Багатоканальна система розривного векторного керування асинхронним вентильним каскадом (синтез і дослідження)

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСВО ОСВІТИ І НАКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

05.09.03 - Електротехнічні комплекси та системи

Багатоканальна система розривного векторного керування асинхронним вентильним каскадом (синтез і дослідження)

Клюєв Олег Володимирович

Дніпропетровськ 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Дніпродзержинському державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України на кафедрі електрообладнання.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор Садовой Олександр Валентинович, проректор з наукової роботи Дніпродзержинського державного технічного університету Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри електрообладнання.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Лозинський Андрій Орестович, професор кафедри електричних машин Національного технічного університету «Львівська політехніка» Міністерства освіти і науки України;

кандидат технічних наук, доцент Шевченко Іван Степанович, доцент кафедри автоматизації та електроприводу Донбаського державного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Захист відбудеться _19 червня_ 2009 р. о_13_годині в ауд. _1/102_ на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.07 по захисту дисертацій при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Карла Маркса, 19.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Карла Маркса, 19.

Автореферат розісланий _15 травня_ 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради кандидат технічних наук, доцент О. О. Азюковський

1. Загальна характеристика роботи

асинхронний каскад електропривод керування

Актуальність роботи. Застосування систем регульованого електроприводу (ЕП) у вентиляторах, насосах, компресорах дозволяє значно знизити енергетичні втрати, оскільки зазначені машини без регулювання швидкості не забезпечують помітного зниження потужності, що споживається, при зменшенні витрати. Оскільки в електроприводах турбомеханізмів широко застосовуються електричні машини змінного струму, то стає актуальним створення асинхронного ЕП з високими енергетичними показниками.

Перспективним напрямком реалізації електроприводів турбомеханізмів є використання асинхронної машини з фазним ротором у каскадних схемах вмикання - електроприводи по схемах асинхронно-вентильний каскад, машина подвійного живлення. Однак, для асинхронного вентильного каскаду (АВК), як окремого випадку машини подвійного живлення, серед систем керування існує тільки одноканальна система підпорядкованого регулювання. У такому випадку електропривод за схемою АВК поряд із простотою реалізації і високим ККД при односпрямованому потоці активної потужності в роторному ланцюзі відрізняється малим діапазоном та інерційністю регулювання швидкості, низьким коефіцієнтом потужності роторного кола.

У той же час, стандартна система векторного керування може виявитися за енергетичними показниками нераціональною, тому що стабілізація потокозчеплення на номінальному рівні приводить до зниження коефіцієнта потужності асинхронних ЕП при малих моментах навантаження. Такий недолік мають регульовані ЕП механізмів з вентиляторною механічною характеристикою. Поліпшити енергетичні показники АВК можна зміною величини потокозчеплення чи реактивних складових струмів у функції моменту навантаження і змінних стану АВК.

Тому актуальною є задача підвищення регулювальних і енергетичних показників електроприводів за схемою АВК, зниження споживання електроенергії і регулювання її характеристик, що в асинхронних каскадних ЕП можливо досягти створенням взаємозалежних багатоканальних систем керування з реалізацією багатомірних ковзних режимів. У такій системі автоматичного керування (САК) слід розраховувати на підвищення швидкодії та точності регулювання частоти обертання, зменшення споживання активної потужності ЕП у тривалих режимах, на можливість оптимізації розподілу реактивної потужності між колами АВК.

Наукова задача дисертаційної роботи полягає у встановленні нових закономірностей електромеханічного перетворення енергії у системі асинхронний вентильний каскад - промисловий механізм з вентиляторною механічною характеристикою, для підвищення енергетичної ефективності і керованості електроприводу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні положення й результати роботи використані в держбюджетній НДР кафедри електрообладнання Дніпродзержинського державного технічного університету за темою «Теоретичні засади підвищення енергетичної ефективності та керованості електроприводів за схемою асинхронно-вентильного каскаду» (0107U000747). Тематика роботи відповідає Закону України «Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки», зокрема, п. 6 статті 7 «Новітні технології і ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості і агропромисловому комплексі».

Мета і задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи - підвищення регулювальних і енергетичних показників асинхронного вентильного каскаду шляхом використання законів керування, що забезпечують поліпшення його характеристик у динамічних і сталих режимах.

Для досягнення мети в дисертації поставлені і вирішені наступні задачі:

- розробка і дослідження математичних моделей АВК як багатозв'язного об'єкта керування. Вибір системи координат і структури математичної моделі, придатних для синтезу системи керування;

- синтез релейних алгоритмів керування АВК у результаті розв'язання задачі аналітичного конструювання регуляторів з метою надання САК необхідних динамічних і статичних показників у процесі відпрацьовування впливів, що задають, при низької чутливості до параметричних і координатних збурень;

- дослідження АВК як об'єкта, якому притаманні екстремальні властивості за своїми енергетичними показниками та побудова контуру екстремального регулювання в складі релейної векторної системи керування електроприводом. Порівняльний аналіз енергетичних характеристик АВК із системами керування, орієнтованими за різними опорними векторами;

- розробка засобів ідентифікації координат і параметрів, що входять у вирази цільових функцій і алгоритмів керування АВК;

- математичне моделювання й експериментальні дослідження синтезованих систем керування АВК для підтвердження основних теоретичних положень і наукових результатів дисертаційної роботи.

Об'єкт дослідження - процеси електромеханічного перетворення енергії в асинхронному вентильному каскаді.

Предмет дослідження - регулювальні й енергетичні характеристики АВК у динамічних і статичних режимах роботи.

Методи досліджень. При розв'язанні поставлених задач використані загальні методи математичного аналізу, матричного й операційного обчислень, загальної теорії керування, методи теорії електромеханічного перетворення енергії, оптимального керування, математичне і фізичне моделювання.

Для розробки математичної моделі АВК застосована теорія електричних машин. Аналіз математичної моделі, обґрунтування кількості каналів керування і регульованих змінних проведено за допомогою частотних характеристик. Синтез алгоритмів релейного керування змінними АВК здійснюється в результаті розв'язанні задачі аналітичного конструювання регуляторів. Спостерігач координат АВК розроблений на основі теорії ідентифікації динамічних систем і модального керування. В основу алгоритмів екстремального керування покладені методи нелінійного математичного програмування. При дослідженні динамічних режимів роботи АВК використані методи чисельного розв'язанні систем диференціальних рівнянь. Експериментальна перевірка теоретичних положень виконана на лабораторному макеті і дослідно-промисловій установці.

Основні наукові положення, їх новизна

Наукові положення.

1. Наявність екстремуму енергетичних характеристик АВК зумовлює ефективність застосування принципів екстремального керування для підвищення коефіцієнтів потужності статорного і роторного ланцюгів, що забезпечується системою взаємозалежного регулювання змінних АВК за трьома каналами керування: двома по роторному колу й одним по статорному.

2. Максимум енергетичної ефективності та ємнісний характер реактивної потужності статора АВК забезпечуються шляхом стабілізації реактивного струму ротора на рівні, при якому сумарна реактивна потужність статорного та роторного кіл, що прийнята за цільову функцію, досягає мінімуму.

3. Оптимізація систем керування АВК за мінімумом сумарної реактивної потужності забезпечує підвищення коефіцієнта потужності вузла навантаження, а регулювання струму намагнічування, на відміну від регулювання реактивної складової струму ротора, підвищує стійкість оптимізованих систем.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше визначено, що системи релейно-векторного керування АВК із реалізацією багатомірних ковзних режимів, оптимальні в сенсі мінімізації квадратичних функціоналів якості, поліпшують регулювальні показники АВК з одночасним зниженням чутливості до параметричних та координатних збурень.

2. Встановлено, що координата екстремуму коефіцієнта потужності роторного кола по потокозчепленню статора залежить від моменту навантаження на валу АВК і швидкості ротора, у той час як для реактивної потужності ротора зазначена залежність існує тільки від моменту навантаження.

3. Вперше доведено, що ємнісний характер сумарної реактивної потужності АВК можна забезпечити у діапазоні швидкостей, нижня границя якого залежить від параметрів АВК і, як правило, не перевищує половини синхронної швидкості ротора.

4. Обґрунтовано, що з метою одночасного забезпечення високих динамічних характеристик і енергетичних показників АВК у його системі керування слід об'єднати принципи оптимального й екстремального керування. Розроблений контур екстремального регулювання в складі релейно-векторної системи керування формує енергетичні характеристики АВК у стаціонарних режимах відповідно до заданих критеріїв якості.

5. Технічна реалізація контуру екстремального регулювання вимагає визначення зовнішніх впливів, що не піддаються приладовому виміру, чи координат, вимір яких важко реалізувати практично. Розроблені алгоритми ідентифікації і пристрої, що спостерігають, дозволили визначити змінні стану АВК, необхідні для обчислення цільових функцій і сигналів зворотних зв'язків для використання їх у системі керування.

6. Доведено, що енергетичні характеристики АВК із векторним керуванням не є інваріантними до орієнтації координатного базису. Тому застосування алгоритмів екстремального регулювання приводить до неоднакових результатів у системах керування, орієнтованих за різними опорними векторами.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій, запропонованих у роботі, підтверджується положеннями теорії автоматичного керування, даними математичного моделювання, збігом результатів теоретичних розробок і комп'ютерного моделювання з натурними осцилограмами.

Практичне значення результатів роботи. Матеріали дисертаційної роботи можуть бути покладені в основу нової концепції побудови систем керування, що підвищують динамічні й енергетичні показники асинхронних каскадних електроприводів. Застосування в турбомеханізмах електроприводів за схемою АВК з розробленою САК дозволить розширити діапазон регулювання швидкості, зменшити споживання активної потужності і забезпечити необхідні режими споживання або генерації реактивної потужності.

Результати дисертаційної роботи впроваджено на НВО “Дніпрофмаш” у систему керування електроприводом циркуляційного насоса потужністю 630 кВт водообертової системи прокатного цеху малотоннажних партій сталевих фасонних профілів. Використання синтезованих у роботі алгоритмів керування АВК, відповідних структурних схем і пристроїв ідентифікації координат дозволило створити регульований електропривод з можливістю забезпечення ємнісного коефіцієнта потужності статорного кола асинхронної машини. Застосування ЕП за схемою АВК з релейною системою векторного керування забезпечило зменшення на 8...32% активної енергії, що споживається насосним агрегатом, з одночасним підвищенням коефіцієнта потужності вузла навантаження на 8...14% у залежності від режиму водоспоживання.

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно сформулював задачі досліджень, наукові положення і результати, виконав теоретичну й експериментальну частини роботи, брав безпосередню участь у впровадженні дослідно-промислового виробу.

У роботах, написаних у співавторстві, дисертанту належить: у [1] синтезовані алгоритми оптимального керування релейних регуляторів струму і швидкості АВК; у роботі [2] запропонована релейно-векторна система керування АВК в осях координат, орієнтованих за вектором струму ротора, у яких вдалося якісно керувати електромагнітним моментом при коливаннях потокозчеплення; у роботі [5] запропоновані цільові функції, що характеризують енергетичні показники АВК, доведено, що в залежності від виду критерію якості його екстремального значення можна досягти, змінюючи або потокозчеплення статора, або реактивний струм ротора; у публікації [6] запропоновані функціональна схема ЕП, алгоритм роботи екстремального регулятора і здійснено синтез спостерігача координат АВК; у роботах [7,8] для генерації реактивної потужності в мережу сформований алгоритм розрахунку необхідного значення реактивного струму ротора і проведений аналіз статичної стійкості АВК у цьому режимі з визначенням границі виникнення автоколивань і способу їхнього усунення; в статті [9] отримані розрахункові формули для обчислення тригонометричних функцій кута повороту ротора у векторній системі керування АВК; у роботі [10] виконаний синтез контуру керування модулем потокозчеплення статора АВК і запропонований релейний регулятор потокозчеплення.

Апробація результатів. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися на міжнародних науково-технічних конференціях: «Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія і практика» (2001, 2004, 2007 р.р.), «Форум гірників» (м. Дніпропетровськ, 12-14 жовтня 2005 р.), «Електромеханічні системи, методи моделювання й оптимізації» (м. Кременчук, 14-16 травня 2008 р.), на семінарах «Оптимізація роботи електромеханічних систем» Наукової Ради НАН України «Наукові основи електроенергетики» (м. Дніпродзержинськ, ДДТУ, 2006, 2007р.).

Публікації. Основні результати дисертації викладені в 11 друкованих працях, з них 10 - у виданнях, затверджених ВАК України, 1 - матеріали конференції. Три наукові праці написані без співавторів.

Структура й об'єм дисертації. Повний обсяг дисертації складає 228 сторінок друкованого тексту і містить вступ, чотири розділи, висновки, вісім додатків і список використаних джерел. Основна частина викладена на 150 сторінках. Список використаних джерел складається з 120 найменувань і займає 12 сторінок. Дисертація містить 56 рисунків та 1 таблицю.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність дослідження і зазначений його зв'язок з науковими програмами і темами, сформульовані мета й ідея дослідження. Викладено наукові положення і результати, що виносяться на захист. Показано практичну цінність роботи, рівень апробації результатів роботи, кількість публікацій за темою й особистий внесок автора.

У першому розділі проведений аналітичний огляд схем каскадних асинхронних електроприводів та їх систем керування, обґрунтована доцільність використання АВК у потужних ЕП з навантаженням, що змінюється повільно. Аналіз методів синтезу високоякісних систем керування дозволив зробити висновок, що поліпшити регулювальні характеристики АВК як багатозв'язного нелінійного об'єкта керування технічно досить просто в класі систем розривного керування, релейні регулятори яких у ковзному режимі мають нескінченний коефіцієнт підсилення. Одним з методів структурно-алгоритмічного синтезу таких систем є аналітичне конструювання регуляторів (АКР). Технологічні досягнення в області створення силових транзисторів уможливили застосування алгоритмів розривного керування в ЕП потужністю до сотень кіловат.

З іншого боку аналіз літературних джерел дозволив установити, що електричні машини як об'єкти керування мають екстремальні властивості за основними енергетичними показниками, а при векторному підході до їх математичного опису вони мають не менше двох каналів керування: канал активної потужності служить для регулювання швидкості, канал реактивної потужності призначений для створення магнітного потоку. В існуючих літературних джерелах при розгляді режимів роботи АВК зображуються напрямки потоків активної потужності, а про розподіл реактивної потужності нічого не говориться. Указується на можливість регулювання реактивної потужності асинхронної машини (АМ) шляхом стабілізації реактивної складової струму ротора на деякому рівні, критерії вибору величини якого, проте, ніде не приводяться. Таким чином, екстремальні властивості АВК за каналом реактивної потужності ще не вивчені. Потреба у динамічних асинхронних каскадних ЕП з високими енергетичними показниками стала основою для формування мети подальших досліджень і викликала необхідність пошуку нових підходів до синтезу систем керування АВК.

У другому розділі у результаті розв'язання задачі АКР виконана побудова релейної векторної системи керування АВК. Для цього створена математична модель АВК в осях координат, орієнтованих за вектором потокозчеплення статора:

;

;

;

;

,

де кут між вектором напруги статора й опорним вектором потокозчеплення ; , - модулі векторів потокозчеплення і напруги статора; - кутова швидкість ротора в електричних рад/с; - число пар полюсів; -кругова частота обертання вектора напруги статора;

, -

проекції вектора на осі u,v ортогональної системи координат, орієнтованої за вектором ; , - проекції вектора струму ротора на осі u,v; - момент статичного навантаження; - сумарний момент інерції ротора і пов'язаних з ним мас, що обертаються;

; ; ; ; ;

- взаємна індуктивність фази ротора з усіма фазами статора і навпаки, зумовлена загальним потокозчепленням, зв'язаним з усіма обмотками;

,

- повні індуктивності статора і ротора відповідно; - індуктивності розсіювання обмоток статора і ротора; - оператор диференціювання.

Рівняння динаміки збуреного руху АВК отримані шляхом лінеаризації рівнянь (1)

. (2)

Пунктирні лінії розбивають матрицю стану на прямокутні блоки таким чином, що діагональні матриці відповідають сепаратним каналам регулювання, а недіагональні блоки матриці містять коефіцієнти перехресних зв'язків між виділеними сепаратними системами.

Для обґрунтування слабкості внутрішніх перехресних зв'язків між каналами керування АВК застосований апарат частотних характеристик (ЧХ). Аналіз ЧХ лінеаризованих рівнянь (2) дозволив довести, що сигнали перехресних зв'язків істотно не впливають на динаміку прямих каналів керування. У підсумку була здійснена декомпозиція системи (2) на два автономних об'єкта, що включають у себе діагональні субматриці їхньої власної динаміки і коефіцієнти при керуючих впливах. При розв'язанні задачі АКР для підсистеми активної потужності отримані наступні алгоритми релейних регуляторів активної складової струму ротора і швидкості

, ,

де ; ; .

Аналіз ЛАЧХ сигналів і при гармонійному збурені й обнулінні показав, що визначальний вплив на потокозчеплення статора робить величина струму намагнічування, що регулюється напругою статора. Тому в каналі реактивної потужності АВК доцільно обмежитися контуром регулювання реактивного струму ротора. Якщо ж потрібно регулювати амплітуду вектора потокозчеплення статора , то треба змінювати напругу статора, додаючи ще один канал керування. Алгоритм керування реактивним струмом ротора має вид

. (4)

У запропонованих функціональних схемах релейно-векторної полеорієнтованої системи керування АВК датчик положення ротора на валу АМ замінений обчислювальним пристроєм з розрахунковими формулами

; , (5)

де складові піддаються виміру, а оцінки проекцій обчислюються за формулами

; (6)

з використанням параметрів та вимірюваних напруг і струмів статора АВК.

Третій розділ присвячено побудові релейно-векторної САК АВК з контуром екстремального регулювання, що забезпечує найменшу завантаженість АМ реактивною потужністю, яка досягається при нульовому значенні реактивної потужності статорного кола з одночасною мінімізацією реактивної потужності роторного кола АВК.

Як цільові функції при екстремальному керуванні АВК пропонується використовувати вирази реактивної потужності роторного кола АВК чи його коефіцієнта потужності

, , (7)

де

і активна потужність ротора

.

З цих виразів випливає, що енергетичні показники АВК залежать від трьох змінних: кутової швидкості ротора, моменту статичного навантаження і модуля потокозчеплення статора. Швидкість і момент навантаження на валу визначаються технологічним процесом. Тому забезпечувати екстремальні значення енергетичних характеристик можливо тільки варіюванням величини потокозчеплення статора . Графіки на рис.1,2 показують властивості виразів (7), що є унімодальними функціями з явно вираженим екстремумом. Характер екстремуму обумовлений діапазоном швидкостей АВК. Усі величини на рис.1,2 наведені у відносних одиницях:

, .

Тут і далі викладені матеріали дослідження АВК на базі асинхронної машини 4AНK315М4У3 з наступними технічними даними: , , . Для інших АМ серії 4А виходять подібні результати.

У функції (7) входить величина статичного моменту на валу асинхронної машини , який не піддається приладовому виміру. До того ж для реалізації алгоритму керування швидкістю ротора АВК (3) потрібно організувати зворотний зв'язок за її похідною. Для розв'язання зазначених технічних задач у системі екстремального керування АВК використаний спостерігаючий пристрій, система рівнянь якого наведена нижче

;

; (8)

.

Елементи вектора модального зворотного зв'язку для розподілу по Батерворту обчислюються у такій спосіб

; ;

, (9) де -

похідна від виразу вентиляторної механічної характеристики по швидкості; - кутова швидкість ротора в геометричних рад/с; - постійна складова моменту опору;

-

середньогеометричний корінь характеристичного рівняння спостерігача.

При зменшенні моменту навантаження на валу АВК у якості змінної, за якою забезпечуються екстремальні значення енергетичних показників роторного кола (7), ефективно використовувати модуль вектора потокозчеплення статора. Контур екстремального керування за енергетичними показниками роторного кола реалізується в статорному колі АВК регулюванням величини його потокозчеплення зміною напруги живлення. У роботі запропонований релейний однополярний регулятор потокозчеплення з алгоритмом керування

(10)

та сигналом завдання, що визначається співвідношенням

, (11)

зі значеннями параметрів , .

Використання силового транзисторного регулятора напруги з керуванням від релейного елемента з нелінійною функцією перемикання (10) і формувачем сигналу завдання (11) дозволяє регулювати модуль потокозчеплення без операцій координатних перетворень керуючого впливу в колі статора АВК. Підвищення коефіцієнтів потужності статорного і роторного ланцюгів АВК при одночасному регулюванні швидкості досягається системою взаємозалежного регулювання змінних АВК за трьома каналами керування: двома в роторному колі й одним в статорному. Взаємозв'язок каналів керування виражається у функціональній залежності від швидкості і моменту навантаження величини сигналу завдання контуру регулювання потоку статора . Таку функціональну залежність реалізує екстремальний регулятор, основна задача якого складається у визначенні величини для забезпечення екстремальних значень функцій якості (7) у будь-якій точці робочого діапазону регулювання швидкості при обмеженні напруги статора.

Таким чином, можна записати

або , (12)

де амплітуда номінальної фазної напруги статора.

Екстремальний регулятор, включений у контури регулювання реактивного струму ротора та потокозчеплення статора, впливає на систему через величини їх сигналів завдань і реалізує один з відомих чисельних методів розв'язання екстремальних задач (12), наприклад, метод дихотомії. Величина завдання контуру регулювання реактивного струму ротора розраховується за формулою

та зі зміною потоку статора за зазначеним співвідношенням змінюється реактивний струм ротора. При струм статора стає цілком активним і контур регулювання збудження АВК з боку ротора реалізується як система екстремального керування за критерієм мінімуму модуля струму статора для поточного значення його потокозчеплення.

Ефективність запропонованих технічних рішень перевірена методом математичного моделювання, з результатів якого випливає, що зменшення потоку при зміні моменту навантаження від швидкості ротора за вентиляторною характеристикою підвищує коефіцієнт потужності роторного кола, наприклад, для швидкості на 10-15% з рівня до .

У четвертому розділі розглядається керування енергетичними потоками в АВК виходячи з вимоги генерації реактивної потужності у мережу. Сумарна реактивна потужність АВК, що представлена виразом

,

як функція реактивної складової струму ротора є екстремальною залежністю, яку можна використовувати як цільову функцію контуру екстремального регулювання АВК за критерієм генерування ним найбільшої реактивної потужності у мережу. Вимогу віддачі АВК у мережу найбільшої реактивної потужності названо критерієм його енергетичної ефективності, за яким оптимізується контур екстремального керування.

Графіки залежності становлять параболи з явно вираженим екстремумом (рис. 3), побудовані при номінальному потокозчепленні статора для різних швидкостей і моментів навантаження, зв'язаних наступним виразом вентиляторної механічної характеристики

, (14)

де коефіцієнт визначається постійною складовою моменту опору.

Розв'язавши рівняння відносно , одержимо співвідношення для визначення реактивного струму роторного кола, при якому функція (13) досягає мінімуму

. (15)

З формули (15) випливає, що координати точки екстремуму кривих на рис. 4 залежать тільки від швидкості при постійному потокозчепленні статора. Також видно, що зростає зі зменшенням швидкості. Тоді є гранична швидкість , нижче якої АВК не може виступати ємнісним навантаженням для мережі. Щоб визначити цю швидкість, у формулу (13) потрібно підставити замість струму співвідношення (15) і дорівняти отриманий вираз нулю. Після здійснення цих операцій приходимо до наступного нелінійного алгебраїчного рівняння

, (16)

яке з урахуванням залежності (14) можна розв'язати відносно будь-яким з відомих чисельних методів, наприклад, методом ділення відрізка навпіл.

Зі зменшенням потоку гранична швидкість збільшується (рис.4) і діапазон швидкостей , у якому АВК можна використовувати для генерування реактивної потужності у мережу, зменшується. Тому недоцільно зниження потокозчеплення статора в режимі віддачі у мережу максимальної реактивної потужності і статор АВК підключається на свою номінальну напругу для забезпечення номінальної величини потоку. У цьому випадку граничне значення швидкості дорівнює і незначно підвищується при зростанні моменту навантаження на валу.

Проведено порівняльний аналіз систем векторного керування АВК за критерієм енергетичної ефективності. Розглянуто чотири варіанти структури АВК: , , , , у позначеннях яких першим записується опорний вектор. Знайдені вирази сумарної реактивної потужності АВК для чотирьох досліджуваних структур як функції моменту статичного навантаження , ковзання , модуля опорного вектора і реактивної складової струму ротора . З аналізу приведених у дисертації статичних співвідношень зроблено висновок, що величину реактивного струму ротора, при якій забезпечується найменше значення , необхідно визначати для розглянутих моделей за алгоритмом

 (17)

де - екстремальне значення реактивного струму ротора АВК; - припустима за умовою нагрівання обмоток реактивна складова струму ротора; - величина завдання реактивного струму ротора. Таким чином, у всіх випадках потрібно перезбуджувати асинхронну машину з боку ротора, щоб домогтися ємнісного коефіцієнта потужності статорного ланцюга АВК.

Виконано кількісну оцінку спроможності АВК з системами векторного керування, орієнтованими за різними опорними векторами, генерувати реактивну потужність при реалізації алгоритму керування (17) (рис.5,6). Виконання умови для структури свідчить про те, що АВК із системою векторного керування, орієнтованою за вектором струму ротора , не вдається використовувати для генерування реактивної потужності у мережу. Графіки 1 і 2 майже збігаються і відповідають мінімальним в порівнянні з іншими структурами значенням цільової функції в області оптимізації . При навантаженнях, що наближаються до номінального, АВК із системою керування, орієнтованою за вектором , споживає в цілому реактивної потужності з мережі більше, ніж у всіх

інших розглянутих варіантах. Таким чином, застосування алгоритму екстремального регулювання (17) приводить до неоднакових результатів у різних осях координат.

Дослідження статичної стійкості АВК з алгоритмом керування реактивним струмом ротора (4) дозволило зробити висновок, що даний алгоритм непридатний для застосування в режимі генерації реактивної потужності у мережу, оскільки

при реактивних струмах ротора вище значення

(18)

виникає процес самозбудження АВК зі зміною величини потоку статора у вигляді стійких автоколивань. У виразі (18) ; коефіцієнт узятий з виразу, що апроксимує криву намагнічування; - амплітуда номінального фазного струму ротора, приведеного до статора.

Використання регулятора з алгоритмом керування

, (19)

структура якого визначається зворотним зв'язком за складовою струму намагнічування , приводить до значного збільшення ступеня статичної стійкості АВК і усунення коливальних процесів у контурі регулювання реактивної потужності. Це досягається за допомогою стабілізації струму намагнічування по каналу реактивної потужності роторного кола на рівні, що відповідає за формулою

(20)

сигналу, який задає , що, у свою чергу, визначається за алгоритмом (17), де знаходиться за співвідношенням (15) і



для структури . Така послідовність операцій відповідає алгоритму роботи екстремального регулятора, основна задача якого складається у визначенні серед припустимих значень струму величини завдання , що доставляє мінімум цільової функції (13) у будь-якій точці робочого діапазону регулювання швидкості. Тоді постановку задачі можна представити у вигляді наступного запису

. (21)

Теоретичні положення четвертого розділу підтверджені результатами математичного моделювання, а основні принципи забезпечення ємнісного коефіцієнта потужності статорного кола АВК - експериментальними осцилограмами.

Висновки

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій розв'язана актуальна наукова задача синтезу законів керування АВК як багатозв'язного нелінійного об'єкта керування з урахуванням розподілу реактивної потужності між статорним і роторним ланцюгами АМ і впливу її на стійкість електропривода по системі АВК, що забезпечує підвищення його енергетичної ефективності і керованості. Найбільш суттєві наукові і прикладні результати, висновки і рекомендації полягають у наступному.

1. Аналіз задачі побудови ЕП за схемою АВК з високими регулювальними й енергетичними показниками дозволив висунути ідею об'єднання в одній електромеханічній системі принципів оптимального й екстремального керування.

2. У підсумку дослідження рівнянь динаміки АВК складена його математична модель в осях координат, орієнтованих за вектором потокозчеплення статора, що має просту структуру в порівнянні з моделями в інших осях координат і слабкі перехресні зв'язки між каналами керування. Одночасно в цій структурі САК ефективно реалізувати оптимізацію АВК за запропонованими в роботі енергетичними показниками.

3. Реалізація в багатоканальній релейно-векторній системі керування АВК багатовимірних ковзних режимів дозволила створити контури оптимального за точністю регулювання змінних з компенсацією внутрішніх перехресних зв'язків між каналами керування, широким діапазоном регулювання швидкості при низькій чутливості до координатних та параметричних збурень.

4. Властивість екстремальності енергетичних характеристик АВК у сталих режимах обумовила ефективність застосування принципів екстремального керування для підвищення енергетичних показників при одночасному регулюванні швидкості АВК, що досягається системою взаємозалежного регулювання змінних у загальному випадку за трьома каналами керування: двома по роторному колу й одним по статорному.

5. У триканальній системі взаємозалежного керування змінними АВК забезпечується режим максимального використання габаритної потужності АМ, що відповідає найменшій завантаженості її реактивною потужністю. Для цього екстремальне регулювання збудження АВК з боку ротора здійснюється за критерієм мінімуму модуля струму статора. Контур екстремального керування за енергетичними показниками роторного ланцюга реалізується по статору АВК регулюванням величини його потокозчеплення при зменшенні моменту статичного навантаження.

6. У діапазоні швидкостей нижче синхронної за цільову функцію контуру екстремального керування потокозчеплення статора необхідно приймати величину коефіцієнта потужності роторного ланцюга, у той час як при двозонном регулюванні швидкості АВК потрібно оптимізувати систему за мінімумом реактивної потужності ротора.

7. Для обчислення цільових функцій в екстремальному регуляторі потрібно застосувати модальний спостерігач стану, що оцінює момент статичного навантаження й інші координати АВК. Запропоновано використовувати розподіл коренів характеристичного рівняння спостерігача за Батервортом, що забезпечує достатній запас стійкості і задовільну швидкодію спостерігача.

8. Установлено, що сумарна реактивна потужність ланцюгів статора і ротора АВК є екстремальною функцією реактивного струму ротора, екстремальне значення якого при постійному потокозчепленні статора визначається швидкістю ротора і не залежить від моменту навантаження. Як наслідок, систему екстремального регулювання реактивної потужності АВК за критерієм енергетичної ефективності доцільно формувати в контурі керування реактивним струмом ротора при безпосередньому підключенні статора до мережі.

9. Енергетичні характеристики АВК з векторним керуванням не інваріантні до орієнтації координатного базису. Структури векторних систем керування АВК, орієнтованих за векторами потокозчеплення і напруги статора, рівноцінні та ефективніші за критерієм енергетичної ефективності порівняно з іншими дослідженими структурами.

10. Статична стійкість АВК залежить головним чином від потоків його реактивної потужності. АВК з ємнісною реактивною потужністю статора доцільно використовувати як засіб поліпшення коефіцієнта потужності електроенергії в місцях її споживання. При цьому для підвищення стійкості замкненої системи необхідно регулювати струм намагнічування.

11. Результати математичного моделювання на ЕОМ й експериментальних досліджень на стендовому обладнанні підтвердили сформульовані в роботі основні теоретичні положення і можливість практичної реалізації синтезованих законів керування з застосуванням сучасної елементної бази силової електроніки і мікропроцесорної техніки.

Основні положення і результати дисертації опубліковано у наступних роботах

1. Клюев О.В. Построение релейной системы подчинённого управления асинхронным вентильным каскадом / О. В. Клюев, А.В. Садовой // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Наукові праці КДПУ.- Кременчук: КДПУ, 2000.- Вип.2(9).-С.61-64.

2. Клюев О.В. Формирование электромагнитного момента релейной системой управления асинхронным вентильным каскадом / О.В. Клюев, А.В. Садовой // Вестник ХГПУ. Серия: электротехника, электроника и электропривод, Т1. - Харьков: ХГПУ, 2001. - Спец. вып.10- С. 115-116.

3. Клюев О.В. Одноканальная релейная система управления асинхронным вентильным каскадом / О.В. Клюев // Вестник ХГПУ. Серия: электротехника, электроника и электропривод. - Харьков: ХГПУ, 2004. - Вып. 43. - С.107-108.

4. Клюев О.В. Техническая реализация релейных систем управления асинхронным вентильным каскадом / О. В. Клюев // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Наукові праці КДПУ.- Кременчук: КДПУ, 2005.-Вип.3(32).-C.100-104.

5. Клюев О.В. Асинхронный вентильный каскад как объект экстремального управления /О.В. Клюев, А.В. Садовой // Національний гірничий університет: Матеріали міжнародної конференції - Форум гірників, Том 2. - Дніпропетровськ, 2005.- С.212-225.

6. Клюев О.В. Техническая реализация системы экстремального управления асинхронным вентильным каскадом / О. В. Клюев, А.В. Садовой // Збірник наукових праць Дніпродзержинського державного технічного університету. - Дніпродзержинськ: ДДТУ, 2006.-С.164-178.

7. Клюев О.В. О компенсации реактивной мощности асинхронным каскадным электроприводом с векторным управлением / О.В. Клюев, А.В. Садовой // Одеський національний політехнічний університет. Електромашинобудування та електрообладнання. Серія: проблеми автоматизованого електропривода. - Київ: Техніка, 2006.- Вип. 66. - С. 329-332.

8. Клюев О.В. Анализ устойчивости асинхронного вентильного каскада в режиме генерации реактивной мощности / О. В. Клюев, А.В. Садовой // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Наукові праці КДПУ.- Кременчук: КДПУ, 2007. - Вип. 3 (44), ч.2. -C. 17-21.

9. Клюев О.В. Идентификация координат и параметров асинхронной машины при векторном управлении по цепи ротора / О. В. Клюев, А.В. Садовой, Ю.В. Сохина // Збірник наукових праць Дніпродзержинського державного технічного університету. - Дніпродзержинськ: ДДТУ, 2007.-С.361-365.

10. Клюев О.В. Синтез контура регулирования потокосцепления по цепи статора в асинхронном вентильном каскаде / О. В. Клюев, А.В. Садовой // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Наукові праці КДПУ.- Кременчук: КДПУ, 2008.-Вип.4(51), ч. 2. - С. 24-28.

11. Клюев О.В. Частотные характеристики в исследовании свойств асинхронного вентильного каскада / О. В. Клюев // Збірник наукових праць Дніпродзержинського державного технічного університету. - Дніпродзержинськ: ДДТУ, 2008.-С. 190-196.

Анотація

Клюєв О.В. Багатоканальна система розривного векторного керування асинхронним вентильним каскадом (синтез і дослідження). - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - Електротехнічні комплекси і системи. - Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2009.

Дисертацію присвячено розв'язанню науково-практичної задачі підвищення регулювальних і енергетичних показників асинхронно-вентильних каскадів (АВК) в електроприводах турбомеханізмів.

Для регулювання в АВК швидкості і реактивної потужності пропонується в одній системі реалізувати принципи оптимального й екстремального керування. Для цього з застосуванням модифікованого принципу симетрії, заснованого на концепціях зворотних задач динаміки і збуреного - незбуреного руху, здійснена побудова релейно-векторної системи підпорядкованого керування АВК, до якої додано контур екстремального регулювання з заданими цільовими функціями й алгоритмом роботи екстремального регулятора.

Отримано цільові функції, що характеризують розподіл реактивних потужностей між статорним і роторним колами АВК, спираючись на їх екстремальні властивості побудовані алгоритми екстремального керування.

Розроблено взаємозалежну багатоканальну систему керування у вигляді дворівневої конструкції. Нижній рівень являє собою первинні контури стабілізації змінних у ковзних режимах релейних регуляторів, оптимальних у сенсі мінімізації квадратичних функціоналів якості. Вони підпорядковані верхньому рівню, реалізованому в класі аналітичних екстремальних систем.

Проведено аналіз різних структур векторних систем керування АВК при генеруванні реактивної потужності у мережу, досліджена стійкість АВК у цьому режимі, визначена границя стійкості по реактивному струму ротора і запропонований спосіб усунення автоколивань опорного вектору потокозчеплення.

Ключові слова: асинхронний вентильний каскад, векторне керування, алгоритм керування, функціонал якості, ковзний режим, цільова функція, екстремальний регулятор, реактивна потужність.

Аннотация

Клюев О.В. Многоканальная система разрывного векторного управления асинхронным вентильным каскадом (синтез и исследование). - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы. - Национальный горный университет, Днепропетровск, 2009.

Диссертация посвящена решению научно-практической задачи повышения регулировочных и энергетических показателей асинхронно-вентильных каскадов (АВК) в электроприводах турбомеханизмов.

В работе объединены подходы к управлению, реализуемые в системах с неограниченным коэффициентом усиления и с самонастройкой программы, иначе называющихся экстремальными системами. Для регулирования в АВК скорости и реактивной мощности предлагается в одной системе реализовать принципы оптимального и экстремального управления. Для этого с применением модифицированного принципа симметрии, основанного на концепциях обратных задач динамики и возмущённого-невозмущённого движения, осуществлено построение релейно-векторной системы подчинённого управления АВК, к которой надстроен контур экстремального регулирования с заданными целевыми функциями и алгоритмом работы экстремального регулятора.

Осуществлён синтез систем управления для двух режимов работы АВК, отличающихся по своим энергетическим показателям. Лучшее использование асинхронной машины при изменении момента статической нагрузки или регулирование величины и характера реактивных мощностей статора и ротора достигается регулированием основного магнитного потока или реактивных составляющих токов, что, в свою очередь, приводит к необходимости создания взаимосвязанной многоканальной системы управления в виде двухуровневой конструкции. Нижний уровень представляет собой первичные контуры стабилизации переменных в скользящих режимах релейных регуляторов, оптимальных в смысле минимизации квадратичных функционалов качества. Они подчинены верхнему уровню, реализованному в классе аналитических экстремальных систем, построенных как системы программного управления переменными, в экстремальной зависимости от которых находится заданный критерий качества управления, отражающий энергетические показатели АВК в стационарном режиме.

Получены целевые функции, характеризующие распределение реактивных мощностей между статорной и роторной цепями АВК, изучены их экстремальные свойства, построены алгоритмы экстремального управления. Проведен анализ различных структур векторных систем управления АВК при генерировании реактивной мощности в сеть, исследована устойчивость АВК в этом режиме, определена граница устойчивости по реактивному току ротора и предложен способ устранения автоколебаний опорного вектора потокосцепления.

Применение в турбомеханизмах электроприводов по схеме АВК с разработанной системой управления позволило уменьшить потребляемую активную мощность в сравнении с нерегулируемым по скорости электроприводом. Одновременно АВК возможно использовать для регулирования потоков реактивной мощности в целях повышения коэффициента мощности узла нагрузки с обеспечением требуемого запаса устойчивости.

Ключевые слова: асинхронный вентильный каскад, векторное управление, алгоритм управления, функционал качества, скользящий режим, целевая функция, экстремальный регулятор, реактивная мощность.

Annotation

Klyuyev O.V. Multichannel system of discontinuous vector control asynchronous gates the cascade (synthesis and research). - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. on a speciality 05.09.03 - Electrotechnical a complexes and systems. - National mining university, Dnepropetrovsk, 2009.

The dissertation is devoted to the solution of a scientific - practical task of increase of control and power characteristics asynchronous gates of cascades (AGC). For regulation in AGC the speeds and reactive power are offered in one system to be realized principles of optimum and extreme control. The construction of relay vector system of the subordinated control AGC is carried out. Then the contour of extreme regulation with the given criterion functions and algorithm of operation of an extremal controller is added.

The interconnected multichannel control system as a two-level structure is developed. The bottom level represents primary contours of stabilization variable in sliding modes of relay regulators optimum in sense of minimization quadratic functional of quality. They are subordinated to the top level realized in a class of analytical extreme systems.

The criterion functions describing distribution of reactive power between stator and rotor by circuits AGC are received, their extreme properties are studied, the algorithms of extreme control constructed. The stability AGC in a mode generation of reactive power in a network is studied, the boundary of stability on a reactive current of a rotor is determined and the mode of removal of auto fluctuations of a basic vector flux linkage is offered.

Key words: asynchronous gates the cascade, vector control, algorithm of control, functional of quality, sliding mode, criterion function, extremal controller, reactive power.

Размещено на Allbest.ru