параметрам, найденным по осциллограммам тока в схемах рис. 4, а или б методом интегрально-дифференциальных критериев.

Из графиков на рис. 5 следует, что построенные по экспериментально определенным параметрам характеристики в пределах рабочего участка находятся вблизи механической характеристики, построенной по точкам статическим методом, что свидетельствует об адекватности предложенных методик.

В четвертой главе предлагается методика определения обобщенных параметров статора и ротора , и коэффициента рассеяния

асинхронного двигателя по результатам измерения его переменных (момента, скольжения и действующего значения тока статора) при установившемся режиме работы в двух точках.

Предполагается, что справедливы следующие допущения:

1. АД подключен к симметричному трехфазному источнику переменного напряжения, например, к сети переменного тока с постоянными значениями амплитуды напряжения и частоты;

2. Параметры схемы замещения АД неизменны внутри области, ограниченной скоростями В последних формулах — круговая частота сети.

Установлено, что обобщенные параметры , Ир и о могут быть выражены через скольжения следующим образом:

Об/мии

ЛАЯЛ

0 2 4 8

в

Рис. 5. Механические характеристики АД

а,(а?+52)(Д1жв-11).

«гП

(6)

же

где и — соответственно эквивалентные значения активного и

реактивного сопротивлений схемы замещения АД,

статора при скольжениях

С использованием полученных формул было проведено экспериментальное определение обобщенных параметров двух испытуемых двигателей. На рис. 6 для испытуемых двигателей MTF011 и 4А80 построены по три механические характеристики: 1 - расчетная по справочным параметрам; 2 - экспериментальная характеристика, снятая статическим методом; 3 - экспериментальная характеристика, построенная по параметрам, определенным согласно формулам (4), (5), (6).

Из рис. 6 видно, что экспериментальная характеристика, построенная по параметрам, определенным по методу двух состояний, близка к характеристике, снятой статическим методом в пределах рабочего участка. Предложенная методика определения параметров по методу двух состояний позволяет не только определять параметры АД, но и в случае разбиения диапазона скоростей исследуемого АД на несколько скоростных зон с условно неизменяемыми параметрами рассчитывать параметры АД на основе экспериментальных данных на нескольких участках механической характеристики с учетом физических эффектов, имеющих место в реальном двигателе (насыщение магнитопровода и вытеснение тока в роторе).

В пятой главе рассмотрен алгоритм расширенной калмановской фильтрации для оценки неизмеряемых параметров и потокосцеплений АД, приведена программа реализации и результаты ее применения. Задачу определения параметров асинхронного двигателя можно связать с задачей оценивания состояния и фильтрации.

Рис. 6. Механические характеристики испытуемых двигателей

Фильтр Калмана является методом (программой вычислении) для обработки результатов измерения, искаженных помехами, в результате которой получается оптимальная оценка некоторой переменной. Другими словами, задачей фильтра Калмана является восстановление вектора состояния системы по результатам измерения согласно критерию минимума дисперсии вектора состояния. При этом становится возможным определить параметры, недоступные непосредственному измерению.

Выбор определяемого вектора состояния и параметров производится на основе имеющихся уравнений математического описания исследуемого объекта. Далее составляется математическая модель состояния в виде системы дискретных разностных уравнений относительно выбранного вектора.

Для определения обобщенного параметра а^ выбирается вектор состояний и параметров в виде

С=[*Д

а2

Тогда расширенная дискретная математическая модель состояния, полученная путем дискретизации уравнений динамического равновесия статора, записанная в неподвижных осях координат примет вид:

где — период дискретизации.

С учетом допущения о симметрии сопротивлений фаз статора и ротора, отсутствии насыщения магнитных материалов сердечников, вытеснения тока, потерь в стали и других нелинейных зависимостей дискретная временная модель асинхронного двигателя линейна по параметрам.

В качестве вектора измеряемых величин были приняты токи статора

'= ['в! '/л Г-

Расширенная дискретная математическая модель измерения, полученная путем дискретизации уравнений динамического равновесия статора, записанная в неподвижных осях координат примет вид:

Для определения ковариационной матрицы погрешности измерения Ж проводится анализ шума токовых каналов двигателя, полученных при отключенном двигателе. Для этого измеряются токи статора и составляется следующая матрица

Полученные значения элементов ковариационной матрицы подтверждают предположение, что шумы в различных каналах системы измерения некоррелированы между собой, так как матрица имеет диагональный характер.

Компоненты ковариационной матрицы вектора состояния:

Полученные экспериментальные ковариационные матрицы систем измерения Ж и состояния V далее используются при экспериментальном определении параметра а\. Результаты расчета по экспериментальным данным представлены на рис. 7.

Рис. 7. Осциллограмма а', 1. Результат расчета, а', =0.711 2. Результат эксперимента, а', =0.601

Определение параметров а'г, СТ. В качестве вектора состояния выбираем х = /?1 Ч^

Математическая модель состояния асинхронного двигателя в обобщенных параметрах в системе координат (1,д, вращающейся синхронно с ротором исследуемого двигателя, имеет вид

Расширим фильтр Калмана с целью определения параметров а'г И (Т. Тогда модель АД представляется в виде системы уравнений шестого порядка

В качестве измеряемых величин выбраны токи статора, так как они могут быть измерены непосредственно ^ = [/¿1 /^1], тогда математическую

модель системы измерения можно записать в виде у (к) = Сх(к) + И>(Л),

где вектор погрешности измерения;

_Г1 о о о о 0] "[01000 о]"

С » переходная матрица системы измерения С

На рис. 8 представлены экспериментальные результаты определения параметров двигателя в установившемся режиме.

Рис. 8. Результаты определения а), и О в результате эксперимента

Таблица 4.

Обобщ. параметры Рассчитанные по справочным даным Определенные в результате моделирования с применением калмановской фильтрации

К 0.889 0.909

< 0.711 0.601

К 0.92 0.909

0.828 0.846

а 0.183 0.174

(1 — экспериментальная характеристика, 2 и 3 — характеристики, рассчитанные соответственно по справочным данным и по результатам моделирования с применением калмановской фильтрации. Разница между

построенными по экспериментально определенным параметрам механическими характеристиками к построенной статическим методом является критерием близости определенных параметров к истинным значениям.

Как следует из рис. 9, параметры, определенные методом калмановской фильтрации, менее близки к реальным, чем параметры, определяемые по методам, описанным в третьей главе данной работы.

Рис. 9. Сравнение механических характеристик

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Основные результаты выполненных исследований заключаются в следующем:

1. Предлагаемый способ автоматизированного измерения механических характеристик, близких к статическим, заключающийся в определении средних характеристик между двумя динамическими, снятыми при плавном увеличении и уменьшении скорости двигателя, рекомендуется использовать в научных исследованиях, при выполнении учебных лабораторных занятий и при проведении испытаний двигателей в ремонтно-производственных организациях.

2. Предложен способ экспериментального определения обобщенных параметров, основанный на анализе зависимости тока статора от времени при коммутациях схем включения неподвижного асинхронного двигателя; для реализации способа разработаны алгоритмы и полное математическое обеспечение. Установлено, что результаты расчетов переменных асинхронного двигателя с использованием найденных параметров близки к результатам соответствующих экспериментов.

2» 0^.09-05.У/

3. Предложена методика определения обобщенных параметров с использованием расчетных формул, основанных на применении результатов измерения переменных асинхронного двигателя (момента, скольжения и действующего значения тока статора) при установившемся режиме работы в двух точках. Выявлено, что достоинством предложенной методики является простота расчетных формул и, соответственно, простота алгоритма использования данной методики.

4. Исследование особенностей экспериментального определения параметров асинхронного двигателя на основе методики фильтра Калмана показало, что при использовании массивов измеренных переменных (напряжения, тока статора и скорости) возможно определение всех параметров асинхронного двигателя в режиме реального времени.

5. При сопоставлении экспериментальных зависимостей переменных асинхронного двигателя с расчетными установлено, что наиболее близкое приближение этих зависимостей друг к другу обеспечивается при использовании расчетных параметров, найденных по результатам анализа переходного процесса неподвижного двигателя, а наименее близкое — при использовании методики фильтра Калмана.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Масандилов Л.Б., Ташлицкий М.М. Способ быстрого измерения механических характеристик асинхронных двигателей // Труды МЭИ. Электропривод и системы управления—2002.—Вып. 678. — С. 26-32.

2. Масандилов Л.Б., Ташлицкий М.М. Определение обобщенных параметров асинхронного двигателя по измеренным переменным двух установившихся режимов // Труды МЭИ. Электропривод и системы управления—2003.—Вып. 679. — С. 38-42.

3. Масандилов Л.Б., Ташлицкий М.М. Определение параметров АД по показателям переходных процессов при неподвижном роторе // Труды МЭИ. Электропривод и системы управления—2004.—Вып. 680. — С. 11-17.

Печ.л.: 1,25 Тираж: 100

Типография МЭИ, Краен!

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБОСНОВАНИЕ ПОСТАНОВКИ ЗАДАЧ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Анализ экспериментальных способов определения параметров АД.

1.2. Анализ экспериментальных способов измерения механических характеристик АД.

1.3. Постановка задач для исследований.

2. СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ, БЛИЗКИХ К СТАТИЧЕСКИМ.

2.1. Измерение статических характеристик.

2.2. Способ измерения динамической характеристики, близкой к статической.

2.3. Измерение момента испытуемого двигателя по моменту нагрузочной машины.

2.4. Определение момента испытуемого двигателя по его измеренным переменным.

2.4.1. Выбор формул для измерения электромагнитного момента АД.

2.4.2. Измерение момента испытуемого двигателя по переменным статора АД.

2.4.3. Измерение момента испытуемого двигателя по переменным ротора ИД.

2.4.4. Программные средства управления устройством ЦАП-АЦП.

2.5. Выводы по главе.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ АД ПО ПОКАЗАТЕЛЯМ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ НЕПОДВИЖНОМ

РОТОРЕ.

3.1. Математическое описание испытуемых схем включения

3.1.1. Вывод расчетных формул для схемы спадающего тока.

3.1.2. Вывод расчетных формул для схемы возрастающего тока.

3.2. Определение обобщенных параметров АД при использовании регрессионного анализа.

3.2.1. Метод градиентного спуска.

3.2.2. Метод Левенберга-Марквардта.

3.3. Экспериментальная проверка.

3.3.1. Метод интегрально-дифференциальных критериев

3.3.1.1. Определение параметров АД по схеме спадающего тока.

3.3.1.2. Определение параметров АД по схеме возрастающего тока.

3.3.2. Регрессионный анализ.

3.3.2.1. Определение параметров АД по схеме спадающего тока.

3.3.2.2. Определение параметров АД по схеме возрастающего тока.

3.3.3. Анализ результатов.

3.4. Выводы по главе.

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБОБЩЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ПО ИЗМЕРЕННЫМ ПЕРЕМЕННЫМ ДВУХ УСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ.

4.1. Вывод расчетных формул.

4.2. Экспериментальная проверка расчетных формул.

4.3. Выводы по главе.

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ РАСШИРЕННОГО ФИЛЬТРА КАЛМАНА.

5.1. Применение фильтра Калмана в задачах измерения состояния и параметров динамических систем.

5.2. Определение состояния и параметров асинхронного двигателя.

5.2.1. Определение обобщенного параметра a's.

5.2.2. Определение параметров кх, кг и потокоспепления ротора.

5.2.3. Определение обобщенных параметров а'г, <У.

5.3. Выводы по главе.

Асинхронные двигатели являются простыми, надежными и наиболее распространенными электрическими машинами. К их недостаткам относится сложность управления моментом и скоростью вследствие нелинейности математического описания. Современные системы управления устраняют этот недостаток, что позволило асинхронному регулируемому электроприводу стать альтернативой электропривода постоянного тока. Для создания эффективной системы управления необходим алгоритм определения параметров. Знание параметров также важно для конструкторов и математического моделирования электропривода.

Анализ публикаций по способам экспериментального определения параметров АД показывает, что необходимость обеспечения высокого качества работы электроприводов с полупроводниковыми преобразователями, и прежде всего с ПЧ, обусловливает повышенные требования к точности математического описания. Поэтому важное место в современном электроприводе занимает разработка эффективных способов экспериментального определения параметров двигателей. Многие современные преобразователи частоты, использующие математическую модель объекта управления, имеют встроенную функцию определения параметров. При этом способы определения параметров в информационных материалах фирм-изготовителей как правило не описываются.

Из проведенного обзора установлено также, что вопросам определения параметров асинхронного двигателя посвящено много работ и разработаны разные подходы к данной проблеме. Несмотря на то, что имеются многочисленные публикации, посвященные проблеме определения параметров АД (особенно в зарубежных журналах), в них рассматриваются только отдельные вопросы. Особенно мало исследований посвящено вопросам разработки алгоритмов и полного математического описания, связанного с конкретной обработкой результатов экспериментов.

Создание экспериментальных устройств для измерения параметров АД связана с решением следующих проблем: разработка или выбор схем включения обмоток двигателя для измерения переменных (токов и напряжений), в которых содержится информация о параметрах АД; анализ и разработка математического описания выбранных схем с целью получения расчетных формул или математической процедуры для обработки результатов экспериментов; подбор или разработка численных методов для математической обработки результатов экспериментов с целью получения конечных оценок параметров АД.

Каждая из указанных проблем имеет весьма сложное и неоднозначное решение. Установлено, что в технической литературе обычно отсутствует описание одновременного решения всех указанных проблем.

В данной диссертации поставлена задача детально разработать способы экспериментального определения параметров АД.

Помимо необходимости экспериментального определения параметров двигателя, важной проблемой является разработка автоматизированного способа измерения механических характеристик, что требуется для проведения многих исследовательских работ, а также представляет интерес для организаций, занимающихся производством, ремонтом асинхронных двигателей и исследованием асинхронных электроприводов.

Существующие экспериментальные способы измерения механических характеристик делятся на статические и динамические. Статические методы основаны на том, что в процессе испытаний механические характеристики снимают по точкам, что обеспечивает высокую точность измерений. Однако такие испытания являются длительными, при этом из-за возможных тепловых перегрузок в процессе испытаний может изменяться температура обмоток двигателей, что приводит к снижению точности измерения переменных.

Для более быстрого измерения механических характеристик применяют динамические методы исследований. При их использовании измеряют не статические, а динамические характеристики. Чаще всего измерение динамических механических характеристик связано со многими трудностями (усложнение конструкции испытательного стенда при использовании дополнительной маховой массы на валу двигателя, отсутствие готовых датчиков для измерения динамических моментов, сложность и большая стоимость таких датчиков и т.п.).

Поэтому в настоящей диссертационной работе поставлена задача разработать сравнительно простой и вместе с тем достаточно точный способ измерения динамических механических характеристик, близких к статическим.

В связи со сказанным целью работы является исследование и разработка способов, алгоритмов и программного обеспечения для экспериментального автоматизированного определения механических характеристик и параметров асинхронных двигателей.

Основные результаты выполненных исследований заключаются в следующем:

1. Разработан метод измерения динамических механических характеристик АД, близким к статическим, рекомендуемый к использованию в научных исследованиях, при проведении учебных лабораторных занятий и при приемо-сдаточных испытаниях в ремонтно-производственных организациях.

2. Разработаны методы и алгоритмы для определения активных сопротивлений и индуктивностей статора и ротора АД при неподвижном роторе.

3. Проанализирован шум измерительной системы, подтверждающий допустимость применения статистических методов устранения помех в измеряемом сигнале.

4. Произведено сравнение различных методов статистической обработки зашумленных сигналов системы измерения с целью минимизации ошибки измерения.

5. Получены расчетные формулы для определения обобщенных параметры статора и ротора as , аг и коэффициента рассеяния асинхронного двигателя а по результатам измерения его переменных (момента, скольжения и действующего значения тока статора) при установившемся режиме работы в двух точках.

6. На основе измерения напряжения, тока статора и скорости вращения возможно определение всех параметров асинхронного двигателя в режиме реального времени.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Амосов А.А., Дубннский Ю.А., Копченова Н.В. Вычислительные методы для инженеров: Учеб. пособие.— М.: Высш. шк. 1994. — 544 е.: ил.

2. Асинхронные двигатели серии 4 А: Справочник// А.Э. Кравчик, М.М. Шлаф, В.И. Афонин, Е.А. Соболенская.— М.: Энергоатомиздат, 1982.504 е.: ил.

3. Барац Е.И. Разработка и исследование усовершенствованных структур электроприводов на основе систем ПЧ-АД при различных способах управления: Диссертация канд. техн. наук: 05.09.03. — Екатеринбург, 2000. —250 с.

4. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов: Пер. с англ.— М.: Мир, 1974. — 464 с.

5. Бронштейн И.Н. Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов: Справочник. — 15-е изд. — М.: Наука. Физматлит, 1998. — 608 с.

6. Булгаков А.А. Частотное управление асинхронными двигателями.—3-е перераб. изд.— М.: Энергоиздат, 1982.—216 е., ил.

7. Бюттнер Ю., Гусяцкий Ю.М., Кудрявцев А.В. и др. Электропривод переменного тока с частотным управлением. — М., МЭИ, 1989. — 76 с.

8. Васильев В.П. Цифровые фильтры в радиоприемных устройствах (методы расчета) — М.: МЭИ, 1990. — 84 с.

9. Васильев В.П. Цифровые фильтры в радиоприемных устройствах (основы цифровой фильтрации) — М.: МЭИ, 1987. — 76 с.

10. Вешеневский С.Н. Характеристики двигателей в электроприводе. — М.: Энергия, 1966. — 344 с.:ил.

11. Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов втузов.3.е изд., перераб. — Л.: Энергия, 1978, — 832 с.:ил.

12. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. — М. 1998. — 864 с.:ил.

13. Голубь Н.Г. Искусство программирования на Ассемблере. Лекции и упражнения. — СПб.: ООО "Диасофт", 2002. — 656 с.:ил.

14. Гольденберг Л.М. и др. Цифровые фильтры. — М.: Связь, 1974. — 60 с.:ил.

15. Гольдфарб Л.С. Конспект лекций по курсу "Теория автоматического регулирования". — М., 1965,256 с.:ил.

16. Гутер Р.С., Овчинский Б.В. Элементы численного анализа иматематической обработки результатов опыта. — М., 1970.— 432 е.: ил.

17. Гучаншев Х.М. Идентификация параметров моделей асинхронных двигателей для систем электроснабжения. Диссертация канд. техн. наук: 05.09.03. — Краснодар, 1998. — 163 с.

18. Двигатели асинхронные трехфазного тока крановые и таллургические серий MTF, MTKF, МТН, МТКН. Электротехника, 01.30.01-82, Информэлектро, 1982.

19. Димитров Д.А., Михов М.П Построение механических характеристик АД при номинальном напряжении.// Изв. ВМЕИ Ленин, 1976, — №2 — с. 13-20

20. Зевеке Г.В. Ионкин П.А. и др. Основы теории цепей: Учебник для вузов. — 5-е изд., перераб.— М.:Энергоатомиздат, 1989. — 528 е.: ил.

21. Иванов-Смоленский А.В. Универсальные механические характеристики асинхронных машин с учетом скорости изменения скольжения: Электричество. — 1963, — №1, с. 48-52.

22. Иванов-Смоленский А.В. Влияние скорости изменения скольжения на момент асинхроной машины: Электричество. — 1950, —№ 6, с. 54-60.

23. Карташев В.Г. Николаев A.M. Дискретные и цифровые сигналы и фильтры. Общая теория устойчивости равновесия. — МЭИ, 1981.

24. Каширских В.Г., Завьялов В.М. Определение в реальном времени активного сопротивления и потокосцепления ротора асинхронного двигателя при его работе в установившемся режиме// Вестн. КузГТУ.— 2003, — №1, — С.21 -24.

25. Каширских В.Г., Завьялов В.М. Определение индуктивности ротора асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором// Вестн. КузГТУ. — 2003. — №1, — с.20-21.

26. Каширских В.Г., Завьялов В.М. Оценка параметров и состояния асинхронного двигателя при динамической нагрузке. — М.: 2002, — 11 с. Деп. В ВИНИТИ 26 дек. 2002, №2265-В2002

27. Каширских В.Г., Завьялов В.М. Оценка параметров и состояния асинхронного двигателя при установившемся режиме работы. — М., — 2002. — 11 с. — Деп. В ВИНИТИ 26 дек. 2002, №2266-В2002

28. Каширских В.Г., Завьялов В.М. Соколов Д.В. Идентификация параметров асинхронного электродвигателя с помощью метода наименьших квадратов// Вестн. КузГТУ.—2002.-№2.— С.17-19.

29. Каширских В.Г., Завьялов В.М. Соколов Д.В. Идентификация параметров асинхронного электродвигателя с помощью расширенного фильтра Калмана// Вестн. КузГТУ.—2002,—№2,— С. 18-20.

30. Каширских В.Г., Завьялов В.М. Соколов Д.В. Определение кривой намагничивания асинхронного двигателя по результатам испытания на холостом ходе// Вестн. КузГТУ. — 2002, — №2, — С. 14-16.

31. Ключев В.И. Теория электропривода: Учеб. для вузов. — 3-е изд. перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1998. — 704 е.: ил.

32. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. — М.: Высшая школа, 1994. — 318 с.:ил.

33. Кравченко Ю.И., Вакуленко К.Н. Устройство для оценки качества механической характеристики общепромышленных асинхронных двигателей// Вестн. Киевского политехнического института.— 1976. №13 —с. 44-47.

34. Краличкин Л.К. Погрешности косвенных методов измерения полезного момента асинхронного двигателя// Тр. Горькое. Ин-та инж. Вод. Трансп. — 1975 — № 78 — с. 92-98.

35. Краличкин Л.К Измерение вращающего момента при переменной скорости вращения асинхронного двигателя// Тр. Горьков. Ин-та инж. Вод. Трансп. — 1980 — №182 — с. 77-82.

36. Крановое электрооборудование: Справочник/Алексеев Ю.В.,

37. Богословский А.П., Певзнер Е.М. и др. ; под ред. А.А, Рабиновича. — М.: Энергия, 1979. — 240 с.:ил.

38. Кривоцюк Ан. А. Фильтр Калмана в задачах измерения параметров нелинейных динамических систем//Измерительная техника. — 1986, — №7. —с. 8-10.

39. Лапа В.Г. Математические основы кибернетики. — Киев: Вища Школа. 1974.-452 с.

40. Масандилов Л.Б., Ташлицкий М.М. Способ быстрого измерения механических характеристик асинхронных двигателей// Труды МЭИ. Электропривод и системы управления — 2002. — Вып. 678. — С. 26-32.41.