Исследование законов управления асинхронным электроприводом с частотным регулированием на компьютерных моделях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Исследование законов управления асинхронным электроприводом с частотным регулированием на компьютерных моделях

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Актуальной проблемой управления электроприводами, где широко применяются, в качестве исполнительных двигателей, асинхронные двигатели, является повышение точности и достижение предельных динамических и энергетических показателей при регулировании момента и скорости. Электроприводы переменного тока с частотным, частотно-токовым и векторным управлением являются конкурентоспособными по точности, быстродействию и диапазонам регулирования скорости по отношению к электроприводам постоянного тока. Это стало возможным благодаря новым принципам векторного управления, основанным на управлении изменения фазового смещения вектора тока относительно вектора поля. В настоящее время в теории и практике асинхронного электропривода с векторным управлением широко исследованы вопросы управления моментом и повышения точности регулирования скорости. Однако, современные микропроцессорные электроприводы не обеспечивают необходимой равномерности вращения на низкой скорости, имеют относительно узкий диапазон регулирования момента и скорости при изменении нагрузки, ограниченную полосу пропускания и недостаточное быстродействие по максимальному моменту и ускорению, по соотношению момента и тока, массогабаритным показателям. В связи с этим, вопросы построения законов управления и их реализация в виде программы остается актуальной.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка законов управления асинхронным приводом и методики их построения, способа их реализации в виде программы и исследование рабочих характеристик на компьютерной модели электропривода.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

- провести анализ законов и способов управления асинхронным двигателем в зависимости от режимов работы и нагрузки привода;

- разработать математическую модель электропривода на базе асинхронного двигателя, учитывающую эффект вытеснения тока ротора и сложный характер нагрузки;

- построить обобщенный закон управления, учитывающий все типы механической нагрузки;

- обосновать выбор программной среды для компьютерной реализации модели асинхронного привода;

- выполнить компьютерную реализацию модели в выбранной программной среде;

- продемонстрировать работоспособность и эффективность методики, выполнить расчет характеристик на конкретных моделях приводов при различных режимах питания и нагрузки;

- выполнить расчет коэффициентов закона управления, улучшающих энергетические показатели привода.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы моделирования (математического, структурного, имитационного); теория обобщенного электромеханического преобразователя; методы теории цепей и автоматического управления; метод аналитического конструирования; аппарат численного интегрирования систем обыкновенных дифференциальных уравнений, матричной алгебры.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

- законы амплитудно-частотного управления, реализуемые в регуляторах, должны быть инвариантны относительно характера нагрузки и соотношения ее составляющих; для этого, в контуре регулирования в структуре регулятора должен быть включен перенастраиваемый блок в соответствие с частотной характеристикой нагрузки;

- структура модели блока механической нагрузки модели асинхронного привода (АП) должна отражать все типы составляющих нагрузки с соответствующими весовыми коэффициентами; коэффициенты, характеризующие настройку блока модели частотного регулятора, определяются на основании частотной характеристики нагрузки;

- аналитическая формула амплитудно-частотного закона управления АП, полученная на основе согласования частотных законов привода и обобщенной нагрузки при стационарных законах должна отражать все типы частотных зависимостей составляющих нагрузки;

- аналитическую формулу частотного закона управления, полученного для стационарного режима, можно распространить и на динамические режимы, введя в нее корректирующие коэффициенты, значения которых определять путем проведения машинного эксперимента на компьютерной модели;

- расчет корректирующих коэффициентов целесообразно определять итерационным методом с помощью модели привода, реализованной в программной среде CASPOC; для этого в работе предложены оригинальные модули структурных схем, представляющие новые схемотехнические решения в моделирующей системы CASPOC;

- схема блока регулятора в структуре векторного управления должна быть построена на основании аналитической формулы частотного закона управления, полученного для стационарного режима.

Практическая ценность работы:

- предложена методика расчета динамических характеристик асинхронного привода (АП), основанная на использовании модели АП в CASPOC;

- получены с помощью модели АП оценочные характеристики влияния ряда различных факторов на рабочие режимы, в том числе параметров закона управления, формы питающих токов, типа ШИМ и параметров ШИМ и прочее;

- построен закон управления, позволяющий улучшить качество управления привода пневмокомпрессора электропоезда пригородного сообщения по интегральным энергетическим показателям;

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на различных российских и международных конференциях. На VI научно-технической конференции «Научное программное обеспечение в образовании и научных исследованиях». Санкт-Петербург, СПб ГПУ 2008. На Международной научно-технической конференции «Системы и комплексы автоматического управления летательными аппаратами», Москва, МЭИ 2008. На Всероссийской конференции молодых ученых и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике - 2008», Москва, МАИ 2008.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ, из них 1 - в журнале «Вестник МАИ», рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников и приложения. Она содержит 145 страниц, в том числе 87 рисунков и 14 таблиц. Список использованных источников содержит 81 наименование.

Краткое содержание работы

привод асинхронный двигатель энергетический

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, приведены сведения об апробации и публикациях, а также представлена структура работы.

Определен объект исследования - привод на базе асинхронного двигателя. Структура рассматриваемого электропривода с векторным управлением представлена в виде блок-схемы на рисунке 1.

Система векторного управления состоит из основных функциональных частей: БРП - блок регуляторов переменных, БВП - блок вычисления переменных, БЗП - блок задания переменных, В-выпрямитель, Ф - фильтр, АИН/ШИМ - автономный инвертор напряжения с блоком ШИМ, ДС - датчик скорости, АД - асинхронный двигатель.

Рисунок 1. Структура электропривода с векторным управлением

Первая глава посвящена постановке задачи регулирования, анализу различных классических и современных методов управления асинхронными трехфазными двигателями с учетом различных типов нагрузки, рассмотрены варианты частотных законов регулирования и структур систем управления, выполнен анализ существующих программных продуктов для моделирования электромеханических систем, обоснован выбор программного обеспечения CASPOC для решения поставленной в исследовании задачи.

По характеру частотной зависимости, Mн=f(Щ), а также соответствующей зависимости мощности, нагрузку можно разделить, как показано в таблице 1.

Таблица 1

На практике в механической нагрузке присутствуют все три компоненты. Выбирая частотную характеристику АП в соответствии с характеристикой нагрузки, можно получить закон управления (зависимость амплитуды от частоты питающего АД напряжения) инвариантным относительно нагрузки.

В работе ставится задача построения закона частотного управления привода при условии согласования частотных характеристик привода и нагрузки.

Вторая глава посвящена разработке математической модели управляемого АП, описанию и анализу законов, построению закона, обеспечивающего улучшенные характеристики согласно заданным критериям частотного управления. Математическая модель асинхронного двигателя описывается известной системой уравнений (1-5).

(1); (2); (3);

(4); (5).

В этих уравнениях - соответственно напряжения и токи статора и ротора по осям и . - потокосцепления обмоток статора и ротора по осям и . Уравнения, описывающие блок ротатора прямого и обратного преобразования координат dq; dq показаны в выражениях (6-7).

(6); (7).

Согласно уравнениям математической модели асинхронного двигателя строится структурная схема асинхронного привода, которая является основой для модели регулятора системы векторного управления. Структурная модель блоков асинхронного привода показана на рис. 2-4.

Рисунок 2. Структурная модель электрических контуров статорных и роторных обмоток АД

Рисунок 3. Структурная модель магнитных цепей АД

Рисунок 4. Структурная модель блоков ротатора и механической нагрузки

Обосновано, что модель АД должна быть дополнена блоком, отражающим эффект «вытеснения тока ротора», который представлен аналитической зависимостью активного сопротивления ротора от частоты тока ротора. Коэффициенты этой зависимости настраиваются в соответствии с конкретным типом двигателя.

Модель силового инвертора приведена на рис. 5. Логика работы инвертора описывается управляющими функциями, которые отражают различные законы коммутации вентилей (р и 2/3р), а также различные типы применяемых ШИМ.

Рисунок 5. Модель силового инвертора

Реализация различных способов ШИМ предлагается на основе цифрового счетчика с реверсивным счетом регистров. Приведено аналитическое обоснование принципа векторного управления и его структурная реализация.

Получена аналитическая формула для частотного закона управления , где A - определяется на основе компьютерного эксперимента; ; ; ; U_Н - номинальное напряжение, В; f_н - номинальная частота, Гц; p - число пар полюсов; X и Y - коэффициенты «вентиляторной» нагрузки; M_H - номинальный момент, Н*м; s_н - номинальное скольжение. Аналитическое выражение получено для стационарного режима работы АП и позволяет учесть все типы механической нагрузки. Приведена также реализация закона в виде структурной схемы.

В третьей главе выполнена компьютерная реализация модели АП в CASPOC, выполнен модельный эксперимент - расчет характеристик на отладочном примере при различном питании АД (гармоническом, импульсном, при ШИМ). Для построения имитационной модели АП были использованы стандартные блоки (асинхронный двигатель, силовой инвертор, блок нагрузки) из библиотеки CASPOC. Ряд моделей блоков (блок имитации вытеснения тока, блок модели обобщенной нагрузки, блок модели частотного управления) разработан по оригинальным схемам и оформлен в виде макросов. Построенная имитационная модель регулируемого асинхронного привода в моделирующей среде CASPOC, позволяет производить расчеты динамических и переходных характеристик при различном характере нагрузки. Разработанная модель блока амплитудно-частотного управления электроприводом, позволяет реализовать заданные законы управления и структуры приводов: управление, регулирование, разомкнутые и замкнутые по скорости, векторное управление. Модель управляемого привода, разработанная в программной среде CASPOC, изображена на рис. 6 (а - д).

Рисунок 6а. Асинхронный двигатель и нагрузка

Рисунок 6б. Тиристорный инвертор

Рисунок 6в. Блок, имитирующий эффект вытеснения тока в обмотке ротора

Рисунок 6г. Блок, имитирующий механическую нагрузку

Рисунок 6д. Блок управления частотой и амплитудой питающего напряжения

Построены модели схем ШИМ управления в CASPOC для различных способов формирования ШИМ. Они позволяют оценить влияние ШИМ управления, как на динамические характеристики привода, так и скорректировать параметры регулятора. Различные способы формирования ШИМ в CASPOC (фронтальная и центральная) приведены на рис. 7-8. В ходе исследования динамических режимов при питании от инвертора были получены данные о гармоническом составе питающего напряжения - таблица 2.

Таблица 2

Высокая эффективность и производительность разработанной модели асинхронного электропривода, продемонстрированные на конкретном примере, позволяют проводить статистический эксперимент по расчету корректирующих коэффициентов в законе управления.

Предложена методика определения законов управления и схем их модельной реализации, обеспечивающая управление в соответствии с требованиями оптимальности по заданному критерию и ряду ограничений (в частности, максимуму отношения момента к току при ограничении максимального тока).

Рисунок 7. Система управления с фронтальной ШИМ

Рисунок 8. Система управления с центральной ШИМ

В четвертой главе приведены результаты использования методики для прикладной задачи - построение закона управления привода пневмокомпрессора для электропоезда пригородного сообщения на основе характеристик, полученных на модели. Были выполнены исследования пусковых режимов и определены оптимальные параметры закона управления привода, имеющего параметры: выходное трёхфазное напряжение - 220В (линейное), 50Гц, номинальная выходная мощность - 15 кВт, максимальная выходная мощность - 20 кВт. Потребляемый ток при постоянном напряжении 280В - не более 50А. Применяемый в приводе тип двигателя - 4А160S6У3. Параметры двигателя: напряжение питания двигателя (фазное) - 220 В, частота тока сети - 50 Гц, синхронная частота вращения - 1000 об/мин, номинальная мощность на валу двигателя - 11 кВт, максимальная мощность на валу двигателя - 20 кВт, номинальный коэффициент полезного действия - 0.87, скольжение при номинальной нагрузке - 0.023, номинальный ток статора - 19 А.

Нагрузкой двигателя является компрессор поршневого типа. Датчик давления пневмосистемы измеряет давление в ней. Он настроен таким образом, что подает сигнал на включение компрессора при давлении в пневмосистеме ниже 6 Атм. и снимает его при достижении давления 8 Атм. В связи с этим режим работы пневмокомпрессора - повторно-кратковременный. Он работает в течение 40 секунд с промежутком в 2 минуты.

Анализ результатов моделирования пусковых режимов АД представлен в таблице 3. В таблице обозначено: М_CT - момент сухого трения, Н*м; М^М - максимальный момент двигателя, Н*м; М^Н - установившийся момент двигателя, Н*м; I^S_M - максимальный ток статора, А; I^S_N - установившийся ток статора, А; Т_уст - время выход на установившийся режим, сек; Т_зад - время задержки пуска, сек.

Таблица 3

На основании данных эксперимента для рассматриваемого двигателя (привода компрессора) при заданном законе управления частотой на валу двигателя ?^*=?^*(t) были определены оптимальные параметры (A, B, C, D) закона управления амплитудой напряжения U=U(f) в пусковом режиме по следующим критериям: кратность пускового тока не более 1,1; минимальные электрические потери; максимальный КПД; пульсации момента в пусковом режиме относительно номинального не более 30%.

Выполненный расчет динамических характеристик асинхронного привода для пневмокомпрессора свидетельствует об ее эффективности. Показано, что найденный закон управления позволяет иметь требуемые динамические характеристики по интегральным параметрам, по выбранному критерию при заданных ограничениях. Использование разработанной в главе 3 модели и предложенной на ее основе методики определения коэффициентов закона управления, позволили построить частотный закон управления, обеспечивающий улучшенные регулировочные характеристики в пусковых режимах асинхронного электропривода, снижение потерь и надежный пуск привода пневмокомпрессора электропоезда. Результаты исследования на модели различных способов ШИМ для формирования питающих асинхронный двигатель напряжений, позволило дать количественные оценки влияния гармонического состава на динамические механические характеристики: скорость вращения и электромагнитный момент, а также электромагнитные потери мощности и выработать рекомендации по выбору несущей частоты ШИМ. На примере расчета привода пневмокомпрессора продемонстрирована эффективность предложенной методики расчета динамических характеристик частотно-регулируемых асинхронных электроприводов. Она дала возможность рассчитать важные параметры для проектирования:

- предельные токовые нагрузки при динамических режимах, которые необходимы для обеспечения запаса по надежности при проектировании питающих асинхронный двигатель инверторов в системе частотного управления;

- мгновенные и интегральные значения потерь мощности в динамических режимах, позволяющих осуществить расчет тепловых потерь при проектировании;

- влияние температурных факторов на величину механической нагрузки и запаса по электромагнитному моменту, обеспечивающему надежный запуск привода при критических температурах.

Далее приведены осциллограммы динамических характеристик и эпюры токов и напряжений при улучшенном варианте сочетания параметров закона управления для привода пневмокомпрессора электропоезда рис. 9-11.

Рисунок 9. Форма напряжения в фазах

Рисунок 10. Форма импульсов управления для центральной ШИМ

Рисунок 11. Форма токов в фазах

Осциллограммы момента и частоты вращения ротора пускового и установившегося режимов привода компрессора приведены на рис. 12. Отправной точкой для оценки влияния различных способов ШИМ управления на пусковые характеристики являются характеристики при гармонических фазных напряжениях питающих АД для линейного закона регулирования частоты. На рис. 12а приведены характеристики при гармонических питающих напряжений; на рис. 12б - импульсных питающих напряжениях, а также фазный ток в одной из фаз обмоток АД при импульсных питающих напряжениях - рис. 12в.

Рисунок 12а. Осциллограммы тока и скорости при гармоническом питании

Рисунок 12б. Осциллограммы тока и скорости при импульсном питании

Рисунок 12в. Осциллограмма пускового и установившегося режимов тока в одной из фаз

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 12г. Осциллограммы потребляемой и полезной мощности при регулировании по закону

Важный результат продемонстрирован на осциллограммах потребляемой и полезной мощностей - рисунок 12г. Очевидно, что мгновенные потери мощности на всем периоде разгона близки к потерям в номинальном режиме. Это особенно важно, так как снижает опасность локального перегрева асинхронного двигателя в пусковом режиме.

В заключении приводятся основные выводы и результаты по диссертационной работе.

Основные выводы и результаты

1. Построена имитационная модель регулируемого асинхронного привода в моделирующей среде CASPOC, позволяющая производить расчеты динамических и переходных характеристик при различном характере нагрузки.

2. Построены модели блоков амплитудно-частотного управления электроприводом, позволяющие реализовать заданные законы управления (векторное управление).

3. Построены модели схем ШИМ управления для различных способов формирования ШИМ.

4. Исследованы влияния различных коэффициентов закона = (t), характеризующих скорость регулирования частоты и напряжения (при соблюдении пропорциональности между ними согласно закону Костенко) на характер динамических характеристик.

5. Выполнены расчеты динамических и переходных характеристик различных законов управления приводов U = U(f). Исследовано влияния законов регулирования на пусковые характеристики.

6. Выполнен расчет интегральных параметров динамических характеристик при различных законах управления. Даны оценки динамических характеристик по интегральным энергетическим показателям регулируемого асинхронного электропривода.

7. Выполнен анализ динамических характеристик при питании асинхронного двигателя импульсным и гармоническим напряжением. Даны оценки влияния формы напряжения на рабочие процессы и выбор коэффициентов законов управления.

8. Предложена методика, позволяющая построить закон управления по частоте Щ(t) и амплитуде U(t) питающего АД напряжения при заданных ограничениях (по пусковому току, броскам электромагнитного момента). Построенный таким образом закон управления обеспечивает улучшенное качество регулирования, оцениваемое по интегральным динамическим параметрам переходных характеристик.

9. Исследовано влияние различных типов ШИМ при формировании питающих АД напряжений на характеристики АП и его регулировочные свойства.

Основные положения диссертации опубликованы в работах

1. Сыроежкин Е.В., Молчанова С.Ю. Синтез законов управления асинхронным приводом. - Сборник трудов научно-технической конференции «Научное программное обеспечение в образовании и научных исследованиях», СПбГУ, 2008, с. 122-130.

2. Молчанова С.Ю. Синтез законов управления асинхронным приводом. - Сборник трудов международной научно-технической конференции «Системы и комплексы автоматического управления летательными аппаратами», МИРЭА, 2008, с. 128-134.

3. Молчанова С.Ю. Разработка алгоритмов управления мехатронным модулем на базе трехфазного асинхронного двигателя. - Тезисы докладов всероссийской конференции «Информационные технологии в авиационной и космической технике - 2008», МАИ, 2008, с. 25-26.

4. Молчанова С.Ю. Моделирование асинхронного электропривода с адаптивным векторным управлением в CASPOC. - «Вестник МАИ», №3, 2008, с. 141-146.

5. Молчанова С.Ю. Программное моделирование алгоритмов векторного управления трехфазным асинхронным двигателем в CASPOC. - Тезисы докладов научно-технической конференции «Авиация и Космонавтика - 2008», МАИ, 2008, с. 100-102.

Размещено на Allbest.ru