Одной из проблем, связанных с построением бездатчикового векторного электропривода переменного тока, является чувствительность электропривода к изменению электрических параметров двигателя в процессе работы. Прежде всего, это относится к температурным изменениям активных сопротивлений статора и ротора, а также к изменению взаимной индуктивности в зависимости от тока цепи намагничивания. Решением данной проблемы в построении векторного регулятора и наблюдателя состояния асинхронного двигателя является применение регуляторов, грубых в отношении параметрических возмущений, в частности, релейных регуляторов, функционирующих в скользящих режимах [1]. Другим подходом является параметрическая адаптация, осуществляемая в реальном времени при работе привода.

Нестационарные тепловые процессы в электрических машинах имеют место при их эксплуатации. Ими сопровождаются режимы пуска, торможения, изменения нагрузки и частоты вращения машин. Большое значение процессы нестационарного нагрева имеют при перегрузках по току и напряжению, при частых и затяжных пусках двигателей, а так же при работе их в заторможенном состоянии, что характерно для электропривода подъемно-транспортных средств, работающих в условиях повышенных вибраций и ударных механических нагрузок. Особенностью нестационарных тепловых режимов, или тепловых переходных процессов, в электрических машинах является их инерционность, проявляющаяся в значительном отставании изменений температуры от электромеханических переходных процессов. Повышенная температура обмоток вызывает изменение их электрических параметров, что влечет увеличению ошибки управления в системах с моделью двигателя. Введение в алгоритм управления дополнительного расчета температуры обмоток от режима работы требует тепловой модели для асинхронного двигателя по нагреву. Метод эквивалентных тепловых схем (ЭТС) получил наибольшее распространение ввиду простоты и достаточной точности расчета, которые используются для выбора двигателя по мощности. Данный метод основан на использовании тепловых сопротивлений [2], которые соединяются в тепловую сеть, имитирующую реальные пути передачи тепловых потоков в машине. Недостаток метода заключается в том, что он дает не полную картину температурного поля, а только некоторые средние значения температуры для отдельных элементов машины. В то же время он требует полных сведений о конструкционных параметрах реального двигателя, которые из паспортных данных на двигатель определить нельзя, и сведения о начальных значениях температуры обмоток и окружающей среды. Алгоритм управления привода с такой тепловой моделью двигателя теряет универсальность. В работе предложено контролировать температуру двигателя датчиками температуры в реальном времени. Температуру элементов двигателя без контроля рассчитывать через постоянные коэффициенты. В [2] предложена тепловая модель двигателя, состоящая из двух цилиндров (рисунок 1).

Рис.1. Упрощенная модель двигателя как тела нагрева

Внешний цилиндр с теплоемкостью С₂ моделирует массу железа машины, внутренний с теплоемкостью С₁ - обмотки статора. Мощность теплового потока от стали к окружающей среде пропорциональна коэффициенту А₂. Во внутреннем цилиндре предусмотрен канал, моделирующий отвод теплоты потоками воздуха от внутренних частей машины. Мощность теплового потока от меди статора к окружающей среде пропорциональна коэффициенту А₁. Теплопередача между медью и сталью определяется коэффициентом А₁₂, моделирующим термическое сопротивление изоляции. Данной модели соответствует система уравнений [3]:

Ди_м и Ди_ст - превышения температуры меди и стали соответственно над температурой окружающего воздуха.

Для решения системы дифференциальных уравнений (1) на ЭВМ при помощи приложения Simulink, входящего в состав пакета MatLab, представили систему в операторной форме. При преобразовании учитывались начальные условия, то есть начальные температуры меди и стали.

где и_м (0) - начальная температура меди, ⁰С; и_ст (0) - начальная температура стали, ⁰С;

Результаты моделирования процесса нагрева на примере асинхронного двигателя закрытого исполнения марки Т2А80/2 представлены на рисунке 2, а) превышение температуры меди; в) превышение температуры стали. При моделировании температура окружающего воздуха принималась равной 10°С, начальные температуры меди и стали равны температуре окружающего воздуха. Установлено, что средняя температура меди достигает установившегося значения 83°С за 2000 секунд, постоянная времени процесса 500 с.

При работе привода на низких скоростях и больших нагрузках температурный режим двигателя быстро изменяется и для качественного управления необходим контроль температуры обмоток двигателя и параметрическая адаптация системы, осуществляемая в реальном времени при работе привода. Предложено в блоке адаптации выполнять перерасчет параметров регуляторов системы управления в зависимости от изменения параметров двигателя от реальной температуры обмоток двигателя, меняющейся в процессе работы привода. Контроль температуры двигателя датчиками с аналоговыми сигналами (термопреобразователь сопротивления, термоэлектрический преобразователь) требует сложный фильтр электромагнитных помех. В работе при решении задачи исследования и построения системы контроля температуры остановились на цифровом датчике температуры DS18B20.

Рис.2. Результаты моделирования процесса нагрева на примере асинхронного двигателя закрытого исполнения марки Т2А80/2

Датчик температуры DS18B20 имеет цифровой интерфейс и работает с контролером Arduino по протоколу передачи данных One-Wire® и позволяет подключить несколько датчиков на одну шину. В работе использовалось два датчика DS18B20, один крепился на статорной обмотке, второй на корпусе статора. Программируемый логический контроллер Arduino Uno и инструментальные средства программирования обеспечивают гибкость, необходимую для решения широкого спектра задач автоматизации, позволяют реализовать передачу данных по WiFi. Виртуальный прибор для измерения температуры обмотки двигателя создан в среде LabVIEW. Экспериментальные исследования температурного режима двигателя проводились на лабораторном стенде, включающем преобразователь частоты VFD-В компании Delta Electronics, асинхронный двигатель Т2А80/2 (P_nom = 1,1 кВт, N_nom = 2850 об/мин, I_nom = 7,4 А, M_nom = 30 Н·м), нагрузочный агрегат, выполненный на основе электропривода с двигателем 30М генератор постоянного тока (ГПТ) с независимым возбуждением со встроенными измерителем момента и импульсным датчиком скорости. Стенд разработан на основе аппаратной платформы NI PXI компании National Instruments, с программным обеспечением, разработанным с использованием технологии виртуальных приборов в графической среде программирования NI LabVIEW.

Рис. 3. Расчетная и экспериментальная переходная характеристика превышения температуры меди обмотки статора

контроль температура двигатель

Исследование системы при номинальной скорости вращения и 50% номинальной нагрузке наблюдалось превышение температуры статора на 10°С (постоянная времени процесса 400 с). При скорости вращения ротора: 0,3Nном и 50% номинальной нагрузке значение превышения температуры статора 40°С (постоянная времени процесса 280 с), статорной катушки на 85°С (постоянная времени процесса 200 с). Результаты расчета по упрошенной модели теплового динамического процесса значительно отличались от эксперимента (рисунок 3), что подтверждает необходимость контроля температуры обмоток двигателя в реальном времени.

Список литературы