Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Математическое описание и имитационные модели электромеханических систем виброустановок и тяговых агрегатов, оснащенных регулируемыми электроприводами переменного тока 10
1.1. Способы построения математических моделей электромеханических систем машинных агрегатов 10
1.2. Математическое описание механической части вибрационных установок 10
1.3. Математическое описание механической части тяговых агрегатов.. 17
1.4. Имитационные модели частотно-управляемого асинхронного двигателя 24
Выводы по первой главе 36
ГЛАВА 2. Способы управления электроприводом переменного тока машинных агрегатов 29
2.1. Способы регулирования скорости асинхронного двигателя 37
2.2. Системы прямого управления асинхронным двигателем 37
2.3. Построение структурных имитационных моделей систем управления асинхронными двигателями 38
2.4. Способы оптимизации пусковых режимов электропривода переменного тока 47
Выводы по второй главе 63
ГЛАВА 3. Построение и оптимизация автоматизированных систем управления электроприводами машинных агрегатов 63
3.1. Синтез алгоритмов управления вибрационными установками 65
3.2. Способы построения систем автоматического управления электроприводом тяговых агрегатов 77
Выводы по третьей главе 85
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования системы управления электроприводом машинного агрегата 94
4.1. Разработка контроллера электропривода 96
4.2. Экспериментальные исследования системы управления электроприводом переменного тока машинного агрегата 98
4.3. Испытания контроллера электропривода на подвижном составе 98
Выводы по четвертой главе 117
Заключение 117
Литература 119
Приложения к диссертационной работе 121
- Способы построения математических моделей электромеханических систем машинных агрегатов
- Способы регулирования скорости асинхронного двигателя
- Синтез алгоритмов управления вибрационными установками
- Разработка контроллера электропривода
Введение к работе
Одним из важнейших средств роста производительности труда, повышения качества продукции, обеспечения безопасности является автоматизация производственных и транспортных процессов во всех отраслях народного хозяйства. При автоматизации производственного процесса машины заменяют не только физическую, но и умственную работу человека, управляющего данным процессом. В том случае, когда человек принимает участие в процессе управления при выработке ответственных решений, система называется автоматизированной. Современный этап развития автоматизации опирается на широкое применение ЭВМ и микропроцессорной техники.
При создании автоматизированных систем существенная роль отводится электроприводу (ЭП), способному во многих случаях на основе достижений электромашиностроения, силовой электроники и микропроцессорной техники наилучшим образом решить задачу автоматизации производственных процессов, создания малолюдного производства. Современные системы управления, построенные на цифровых микроконтроллерах, позволяют эффективно управлять ЭП общепромышленного и специального применения, характеризующимися высокими точностью и быстродействием [27].
Возможность использования асинхронного двигателя (АД) в автоматизированном электроприводе (АЭП) является весьма актуальной задачей. АД, по сравнению с двигателем постоянного тока при одной и той же мощности и номинальной угловой скорости в 1,5-2 раза легче, момент инерции ротора меньше и стоимость его ниже. АД, будучи бесконтактной машиной, является более надежным в сравнении с машиной постоянного тока.
В современном ЭП доля асинхронных двигателей достигает 70-80% [27]. Однако в своем большинстве это нерегулируемые машины, чаще всего работающие на своей естественной характеристике, причем
5 продолжительное время нагруженные меньше своей номинальной мощности. Такое использование АД приводит к снижению энергетических показателей установок, а учитывая большое распространение таких ЭП, к неоправданному использованию большого количества энергоресурсов. Регулируемые АД, включенные в состав ЭП, позволяют более полно использовать затрачиваемую энергию и обеспечивать требуемые режимы работы машинных агрегатов.
Регулируемые АД в ЭП тяговых агрегатов и вибрационных грохотов используются сравнительно недавно. Характерной особенностью данного типа механизмов является то, что они функционируют при произвольно изменяющихся моментах инерции и сопротивления и требует значительных пусковых моментов. При этом в переходных процессах регулируемые параметры могут достигать больших значений, что существенно сказывается на надежности, точности и быстродействии электромеханических систем (ЭМС).
При разработке алгоритмов управления ЭМС в большинстве случаев необходимо учитывать не только динамику ЭП, но и динамику механической части. Одна из основных задач при создании высокодинамичных ЭМС заключается в повышении их быстродействия и точности при одновременном уменьшении массогабаритных параметров, с учетом ограничений перегрузок по току и моменту, позволяющих избежать преждевременного износа и выхода ЭМС из строя. Однако решение этой задачи осложняется влиянием ряда факторов, среди которых следует выделить нелинейность и нестационарность параметров объекта управления.
Первые опыты по применению тягового АД в качестве тягового были предприняты еще в 1930 году при создании венгерского электровоза, на котором были применены электромашинные преобразователи. Позднее подобный асинхронный тяговый привод был реализован на электровозах французских железных дорог (SNCF) [51]. В нашей стране первые опыты создания регулируемых тяговых ЭП на базе АД относятся к 1965 году, причем для преобразования и регулирования электроэнергии были применены полупроводниковые установки [2, 3]. Однако данные разработки не вышли за рамки экспериментов, так как в то время уровень элементной базы не обеспечивал необходимую степень надежности. Новым импульсом для создания подвижного состава с асинхронным тяговым приводом послужило развитие полупроводникой техники. В настоящее время получены значительные успехи в серийном производстве и эксплуатации тяговых агрегатов с АД [41].
ЭП тягового агрегата и вибрационной установки должен обеспечивать надежный пуск независимо от нагрузки, состояния окружающей среды, в широких пределах изменения температуры, выдерживая моментные и токовые перегрузки, сохранять работоспособность при изменении питающего напряжения в широком диапазоне. С другой стороны должен иметь небольшие габаритные показатели. Эти требования затрудняют, а зачастую делают невозможным использование стационарных серийно выпускаемых АЭП с АД.
В настоящее время работа большинства вибрационных установок (ВУ) базируется на использовании морально устаревших ЭП с использованием нерегулируемых АД или двигателей постоянного тока и неэффективных алгоритмов управления, в большинстве случаев, осуществляющих выдачу сигнала на запуск и поддержание скорости вращения дебалансов на заданном уровне. При этом виброустановки имеют низкое качество регулирования режимов работы, что в большинстве случаев снижает эффективность их функционирования. Виброустановки широко используются в различных отраслях промышленности: грохоты для горнорудной промышленности, машины для вибрационного погружения и выдергивания свай, шпунта и труб, вибрационные дорожные и строительные машины для трамбования грунта и формования железобетонных изделий [9, 14, 35, 54]. ЭМС колебательного движения также имеют широкое применение в испытательных, измерительных и калибровочных вибростендах.
Одним из путей повышения эффективности работы роторных ВУ является разработка автоматизированных систем управления (АСУ) ЭП дебалансов, основанных на использовании более совершенных алгоритмов управления. Характеристики, обеспечивающие эффективное функционирование ВУ, могут быть получены за счет улучшения качественных показателей процессов на этапе пуска.
Анализ эксплуатации подвижного состава, оснащенного тяговыми асинхронными двигателями, показал двойное сокращение необходимого времени на техническое обслуживание тягового электрооборудования по сравнению с оборудованием контактно-реостатного ЭП с двигателем постоянного тока. В процессе эксплуатации подтверждена существенная экономия электроэнергии (в среднем около 26%) [42].
Исследование сложных ЭМС немыслимо без использования соответствующих имитационных моделей, основанных на математическом описании (с необходимой и достаточной степенью адекватности) их узлов и агрегатов.
Имитационное моделирование - один из наиболее мощных и универсальных методов исследования и оценки эффективности разрабатываемых ЭМС. Любая имитационная модель представляет собой более или менее сложный программный продукт. При создании имитационных моделей необходимо обеспечить достоверность их функционирования в заданном множестве рабочих режимов машинных агрегатов.
Целью диссертационной работы является интегрирование регулируемых электроприводов с асинхронными двигателями в автоматизированные электромеханические системы вибрационных установок и транспортных агрегатов (подвижной состав) с использованем эффективных алгоритмов управления, обеспечивающих требуемые рабочие режимы при одновременном снижении установленной мощности и массо-габаритных показателей с учетом ограничений переходных токов и моментов АД.
8. Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
Анализ характеристик вибрационных установок и тяговых механизмов (агрегатов) как объектов в системах автоматического управления электроприводами с асинхронными двигателями;
Выбор рационального математического описания ЭМС автоматизированных вибрационных установок и транспортных комплексов с регулируемыми асинхронными электроприводами для исследования их динамики в заданном множестве режимов функционирования; синтез систем управления асинхронным двигателем без измерителя скорости, обеспечивающих надежное функционирование ЭМС машинных агрегатов; создание алгоритмов управления колебательными системами (вибрационными установками), позволяющих снизить потребную мощность приводных электродвигателей на этапе пуска агрегатов; апробация разработанных систем и рекомендаций по их оптимизации на имитационных моделях и физических макетах.
На защиту выносятся следующие положения: структурные имитационные модели САУ асинхронным электроприводом, обеспечивающие исследование механических и электромагнитных переходных процессов во взаимосвязанных ЭМС агрегатов; унифицированные аналитические зависимости, определяющие величины потоко сцеплений статора, ротора и в зазоре при использовании Т-образной схемы замещения АД; модифицированный способ управления АД без измерителя скорости (подтверждено патентом №2003123281/20); модифицированные алгоритмы экономичного пуска вибрационных установок с частотно-управляемым асинхронным двигателем;
9 методика расчета рациональных значений параметров алгоритмов управления пуском виброустановок.
Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы "Интеграция" (проект № 2.1-589), направленной на координацию академической (ИПМаш РАН) и вузовской науки (СПбГЭТУ, СПбИМаш, СПбГБТУ).
Материалы диссертационной работы апробировались и обсуждались на секции электромеханических систем Международной Энергетической Академии, на XXXI и XXXII Неделях науки СПбГТУ, на X и XI научно-технических конференциях "Экстремальная робототехника" (2000 и 2001 г.г.), на 3-й Международной научно-практической конференции (СПбИМаш 2005г.) а также на научно-технических семинарах кафедры электротехники, вычислительной техники и автоматизации СПбИМаш.
По работе имеется восемь публикаций, две из которых написаны без соавторов.
Способы построения математических моделей электромеханических систем машинных агрегатов
При составлении математических моделей сложных электромеханических систем существуют два основных подхода. При первом подходе математическая модель нелинейной механической системы составляется максимально подробно, без каких либо предположений, допускающих ее упрощение (например, в работах В. А. Коноплева [31, 32] исследование моделей производится на ЭВМ). При втором подходе модель электромеханической системы упрощается с помощью различных допущений, вплоть до линеаризации в окрестностях параметров, соответствующих типовым рабочим режимам системы, что позволяет в дальнейшем производить ее анализ не только путем моделирования на ЭВМ, но и аналитически. Построение моделей при втором подходе используется в работах И. И. Блехмана [9], В. Л. Вейца [16], В.М Шестакова [67] и др.
Анализ динамических процессов в электромеханических системах должен основываться на их достоверной динамической схематизации. Степень полноты учета разнообразных свойств и параметров ЭМС при построении соответствующей динамической модели определяется задачей и целью исследования. При этом большое значение имеет уровень сложности модели, определяемый общим числом учитываемых факторов, которые влияют на динамическое поведение исследуемой системы. Эффективность расчетных методов и достоверность получаемых на их основе результатов находятся в противоречивой зависимости от уровня сложности модели. Противоречивый характер зависимости степени адекватности модели и эффективности расчетных алгоритмов от уровня сложности модели приводит к чрезвычайно важной в практическом плане проблеме выбора рациональной адекватной модели. Задача корректного учета свойств, имеющая существенное значение для расчета переходных процессов в электромеханических системах (ЭМС), может быть успешно решена на основе использования методов декомпозиции. Применение методов декомпозиции связано с необходимостью разбиения задачи большой размерности на ряд задач меньших размерностей так, чтобы получить корректное решение исходной задачи. Кроме того, задача построения адекватной динамической модели может быть решена на основе обобщения накопленного расчетно-экспериментального опыта динамических исследований. Результатом такого обобщения является спектр частных асимптотических моделей или набор корректных динамических моделей, правомерных при исследовании определенного вида динамических процессов в реальных ЭМС при разнохарактерных условиях их эксплуатации [18,19].
При построении математических моделей целесообразно выделить класс локальных моделей для отдельных типовых механизмов или узлов. Характерными особенностями локальных динамических процессов являются либо их причинно-следственная изоляция в пределах областей интенсивного динамического отклика, либо односторонняя связь с общими динамическими процессами. Эта связь отличается обычно ограниченным влиянием общего процесса на протекание локальных процессов и пренебрежимо малым обратным воздействием локальных процессов на динамическое поведение ЭМС в целом.
В общем случае механические процессы описываются уравнениями Лагранжа, а электрические - уравнениями Максвелла [10,15, 30,29, 38].
Для составления математических моделей АЭП переменного тока вибрационных установок и тяговых агрегатов разобьем их на следующие узлы: асинхронный двигатель и нагрузка. Причем входными воздействиями для АД будут напряжение и частота питания обмоток статора UA, UB, Uc fx и момент сопротивления Мс.
Выходной переменной будет электромагнитный момент, развиваемый двигателем М и скорость со. Входным воздействием для модели нагрузки будет электромагнитный момент (М), а выходной координатой - скорость движения V для ТА или угловая скорость ротора соБ ВУ.
Такое разбиение позволяет рассматривать вместе вопросы, связанные с формированием требуемых механических характеристик АД, то есть управление двигателем. А формирование алгоритмов работы ТА и ВУ исследовать для каждого случая отдельно. Следует также отметить, что работа преобразователей частоты в обоих случаях идентична.
Момент сопротивления, действующий на двигатель, определяется двумя составляющими: собственным моментом сопротивления механизма (ММЕХ) и моментом сопротивления, вызванным действием сил сопротивления движению (Мг). МС=ММЕХ+МТ . (1.1)
Таким образом, учитываются конструктивные особенности механизма (ММЕХ) и условия эксплуатации (Мт).
В первые моменты пуска ТА с места, особенно после продолжительных стоянок, между шейкой и подшипником возникает не жидкостное, а полужидкостное или даже полусухое трение, и коэффициент трения при этом значительно повышается. Это происходит потому, что смазка постепенно выдавливается из-под подшипников. Степень повышения сопротивления при пуске зависит от длительности стоянок, причем она наиболее интенсивно увеличивается в первые 20-30 мин от нагрузки, температуры окружающей среды, состояния ходовых частей.
Способы регулирования скорости асинхронного двигателя
В подавляющем большинстве стратегий управления АД предполагается, что инвертор, как управляемый источник энергии, может обеспечить любую желаемую форму токов или напряжений. В действительности трехфазный мостовой инвертор может сформировать лишь 23=8 значений пространственных векторов напряжения, два из которых -нулевые. С помощью ШИМ желаемая форма напряжений может быть достигнута только для величин, усредненных за период основной частоты. Между тем команды на переключения силовых ключей инвертора было бы желательно формировать прямо сигналов, полученных в результате сравнения заданной величины с измеренной или вычисленной.
Системой прямого (непосредственного) управления (СПУ) называется система управления АД, которая формирует сигналы переключения инвертора непосредственно путем сравнения заданных величин с фактическими (измеренными). Такая система, использует способ дельта -модуляции (ДМ) [13, 59, 60].
Отличительной чертой СПУ является то, что это дискретные системы, ориентированные на питание АД через инвертор (только дискретные управляющие воздействия могут восприниматься ключами инвертора). Функция программной ШИМ, по сути, заключается в том, чтобы согласовать непрерывные управляющие сигналы с импульсным усилителем мощности, в роли которого и выступает инвертор (в силовой электронике усилитель мощности может работать только в ключевом режиме). СПУ наиболее полно учитывают импульсную природу связи АД с источником электроэнергии при питании от инвертора. Применение разрывных систем может практически решить центральную проблему в управлении — инвариантности. В работах [59, 60] показано, что при возникновении в СПУ специфического режима -т.н. скользящего режима, выходная управляемая величина не может покинуть некоторой дельта - окрестности по отношению к заданной величине, т. е. система практически инвариантна.
Двухпозиционный релейный регулятор где Х3 — желаемая величина; Хи — действительная величина; X /ВКЛ/ \ выходной сигнал регулятора ( /выкл) Например, в СПУ с так называемым «токовым коридором» фаза АД будет подключена к источнику питания, если амплитуда тока, протекающего в этой фазе, стала меньше амплитуды заданного тока, а отключение фазы происходит при превышении амплитудой тока заданного значения [11, 43, 65].
Метод прямого самоуправления (ПСУ) асинхронного двигателя (АД) (Direct Self Control - DSC) получил свое развитие примерно с конца 80х годов XX века [13, 65, 74 - 82]. ПСУ предполагает, что питание АД осуществляется исключительно от инвертора напряжения и сочетает в себе отличную динамику векторных систем с преимуществами СПУ. В основе такого способа управления АД лежит поддержание потокосцепления статора на заданном уровне. Измеренное напряжение звена постоянного тока попадает в модель инвертора (рис. 2.2). В модели, в соответствии с сигналами управления ключами инвертора ХА,ХВ,ХС, определяются проекции вектора напряжения статора ща,Щр.
Вычисленное значение момента (2.2) на сумматоре сравнивается с заданным значением М3, а ошибка подается на вход РР момента. Если ошибка меньше +А, то селектор импульсов формирует такие сигналы управления инвертором ХА, Хв, Хс, чтобы АД был подключен к источнику питания. При превышении ошибкой величины +А селектор импульсов отключает АД. Момент АД начинает уменьшаться, ошибка уменьшается и при достижении ошибкой величины -А селектор импульсов вновь подключает АД к источнику питания. Величина А задается такой, чтобы с одной стороны пульсация момента была минимальной, а с другой стороны частота переключений ключей не должна превысить допустимое значение.
Однако система прямого самоуправления АД, представленная на рис. 2.2 (без блоков, обведенных пунктирными линиями), имеет следующие недостатки, затрудняющие ее использование [43, 75, 82].
Во-первых, необходимо создать вращение вектора статорного напряжения Ux в начале пуска. Например, в [75] применена дополнительная система с измерителем скорости, которая с помощью программной ШИМ позволяет создать вращение /,.
Для ограничения тока применим релейный регулятор (РР), у которого выход объединен через схему логического «И» с выходом РР момента (см. рис. 2.2 - блоки, обведенные пунктирной линией). Если ток на входе не достиг заданного уровня 13, то на выходе РР будет "1", попадающая на логический элемент "И", у которого на другом входе тоже "1", т.к. в первые 60 Ми =0 М3. Следовательно на АД подано напряжение. При достижении 1И = 13 + А на выходе РР тока появится "0".
Инвертор, по команде селектора импульсов закоротит фазы АД на одну из шин источника питания, снимая напряжение с двигателя. После того как 1И уменьшится до значения 1И =13 - А, то на выходе РР вновь будет "1". Инвертор подключит АД к источнику питания. Таким образом будет происходить ограничение тока в первые 60. После поворота вектора напряжения появится момент, по мере разгона АД ток уменьшится и будет работать только РР момента.
Соответствующая структурная схема ПСУМ, обеспечивающая надежный пуск АД представлена на рис. 2.2 с учетом блоков, обведенных пунктирной линией. 2.3. Построение структурных имитационных моделей систем управления асинхронными двигателями
Компьютерное моделирование - это математическое моделирование с использованием средств вьиислительной техники. В свою очередь бывает аналитическим и имитационным [23,24].
Аналитическое моделирование предполагает использование математической модели реального объекта в форме алгебраических, дифференциальных, интегральных и других уравнений, связывающих выходные переменные с входными, дополненных системой ограничений.
При имитационном моделировании используемая математическая модель воспроизводит алгоритм («логику») функционирования исследуемой системы во времени при различных сочетаниях значений параметров системы и внешней среды.
Синтез алгоритмов управления вибрационными установками
В наиболее распространенных в промышленности вибрационных машинах колебания рабочего органа возбуждаются так называемым инерционным вибровозбудителем. Такой вибровозбудитель представляет собой неуравновешенный груз (маятник), приводимый во вращение асинхронным двигателем. Ось груза при этом часто располагается горизонтально, так что в нерабочем состоянии центр тяжести неуравновешенной части ротора занимает крайнее нижнее положение. Двигатель при этом должен удовлетворять, по крайней мере, двум условиям: 1) должен обеспечить подъем центра тяжести в крайнее верхнее положение; 2) мощность должна быть достаточной для компенсации потерь на трение в подшипниках ротора и создания полезной мощности, необходимой для технологического процесса [20, 14].
Во многих машинах, особенно тяжелого типа (грохотах), двигатель приходится выбирать исходя из первого условия, как более жесткого, так как в установившемся режиме за один период колебаний происходит полный цикл превращения кинетической энергии системы в потенциальную энергию и обратно. В результате при установившемся режиме теоретически не требуется расхода энергии на преодоление сил инерции движущихся масс и сил упругости виброизолирующих элементов. Энергия необходима только для преодоления диссипативных сил (трение в подшипниках, потери при соударениях материала с просеивающей поверхностью и так далее) и для поддержания продвижения материала вдоль сита.
При выборе приводных электродвигателей для обычных виброагрегатов, как правило, ориентируются на пусковой режим, и это приводит к тому, что на агрегате устанавливают электродвигатели, мощность которых в 1,5-2,0 раза выше необходимой в установившемся режиме, что является неэкономичным [64, 70].
Таким образом, возникает проблема замены двигателя, обеспечивающего запуск, на менее мощный, который обеспечит лишь поддержание вращения дебаланса в установившемся режиме.
Одним из путей, позволяющих решить эту проблему, является разработка новых способов управления такими системами, основанных на раскачивании дебалансных роторов перед пуском виброустановок на заданную скорость. Следовательно становится важной разработка эффективных алгоритмов управления маятниковыми механизмами, позволяющих снизить энергозатраты.
Однако при работе сложных маятниковых механизмов к таким системам предъявляются высокие требования по быстродействию и точности. В данном разделе исследуется проблема, связанная с рациональным управлением маятниковыми объектами и разрабатываются алгоритмы, обеспечивающие снижение мощности приводных электродвигателей, которой достаточно как для запуска виброустановок, так и обеспечения их работы в заданном множестве квазистационарных режимов.
При разработке алгоритмов управления необходимо учитывать не только динамику механической части, но и электромагнитные переходные процессы в электроприводе. При решении этой сложной задачи необходимо иметь в виду, что взаимосвязанная электромеханическая система (ЭМС) является нелинейной, а в процессе функционирования виброустановок возможно изменение ряда механико-технологических параметров. При выборе стратегии управления следует учитывать и особенности работы исполнительных электроприводов, то есть управление должно выбираться не только с точки зрения минимизации времени переходных процессов, но и с позиции минимизации тепловых потерь в силовой части ЭП. Ограничения по нагреву определяют массо-габаритные характеристики и надежность привода.
Несмотря на наличие ряда синтезированных алгоритмов управления, некоторые важные практические задачи не имеют удовлетворительного решения. Это происходит вследствие того, что условия применимости точных методов во многих случаях не выполняются. Нередко трудности вызывают высокий порядок математических моделей, нелинейность и нестационарность параметров модели и внешних воздействий. Поэтому для практики важным является развитие приближенных декомпозиционных методов синтеза, основанных на упрощенных моделях объекта [16, 18, 68, 71].
Если пуск ВУ производить не традиционным способом, при котором вращение дебалансного ротора происходит под действием постоянного момента в одном направлении, а с помощью алгоритма раскачивания дебаланса на начальном этапе пуска при использовании работы сил тяжести, то можно снизить установленную мощность приводного электродвигателя [64]. Такой алгоритм управления приводом может быть синтезирован при использовании полной энергии системы в качестве целевого функционала [4, 5,58,61].
При решении задачи выведения дебалансного ротора в режим вращения можно выделить два этапа.
На первом этапе происходит раскачка ротора до верхнего вертикального положения, а на втором - осуществляется разгон ротора до заданной скорости с дальнейшим ее поддержанием в квазиустановившемся режиме.
Энергетические затраты на первом этапе значительно выше, чем на втором, так как при перемещении дебалансного ротора из нижнего положения в верхнее необходимо преодолеть силу тяжести дебаланса, которая может быть значительной для тяжелых роторов. На втором этапе при вращении ротора происходит последовательное превращение кинетической энергии в потенциальную энергию и наоборот, поэтому энергетические затраты в основном связаны лишь с выполнением технологического процесса, компенсацией потерь (на трение в подшипниках и др.).
На втором этапе цель управления определяется следующим образом: необходимо изменять уровень входного воздействия u(t) так, чтобы обеспечить выход средней угловой скорости дебаланса на заданный уровень и поддерживать его при дальнейшем функционировании виброустановки. В терминах полной энергии данная цель может быть сформулирована следующим образом где Н - требуемое количество энергии, определяемое заданной скоростью дебаланса; АН - определяется требованиями к точности поддержания средней скорости вращения ротора.
Разработка контроллера электропривода
Успешные испытания КЭП, реализующего алгоритмы прямого самоуправления моментом АД, в лаборатории НЛП «ЭПРО» подтвердили возможность проведения дальнейших испытаний на подвижном составе. Для продолжения экспериментов был использован макетный вагон московской монорельсовой дороги на опытном полигоне ИНЦ «ТЭМП» в г. Раменское.
Макетный вагон на опытном полигоне ИНЦ «ТЭМП» На вагоне был установлен линейный тяговый двигатель, разработанный в ИНЦ «ТЭМП», и комплект тягового оборудования, поставляемого НИН «ЭПРО» [34], включающего в себя КЭП с алгоритмами, реализующими ПСУМ.
Из осциллограмм видно, что при пуске наблюдается просадка питающего напряжения, связанная с тем, что источник и потребитель соизмеримы по мощности. На 14-й секунде было снято напряжение, и подвижной состав начал останавливаться, причем видно, что при включении торможения происходит рекуперация, появляется входное напряжение.
Осциллограммы изменения скорости V вагона монорельсовой дороги и силы тяги FT при пуске и торможении показаны на рис. 4.15. К сожалению, в силу особенностей регистрирующей аппаратуры на осциллограмме FT не видно изменения знака при торможении вагона. На последующих рисунках (рис. 4.16 - рис. 4.21) более подробно представлены электромагнитные процессы, протекающие при пуске вагона на 1-й, 9-й и 13-й секундах.
На осциллограммах фазного тока видны высокочастотные колебания вокруг огибающей, что объясняется работой релейного регулятора силы тяги.
Во время испытаний было исследовано влияние величины потокосцепления статора на развиваемую силу тяги и величину тока статора. Для каждого значения силы тяги были найдены рациональные соотношения между заданными значениями силы тяги и потокосцепления, обеспечивающие минимальный ток и нагрев статора (табл. 4.1).
1. Проведенные в лаборатории НЛП «ЭПРО» и на полигоне ИМЦ «ТЭМП» эксперименты подтвердили работоспособность и эффективность алгоритма прямого самоуправления моментом АД в заданном множестве режимов функционирования. Из осциллограмм видно, что и на начальном этапе пуска привода предложенный алгоритм работает без сбоев.
2. Осциллограммы электромагнитных процессов в СЭП, полученные во время испытаний, в целом соответствуют графикам, построенным по результатам имитационного моделирования, и подтверждают качественное соответствие динамических свойств моделей и реального объекта.
3. Количественные расхождения между задаваемой величиной силы тяги и фактически реализуемой следует отнести за счет недостаточной точности вычисления потокосцеплений в модуле вычислителя момента (расхождение 10...15%) ; расхождения между задаваемой величиной силы тяги и фактически реализуемой следует отнести за счет недостаточной точности вычислений в модуле вычислителя момента.
4. Полученные результаты дают возможность рекомендовать разработанные АЭП с частотно-управляемыми асинхронными двигателями для промышленного производства и внедрения на машинных агрегатах (виброустановки и тяговые агрегаты).
В диссертации решена задача интегрирования регулируемых электроприводов (ЭП) переменного тока в автоматизированные электромеханические системы (ЭМС) машинных агрегатов (вибрационные установки и тяговые агрегаты) при использовании эффективных алгоритмов управления, обеспечивающих требуемые рабочие режимы исполнительных устройств, что является основой для создания нового поколения высококачественных агрегатов рассматриваемого класса.
1. Показано, что замена в рассматриваемых машинных агрегатах нерегулируемых ЭП и электродвигателей постоянного тока на частотно-управляемые приводы с асинхронными двигателями (АД) обеспечивает высокое качество динамических характеристик ЭМС, увеличивает надежность, улучшает массо-габаритные показатели установок, снижает стоимость и эксплуатационные расходы.
2. Разработано необходимое множество структурных имитационных моделей (СИМ) машинных агрегатов, оснащенных автоматизированным ЭП переменного тока с асинхронными двигателями, позволяющих исследовать ЭМС в заданном множестве режимов функционирования.
3. Предложен усовершенствованный способ прямого самоуправления моментом АД без датчика скорости, что дало возможность создать высокодинамичный надежный ЭП для автоматизированных машинных агрегатов. Получены достаточно простые аналитические зависимости, позволяющие выполнить режимную настройку рассматриваемых систем при использовании рациональных законов управления АД.
4. Предложены и апробированы алгоритмы экономичного пуска ЭП виброустановок с раскачкой дебалансных роторов. Разработана методика расчета весовых коэффициентов линейного, направленного и одностороннего алгоритмов скоростного градиента при минимизации времени пуска и ограничений перегрузки двигателей по току и моменту; определены рациональные области использования алгоритмов. Применение указанных алгоритмов управления позволяет снизить пусковую мощность приводных двигателей в 4 — 5 раз, а установленную мощность в 1,5 - 2 раза.
5. Разработана система тягового ЭП с линейным АД при использовании модернизированного алгоритма прямого самоуправления моментом, улучшены динамические и энергетические показатели автоматизированного ЭП (повышена надежность пуска и эффективность рекуперативного торможения), что имеет существенное значение для скоростных электропоездов внутригородского и пригородного сообщения.
6. Имитационные и экспериментальные исследования подтвердили адекватность предложенного математического описания и структурных динамических моделей ЭМС и показали возможность реализации требуемых режимов функционирования приводов с системами прямого самоуправления моментом АД без датчика скорости, что дает возможность создать на этой основе экономичные высокодинамичные ЭП агрегатов (вибрационные установки и тяговые агрегаты).
7. Работоспособность предложенных систем ЭП с алгоритмами прямого самоуправления моментом АД исследована на стенде в НЛП «ЭПРО» (г. Санкт-Петербург) и на испытательном полигоне АО «ТЭМП» (г. Раменское, Московская обл.).
Полученные теоретические и практические результаты исследований позволяют рекомендовать разработанные ЭП переменного тока для внедрения на машинных агрегатах нового поколения.
