автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Синтез алгоритмов управления частотно-регулируемым электроприводом в условиях информационной неопределенности

На правах рукописи

№

ИСАКОВ Алексей Сергеевич

СИНТЕЗ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ В УСЛОВИЯХ ИНФОРМАЦИОННОЙ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (в технических системах)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2009

003464377

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики.

Научный руководитель: д.т.н., профессор Ушаков Анатолий Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Шароватов Валерий Тимофеевич кандидат технических наук, доцент Толмачев Валерий Александрович

Ведущая организация: ОАО «НИИ Точной Механики»

Защита состоится 31 марта 2009 г. в 17 часов 20 минут на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д.212.227.03 в Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49, СПбГУ ИТМО.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики.

Автореферат разослан 27 февраля 2009 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских _

и кандидатских диссертаций Цударенко H.A.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время частотно-регулируемые электроприводы (ЭП) переменного тока, по единодушному мнению специалистов, не уступают ЭП постоянного тока практически по всем основным технико-экономическим показателям, а по некоторым показателям статических и динамических характеристик и превосходят его. Такое положение стало возможным благодаря успехам, достигнутым в последние десятилетия в области создания мощных запираемых силовых полупроводниковых приборов с высокими динамическими параметрами и быстродействующих микропроцессорных средств управления. Поскольку среди широко используемых в промышленности электродвигателей наибольшей простотой и надежностью при минимальных массогабаритных показателях и стоимости характеризуется асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (АД), именно частотно-регулируемый асинхронный ЭП стал основным типом регулируемого промышленного ЭП, серийно выпускаемого всеми ведущими электротехническими фирмами мира.

Исследования в ЭП, являющимся силовой основой современной промышленности, определяют перспективу дальнейшего развития практически всех отраслей хозяйственной деятельности человечества. Общеизвестен факт, что ЭП перерабатывает порядка двух третей вырабатываемой электроэнергии, а его доля в приводе механизмов превышает девяносто процентов. Особенно эффективно роль ЭП проявилась в последние десятилетия, когда в полный рост встала проблема энергосбережения. Это привело к тому, что наряду с традиционными отраслями промышленности, где применялся рехулируемый ЭП в силу требований технологического процесса (металлорежущие станки, робототехнические комплексы, металлургическое производство и т.п.), составляющим порядка десяти процентов, стал внедряться регулируемый ЭП в те сферы производства, где применялся нерегулируемый АД.

Тема диссертационных исследований под названием "Синтез алгоритмов управления частотно-регулируемым электроприводом в условиях информационной неопределенности" подсказана необходимостью соединения в едином проблемном модуле возможностей нынешнего состояния теории и

Л • /

практики разработки систем управления четырехквадрантными асинхронными электроприводами (ЧЭП) с достижениями современной теории управления в области цифровых динамических систем.

Целыо диссертационной работы является комплексное решение задачи разработки алгоритмов цифрового управления, обеспечивающих двунаправленное преобразование энергии в ЧЭП, в условиях информационной неопределенности, а также разработки программного обеспечения на основе полученных результатов.

Методы исследования. При получении теоретических результатов использовались метод пространства состояний, применительно к задачам цифрового управления, метод векторного управления, построение нелинейных стохастических наблюдателей, подчиненное регулирование, линеаризация в малом в окрестности точки номинального режима, настройка стандартных регуляторов. Математический аппарат поддерживается программной и модельной оболочкой Ма^аЬ последних версий. Научная новизна работы:

1. В развитие сформировавшейся теории управления ЭП построен динамический наблюдатель на основе расширенного фильтра Калмана позволяющего оценивать вектор состояния АД с учетом его сигнальной специфики

2. Система управления активным выпрямителем (АВ) с функцией компенсации токовых гармонических искажений в силовой сети, синтезированная на основе анализа спектра гармонических составляющих силовой сети во вращающейся системе координат (ВСК), синхронизированной с основной гармошкой

3. Способ выбора напряжения в звене постоянного тока (ЗПТ), при котором обеспечивается работоспособность систем управления ЭП и силового источника питания и оптимальная эффективность преобразования энергий

4. Выявлены особенности построения программного обеспечения системы управления ЧЭП

5. Методика расчета регуляторов и наблюдателя для полученной структуры системы управления ЧЭП мощностью до 200кВт

Практическая значимость и реализация результатов. В результате проведенных диссертационных исследований разработана алгоритмическая среда синтеза системы управления двунаправленного преобразования энергии в ЭП. Данная среда легла в основу разработки макетного образца ЧЭП мощностью 200кВт в рамках договора ОАО "НИИ Точной механики" с ГУП "Петербургский метрополитен", направленным на решение важной народнохозяйственной задачи: "Разработка комплексной микропроцессорной системы управления эскалаторным наклоном метрополитена с асинхронными тяговыми приводами", в работы по которым был вовлечен автор при проведении диссертационных исследований.

Достоверность научных и практических результатов. Достоверность основных результатов диссертационной работы подтверждается корректным использованием методов исследования, базирующихся на теории автоматического и векторного управления, результатами компьютерного моделирования, а также результатами экспериментов на опытном образце.

Апробация работы. Работа выполнена на кафедре систем управления и информатики Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики по персональному гранту Санкт-Петербурга 2008 года для студентов, аспирантов, молодых ученых, молодых кандидатов наук "Система управления четырехквадрантным асинхронным электроприводом" (ПСП №080339, 2008г.), экспериментальная часть диссертации выполнена в ОАО «НИИ Точной механики». Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на XXXI, XXXIII, XXXV, XXXVI и XXXVII научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПб ГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2002 2004,2006,2007 и 2008 г.г.), 11-й Международной студенческой олимпиаде по автоматическому управлению ВОАС2006 (Санкт-Петербург, 2006 г.), IV и V конференциях молодых ученых СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2007,2008 г.г.).

Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 16 статьях и докладах, среди которых 5 публикации в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК. Доклады доложены и получили одобрение на 8 международных, всероссийских и межвузовских научно-практических конференциях.

Научные положения выносимые на защиту:

1) алгоритм оценивания вектора состояния АД в условиях информационной неопределенности стохастической природы.

2) цифровая система управления асинхронным двигателем без датчика положения ротора.

3) алгоритмы управления АВ без учета и с учетом компенсации токовых гармонических искажений в силовой сети.

4) оптимизация работы систем управления асинхронным ЭП и АВ по напряжению в ЗПТ.

5) результаты применительной практики с анализом особенностей построения программного обеспечения системы управления ЧЭП.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав с выводами и заключения. Она изложена на 140 странице машинописного текста, включает 73 рисунка, 2 таблицы, 3 приложения и содержит список литературы из 62 наименований, среди которых 33 отечественных и 29 иностранных авторов.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертации показана необходимость построения современного ЭП по схеме «Активный выпрямитель - Автономный инвертор», которая обеспечивает наилучшие энергетические характеристики и электромагнитную совместимость, ставшую актуальной на сегодняшней день.

ЧЭП обеспечивает работу в двигательном и генераторном режиме работы и представляет из себя два полупроводниковых ЮВТ-инверторов с синусоидальной ШИМ, связанных по ЗПТ (рис. 1). Видно, что система симметрична относительно ЗПТ и в зависимости от направления преобразования энергии один из силовых преобразователей частоты работает в режиме автономного инвертора (АИ), а другой в режиме АВ. Предложенная функциональная схема позволяет поэтапно решать поставленную задачу.

Сейь БОГи

На основе проведенного сравнительного анализа систем управления АД и устройством рекуперации в соответствии с режимом его функционирования, а также требований предъявляемых к ЧЭП, построена функциональная схема

синтезируемой системы управления, изображенная на рис. 2. Показывается, что поставленная задача может быть решена средствами современной теории векторного управления и теории построения стохастических нелинейных наблюдателей.

Сеть 50Гц

Рис. 2. Функциональная схема системы управления ЧЭП

Во второй главе на основе дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитные процессы АД в относительных величинах и ВСК, приняв в качестве опорных векторов ток статора и потокосцепленис ротора \рк, проведен анализ законов формирования электромагнитного момента в АД и сделан вывод о том, что для построения системы управления необходимо

стабилизировать вектор потокосцепления ротора y/R . При таком построении

процессы управления АД приобретают характер, сходный с процессами управления машиной постоянного тока.

При поддержании потокосцепления ротора постоянным y/R = const, дифференциальные уравнения, описывающие АД, приобретают линейный вид, что позволяет осуществить раздельную настройку каналов регулирования по принципу подчиненного регулирования. В канале регулирования тока используются ПИД-регуляторы (РТЙ и PTV), а в канале регулирования скорости вращения ротора - ПН-регулятор (PC). Ориентация ВСК вычислялась исходя из скорости ротора v и скольжения, при предположении, что переходные процессы в канале регулирования потокосцепления ротора уже завершились, в блоке расчета угла (БРУ). Блоки преобразования координат (ПК) обеспечивают преобразования между СК: 3-хфазной Oabc, 2-хфазной О ар (НСК)иВСК Оху.

Задающие воздействие для проверки работоспособности системы управления задаются таким образом, чтобы обеспечить работу системы во всех четырех квадрантах (рис. 3). Результаты моделирования дискретной системы управления с задержками на входе измерительного тракта систе-

О 2 4 6 8 1С 12 14

мы управления показали, что динамическая ошибка по скорости не превы- Рис. 3. Задающие воздействия шают 0.5%, а статическая равна нулю.

В третьей главе рассмотрен процесс построения системы управления АД без датчика положения ротора, при этом скорость вращения ротора оценивается с помощью динамического наблюдателя построенного на расширенном фильтре Калмана. Отказ от датчика положения ротора вызвана рядом причин, таких как ухудшение эксплутационных характеристик электропривода, сложность и дороговизна крепления датчика на двигателе и т.д. Построение системы на основе динамического наблюдателя решает эти

проблема, но при этом снижается диапазон регулирования скорости и увеличивается погрешность.

Алгоритм фильтра Калмана позволяет в реальном времени построить оптимальную оценку вектора состояния системы, основываясь на измерениях, неизбежно содержащих погрешности. Условием оптимальности построенной оценки состояния является минимум ее среднеквадратической погрешности стохастической нормы вектора невязки наблюдения. Для АД используется расширенный фильтр Калмана (ФК), основанный на линеаризованной дискретной модели полученной во второй главе и дополненной информацией о возможных случайных изменениях процессов и измерений:

*(*:+1) = /[х(к),и(кЩ+м>(к) у(к) = Сх(к) + д(к)

где и = (и5а и5р)т - вектор входных воздействий, у - {¡,.а - вектор измеряемых величин, * = (гХа ц/Яа ц/яр и)' -вектор переменных состояния,

С - постоянная матрица коэффициентов,/-нелинейная функция, описывающая поведение ОУ, \у(к) - вектор случайных воздействий, ц(к) - вектор случайных помех, сопровождающих измерения. Будем считать м(к) и д(к) гауссовскими случайными процессами типа белого шума с нулевыми математическими ожиданиями М[и'(к)]=0, М[ц(к)]=0 и ковариационными матрицами со\(и') = М{т/} = <2, соу{д) = М = Я.

Вычисление весовых коэффициентов на основе матриц ковариации оценки состояния и измерений

Сделать прогноз начальных условий для нового цикла

(Скорректировать оценку состояния I с учетом новых измерений

/Вычисление матрицы ковариации] устойчивой оценки состояния

Рис. 4. Обобщенный алгоритм работы ФК

ФК состоит из системы прогноза (построенной на основе математического описания АД) и системы коррекции (построенной на основе ошибки наблюдения). Обобщенную работу алгоритма наблюдения иллюстрирует рис. 4. Перечислим основные шаги работы ФК:

1. Прогнозирование следующих значений вектора состояний х(к+1\к) на основе модели ОУ по формуле х{к + \\к) = f[x(k),u(k),k\, где /-нелинейная

функция, описывающая поведение ОУ, и - вектор входных воздействий.

Запись (к+1\к) обозначает, что это спрогнозированное значение на момент времени (к+1) при условии знания его в момент к.

2. Определение матрицы ковариации ошибок оценивания Р(к+1\к), показывающей как меняется неопределенность вектора состояния в соответствии с динамикой системы: Р(к + \\к) = Vf(k)P(k\k)VfT(k) + Q, где Q - матрица

ковариации ошибок параметров системы, Р(к\к) - матрица ковариации ошибок фильтрации, V/(fc) - матрица Якоби линеаризованной системы относительно вектора состояния, которая вычисляется по формуле:

я* Х*х(к\4)

3. Вычисление оценки вектора состояния х(к+1\к+1), с учётом ошибок вычисления и измерения:

х(к +1| к +1) = х(к +1| к) + К(к +1) • {;K/fc +1) - С ■ х(к + l[/fc)},

где у (к+1) - вектор измеренных переменных, Kfi+1) - матрица коэффициентов Калмана (весовых коэффициентов), которая вычисляется по

формуле: К(к+1) = P(k+l\k)Cr {CP(k + l\k)CT + R}'1, где R - матрица ковариации ошибок измерения.

4. Обновление матрицы ковариации ошибок фильтрации:

Р{к +1| к +1) = {/ - К(к + 1)С} Р(к +1| £).

К достоинствам алгоритма следует отнести его рекуррентную природу, эффективно проявляющуюся при работе в реальном времени, а также возможность априорной оценки точности получаемых результатов средствами самого алгоритма.

Моделирование наблюдателя показало, что динамическая и статическая ошибки слежения за переменными состояния АД не превышают 1.4%, а по скорости 0.7%. Дополнительное моделирование выявило, что ошибки вызвана задержкой в измерительном тракте и соответственно с увеличением частоты дискретизации они будет стремиться к нулю.

В связи с тем, что наблюдатель оценивает вектор потокосцепления ротора, то для улучшения управления вводится дополнительный контур регулирования модуля потокосцепления ротора с ПИ-регулятором (РП) и ориентация ВСК вычисляется теперь опираясь на потокосцепления ротора, что уменьшает ошибку преобразования координат (ПКиоПК).

Моделирование системы с замыканием обратных связей через наблюдатель показало, что динамическая и статическая ошибки по скорости не превышают 1% (Рис. 5).

В четвертой главе рассматривается построение второй части ЧЭП работающей на силовую сеть. При рассмотрении системы управления устройством рекуперации (УР) прослеживается некоторая аналогия с построенной ранее системой управления АД. Синхронизация ВСК с вектором напряжения силовой сети (блоком БСС) позволяет прямым образом разделить управления процессами, связанными с активной и реактивной составляющими мощности. В этом случае имеется возможность не только обеспечить требуемое напряжение в ЗПТ, но и компенсировать реактивную мощность в сети переменного тока в рамках энергетических возможностей устройства, за счет управления двумя взаимно перпендикулярными составляющими тока.

На СУ УР накладываются следующие требования: нечувствительность к наличию гармонических составляющих напряжения сети, устойчивость к скачкам и провалам напряжения, обеспечивать слежение за частотой в диапазоне от 48 до 52 Гц.

« 1 : t,c

Рис. 5. Ошибка регулирования по

Векторные диаграммы (рис. 6) демонстрируют, что дня перехода из режима выпрямления в режим рекуперации достаточно небольшого превышения напряжения формируемого активным выпрямителем ия над напряжением силовой сети (порядка 3%), где /у - ток силовой сети, а Л и - суммарные активное и индуктивное сопротивления ЬС-фильтра и силовой сети.

1/2 13

Кк

Рис. 6. Векторные диаграммы работы УР в режимах выпрямления и рекуперации

Дифференциальные уравнения, описывающие электромагнитные процессы в системе "инвертор рекуперации - силовой фильтр - силовая сеть" в относительных величинах и ВСК, а также линеаризованное уравнение, описывающее процессы в ЗПТ, позволяют настроить систему управления по методу подчиненного регулирования. В контурах регулирования тока используются ПИД-регуляторы (РТИ , РТ^ и РТ,г), а в контуре регулирования напряжения ЗПТ - ПИ-регулятор (РН^).

Для правильной работы ПК необходим БСС. На основе проведенных исследований возможных способов вычисления угла ориентации ВСК на соответствие необходимым требованиям СУ УР, выбран способ базирующейся на системе фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Система ФАПЧ, является системой автоматического регулирования, частота настройки которой

определяется частотой управляющего сигнала, а сигналом рассогласования является разность фаз управляющего сигнала и сигнала обратной связи. Структура ФАПЧ Рис. 7. Структура ФАПЧ

изображена на рис. 7, где КЧ - это корректор частоты и РЧ - регулятор частоты. Наряду с основным свойством автоподстройки, система ФАПЧ обладает свойством фильтрации и ведёт себя, независимо от функцио-

нального назначения, как следящий полиномиальный фильтр, что благоприятно сказывается в условиях действия помех.

Моделирование показало стабильность поддержания требуемого напряжения в ЗПТ при импульсном потреблении тока.

В силу актуальности проблемы искажения силовых сетей гармоническими составляющими тока, создаваемые нелинейными нагрузками, рассматриваются возможности использования устройства рекуперации в качестве активного кондиционера электросети (активного фильтра тока).

Активный кондиционер электросети подключаются к силовой сети параллельно нелинейной нагрузке, и генерирует в сеть гармонические составляющие тока, равные по амплитуде и противоположные по знаку гармоническим составляющим тока от нелинейной нагрузки (Рис.8).

Анализ спектра гармонических составляющих силовой сети во ВСК, синхронизированной с основной гармоникой, позволил синтезировать систему управления АВ с функцией компенсации токовых гармонических искажений в силовой сети. Моделирование показало, что система на порядок снижает искажения в силовой сети.

Данное свойство системы имеет высокую актуальность на сегодняшний день, в связи с неизбежным ужесточением контроля за выполнением требований по электромагнитной совместимости.

Рис. 8. Активный кондиционер электросети

В пятой главе с целью проверки теоретических положений диссертационной работы проведен сравнительный анализ результатов моделирования

и данных полученных экспериментальным путем, приведено описание аппаратной части и рассмотрены особенности проектирования программной реализации системы управления ЧЭП.

Произведенное дополнительное совместное моделирование систем управления асинхронным двигателем и активным выпрямителем показало их взаимодействия в составе системы управления ЧЭП. С целью согласования систем управления асинхронным двигателем и активным выпрямителем был предложен способ оптимизации и регулирования напряжения в ЗПТ в соответствии с энергетическими потребностями системы на данный момент. Для этого были получены уравнения, характеризующие необходимые энергозатраты для выполнения текущей задачи и неравенства для выбора напряжения в ЗПТ. Также эта возможность позволяет форсировать угловую скорость вращения ротора выше номинальной.

На основе исследований, проведенных в диссертационной работе, было создано программное обеспечение для макетного образца ЧЭП мощностью 200кВт, разработанного в ОАО «НИИ Точной Механики». Программное обеспечение СУ АД и АВ имеют схожие структуры и модули, делится на три составные части (предстартовая процедура, диагностика и функционирование) и реализовано на сигнальном микропроцессоре.

На макетном образце были произведены следующие экспериментальные исследования:

1. Поддержание заданной скорости вращения ротора АД, на холостом ходу и при номинальном нагрузочном моменте, при замыкании обратной связи по скорости через наблюдатель и с использованием датчика положения.

2. Поддержание напряжения в ЗПТ на заданном уровне при изменении тока нагрузки.

3. Генерирование в силовую сеть активной составляющей вектора тока.

4. Компенсация реактивной составляющей вектора фазного тока. Экспериментальные данные подтвердили результаты моделирования и

показали полное соответствие разработанных схемотехнических решений и сформированных алгоритмов управления поставленной задаче.

Таким образом, использование принципов векторного управления для ЧЭП позволило унифицировать алгоритмы функционирования, и во многом упростить проектирование систем управления инверторов для сложных электроприводов переменного тока работающих в двигательном и генераторном режимах. Одновременно решена задача создания универсального устройства - стойки автономного инвертора, имеющего достаточный набор датчиков для построения, как устройства рекуперации, так и привода переменного тока без датчика положения ротора.

17

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Поставленные задачи диссертационных исследований в основном

диссертантом решены, при этом:

1. На основе составленного математического описания АД и синтезированного динамического наблюдателя разработаны и проанализированы системы управления АД при наличии и отсутствии датчика положения ротора двигателя, получены показатели качества и ограничения использования данных систем.

2. Синтезирован динамический наблюдатель на основе расширенного фильтра Калмана позволяющий оценить вектор состояния АД в условиях информационной неопределенности стохастической природы.

3. На основе составленного математического описания системы "инвертор рекуперации - силовой фильтр - силовая сеть" и проведенного анализа спектра гармонических составляющих силовой сети во ВСК, синхронизированной с основной гармоникой, разработана и исследована система управления АВ в режимах рекуперации и компенсации токовых гармонических искажений в силовой сети

4. Получен блок синхронизации с сетью работающий в условиях искажений и отклонений параметров силовой сети от номинальных.

5. На основе сравнительного анализа установлено сходство основных принципов построения систем управления АД и устройства рекуперации.

6. Получены уравнения для согласования систем управления АД и АВ с целью оптимизации их функционирования.

7. Разработана методика расчета регуляторов и наблюдателя для полученной структуры системы управления ЧЭП мощностью до 200кВт.

8. Экспериментальные испытания опытного образца подтвердили результаты моделирования и показали полное соответствие разработанных схемотехнических решений и сформированных алгоритмов управления поставленной задаче.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих

работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Исаков, A.C. Векторная система управления устройством рекуперации на микропроцессоре TMS320F243 [Текст] / A.C. Исаков, А.П. Баев, М.Р. Гончаренко, А.Н. Коровьяков, О.С. Осипцева // Научно-технический вестник СПб ГИТМО (ТУ). Информационные, вычислительные и управляющие системы. -2002. -Вып.6. - С.266-267.

2. Исаков A.C. Особенности проектирования четырехквадрантных асинхронных электроприводов [Текст] / A.C. Исаков, А.П. Баев, М.Р. Гончаренко, О.С. Осипцева // Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики (Индекс 18379). Информационные, вычислительные и управляющие системы. -2004. - Вып. 14. - С. 16-19.

3. Исаков A.C. Современные системы управления асинхронным электроприводом [Текст] / A.C. Исаков, А.П. Баев // Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики (Индекс 18379). Технология управления. - 2006. - Вып.ЗЗ. - С.30-34.

4. Исаков A.C. Динамический наблюдатель вектора состояний асинхронного электропривода в составе бездатчиковой системы векторного управления [Текст] / A.C. Исаков, М.Р. Гончаренко // Известия высших учебных заведений. Приборостроение (Индекс 70374). - 2007. - №11. -С.68-72.

5. Исаков A.C. Система управления активным ковдиционером электросети [Текст] / A.C. Исаков, М.Р. Гончаренко // Известия высших учебных заведений. Приборостроение (Индекс 70374). - 2008. - №3. _ С.26-31.

Другие статьи и материалы конференций:

1. Isakov A.S. Four-quadrant asynchronous electric drive with three-phase PWM rectifiers (Четырехквадрантный асинхронный электроприводов с трехфазным ШИМ выпрямителем) [Текст] / A.S. Isakov // Proceedings Of The Ilth International Student Olympiad On Automatic Control. - SPb.: Spbsuitmo. - 2006. - P. 148-152.

2. Исаков A.C. Система управления четырехквадрантным асинхронным электроприводом [Текст] / А.С. Исаков // Тринадцатая Санкт-Петербургская ассамблея молодых ученых и специалистов. Аннотация научных работ победителей конкурса грантов Санкт-Петербурга 2008 года для студентов, аспирантов, молодых ученых, молодых кандидатов наук. -СПб.: Фонд ТАУДЕАМУС", 2008. -С.107-108.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14 Тел. (812) 233 4669 объем 1,0 п.л. Тираж 100 экз.

Введение. Постановка задачи.

Принятые сокращения и обозначения.

Глава 1. Сравнительный анализ систем управления четырехквадрантными асинхронными электроприводами.

1.1. Четырехквадрантный асинхронный электропривод.

1.2. Системы управления асинхронного электропривода в двигательном режиме.

1.3. Системы управления асинхронного электропривода в генераторном режиме.

1.4. Структура разрабатываемой системы управления.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Синтез системы управления асинхронным двигателем, обеспечивающей двигательный режим работы.

2.1. Математическое описание объекта управления.

2.2. Базовый алгоритм синтеза динамического цифрового управления непрерывным техническим объектом на основе его дискретного модельного представления.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Синтез системы управления асинхронным двигателем, обеспечивающей двигательный режим работы в условиях информационной неопределенности.

3.1. Построение наблюдателя.

3.2. Построение динамического цифрового управления непрерывным техническим объектом в условиях информационной неопределенности.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Синтез системы управления асинхронным двигателем, обеспечивающей генераторный режим работы.^

4.1. Математическое описание объекта управления.

4.2. Базовый алгоритм синтеза динамического цифрового управления непрерывным техническим объектом на основе его модельного представления.

4.3. Система управления активным кондиционером силовой электросети.

Выводы по главе 4.

Глава 5. Система управления четырехквадрантным асинхронным электроприводом и описание макетного образца.

5.1. Система управления четырехквадрантным асинхронным электроприводом.

5.2. Описание макетного образца.

5.3. Описание программного обеспечения.

5.4. Результаты экспериментов на макетном образце.

Выводы по главе 5.

В настоящее время частотно-регулируемые электроприводы переменного тока, по единому мнению специалистов, не уступают электроприводам постоянного тока практически по всем основным технико-экономическим показателям, а по некоторым показателям статических и динамических характеристик и превосходят его. Такое положение стало возможным благодаря успехам, достигнутым в последние десятилетия в области создания мощных запираемых силовых полупроводниковых приборов с высокими динамическими параметрами и быстродействующих микропроцессорных средств управления. Поскольку среди широко используемых в промышленности электродвигателей наибольшей простотой и надежностью при минимальных массогабаритных показателях и стоимости характеризуется асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, именно частотно-регулируемый асинхронный электропривод стал главным типом регулируемого промышленного электропривода, серийно выпускаемого всеми ведущими электротехническими фирмами мира.

Исследования в электроприводе, являющемся силовой основой современной промышленности, определяют перспективу дальнейшего развития практически всех отраслей хозяйственной деятельности человечества. Общеизвестен факт, что электропривод перерабатывает порядка двух третей вырабатываемой электроэнергии, а его доля в приводе механизмов превышает девяносто процентов. Особенно роль электропривода проявилась в последние десятилетия, когда в полный рост встала проблема энергосбережения [4,33]. Это привело к тому, что наряду с традиционными отраслями промышленности, где применялся регулируемый электропривод в силу требований технологического процесса (металлорежущие станки, робототехнические комплексы, металлургическое производство и т.п.), составляющим порядка десяти процентов, стал внедряться регулируемый электропривод в те сферы производства, где применялся нерегулируемый асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Тема диссертационных исследований под названием "Синтез алгоритмов управления частотно-регулируемым электроприводом в условиях информационной неопределенности" подсказана необходимостью соединения в едином проблемном модуле возможностей нынешнего состояния теории и практики разработки систем управления четырехквадрантными асинхронными электроприводами с достижениями современной теории управления в области цифровых динамических систем.

Диссертационные исследования проводились в рамках договора ОАО "НИИ Точной механики" с ГУЛ "Петербургский метрополитен", направленного на решение важной народнохозяйственной задачи: "Разработка комплексной микропроцессорной системы управления эскалаторным наклоном метрополитена с асинхронными тяговыми приводами". На соискателя возлагалась задача разработки алгоритмов цифрового управления асинхронным двигателем в условиях невозможности измерения механических величин и устройством рекуперации при компенсации помех в силовой электросети от нелинейных потребителей. Результаты проведенных диссертационных исследований позволили научной группе сектора управляемого электропривода разработать опытный макетный образец четырехквадрантного асинхронного электропривода с векторными частотно-токовыми системами управления и автономными инверторами напряжения с синусоидальной широтно-импульсной модуляцией на базе IGBT модулей мощностью 200 кВт.

При получении теоретических результатов использовались метод пространства состояний применительно к задачам цифрового управления, метод векторного управления, построение нелинейных стохастических наблюдателей, подчиненное регулирование, линеаризация в малом в окрестности точки номинального режима, настройка стандартных регуляторов. Математический аппарат поддерживается программной и модельной оболочкой Matlab последних версий.

Соискатель при построении текста диссертации структурировал его с помощью рубрик: концепция, модельное представление, алгоритм синтеза системы управления, проверка, результаты. Структурно диссертация состоит из введения, перечня используемых сокращений и обозначений, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений.

Выводы по главе 5

1. Произведено совместное моделирование систем управления асинхронным двигателем и активным выпрямителем и показаны возможности их взаимодействия в составе системы управления четырехквадрантным электроприводом с целью расширения ее возможностей.

2. Разработанное программное и аппаратное обеспечение соответствует разработанной системе управления и требованиям, предъявленным к ее физической реализации.

3. Экспериментальные испытания макетного образца подтвердили результаты моделирования и показали полное соответствие схемотехнических решений и выбранных алгоритмов управления поставленной задаче.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Поставленные задачи диссертационных исследований в основном диссертантом решены, при этом:

1. На основе составленного математического описания АД и синтезированного динамического наблюдателя разработаны и проанализированы системы управления АД при наличии и отсутствии датчика положения ротора двигателя, получены показатели качества и ограничения использования данных систем.

2. Синтезирован динамический наблюдатель на основе расширенного фильтра Калмана, позволяющий оценить вектор состояния АД в условиях информационной неопределенности стохастической природы.

3. На основе составленного математического описания системы "инвертор рекуперации - силовой фильтр - силовая сеть" и проведенного анализа спектра гармонических составляющих силовой сети во ВСК, синхронизированной с основной гармоникой, разработана и исследована система управления АВ в режимах рекуперации и компенсации токовых гармонических искажений в силовой сети

4. Получен блок синхронизации с сетью, работающий в условиях искажений и отклонений параметров силовой сети от номинальных.

5. На основе сравнительного анализа установлено сходство основных принципов построения систем управления АД и устройства рекуперации.

6. Получены уравнения для согласования систем управления АД и АВ с целью оптимизации их функционирования.

7. Разработана методика расчета регуляторов и наблюдателя для полученной структуры системы управление ЧЭП мощностью до 200кВт.

8. Экспериментальные испытания опытного образца подтвердили результаты моделирования и показали полное соответствие разработанных схемотехнических решений и сформированных алгоритмов управления поставленной задаче.

К сожалению, автор констатирует, что в процессе написания диссертационной работы ряд вопросов остались без должного внимания, а также ряд проблем требует дальнейшего исследования. К таким вопросам и проблемам можно отнести:

1. Идентификация параметров асинхронного двигателя на этапе обучения системы управления.

2. Температурная компенсация изменяющихся во времени параметров асинхронного двигателя.

3. Повышение точности и расширение диапазонов регулирования скорости вращения ротора двигателя.

4. Улучшение устойчивости наблюдателя в диапазоне скоростей, близких к нулю.

5. Разработка алгоритмов коммутации ключей силового инвертора, приводящие к меньшим искажениям формируемых сигналов.

1.В. Теория фильтрации Калмана Текст. / А.В. Бала-кришнан; пер. с англ. под ред. А.А.Новикова - М.: Мир, 1988. - 168 с.

2. Башарин А.В. Управление электроприводами Текст.: учебное пособие для вузов / А.В. Башарин, В.А. Новиков, Г.Г. Соколовский -JL: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1982. 392 с.

3. Бесекерский В.А. Теория систем автоматического управления Текст. / В.А. Бесекерский, Е.П. Попов Изд. 4-е. — СПб.: Изд-во «Профессия», 2003. - 752 с.

4. Браславский И.Я. О возможностях энергосбережения при использовании регулируемых асинхронных электроприводов Текст. / И .Я. Браславский // Электротехника. 1998. - №8. - С.2-6.

5. Власенко В.А. Динамическая настройка стандартных регуляторов Текст. / В.А. Власенко, O.K. Мансурова СПб: СПб ГИТМО(ТУ), 2002. - 35 с.

6. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MatLab 6.0 Текст.: Учебное пособие / С.Г. Герман-Галкин СПб.: КОРОНА принт, 2001. - 320 с.

7. Герман-Галкин С.Г. Силовая электроника Текст.: Лабораторные работы на ПК / С.Г. Герман-Галкин СПб.: Учитель и ученик, КОРОНА принт, 2002. - 304 с.

8. Гончаренко М.Р. Электромагнитные процессы в силовой цепи быстродействующего асинхронного электропривода Текст.: автореф. дис. . канд. техн. наук / Гончаренко Михаил Робертович. Ленинград, Ротапринт ЛИТМО 1989. - 17 с.

9. Гончаренко Р.Б. Пути повышения эффективности электромашинных систем преобразования энергии возобновляемых источников Текст. / Р.Б. Гончаренко, М.Р. Гончаренко, И.А. Рудомазина // Известия Академии наук. Энергетика. 1998. - №2. - С.36-45.

10. Синтез дискретных регуляторов при помощи ЭВМ Текст. / В.В. Григорьев [ и др.]. JL: Машиностроение, 1983. - 245 с.

11. Современное состояние и тенденции в частотно-регулируемом электроприводе Текст. / JI.X. Дацковский [и др.]. // Электротехника. — 1996. -№10,- С.18-28.

12. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроникиТекст.: Учебник / Г.С. Зиновьев Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000. - 4.2 - 197 с.

13. Зиффлинг Г. Стохастические основы фильтра Калмана-Бьюси Текст. / Г. Зиффлинг, К. Брамер; пер. с нем. -М.: Наука, 1982. 196 с.

14. Изерман Р. Цифровые системы управления Текст. / Р. Изерман; пер. с англ. под ред. И.М. Макарова М.: Мир, 1884. - 541 с.

15. Исаков А.С. Современные системы управления асинхронным электроприводом Текст. / А.С. Исаков, А.П. Баев // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Технология управления. 2006. -Вып.ЗЗ. - С.30-34.

16. Исаков А.С. Динамический наблюдатель вектора состояний асинхронного электропривода в составе бездатчиковой системы векторного управления Текст. / А.С. Исаков, М.Р. Гончаренко // Изв. вузов. Приборостроение. 2007. - №11.- С.68-72.

17. Исаков А.С. Система управления активным кондиционером электросети Текст. / А.С. Исаков, М.Р. Гончаренко // Изв. вузов. Приборостроение. 2008. - № 3. - С.26-31.

18. Калашников В.И. Глубоко регулируемые системы векторного управления Текст. / В.И. Калашников, В.В. Булахов // Вестник ХГПУ. Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика. -2000. Вып.113. - С.85-86.

19. Климов В.П. Проблемы высших гармоник в современных системах электропитания Текст. / В.П. Климов, А.Д. Москалев // Науч.-техн.сб. Практическая силовая электроника, /под ред. Г.М. Малышкова М.: АОЗТ «ММП-Ирбис», 2002. - Вып 5. - С.24-26.

20. Климов В.П. Способы подавления гармоник тока в системах электропитания Текст. / В.П. Климов, А.Д. Москалев // Науч.-техн.сб. Практическая силовая электроника. / под ред. Г.М. Малышкова М.: АОЗТ «ММП-Ирбис», 2002. - Вып 6. - С.38-40.

21. Ключев В.И. Теория электропривода Текст.: Учеб для вузов / В.И. Юпочев М.: Энергоатомиздат, 2001. - 697 с.

22. Ковач К.П. Переходные процессы в машинах переменного тока Текст. / К.П. Ковач, И. Рац; пер. с нем. под ред. А.И. Воль Дека M.JL: Госэнергоиздат, 1963. - 735 с.

23. Нейман JI.P. Теоретические основы электротехники Текст. / Л.Р. Нейман, П.Л. Калантаров Л.: Госэнергоиздат, 1959 - 4.2. - 444 с.

24. Рудаков В.В. Асинхронные электроприводы с векторным управлением Текст. / В.В. Рудаков, И.М.Столяров, В.А. Дартау Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 136 с.

25. Рудаков В.В. Современное и перспективное алгоритмическое обеспечение частотно-регулируемых электроприводов Текст. / В.В. Рудаков, А.Е. Козярук СПб.: Санкт-Петербургская Электротехническая компания, 2004. - 127 с.

26. Основы цифровой обработки сигналов Текст.: Курс лекций / А.И. Солонина [и др.]. Изд. 2-е. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 768 с.

27. Усольцев А.А. Векторное управление асинхронными двигателями Текст.: Учебное пособие / А.А. Усольцев СПб: СПб ГИТМО(ТУ), 2002.-43 с.

28. Усольцев А.А. Частотное управление асинхронными двигателями Текст.: Учебное пособие / А.А. Усольцев СПб: СПбГУ ИТМО, 2006 -94 с.

29. Хашимов А.А. Энергосберегающие системы автоматизированного электропривода переменного тока Текст. / А.А. Хашимов // Электротехника. 1995. - №11. - С.34-39.

30. Abrahamsen F. Adjustable Speed Drive with Active Filtering Capability for Harmonic Current Compensation Text. / F. Abrahamsen, A. David // PESC.-1995.-vol.2.- P.1137-1143.

31. Allmeling J.H. A control structure for fast harmonics compensation in active Text. / J.H. Allmeling // PESC. 2002. - vol. 1. - P.376 -381.

32. Barrass P. PWM rectifier using indirect voltage sensing Text. / P. Barrass, M. Cade // IEE Proceedings Electric Power Applications. 1999. - vol. 146. - P.539-544.

33. Bhattacharya S. Active filter system implementation Text./ S. Bhattacharya [and other] // Industry Applications Magazine. 1998. - vol.4. - P.47-63.

34. Clarke & Park Transforms on the TMS320C2xx Electronic resource. -1997 URL: http://www.ti.com

35. Depenbrock M. Direct Self Control (DSC) of Inverter-Fed Induction Machine Text. / M. Depenbrock // Power Electronics. 1988. - vol.3. -P.420-429.

36. EN 61800-3. Adjustable Speed Electrical Power Drive Systems Text. -publ. 04.02.05. CENELEC, Brussels, Belgium and National Standards organizations in EU member countries. - 122 p.

37. Jezernik K. Robust Direct Torque and Flux Vector Control of Induction motor Text. / K. Jezernik // IECON. 1998. - vol.2. - P.667-672.

38. Hansen S. Control strategies for PWM rectifiers without line voltage sensors Text. / S. Hansen [and other] // APEC. 2000. - vol.2. - P.832-839.

39. Hisao K. Speed Sensorless Field Oriented Control of Induction Machines using Flux Observer Text. / K. Hisao, K. Matsuse // IECON. 1994. -vol.3.-P.1611-1615.

40. Holtz J. Methods for Speed Sensorless Control of AC Drives Electronic resource. / J. Holtz // IEEE Press Book, 1996. URL: http://www.ema.uni-wuppertal.de/paper/sensles.pdf

41. Has C. Comparison of Different Schemes without Shaft Sensors for Field Oriented Control Drives Text. / C. lias [and other] // IECON. 1994. -vol.3.-P.1579-1588.

42. Isakov A.S. Four-quadrant asynchronous electric drive with three-phase PWM rectifiers Text. / A.S. Isakov // Proceedings Of The 11th International Student Olympiad On Automatic Control. SPb.: Spbsuitmo, 2006. -P.148-152.

43. Kang JK New Direct Torque Control of Induction Motor for Minimum Torque Ripple and Constant Switching Frequency Text. / Jun-Koo Kang, Seung-Ki Sul // Industry Applications. 1999. - vol.35. - P.1076-1082.

44. Kataoka Т. A three-phase voltage-type PWM rectifier with the function of an active power filter Text. / T. Kataoka [and other] // Power Electronics and Variable Speed Drives. 2000. - P.386-391.

45. Loron L. Application of an Extended Kalman Filter to the estimation of the parameters of a solid rotor asynchronous drive with two degrees of freedom Text. / L. Loron, G. H. L. Peterson // Power Electronics and Applications. -1991.- vol.5. -P.85-90.

46. Mora J.L. ASIC-Based Tachometer Without Mechanical Transducer for Induction Machines Text. / J. L. Mora [and other] // IECON. 1999. -vol.3.-P.1039-1044.

47. Ohnuki T. A three-phase PWM rectifier without voltage sensors Text. / T. Ohnuki [and other] // IEE Proceedings Electric Power Applications. 1999 - vol.146.-P.632-636.

48. Perelmuter V. A Simplified Modeling of Induction Motor Drives with Direct Torque Control Text. / V. Perelmuter // IECON. 1999. - vol.2. -P.486-491.

49. Rusong W. PWM AC to DC converter with fixed switching frequency Text. / W. Rusong, S.B. Dewan, G.R. Slemon // Industry Applications. -1990.-vol.26.-P.880-885.

50. Schroder D. Neural-Net Based Observes for Sensorless Drives Text. / D. Schroder, C. Schaffner, U. Lenz. // IECON. 1994. - vol.3. - P.1599-1610.

51. Sul S.K. A Novel Technique for Optimal Efficiency Control of a Current-Source Inverter-Fed Induction Motor Text. / S.K. Sul, M.H. Park // Power Electronics. 1988. - vol.3. - P. 192-198.

52. Takahashi I. A New Quick-Response and High-Efficiency Control Strategy of an Induction Motor Text. / I. Takahashi, T. Noguchi // Industry Application. 1986. - vol.IA-22. - P.820-827.

53. The release of IEEE Std 519-1992. Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems Text. -publ. 01.05.91. Institute of Electrical and Electronics Engineers. - 112 p.

54. Thomas Т. Design and performance of active power filters Text. / T. Thomas [and other] // Industry Applications. 1998. - vol.4. - P.38-46.

55. Tung-Hai Chin Approaches for Vector Control of Induction Motor without Speed Sensor Text. / Chin Tung-Hai // IECON. 1994. - vol.3. - P. 16161620.

56. Walczyna A.M. Problems of Application of Direct Flux and Torque Control Methods to High Power VSI-Fed Drives Operating at Low Speed Text. / A.M. Walczyna // IECON. 1994. - vol.1. - P.293-298.

57. Zhou D. Regulation and design issues of a PWM three-phase rectifier Text. / D. Zhou, D. Rouaud // IECON. 1999. - vol.1. - P.485-489.