автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Системы цифрового управления электроприводами переменного тока с косвенным измерением переменных

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Системы косвенного измерения вектора потокосцепления методом интегрирования.

1.2. Системы косвенного измерения механических координат с адаптацией.

1.3. Системы измерения механических переменных с использованием скользящего режима.

1.4. Выводы главы 1.

2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ФОРМИРОВАТЕЛЯ

СИГНАЛОВ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ.

2.1. Основные особенности структуры формирователя.

2.2. Векторный фильтр как основа формирователя.

Упрощенный вариант векторного фильтра.

Линеаризация упрощенного векторного фильтра.

Исследование динамики упрощенного векторного фильтра.

Использование нелинейного регулятора в векторном фильтре.

Векторный фильтр во вращающейся системе координат.

2.3. Использование модели магнитной цепи двигателя.

Модель магнитной цепи синхронного двигателя с электромагнитным возбуждением в одной оси.

Модель магнитной цепи асинхронного короткозамкнутого двигателя.

2.4. Особенности измерения ЭДС.

Влияние реальных дифференцирующих звеньев на вид частотной характеристики и переходный процесс упрощенного векторного фильтра.

2.5. Функциональная схема формирователя сигналов обратной связи двигателя.

2.6. Дополнительные элементы структуры формирователя.

Уточнение структуры регулятора измеренных угловых положения и скорости для компенсации нестабильности амплитуды фильтрованной ЭДС.

2.7. Исследование свойств формирователя сигналов обратной связи двигателя.

2.8. Особенности формирователя сигналов обратной связи для синхронизации систем импульсно-фазового управления тиристорных преобразователей, питаемых от сети.

Формирователь сигналов обратной связи сети на основе упрощенного векторного фильтра.

Анализ динамики векторного фильтра с фильтром на входе и реальным дифференцирующим звеном в обратной связи.

Формирователь сигналов обратной связи сети на основе векторного фильтра во вращающихся координатах.

2.9. Выводы главы 2.

3. РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА, СОДЕРЖАЩЕГО

ФОРМИРОВАТЕЛЬ СИГНАЛОВ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ.

3.1. Регулятор скорости с задатчиком интенсивности.

3.2. Формирователь электромагнитного режима.

3.3. Регулятор электромагнитных переменных.

3.4. Дополнительный регулятор выпрямленного тока и формирователи углов управления преобразователями.

3.5. Система импульсно-фазового управления преобразователями.

3.6. Микропроцессорная реализация системы управления.

3.7. Выводы главы 3.'.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ СИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С

4.1. Параметры силовой части электропривода.

4.2. Настройки системы автоматического управления.

4.3. Исследование при помощи цифрового моделирования.

Элементы модели силовой части электропривода.

Результаты моделирования.■.

4.4. Исследование электропривода на стенде.

4.5. Испытание электропривода на объекте.

В настоящее время во всем мире проводится большая работа по созданию частотно-регулируемых электроприводов различных мощностей. Кроме электроприводов предельного быстродействия и высокой точности существует огромный парк таких механизмов с регулируемой частотой вращения, где определяющими требованиями являются экономичность и надежность работы, а также минимальная стоимость (массовый электропривод). Примерами таких электроприводов являются насосы, вентиляторы и многие другие. Традиционно такие электроприводы выполняются на базе нерегулируемых машин переменного тока: при средней или малой мощности -асинхронных, при большой - синхронных. В случае необходимости регулирования какого-либо технологического параметра, например расхода рабочего тела насоса, используются задвижки и другие способы, при которых резко возрастают потери электроэнергии.

Качество работы электропривода во многом определяется качеством датчиков, поэтому задача формирования сигналов обратной связи (как механических, так и электромагнитных) в настоящее время весьма актуальна. Известны способы измерения угловых скорости и положения ротора путем применения различных кодовых датчиков (в том числе и на основе механических контактов), импульсные (оптические и индукционные) и на основе специализированных микромашин: тахо-генераторов, сельсинов и вращающихся трансформаторов. В этих случаях возникает задача качественно соединить вал двигателя с валом датчика, чтобы исключить возможность поломки или оборотных пульсаций в результате несоосности. Для ее решения применяют плавающую посадку датчиков или гибкую трансмиссию. Это усложняет конструкцию, приводит к возникновению колебаний и снижает надежность.

Каждый из упомянутых датчиков формирует сигнал либо скорости, либо положения, вторую переменную необходимо получить либо дополнительной обработкой, либо со второго датчика, либо косвенными мерами. Так, например, использование импульсного датчика с синхронным двигателем требует измерения начального углового положения при помощи импульсов тока возбуждения. Встает вопрос борьбы с помехами и диагностики. В то же время может возникнуть ситуация, когда такой датчик либо крайне дорог, либо не может быть установлен вообще.

Известен способ измерения координат вектора потокосцепления статора при помощи датчиков магнитного поля (обычно датчиков Холла), укладываемых в пазы обмотки двигателей. Этот способ связан с необходимостью применения специальной машины, затруднителен для модернизации существующего оборудования и в большинстве случаев не может быть оправдан экономически. К тому же такой датчик измеряет поле только в одной точке и представление о полном потокосцеплении может оказаться неточным.

Целью настоящей работы является создание и исследование такого формирователя сигналов обратной связи, который максимально полно отвечает требованиям, предъявляемым к частотно-регулируемому векторному электроприводу общепромышленных механизмов. Эта цель включает в себя следующие задачи:

1. Разработка структурной схемы формирователя сигналов обратной связи.

2. Исследование свойств полученного формирователя и его элементов.

3. Разработка исполнительных функциональных схем системы автоматического управления частотно-регулируемого векторного электропривода и создание рабочих алгоритмов и программ для микропроцессорного устройства управления.

4. Разработка методики наладки электропривода переменного тока с векторным управлением и с использованием разработанного формирователя.

5. Исследование свойств полученного электропривода.

На защиту выносятся следующие новые научные результаты, полученные в данной работе:

1. Структура формирователя сигналов обратной связи и результаты исследования его свойств.

2. Некоторые особенности реализации системы автоматического векторного управления как на уровне функциональных схем, так и на уровне цифровой реализации.

3. Комплексная цифровая модель силовой части электропривода по мгновенным значениям переменных и полученные с ее помощью результаты в сравнении с экспериментами на промышленной установке. 7

Для анализа и синтеза элементов системы управления использовалась современная теория машин переменного тока в виде многомерного нелинейного многосвязного объекта, учитывающего насыщение магнитопровода и вихревые токи ротора. а также теория нелинейных многосвязных систем подчинённого регулирования. Для определения динамических свойств нелинейных структур применялась линеаризация «в малом». Учет влияния нелинейностей и комплексное моделирование электропривода проводилось при помощи цифрового моделирования с использованием математического пакета МАТЬАВ 5.0 & 51М1ШЖ 2.0 фирмы МАТН\¥01Ж5 или разработкой программы на языке С. Экспериментальные исследования проводились на промышленном электроприводе.

В настоящей диссертации, помимо теоретического исследования, приводятся основные результаты работ выполненных автором совместно с научным руководителем в АО «Научно-исследовательский институт электроэнергетики» (ВНИИЭ) в ходе разработки и внедрения тиристорного пускового устройства турбокомпрессоров для Новолипецкого металлургического комбината. На основе проведенных ранее теоретических исследований была создана микропроцессорная система векторного управления, включающая в себя формирователь сигналов обратной связи двигателя, позволяющий косвенным путем измерять электромагнитные переменные в машине и угловые положение и скорость ротора.

В ходе наладки были проведены две серии испытаний: на стенде ВНИИЭ и на объекте. Результаты этих испытаний приведены в данной работе.

Основные результаты работы доложены на научно-технической конференции по электроприводам переменного тока в Екатеринбурге 1995 г. [12] и в Японии в 1997 г. [20], а также закреплены в патенте РФ [9]. Имеется печатная работа [10].

ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

В настоящее время во всем мире разрабатываются способы косвенного измерения переменных машины при помощи датчиков тока и напряжения на выводах в случаях, не требующих повышенной точности и быстродействия. Требования предъявляемые к таким устройствам: достаточные точность и быстродействие; => возможность измерения большого числа переменных; работоспособность и обеспечение точности и быстродействия во всем возможном диапазоне скоростей и моментов, в том числе и в условиях неподвижного двигателя; грубость, то есть слабая чувствительность к неточности измерения и изменениям параметров объекта; => применимость к серийным двигателям переменного тока различных видов без установки в них каких-либо дополнительных устройств; диагностируемость, то есть возможность определения моментов недостоверности выходной информации.

4.6. Выводы главы 4

Исследование электропривода с помощью цифровой модели - мощный инструмент проверки принятых на этапе проектирования решений. Что и демонстрируется результатами этой главы. Учет моделью силовой части особенностей реального оборудования, например мгновенных значений сигналов вместо гладких составляющих позволяет получать процессы в модели близкими к реальным.

Все представленные процессы объединяет повторяемость результатов и высокая надежность работы электропривода в самых разных, в том числе очень тяжелых, режимах. Показатели работы привода подтверждают правильность выбранных решений как в области косвенного измерения переменных, так и в особенностях структуры всей системы управления. Разработанный электропривод доказал свою пригодность для широкого спектра общепромышленных механизмов без датчика положения ротора.

I [--------- 1 ■

• -л 1

1 е-— ! и

К £.- 9-* \ .с* Г . -------- }---------- »^чза^ - - П "

О гг

Гп" ю . лея

• и-о- й--

--- .17 ИЗ"'"

---- —----- -----— ------ --

1— ---------- о аь. ч

О к ) н

VI

О* """

1

О?—

-ГТ1 - з— р

О $ Г 1 л*-.

Л*- 1

Ж 4 -«1 Г 1 . . .

V /■• 1ШИа й-ар!- 1-^■¿¿Г^-Гг' -

- , ' - «Г" ••

0 С: со

-—V.

-- .¿4

-в-ггГ^Г' —— ■ ••■ -1 ■ . . . . • ;

Полный- цикл работы привода: разгон до номинальной скорости и торможение. рис. 4.15

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подводя итоги работы можно утверждать следующее: Разработан новый алгоритм формирователя сигналов обратной связи, отличительным достоинством которого является расширенная, пс сравнению с пэеди;.?с~-вующими, рабочая зона скоростей и сниженная чувствительность к помехам. Исследована двумерная нелинейная динамическая замкнутая структура типа «векторный фильтр» (упрощенный и обобщенный варианты), которая лежит в основе разработанного формирователя сигналов обратной связи, методами линеаризации «в малом» и цифровым моделированием. Применение нового формирователя сигналов обратной связи позволяет обеспечить пуск двигателей переменного тока в составе частотно-регулируемого векторного электропривода в замкнутой системе автоматического управления начиная с нулевой скорости. • .

• Доказана работоспособность (в течении минимально необходимого времени) формирователя в зоне сверхнизких скоростей, вплоть до неподвижного ротора, хотя это и ведет к снижению точности. Исследована динамика формирователя сигналов обратной связи методом цифрового моделирования автономно и в составе, модели электропривода. ' Предложен новый способ автоматизированного определения некоторых параметров двигателя. .'у ' ' Рассмотрены модели магнитных цепей синхронного с электромагнитным, возбуждением и асинхронного короткозамкнутого двигателей. в Разработана и реализована микропроцессорная система автоматического управления тиристорным пусковым устройством, содержащим формирователь сигналов обратной связи. Проведены исследования алгоритмов системы управления при помощи цифрового моделирования электропривода. в Разработанный электропривод испытан на стенде и на объекте, приведены параметры двигателя (исходные и преобразованные), настройки системы управления, полученные в ходе наладки и осциллограммы процессов.

Апробированные идеи могут быть применены для широкого спектра электроприводов общепромышленного назначения, в том числе в серийных комплектных электроприводах.

Вместе с тем остается достаточный простор для повышения эксплуатационных качеств как формирователя сигналов обратной связи, так и системы автоматического управления в целом. Нерешенным вопросом остается измерение суммарного активного сопротивления статорных цепей. Возможное решение . этого вопроса вытекает из [15], где предлагается корректировать измеренную ЭДС статора измерением напряжения той фазы, которая подключена к закрытым в данный момент вентилям преобразователя частоты (ШИМ или ЗИТ) и ее ток равен нулю.

Другим шагом, повышающим потребительские качества электропривода может быть разработка и реализация процедуры самонастройки, в ходе которой система управления формирует ряд тестовых воздействий на двигатель, по результатам'которой определяются его параметры и некоторые константы настройки контуров регулирования для того, чтобы привод отвечал общим требованиям. При этом на долю наладчиков остается творческое осмысление полученных параметров и учет нестандартных условий и специфических требований. Именно такой сервис предоставляют многие зарубежные электропривода.

Специфической проблемой, свойственной для систем векторного управления является борьба с возникновением оборотных колебаний, особенно при низких скоростях, вызванных постоянной составляющей в измеренных сигналах фазных переменных и их переводом ко вращающейся системе координат.

В целом можно утверждать, что в данной работе получено решение сложной научно-технической задачи формирования сигналов обратной связи в системах автоматического управления регулируемых электроприводов переменного тока, вполне пригодное для достаточно широкой области практического применения таких электроприводов.

1. Аракелян А. К., Афанасьев А. А., Чиликин М. Г. Вентильный электропривод с синхронным двигателем и зависимым инвертором. М.: Энергия, 1977. 224 с.

2. Вейнгер А. М., Регулируемый синхронный электропривод. М.: Энергоатомиздат, 1985. 224 е., ил.

3. Изосимов Д. Б., Рыбкин С. Е., Алгоритмы идентификации механических координат электропривода. Электротехника №7, 1994.

4. Ильинский Н. Ф., Опыт и перспективы применения регулируемого электропривода насосов и вентиляторов, в сборнике тезисов докладов 1-й международной (12-й всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу. СПб. 1935. с. 12.

5. Метод моделирования преобразовательных схем на ЦВМ. Томашевич В. Г., Вейнгер А. М., Серый И. М., Янко-Триницкий А. А. Известия, вузов. Энергетика. 1978,- № 6,- с. 47-52.

6. Нелинейный регулятор тока вентильного электропривода. А. И. Вахрамеев, Ю. С. Тартаковский, А. М. Вейнгер, А. С. Гусев в сборнике: Наладка современных электроприводов постоянного тока. Свердловский совет НТО. Свердловск. 1983. с. 3-12.

7. Онищенко Г. Б., Локтева И. Л. Асинхронные вентильные каскады и двигатели двойного питания. М.: Энергия, 1979. - 200 с., ил.

8. Патент РФ № 2074394 Способ измерения параметров электрической машины переменного тока и устройство для его осуществления/ АООТ Научно-исследовательский институт электроэнергетики (ВНИИЭ); авторы: Вейнгер А. М., Тикоцкий П. А. Заявл. 27.04.94.

9. Применение контроллера ЦОС Тогпас1о-30 для управления электроприводом. Вейнгер А. М., Новаковский А. Н., Тикоцкий П. А. Современные технологии автоматизации №4, 1997.

10. Проектирование электроприводов. Свердловск, Средне-Уральское кн. изд-во, 1980. 160 с. с ил.

11. Справочник по наладке электроустановок/ Под ред. М. Г. Зименкова, Г. В. Розенберга, Е. М. Феськова. М.: Энергия, 1983. 480 с.

12. Arefen М. S., Ehsani М., Lipo Т. A. «An analysis of the accuracy of indirect shaft sensor for synchronous reluctance motor»,. IEEE Transactions on industry applications, vol. 30, No. 5, sept/oct 1994. p. 1202-1208.

13. Arsudis D. «Sensor-less power control of a double-fed ac-machine with nearly sinusoidal line currents». EPE Aachen 1989.

14. Bausch H., Kanelis K., Lange В., Zeng W. «Torque control of synchronous and asynchronous drives without mechanical sensors». 1992.

15. Kubota H., Matsuse K. «Speed sensorless field-oriented:control of induction motor with rotor resistance adaptation», IEEE Transactions on industry applications, vol. 30, No. 5, sept/oct 1994. p. 1219-1224.

16. Peng F.-Z., Fukao T. «Robust speed identification for speed-sensorless vector control of induction motors», IEEE Transactions on industry applications, vol. 30, No. 5, sept/oct 1994. p. 1234-1240.