Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський національний університет радіоелектроніки

УДК 681.513

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Векторне керування асинхронними двигунами

05.13.03-системи та процеси керування

Потапенко Євген Євгенович

Харків-2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Запорізькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України. векторний керування двигун

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Піза Дмитро Макарович, проректор, директор інституту інформатики і радіоелектроніки Запорізького національного технічного університету.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Руденко Олег Григорійович, Харківський національний університет радіоелектроніки, завідувач кафедри електронних обчислювальних машин;

доктор технічних наук, професор Кузнецов Борис Іванович, Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, професор кафедри колісних та гусеничних машин.

Провідна установа - Севастопольський національний технічний університет, кафедра технічної кібернетики, м. Севастополь.

Захист відбудеться _22_ ____березня____ 2005 р. о __14__ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.02 в Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат розісланий __17__ ____лютого____ 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Безкоровайний В.В.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. В даний час близько половини вироблюваної у світі електроенергії, у тому числі й в Україні, споживається асинхронними двигунами (АД). Приблизно 80% працюючих АД є нерегульованими. У той же час більшість технологічних процесів вимагають регулювання швидкості або координати. При регулюванні швидкості АД в багатьох технологічних процесах можна досягти економії електроенергії до (50...60)%. Регулювання швидкості загальнопромислових АД можна забезпечити за рахунок застосування сучасних методів керування, зокрема, векторного керування (ВК). Зараз електроприводи з ВК розроблені і продаються кількома могутніми фірмами дальнього зарубіжжя. В Україні такі електроприводи не виробляються. Вартість і ремонт електроприводів, що постачаються, дуже високі. Тому є нагальна потреба організувати в Україні виробництво сучасних електроприводів з ВК. Основною проблемою створення сучасних електроприводів змінного струму є розробка високоефективних і простих в обчислювальному відношенні методів ВК. Особливо важливим є розширення діапазону регулювання швидкості АД. Збільшення діапазону регулювання дозволить розширити область використання цих дешевих і надійних електродвигунів. Найбільш вагомий внесок у розробку теорії та алгоритмів ВК АД внесли F. Blaschke, P. Vas, D.W. Novatny, Т.A. Lipo, K. Rajashekara, K. Matsuse, Z. Krzeminski; в Россії - Д.Б. Ізосимов, В.І. Уткін; в Україні - С.М. Пересада.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана в рамках Державної науково-технічної програми “Екологічно чиста енергетика і ресурсозберігаючі технології”, відповідно до Постанови Кабінету Міністрів України від 01.07.94 р., 07.02.96 р. №163 і Комплексної Державної програми енергозбереження України, затвердженої постановою Кабінету Міністрів України від 05.02.97 р. №148. Робота над дисертацією проводилася в Запорізькому національному технічному університеті (ЗНТУ) у рамках і в забезпечення держбюджетних науково-дослідних робіт №05410 (держреєстрація № 0100U001003, 2000 - 2002 рр.) “Оптимальні робастні алгоритми керування електромеханічними системами” (автором синтезовані оптимальні закони керування), № 05413 (держреєстрація № 0103U000111, 2003 - 2005 рр.) “Адаптивні і високоінтелектуальні алгоритми керування електродвигунами змінного струму підвищеної якості” (автором запропоновані методи ідентифікації невизначених параметрів, робастні та адаптивні закони керування), а також госпдоговірної роботи “Рекомендации по построению, особенностям работы, характеристикам и параметрам регулируемых электроприводов переменного тока технологических линий ЦГПТЛ ОАО “ЗАПОРОЖСТАЛЬ”, 2003 р. У даний час вище зазначені розробки автора реалізуються в електроприводах, що розробляються у НПП “Перетворювач-комплекс”, м. Запоріжжя. У перелічених роботах автор був і є відповідальним виконавцем.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є синтез і аналіз методів векторного керування асинхронними двигунами з поліпшеними енергетичними і динамічними характеристиками і малим обсягом обчислень.

Для досягнення мети треба було вирішити наступні задачі:

1) провести аналіз літературних джерел і патентного фонду з ВК АД;

2) систематизувати математичний опис роботи АД з короткозамкненим ротором з ВК;

3) розробити методи мінімізації споживаної потужності АД;

4) проаналізувати відомі методи інформаційного забезпечення векторного керування АД і розробити нові методи, що відповідають меті роботи;

5) синтезувати оптимальні робастні закони керування швидкісним і струмовими контурами системи керування;

6) показати, що синтезовані методи дійсно потребують меншого обсягу обчислень у порівнянні з відомими методами того ж призначення;

7) підтвердити працездатність і поліпшені динамічні характеристики синтезованих методів керування шляхом чисельного моделювання.

Об'єкт дослідження - АД з короткозамкненим ротором і векторним принципом керування.

Предмет дослідження - робастні оптимальні адаптивні векторні методи і закони керування АД.

Методи дослідження: методи теорії електропривода, що описують роботу АД; методи простору стану при складанні рівнянь роботи АД; методи сучасної теорії керування безперервних і дискретних систем для оцінювання вектора стану й ідентифікації параметрів АД; методи оптимізації для мінімізації споживаної потужності; методи ідентифікації й адаптації для ідентифікації параметрів АД і компенсації впливу їхнього змінювання; прямий метод Ляпунова для синтезу динамічних фільтрів і дослідження стійкості їхньої роботи; методи чисельного та натурного моделювання для перевірки й ілюстрації ефективності аналітично отриманих результатів.

Наукова новизна отриманих результатів:

1) модифіковано методи формування електромагнітного моменту АД, засновані на спостереженні і компенсації невизначеностей, нелінійностей, навантаження і збурень АД; ці методи забезпечують кращі динамічні характеристики в порівнянні з розповсюдженим ПІ- регулятором;

2) набули подальшого розвитку методи формування програмних струмів при векторному керуванні; вони мінімізують або споживану АД потужність, або модуль струму статора при заданому електромагнітному моменті, або максимізують модуль електромагнітного моменту при заданому струмі статора в порівнянні з відомими методами; позитивні ефекти досягаються за рахунок погодженої зміни намагнічуючого і моментного струмів у залежності від електромагнітного моменту;

3) вперше запропоновано адаптивні аналого-цифрові фільтри для вимірювання без перекручувань головних гармонік струмів і напруг на виходах перетворювача частоти (ПЧ) із широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ);

4) модифіковано динамічні фільтри для оцінки векторів потокозчеплень ротора, статора та їх (векторів) швидкостей обертання, працездатні за наявності похибок вимірювань струмів і напруг; ці фільтри істотно розширюють діапазон регулювання швидкості ротора в порівнянні з відомими методами;

5) модифіковано метод ідентифікації активного опору статора, що відрізняється від відомих методів простотою;

6) набув подальшого розвитку метод обчислення швидкості обертання вектора потокозчеплення ротора, що відрізняється від відомих методів простотою і широким діапазоном вимірювань;

7) вперше запропоновано комбінований робастний закон керування контурами струмів статора, що усуває необхідність пошуку компромісу, характерного для традиційного ПІ-регулятора, між швидкодією і точністю, з одного боку, і перерегулюванням, з іншого боку.

Практичне значення одержаних результатів. Синтезовані методи оцінки параметрів і вектора стану, закони керування, а також аналого-дискретні фільтри напруги і струму суттєво поліпшують динамічні, статичні й енергетичні характеристики асинхронних електроприводів з ВК відносно існуючих електроприводів вказаного типу. Ці ж розробки можуть бути успішно використані у будь-яких електроприводах змінного струму як з ВК, так і з прямим керуванням моментом і потокозчепленням. Матеріали даної роботи покладені в основу розроблюваного навчального курсу “Сучасні методи керування електроприводом”. Матеріали дисертації входять складовою частиною до держбюджетних науково-дослідних робіт, а також госпдоговірних робіт, перелічених на с. 1, 2.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати, що виносяться на захист, отримані здобувачем особисто. Роботи [4, 7, 11] виконані без співавторів. У роботі [1] автором отримані аналітичні вирази оптимальних програмних струмів, а у роботі [2] вирішена та ж задача, але з урахуванням втрат у сталі двигуна, крім того, у [1] синтезовано робастний електромагнітний момент. У роботі [12] автором доказано, що синтезований у [1] алгоритм є робастним відносно до нелінійності кривої намагнічування та сталої часу ротора. У роботі [13] автором досліджено роботу системи при малих струмах. У роботі [3] автору належить частина огляду літератури з клемного керування (керування без датчиків швидкості). У роботі [5] автором отримані аналітичні вирази елементів вектора стану АД. У роботі [6] автору належить синтез аналого-дискретних однокаскадних, а у роботі [7] - багатокаскадних фільтрів багатофазних невизначених гармонійних сигналів. У роботі [8] автор отримав аналітичні залежності, що дозволяють оптимізувати струмові контури з ПІ-регуляторами. У роботі [9] автор синтезував адаптивні спостерігачі для оцінки потокозчеплень. У роботі [10] автор самостійно поставив задачу оцінки потокозчеплень за наявності похибок датчиків і отримав її аналітичний розв'язок. У роботі [14] дисертант синтезував структуру компенсаторів (регуляторів і спостерігачів) контурів струму.

Апробація результатів роботи. Матеріали роботи доповідалися, обговорювалися і були схвалені на наступних міжнародних науково-технічних конференціях:

“Автоматика”, 1999 р., м. Харків; 2000 р., м. Львів; 2002 р., м. Донецьк; 2004 р., м. Київ;

“Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика” м. Алушта, Крим, 1999, 2000, 2001, 2002, 2003 рр.;

“Проблеми сучасної електротехніки”, м. Київ, 2000, 2002 рр.;

“Електротехнічні системи, методи моделювання та оптимізації”, м. Кременчук, 2002 р.

Публікації. За основними положеннями даної роботи опубліковано 11 статей у фахових виданнях, що включені до списку ВАК, а також 3 роботи в матеріалах конференцій.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел зі 194 найменувань на 20 с. і додатків на 23 с. Загальний обсяг дисертації 196 сторінок, обсяг основного тексту дисертації 147 с., рисунків-54 з них 11 рисунків займають 6 окремих сторінок.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність роботи і показано її зв'язок з науковими програмами, сформульовані мета і основні задачі дослідження, приведено наукові положення, що виносяться на захист, а також рівень апробації результатів роботи і особистий внесок здобувача у публікаціях.

У першому розділі зроблено огляд публікацій за темою дисертації. ВК АД здійснюється за допомогою перетворювача частоти з широтно-імпульсною модуляцією. Вихідні напруги і струми ПЧ з ШІМ являють собою корисні сигнали (головні гармоніки), на які накладено високочастотні шуми, зумовлені ШІМ.

Амплітуди шумів можуть у десятки разів перевищувати амплітуди головних гармонік. Це дуже ускладнює вимірювання струмів і, особливо, напруг. Тому для якісного ВК необхідно мати інформацію про швидкість і вектор потокозчеплення ротора. Однак, встановлення датчиків вказаних змінних у більшості випадків утруднене і супроводжується зниженням надійності і зростанням вартості привода. Тому треба синтезувати алгоритми, які дозволяють оцінювати швидкість і вектор потокозчеплення ротора лише за вимірюваннями клемних струмів і напруг. На працездатність ВК дуже сильно впливають відхилення опорів статора і ротора від номінальних значень з причини зміни температури АД. Опори можуть змінюватись у 2-3 рази, тому потрібна розробка алгоритмів ідентифікації опорів.

Для забезпечення робастності і підвищення якості системи керування видається ефективною розробка нових робастних алгоритмів керування швидкісним і струмовими контурами системи ВК. Існуючі алгоритми оцінювання швидкості і вектора потокозчеплення ротора разом з ідентифікацією опорів дуже складні і потребують великого обсягу обчислень. Це спричиняє необхідність використання більш дорогих цифрових сигнальних процесорів (ЦСП). Спрощення алгоритмів керування дозволяє швидше і надійніше здійснювати налагодження запрограмованих алгоритмів; спрощення алгоритмів сприяє використанню для моделювання динаміки більш дешевих ЕОМ. Тому виникає задача спрощення алгоритмів вказаного призначення. Оскільки АД дуже розповсюджені, то важливим є питання зниження їх енергоспоживання. На підставі сказаного сформульовано мету і задачі дослідження. В результаті огляду літератури з систем з найкращими показниками якості було обрано прототипи: для керування з датчиком швидкості з діапазоном регулювання швидкості 1:20000, а для керування без датчика швидкості з очікуваною мінімальною швидкістю, що регулюється, .

Другий розділ - “Синтез методів керування”. Керуванням, що діє на АД, є вектор напруги , заданий двома проекціями на осі статорного базису . Ці напруги формуються за допомогою ПЧ з ШІМ. В ПЧ є ряд невизначеностей, що призводять до деякої втрати напруги. Тому ПЧ з ШІМ буде моделюватися підсилюючими ланками в кожній фазі з невідомими коефіцієнтами підсилювання, на вихідні сигнали яких накладаються синусоїдальні завади з частотою ШІМ. Амплітуди цих завад можуть у десятки разів перевищувати амплітуди корисних складових (головних гармонік). У теперішній час відсутні засоби і методи для прямого вимірювання напруги на виході ПЧ з ШІМ. Тому використовуються непрямі (неточні) методи обчислення цих напруг.

Як вимірювачі будуть використовуватись 2 датчики статорних струмів і 2 датчики напруги (проекцій вектора струму (напруги) на осі статорного базису). Ці датчики вимірюють головні гармоніки з гармонічними похибками частоти ШІМ.

Таким чином, робота АД описується суттєво нелінійною невизначеною системою диференціальних рівнянь п'ятого порядку з не точно и не повністю вимірюваним вектором стану. Аналітично синтезувати і дослідити систему рівнянь такого об'єкта не видається можливим. На щастя, вказана система є тритемповою, що дозволяє здійснити її сингулярне розкладання на ряд підсистем і для кожної підсистеми здійснити синтез і аналіз блока системи керування. Самим повільним є процес намагнічування головного магнітного кола АД (2), самим швидким є процес струмів.

При синтезі закону керування швидкістю розглядалася система рівнянь у синхронному базисі (d, q), зв'язаному з вектором потокозчеплення ротора

(1)

(2)

де - момент інерції; ,-момент навантаження і електромагнітний момент; -кількість пар полюсів; -взаємна індуктивність ротора і статора та індуктивності статора і ротора; -модуль вектора потокозчеплення ротора; -складові векторів струму у базисі ; -стала часу ротора. Вважається, що невідома і така, що кусково диференціюється, а параметри системи неточно відомі, причому

(3)

У (3) -детерміновані частини (номінальні значення), -невідомі похибки. З метою компенсації впливу невідомих складових, у тому числі сталої часу ротора , виділено номінальний електромагнітний момент

(4)

У цьому випадку з урахуванням (2), (3), (4) рівняння (1) набуває вигляду

(5)

де невизначеність

(6)

Рівняння (5) являє собою рівняння повністю детермінованого об'єкта з номінальними параметрами, на який діє невизначеність . Задача складається з оцінювання і компенсації її впливу за допомогою спеціальної складової в законі керування. Для оцінювання синтезовано спостережник

(7)

і регулятор (закон керування)

, (8)

де -коефіцієнти підсилення спостережника і регулятора; -програмне значення ; -оцінювання .

Алгоритм (7), (8) робить регулювання контуру швидкості робастним відносно складових, що входять у .

Повна потужність, що споживається АД, має вигляд

(9)

де електромагнітні втрати; . Мінімізація дає такі значення програмних струмів:

(10)

Легко побачити, що при виконанні гіпотези щодо пропорційної зміни температур статора і ротора вирази (10) є інваріантними до нагріву АД.

Окрім цієї задачі, також було вирішено такі задачі:

1) максимізація модулю електромагнітного моменту при обмеженні зверху модулю статорного струму,

2) мінімізація модулю струму при заданому електромагнітному моменті та інші задачі.

Для цих задач було отримано аналітичні вирази споживаної потужності і електромагнітного моменту. Проведено порівняння синтезованих алгоритмів (10) з алгоритмами класичного векторного керування, коли модуль вектора потокозчеплення ротора підтримується постійним. На рис.1 наведено відношення споживаної потужності АД із синтезованим алгоритмом до споживаної потужності

АД з класичним алгоритмом в залежності від відношення діючого навантаження до номінального . Порівняння показало, що при номінальному моменті навантаження споживані потужності рівні. Однак при зменшенні (збільшенні) моменту навантаження синтезовані алгоритми більш економні.

У третьому розділі (“Інформаційне забезпечення векторного керування”) проведено огляд існуючих методів оцінювання вектора стану й ідентифікації параметрів АД лише за клемними вимірюваннями струму і напруги. Виявлено їх недоліки. Ключовими задачами інформаційного забезпечення є:

1) вимірювання напруг і струмів на виході ПЧ з ШІМ,

2) оцінювання потокозчеплень ротора і статора шляхом обходження проблем чистого інтегрування,

3) ідентифікація опорів статора і ротора у реальному часі у процесі штатного функціонування електропривода.

Для вирішення цих задач була розглянута загальна теорія кінематики векторів , що обертаються. Отримано вирази оцінки швидкості обертання вектора за проекціями вектора , який є оцінкою вектора .

(11)

Велику увагу приділено виділенню головних складових вихідних сигналів ПЧ з ШІМ (струмів, напруг). З цією метою було синтезовано декілька адаптивних спостережників з використанням рівнянь

(12)

де - похибки вимірювань головних гармонік на виході ШІМ. За рівняннями (12) було синтезовано адаптивні одно- і багатокаскадні спостережники.

На рис. 2 представлено структурну схему двокаскадного спостережника, де - коефіцієнти підсилення; - зашумлені сигнали; - оцінювання головних гармонік; - оператор Лапласа.

Аналогові частини фільтрів відфільтровують шуми, а дискретні блоки усувають амплітудні і фазові викривлення, що виникають після аналогових частин фільтрів. Однокаскадний фільтр використовується для фільтрації струмів, а двокаскадний, як більш ефективний, - для фільтрації напруг.

Розглянуто задачу оцінювання потокозчеплення ротора за рівнянням

(13)

де - вектор ЕРС, а всі вектори задані через їх проекції на статорний базис . Розв'язок рівняння (13) містить чисте інтегрування, яке супроводжується значними помилками: за рахунок початкових умов і за рахунок накопичення помилок внаслідок інтегрування постійних похибок датчиків струму і напруги. Існуючі методи обходження проблеми чистого інтегрування рівняння (13) мають недоліки. Для їх усунення синтезовано адаптивні спостережники, один з яких

(14)

де - стала часу спостережника. Аналогічний фільтр синтезовано і для вектора потокозчеплення статора. Фільтр (14) усуває більшість недоліків відомих методів інтегрування рівняння (13). Він втрачає працездатність лише при близьких до нуля швидкостях .

Для усунення похибок, що виникають при інтегруванні рівняння (13) за рахунок постійних похибок датчиків напруги і струму, синтезовано адаптивний спостережник за рівняннями

(15)

Як вимірювання розглядаються вирази

(16)

де , - ЕРС та її постійна похибка. Синтезований спостережник має вигляд

(17)

(18)

(19)

де - матриці коефіцієнтів підсилення спостережника. Завдяки неособливому перетворенню вектора стану спостережник отримано у вигляді двох підсистем: незалежної підсистеми другого порядку (17), (18) і залежної підсистеми другого порядку (19). Це дозволило зменшити обсяг обчислень.

Як вже було сказано, неточність знання активних опорів статора і ротора дуже сильно впливає на працездатність системи керування АД. Опір статора надано у вигляді

. (20)

де - номінальне значення опору і його відхилення від номінального значення. Спостережник опору отримано у вигляді

, (21)

. (22)

де - коефіцієнт передачі спостережника. Опір статора оцінюється за залежністю

. (23)

Для отримання можна використати вирази (8) або скористатися виразом (4), де замінені на з (10). Оскільки температури обмоток статора й ротора у деякій мірі корельовано, то й опір обмоток статора й ротора корельовано тією ж мірою. Тому наближену оцінку опору можна отримати за оцінкою опору статора . Опір ротора можна визначити також за залежністю

(24)

Оцінки потокозчеплень ротора отримано у (14) або у (17) - (19).

Для синтезу спостережника синхронної швидкості (швидкості обертання вектора потокозчеплення ротора) використана реактивна потужність

. (25)

Спостережник отримано у вигляді

, (26)

де - коефіцієнт передачі спостережника.

, (27)

де - кількість пар полюсів, - абсолютне ковзання. Позитивним є те, що 1) оцінки швидкості обертання потокозчеплення ротора й самого ротора за формулами (25) - (27) не залежать від опору статора и 2) формули оцінок дуже прості.

Таким чином, синтезовані алгоритми послідовної оцінки елементів вектора стану і активних опорів статора і ротора, які являють собою лінійні підсистеми з односторонніми зв'язками, у основному, з постійними коефіцієнтами. Послідовність оцінки можна надати у вигляді схеми

. (28)

Спостережник роботи 2) для оцінки тих самих змінних являє собою систему нелінійних рівнянь сьомого порядку з матрицею коефіцієнтів, яка складним способом залежить від вектора стану. Таким чином, синтезовані алгоритми для вирішення тієї ж задачі, що і методи роботи 2), потребують меншого обсягу обчислень.

У розділі 4 здійснюється синтез методів керування, що забезпечують незалежну оптимізацію за швидкодією, точністю і пере регулюванням струмових контурів за рахунок використання замість ПІ-регуляторів компенсаторів, що складаються зі спостережника невизначеності і комбінованого регулятора. Рівняння контурів надано у вигляді двох однакових рівнянь (29) з номінальними параметрами, які містять невизначеність , куди зведені впливи усіх неідеальностей, включаючи перехресні зв'язки. За вимір взято вираз (30), де - завади, що зумовлені ШІМ.

(29)

(30)

де - коефіцієнт, пропорційний номінальному коефіцієнту підсилення ПЧ, - програмне значення напруги, що подається на ПЧ.

За рівняннями (29), (30) синтезовано спостережник і у вигляді

(31)

Тут - сталі коефіцієнти спостережника. Знак “ ^ ” вказує на оцінку відповідної змінної. Регулятор контуру струму надається у вигляді

(32)

де -програмне значення струму; -сталі коефіцієнти.

Крім того, синтезовано аналогічний компенсатор, але з урахуванням похибок датчиків струму.

Побудовано структурно-функціональну схему всієї системи керування, яку зображено на рис. 3.

При моделюванні динаміки системи розглядався АД типу А2-81-4. Частота імпульсів ШІМ ПЧ дорівнювала 4кГц. В алгоритми було введено обмеження струму і напруги, а також здійснено моделювання ефектів ШІМ і кидків напруги мережі живлення. Алгоритми керування наведені у дискретному вигляді з тактом рахування 100 мкс.

На рис. 4 показано процеси керування швидкістю АД без її вимірювання, лише за інформацією про клемні струми та напруги. На рис. 4а здійснювалась така послідовність операцій: розгін з нуля до швидкості 150 , накид та скид номінального навантаження, реверс до швидкості -150 , падіння напруги мережі на 30% та її відновлення до номінального значення. На рис. 4б дано процес стабілізації нульової швидкості при тих же операціях. Вплив зміни напруги мережі помітний лише при великих швидкостях.

Чисельне моделювання роботи АД при керуванні з датчиком швидкості дало такі результати.

1. Система має астатизм відносно навантаження АД і змін напруги живлячої мережі.

2. Процеси миттєвих накиду і скиду номінального навантаження і кидків напруги мережі при роботі в районі номінальної швидкості викликають похибки у регулюванні швидкості порядку 0,3%.

3. Система в залежності від навантаження автоматично змінює як намагнічуючу, так і моменту складові струму статора, оптимізуючи споживану потужність.

4. Система робастна відносно відхилень опорів статора і ротора, а також інших параметрів від їхніх номінальних значень.

5. Діапазон регулювання швидкості складає 1:50000, що більше, ніж у прототипі (1:20000).

Моделювання роботи АД при керуванні тільки за клемними вимірюваннями (без датчика швидкості) дало наступні результати.

1. Діапазон регулювання швидкості складає 1:40000. Мінімальна швидкість, що регулюється, дорівнює , що значно менше, ніж у прототипі ().

2. Система має астатизм стосовно навантаження і змін напруги мережі живлення.

3. Синтезований алгоритм (21) - (23) забезпечує ідентифікацію опору статора у всіх основних режимах роботи АД.

Висновки

У дисертації надано теоретичне узагальнення і нове рішення наукової задачі розробки методів векторного керування АД, що полягає в синтезі та аналізі нових методів векторного керування з поліпшеними енергетичними і динамічними характеристиками керованого АД і малим обсягом обчислень.

У роботі отримані наступні результати.

1. Синтезовано нові робастні методи формування електромагнітного моменту АД, засновані на спостереженні і компенсації невизначеностей і збурень АД, на відміну від дуже поширеного для цієї мети ПІ-регулятора. Ці алгоритми мають підвищену робастність і дозволяють виключити необхідність пошуку компромісу між робастністю відносно невизначеностей і якістю перехідних процесів.

2. Синтезовані нові закони формування програмних струмів при векторному керуванні, які мінімізують споживану АД потужність, або модуль струму статора при заданому електромагнітному моменті, або максимізують модуль електромагнітного моменту при заданому струмі статора.

3. Синтезовано ряд принципово нових аналого-цифрових простих високоефективних фільтрів будь-якого необхідного порядку для виділення без викривлення головних гармонік вихідних напруг ПЧ із ШІМ і струмів статора АД. На відміну від відомих непрямих методів обчислень клемних напруг АД, синтезовані фільтри обраховують такі невизначеності як запізнювання відкриття і закриття транзисторів, втрати напруги на транзисторах і мертвий час. Ці фільтри можуть бути застосовані для всіх типів перетворювачів частоти, що живлять електродвигуни змінного струму. Працездатність фільтрів підтверджено експериментально.

4. Синтезовано нові прості адаптивні спостерігачі для оцінювання векторів потокозчеплень статора і ротора і їх (векторів) швидкостей обертання за інформацією двох фаз струму і напруги з урахуванням похибок їх датчиків, працездатні в широкому діапазоні швидкостей АД.

5. Синтезовано алгоритми послідовної оцінки елементів вектора стану й активних опорів статора і ротора, обсяг обчислень яких менший, ніж у прототипу.

6. Синтезовано компенсатор для керування контурами струму з урахуванням зсуву нулів датчиків струму. Спостерігачі, що входять до складу компенсатора, оцінюють корисні складові струмів на тлі збурень, створюваних ШІМ. Синтезований компенсатор усуває перерегулювання струмів, забезпечує робастність системи керування відносно зміни коефіцієнту передачі перетворювача частоти, кидків напруги живильної мережі, відхилення всіх параметрів АД від номінальних значень.

7. Чисельне моделювання підтвердило високі динамічні характеристики синтезованих методів векторного керування як з датчиком швидкості, так і без нього, ці показники перевищують аналогічні показники прототипів.

Таким чином, задачі, поставлені у даній роботі, вирішені, а мети даної роботи досягнуто.

Перелік опублікованих робіт за темою дисертації

Потапенко Е.Е., Потапенко Е.М. Энергосберегающее робастное управление асинхронными приводами // Механіка та машинобудування. - 1999. - №1. - С. 106-111.

Потапенко Е.Е., Потапенко Е.М. Синтез экстремального робастного управления асинхронным приводом // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск: Проблеми сучасної електротехніки. Ч. 6.-Київ: ІЕ НАНУ. - 2000. - С. 34-37.

Бичай В.Г., Пиза Д.М., Потапенко Е.Е., Потапенко Е.М. Состояние, тенденции и проблемы в области методов управления асинхронными двигателями // Радіоелектроніка. Інформатика. Управління. - 2001. - №1. - С. 151-167.

Потапенко Е.Е. Определение скорости плоского вращения вектора, заданного его проекциями // Радіоелектроніка. Інформатика. Управління. - 2002. - №1. - С. 143-146.

Потапенко Е.Е., Потапенко Е.М. Синтез быстродействующих алгоритмов оценки вектора состояния АД // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск: Проблеми сучасної електротехніки. Ч. 4. - Київ: ІЕ НАНУ. - 2002. - С. 33-36.

Потапенко Е.М., Потапенко Е.Е. Фильтрация многофазных нестационарных неопределенных гармонических сигналов // Электротехника. - 2003. - №3. - C. 55-57.

Потапенко Е.Е. Синтез и анализ аналого-цифровых адаптивных наблюдателей многофазных неопределенных сигналов // Радіоелектроніка. Інформатика. Управління. - 2003. - №1. - С. 139-142.

Потапенко Е.М., Даниличев Д.С., Потапенко Е.Е., Бичай В.Г., Васильева Е.В. Оптимизация и исследование динамики токовых контуров системы векторного управления асинхронным двигателем // Електротехніка і електроенергетика. - 2003. - №1. - С. 42-47.

Потапенко Е.М., Потапенко Е.Е. Оценка векторов потокосцеплений и их скоростей в двигателях переменного тока // Вісник Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”. Зб. Наук. пр. Тематичний випуск: Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика. - Харків: НТУ “ХПІ”. - 2003. - Т. 1, №10. - С. 105-107.

Потапенко Е.Е., Соломаха А.В, Куликов А.А. Оценка потокосцеплений асинхронных двигателей при наличии погрешностей измерений тока и напряжения // Радіоелектроніка. Інформатика. Управління. - 2003. - №2. - С. 159-161.

Потапенко Е.Е. Информационное обеспечение векторного управления асинхронным двигателем // Радіоелектроніка. Інформатика. Управління. - 2004. - №1. - C. 167-172.

Бичай В.Г., Потапенко Е.Е., Потапенко Е.М. Робастное экстремальное управление асинхронным приводом // Праці Міжнар. конф. з автоматичного управління ”Автоматика-2000”. Т. 5. - Львів: ДНДІІІ. - 2000. - С. 27-31.

Пиза Д.М., Потапенко Е.Е., Потапенко Е.М. Оптимальное векторное управление АД с учетом нелинейностей // Матеріали Міжнар. конф. з автоматичного управління ”Автоматика-2002”. Т. 1. - Донецьк: ДНТУ. - 2002. - С. 148-151.

Потапенко Е.Е, Потапенко Е.М.. Синтез и анализ компенсаторов контуров тока асинхронных электродвигателей. Материалы 11-й Междунар. конф. по автоматическому управлению “Автоматика-2004”. Т. 2. - Киев: НУПТ. - 2004. - С. 49.

Анотація

Потапенко Є.Є. Векторне керування асинхронним приводом. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.03 - системи та процеси керування. Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2004.

Дисертацію присвячено синтезу й аналізу методів векторного керування (ВК) асинхронними двигунами (АД) з поліпшеними енергетичними і динамічними характеристиками і малим обсягом обчислень. Зроблено огляд літератури з ВК, систематизовано математичний опис роботи АД для ВК, синтезовані аналітичні вирази програмних струмів, що мінімізують споживану потужність або струм статора, синтезовано робастний оптимальний закон керування швидкісним контуром.

Особливу увагу приділено інформаційному забезпеченню ВК АД лише за клемними вимірюваннями струмів і напруг на виході перетворювача частоти (ПЧ) з широтно-імпульсною модуляцією. Синтезовано фільтри струмів і напруг на виході ПЧ, які виділяють їх основні складові без викривлень з амплітуд і фаз.

Синтезовано адаптивні спостережники, що обходять проблеми чистого інтегрування при отриманні проекцій векторів потокозчеплень. Синтезовано методи ідентифікації опорів статора і ротора у реальному часі в процесі штатного функціонування. Синтезовані алгоритми інформаційного забезпечення мають обсяг обчислень менший, ніж обсяг обчислень відомих алгоритмів того ж призначення.

Синтезовано компенсатор для керування контурами струму. Спостерігачі, що входять до складу компенсаторів, оцінюють корисні складові струмів, невизначеності струмових контурів і перехресні зв'язки між контурами на фоні завад, що створює ШІМ. Синтезований компенсатор є робастним відносно до всіх невизначеностей контурів струму. Чисельне та фізичне моделювання підтвердило високі динамічні характеристики синтезованих методів керування.

Ключові слова: векторне керування, чисте інтегрування, фільтрація, широтно-імпульсна модуляція.

Аннотация

Потапенко Е.Е. Векторное управление асинхронными двигателями. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.03 - системы и процессы управления. Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2004.

Асинхронный двигатель (АД) является самым распространенным электродвигателем. Благодаря появлению нового принципа управления - векторного управления в электроприводах с АД получены хорошие регулировочные характеристики. Дальнейшее улучшение регулировочных характеристик позволит существенно расширить область применения этих дешевых и надежных электродвигателей.

В диссертации представлено теоретическое обобщение и новое решение научной задачи разработки методов векторного управления асинхронным приводом, заключающееся в синтезе и анализе новых методов векторного управления с улучшенными энергетическими и регулировочными характеристиками и малым объемом вычислений.

В работе получены следующие результаты.

Оценены состояние, проблемы и тенденции в области принципов построения и методов управления АД, в результате чего сформулированы цель и задачи данной работы.

Составлены различные варианты уравнений, описывающих работу АД, позволяющие синтезировать различные методы управления.

Синтезированы новые робастные законы формирования электромагнитного моменту АД, основанные на наблюдении и компенсации неопределенностей и возмущений АД, отличающиеся от широко применяемого для этой цели ПИ-регулятора. Эти законы обладают повышенной робастностью по отношению к неопределенности и изменению всех параметров АД и его нагрузки.

Синтезированы оптимальные с точки зрения потребляемой мощности или статорного тока законы формирования программных значений токов и напряжений статора АД с учетом ограничений тока и напряжения статора. Эти законы обеспечивают большую экономичность по сравнению со стандартным векторным управлением.

Разработан новый простой метод вычисления вектора потокосцепления ротора через противоЭДС, который обеспечивает большое быстродействие вычисления и устраняет проблемы, связанные с чистым интегрированием.

Получены новые быстродействующие методы вычисления скорости, скольжения и постоянной времени ротора без вычисления потокосцепления ротора. Указанные алгоритмы построены по разомкнутому контуру.

Синтезирован ряд принципиально новых аналого-цифровых простых высокоэффективных фильтров любого необходимого порядка для выделения без искажений главных (полезных) гармоник выходных напряжений преобразователей частоты с ШИМ и токов статора АД, а также вычисления скоростей вращения векторов главных составляющих напряжения и тока. Эти фильтры применимы для всех типов преобразователей частоты, питающих электродвигатели переменного тока любого типа.

Синтезированы новые простые адаптивные наблюдатели для оценки векторов потокосцеплений статора и ротора и их (векторов) скоростей вращения по информации двух фаз тока и напряжения, работоспособные в широком диапазоне скоростей АД.

Синтезированы методы оценки потокосцеплений ротора и статора АД при наличии постоянных погрешностей измерения тока и напряжения. Оценка осуществляется с помощью наблюдателя четвертого порядка. Для уменьшения объема вычислений наблюдатель представлен в виде двух подсистем второго порядка каждая, причем одна подсистема независима от другой.

Синтезированы методы последовательной оценки элементов вектора состояния и активных сопротивлений статора и ротора, объем вычислений которых меньше, чем у метода-прототипа.

Синтезирован компенсатор для управления контурами тока с учетом смещения нулей датчиков тока. Наблюдатели, входящие в состав компенсатора, оценивают полезные составляющие токов, неопределенности контуров токов, включающие в себя смещения нулей датчиков и перекрестные связи между контурами, на фоне помех, создаваемых ШИМ. Синтезированный компенсатор устраняет необходимость поиска компромисса между перерегулированием, с одной стороны, и точностью и быстродействием, с другой стороны. Компенсатор обеспечивает робастность системы управления по отношению к изменению коэффициента передачи преобразователя частоты, к броскам напряжения питающей сети, к отклонению всех параметров АД от номинальных значений и к перекрестным связям между токовыми контурами.

Численное и, частично, физическое моделирование подтвердило хорошие показатели качества синтезированных методов управления как с датчиком скорости, так и без него. Разработанные методы обеспечивают регулирование скорости ротора в широком диапазоне, включая стабилизацию нулевой скорости.

Ключевые слова: векторное управление, чистое интегрирование, фильтрация, широтно-импульсная модуляция.

Abstract

Potapenko Ye. Ye. Vector Control of Induction Machines. -Manuscript. Thesis for candidate of technical science degree on specialty 05.13.03-control systems and processes, Kharkiv National University of Radioelectronics, 2004.

Dissertation is devoted to the synthesis and analysis of vector control (VC) methods of induction machines (IM) with enhanced energetic and dynamic characteristics and a small volume of calculation. Review of the literature with VC had been made, analytic expressions of program currents that minimize power consumption or stator current modulo had been synthesized, robust optimal principles of speed and current circuit control had been synthesized. A special attention had been devoted to the informative support of IM VC just by terminal measurements of output currents and voltages of the converter with pulse width modulation. Current and voltage filters which select their basic components without distortions of amplitudes, phases and distortions due to the constant sensor faults had been synthesized. Adaptive observers that remove pure integration problems during receiving flux-linkage vector projections had been synthesized. The compensators for control by current circuits with calculation of zero displacements of current sensors had been synthesized. Observers, which come into the compensators, estimate basic current components, current circuit uncertainties and cross couplings between current circuits on background of hindrances of wide-impulse modulation. The synthesized compensators are robust with respect to all uncertainties of current circuits. Digital and physical modeling confirmed well control performance indexes of the synthesized control methods.

Key words: vector control, induction machine, pure integration and filtration, pulse width modulation.

Размещено на Allbest.ru