Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ режимов работы испытательного стенда для проверки электроприводов запорной арматуры 11
1.1. Конструкция и эксплуатация запорной арматуры 11
1.2. Математическое описание процессов в элементах запорной арматуры 16
1.3. Обзор систем электропривода для запорной арматуры 26
1.4. Требования, предъявляемые к электроприводам запорной арматуры 29
1.5. Формирование требований к нагрузочному электроприводу испытательного стенда для проверки электроприводов запорной
арм атуры 32
1.6. Выводы 36
ГЛАВА 2. Математические модели компонентов нагрузочного асинхронного электропривода 37
2.1. Математическое описание процессов в асинхронном двигателе 37
2.1.1. Система относительных единиц 45
2.1.2. Стационарная система координат 50
2.1.3. Система координат с принудительной ориентацией по вектору потокосцепления ротора 53
2.2. Инвертор напряжения 59
2.3. Элементы механической передачи нагрузочного электропривода... 63
2.4. Выводы 72
ГЛАВА 3. Разработка системы управления нагрузочным моментным асинхронным электроприводом 74
3.1. Имитационный формирователь моментов нагрузки 74
3.2. Синтез структуры и параметров для оптимальной настройки
системы векторного управления асинхронным электроприводом 77
3.2.1. Контуры управления составляющими вектора тока статора 82
3.2.2. Контур управления потокосцеплением ротора 94
3.2.3. Контур управления частотой вращения 100
3.2.4. Контур управления положением 107
3.3. Система косвенного определения переменных асинхронного двигателя, недоступных для прямого измерения 113
3.4. Выводы 118
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование работы нагрузочного моментного асинхронного электропривода 120
4.1. Исследование динамических характеристик нагрузочного
моментного электропривода методом численного моделирования в
среде Matlab 120
4.1.1. Линеаризованная система нагрузочного электропривода 120
4.1.2. Система нагрузочного электропривода с учётом нелинейностей... 128
4.2. Исследование динамических характеристик разработанной системы 130
4.2.1. Описание экспериментальной установки 130
4.2.2. Результаты экспериментальных исследований 132
4.3. Выводы 133
Основные результаты и выводы 135
Список литературы
- Математическое описание процессов в элементах запорной арматуры
- Система координат с принудительной ориентацией по вектору потокосцепления ротора
- Контур управления потокосцеплением ротора
- Линеаризованная система нагрузочного электропривода
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время системы электропривода (ЭП) прочно занимают лидирующее место среди приводных устройств и обеспечивают бесперебойную и надёжную работу механизмов во многих областях техники и жизнедеятельности человека. Функциональные возможности и эксплуатационные параметры современных ЭП во многом определяются характеристиками применяемых систем управления.
В качестве приводного двигателя в последнее время наибольшее распространение находит асинхронный двигатель (АД) с короткозамкнутым ротором. Современный асинхронный ЭП реализован на базе силовой полупроводниковой техники с применением микропроцессорного управления. Его возможности позволяют организовать регулирование выходных координат ЭП в широком диапазоне, с высоким быстродействием и большой точностью В создание и развитие теории систем ЭП переменного тока большой вклад внесли выдающиеся отечественные и зарубежные ученые -ММ Ботвинник, И Я Браславский, А.А Булгаков, A.M. Вейнгер, Д А. Завалишин, Н Ф. Ильинский, В.И. Ключев, М.П Костенко, В В. Рудаков, Ю.А Сарбатов, О В Слежановский, ИМ Чиженко, Р.Т Шрейнер, В А Шубенко, И.И. Эшптейн, F Blaschke, J. Holtz, W Leonard, T A Lipo, D W Novotny и многие другие.
В настоящее время развитие систем асинхронного ЭП с микропроцессорным управлением позволяет путем создания новых программных алгоритмов синтезировать ЭП с широким набором эксплуатационных характеристик, что в свою очередь позволяет удовлетворить требования, накладываемые со стороны самых разных технологических объектов.
При эксплуатации любого трубопровода невозможно обойтись без элементов запорной арматуры (ЗА), предназначенных для управления потоками перемещаемой среды К элементам ЗА относятся задвижки, заслонки, краны и вентили Благодаря небольшому гидравлическому сопротивлению в открытом состоянии и высокой герметичности в закрытом, задвижки широко применяются на магистральных нефтепроводах Необходимость организации дистанционного контроля и требования эксплуатации во взрывоопасной зоне обуславливают широкое применение асинхронного ЭП для управления ЗА
Электропривод запорной арматуры (ЭПЗА) представляет собой сложный мехатронный модуль, объединяющий в своём составе систему управления, силовой преобразователь, асинхронный двигатель и редуктор В качестве силового преобразователя может использоваться преобразователь частоты (ПЧ) или тиристорныи регулятор напряжения (ТРН). Известны также конструкции ЭПЗА с прямым управлением от сети при помощи контактора. Система управления обеспечивает требуемые режимы эксплуатации ЗА, адекватную реакцию ЭП на изменение внешних условий, поддержку защитных функций и коммуникаций с другими устройствами.
Системы ЭПЗА широко применяются в технологических процессах при перекачке нефтепродуктов Сбой и нарушение работы ЭПЗА может привести к тяжелым экологическим и экономическим последствиям. В случае превышения допустимого момента, ЭПЗА своим усилием может разрушить корпус задвижки. Если ЭПЗА не развивает требуемого момента, возможна ситуация с заклиниванием задвижки в закрытом состоянии, что также рассматривается как аварийная ситуация
При серийном производстве систем ЭПЗА на этапе экспериментальной проверки показателей функционирования возникает задача проведения сложных нагрузочных испытаний. В данном режиме выполняется проверка ЭПЗА на соответствие требованиям по ограничению и формированию выходного момента. При этом испытательное нагрузочное устройство должно полностью имитировать диаграмму эксплуатационных усилий, прикладываемых со стороны элементов ЗА различных типов.
Для создания нагрузочного усилия самым простым решением является применение механического тормозного устройства в виде барабана и колодок. К основным недостаткам следует отнести сложность стабилизации тормозного момента, шум, повышенную вибрацию и т.д Кроме того, опыт эксплуатации нагрузочного испытательного оборудования данной конструкции в ЗАО «ЭЛЕСИ», (г. Томск) показал, что точность результатов испытаний во многом определяется навыками и опытом оператора, который вручную управляет тормозным механизмом
Нагрузочное усилие можно получить применением генераторов и двигателей постоянного тока с различными типами силовых преобразователей и систем управления На фоне известных недостатков коллекторных машин постоянного тока с интересом рассматривается идея об использовании в качестве испытательного нагрузочного устройства асинхронного ЭП на базе ПЧ с векторным управлением.
Целью диссертационной работы является разработка системы управления нагрузочным асинхронным ЭП испытательного стенда для проверки ЭПЗА с возможностью имитации нагрузочных усилий со стороны элементов ЗА различных типов.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи-
1. Проанализировать особенности режимов работы ЭПЗА и выделить требования к нагрузочному моментному ЭП испытательного стенда.
2 Разработать математическое описание и динамические имитационные модели компонентов нагрузочного асинхронного ЭП и элементов ЗА.
3. Разработать методику определения структуры и параметров для системы управления нагрузочным асинхронным ЭП испытательного стенда.
4 Реализовать микропроцессорное управление нагрузочным асинхронным ЭП испытательного стенда и провести экспериментальное исследование его работоспособности.
Перечисленные в диссертационной работе задачи решаются методами теории электрических машин, теории автоматического управления, численного моделирования и экспериментальных исследований в лабораторных условиях.
Научная повнзна работы заключается в следующем
Получено математическое описание нагрузочных усилий в элементах ЗА, отличающееся от известных ранее вариантов подробным рассмотрением воздействий прикладываемых со стороны компонентов ЗА к выходному звену ЭГОА.
На основе классической системы векторного управления АД разработана система управления нагрузочным асинхронным ЭП с переменной структурой, позволяющая в составе испытательного стенда сформировать нагрузочный момент, имитирующий работу компонентов ЗА различных типов, что в свою очередь даёт возможность проведения качественной проверки ЭГОА.
Предложена методика оптимальной настройки модифицированной системы векторного управления АД на основе использования системы относительных единиц и последовательного перехода от имитационной модели АД во вращающейся координатной системе к имитационной модели в стационарной системе координат, что систематизирует и существенно упрощает процесс синтеза структуры и параметров системы векторного управления нагрузочным асинхронным ЭП.
Праіегическая ценность диссертационной работы заключается в следующем-
1 В среде Matlab разработана имитационная модель процессов в элементах ЗА, что позволило провести анализ и формирование требований к ЭП нагрузочного стенда для испытаний ЭГОА.
В сравнении с существующим способом ручного управления тормозным механизмом значительно повышена точность, информативность" и эффективность проведения нагрузочных испытаний при проверке ЭПЗА
Предложена инженерная методика синтеза регуляторов модифицированной системы векторного управления АД для применения в составе нагрузочного асинхронного ЭП испытательного стенда.
4 Разработано программное обеспечение для организации микро-контроллерного управления нагрузочным асинхронным ЭП испытательного стенда для проведения испытаний ЭПЗА.
Результаты работы использованы на предприятии ЗАО «ЭЛЕСИ», г Томск при создании экспериментального образца нагрузочного испытательного стенда для проверки ЭПЗА в виде программного обеспечения для микроконтроллерной системы управления нагрузочным асинхронным ЭП Методика оптимальной настройки системы векторного управления АД использовалась при создании экспериментальных установок в лаборатории МУНЦ «Данфосс» при ТПУ и в учебном процессе кафедры ЭПЭО ТПУ при изучении дисциплин «Электропривод переменного тока», «Системы управления электроприводов» и дипломном проектировании студентов
На защиту выносится:
1. Математическая модель ЗА, на основе которой разработана методика формирования нагрузочного момента, позволяющая имитировать работу компонентов ЗА при проведении испытаний ЭПЗА.
Методика оптимальной настройки модифицированной системы векторного управления АД для работы в составе нагрузочного асинхронного ЭП испытательного стенда.
Организация микропроцессорной системы управления нагрузочным асинхронным ЭП испытательного стенда, реализующая функции управления в реальном масштабе времени
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались в рамках следующих мероприятий
на международной научно-технической конференции «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы», УГГУ-УПИ, г.Екатеринбург, 2003 г.
на всероссийской научно-практической конференции «Автоматизированный электропривод и промышленная электроника в металлургической и горно-топливной отраслях», СибТИУ, пНовокузнецк, 2004 г.
на серии всероссийских научно-практических конференций «Современные средства и системы автоматизации», ТУСУР, г.Томск, 2003-2004 гг.
на международной научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока» ЭППТ-2005, УГГУ-УПИ, г.Екатеринбург, 2005 г.
на международной научно-технической конференций «Электромеханические преобразователи энергии», ГПУ, г Томск 2005 г.
на всероссийской научно-технической конференции с международным участием. «Электротехника, электромеханика и электротехнологии», ЭЭЭ-2005, НГТУ, г.Новосибирск, 2005 г.
на межотраслевой научно-технической конференции «Автоматизация и прогрессивные технологии», АПТ-2005, НГТИ, г Новоуральск, 2005 г
на всероссийской научно-практической конференции «Автоматизированный электропривод и силовая электроника», АЭПЭ-2006, СибТИУ, пНовокузнецк, 2006 г.
на международной научно-технической конференции «Силовая электроника и энергоэффекпшность», СЭЭ-2006, НТУ «ХПИ», Украина, гАпушта, 2006г
на всероссийской конференции-конкурсном отборе инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направлению программы «Энергетика и энергосбережение», 111 У, г Томск, 2006 г.
на серии международных научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Современные техника и технологии», СТТ, ТПУ, г.Томск, 2004-2007 гг.
Публикации. Результаты выполненных исследований отражены в 18 работах, в том числе в 2 статьях в центральной печати, в 15 статьях и тезисах доклада и 1 свидетельстве об официальной регистрации программы для ЭВМ.
Структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объём работы составляет 162 страницы, включая 72 рисунка, 15 таблиц и списка литературы из 70 наименований.
Математическое описание процессов в элементах запорной арматуры
Для исследования переходных процессов в элементах задвижки на базе структурной схемы в программной среде Simulink-Matlab разработаем соответствующую имитационную модель. Внешний вид данной модели представлен в приложении П.1 на рис.П.1.1. Результаты расчёта переходных процессов для закрывания затвора задвижки с усилием 1000 Нм представлены на рис. 1.7, и для усилия 300 Нм-на рис. 1.8.
График расчёта переходных процессов в имитационной модели задвижки при закрытии затвора с моментом 300 Н-м На графиках переходных процессов представлено следующее: Мтза - момент развиваемый на валу ЭПЗА; Мк - момента клина, приведённый к входному валу; шш - угловая скорость входного вала: й)к - угловая скорость приведённого поступательного движения клина; LK- линейное перемещение клина; Д і2 - угол закручивания элементов арматуры при закрывании клина.
Анализ полученных результатов позволяет заключить, что при закрытии арматуры в виду наличия упругих компонентов в кинематической цепи образуется перекручивание грузовой гайки на угол до 6 градусов при нагрузке со стороны ЭПЗА 1000 Им и 2 градусов при снижении упорного момента до 300 Им, Кроме того, можно сделать вывод о наличии колебаний в компонентах ЗА при перекрытии сечения. Интенсивность и длительность этих колебаний определяется также величиной прикладываемого момента.
Производством ЭПЗА занимаются многие российские и зарубежные предприятия, рис.1.9, ЭП данной конструкции имеют, как правило, исполнение с возможностью установки во взрывоопасной зоне, и включают в свой состав блок управления и редуктор. Блок управления реализует функции управления двигателем, осуществляет защиту и мониторинг состояния системы, а также поддерживает коммуникации с внешними устройствами [3, 13, 14].
Системы ЭПЗА можно условно разделить на несколько отдельных классов по следующим признакам: ЭП с регулируемыми преобразователями энергии (ТРН, ПЧ) и с прямым управлением от сети при помощи контактора. Наилучшее качество управления ЗА можно получить при использовании в качестве силового преобразователя полупроводникового ПЧ, рис. 1.10.
В данном ЭП функции управления реализованы, как правило, на базе быстродействующего микропроцессора, отвечающего за реализацию алгоритмов управления, внешних коммуникаций и необходимого набора защит. С точки зрения систем управления, в ЭПЗА широкое применение нашли различные способы скалярного и векторного управления.
На следующей ступени по качеству управления находятся ЭПЗА с силовыми преобразователями на базе тиристорных регуляторов напряжения, рис. 1.11. Данный вариант не предусматривает регулировку частоты враще 28 ния приводного АД, однако широко применяется благодаря относительной дешевизне и малому уровню помех в сравнении с ПЧ. Для управления используется микропроцессор и по уровню коммуникационных и защитных функций современный ЭПЗА на базе ТРН мало чем уступает ЭПЗА на базе ПЧ.
Применение специальных алгоритмов фазового управления тиристорами [29, 33] позволяет организовать системы управления ЭПЗА с ограничением и регулировкой моментного усилия на валу АД. 1.4. Требования, предъявляемые к электроприводам запорной арматуры
Электромагнитный момент АД должен быть достаточен для гарантированного получения герметичности уплотнения в затворе, а также гарантированного срыва затвора задвижки из уплотненного состояния. Срыв возможно производить однократной кратковременной подачей импульса момента, не допускающего перемещения штока по резьбе больше того расстояния, при котором происходит переход упругой деформации в пластическую. Развиваемый момент электропривода должен быть ограничен на уровне, предупреждающем поломку или деформацию задвижки и передавливание герметизаторов: МОТРЫВА - момент трогания из уплотненного состояния, обеспечивающий начало движения,
Ммлх—максимально допустимый момент на валу электропривода, не приводящий к ухудшению эксплуатационных свойств арматуры.
Погрешность регулирования по моменту и дискретность задания величины момента ограничения определяются паспортными данными на арматуру с одинаковым посадочным местом под электропривод. Разброс значений (для момента уплотнения) составляет от 20 до 100% от максимального момента для электроприводов с единым типоразмером посадочного места. Согласно анализу паспортных данных на арматуру, дискретность задания и погрешность регулирования составляет порядка 1%.
Развиваемая скорость вращения двигателя со должна быть достаточной для обеспечения заданного быстродействия срабатывания затвора. При подходе к крайнему нижнему положению скорость желательно снижать в целях предупреждения гидравлического удара в трубе, кавитационного эффекта и передавливания уплотнительных поверхностей за счет энергии инерции дви зо гателя, редуктора и штока. В целях сохранения редуктора необходимо выбирать зазор при пуске.
Максимальная скорость перекрытия ограничивается допустимой скоростью вращения механических частей электропривода, в частности подшипников двигателя и деталей редуктора, а также может быть ограничена требованиями технологического процесса.
Для обеспечения максимальной производительности в условиях ограниченной мощности двигателя необходимо управлять им по критерию «постоянная мощность», с учетом ограничений по максимальному моменту и скорости. Желаемая область существования механических характеристик ЭПЗА с АД представлена на рис. 1.12.
Система координат с принудительной ориентацией по вектору потокосцепления ротора
Модель АД, представленная на рис.2.4 удобна для реализации и расчёта в любом из прикладных программных продуктов, поддерживающих объектно-структурное моделирование систем (Simulink-Matlab, Win-dora и т.д.). Для исследования и проверки адекватности созданной модели АД удобно выполнить её реализацию в среде Simulink-Matlab. В приложении П.1 на рис.ПЛ.З представлен внешний вид имитационной модели в среде Simulink-Matlab для расчёта переходных процессов при неуправляемом режиме работы АД.
В данной системе симметричные трёхфазные напряжения, представленные в относительных единицах подвергаются преобразованию Кларка и поступают в виде компонентов пространственного вектора напряжений usa и usn на входы координатного преобразователя Парка Горева [23]. Формулы для координатного преобразования Парка-Горева, позволяющего реализовать переход от стационарной системы координат к вращающейся представлены ниже:
График преобразований Парка-Горева для связи между вращающейся и стационарной системой координат Координатный преобразователь Парка-Горева сориентирован совместно с системой координат разработанной имитационной модели АД. Благодаря этому на входы модели по напряжению usx и и поступают компоненты пространственного вектора напряжения, представленного во вращающейся системе координат. Исследования проводились в условиях неуправляемого режима работы при «прямом» пуске АД без приложения нагрузки и её последующем набросе по окончании разгона на уровне номинального момента, аналогично п.2.1.2. Для возможности адекватного восприятия информации о работе АД и сравнения с предыдущими результатами компоненты пространственного вектора тока в стационарной системе координат восстанавливались с помощью обратного преобразования Парка-Горева [23]. Обратное преобразование Парка-Горева используется для организации перехода из вращающейся системы координат в стационарную. Математическое выражение для обратного преобразования можно получить из (2.49). ha =hxCOS0k -isySMb, hp hxSmek+isyCosQk В выражении (2.49) также как и в (2.51) переменные с индексами сс» и «у» относятся к вращающейся системе координат, а с индексами «а» и «/?» к стационарной. Параметр вк, как и ранее, определяет ориентацию вращающейся системы координат.
Обратный преобразователь Парка-Горева ориентирован синхронно с системой координат модели, что позволяет наблюдать за переменными АД в стационарной системе координат. Результаты расчёта переходных процессов применительно к асинхронной машине АИМ A-100L4 мощностью 4 кВт (таблица 2.1) представлены на рис.2.6.
Анализ результатов полученных при исследовании графиков переходных процессов позволяет заключить следующее: - после наброса нагрузки соответствующей номинальному моменту, частота вращения уменьшается до уровня 0.94 о.е. или 1410 об/мин, что соответствует скорости и скольжению при номинальном режиме работы, (таблица 2.1); - действующее значение статорного тока после наброса нагрузки на уровне номинального момента стремится к 0.72 о.е. или 8.6 А, что также соответствует номинальному режиму работы, (таблица 2.1). График расчёта переходных процессов имитационной модели АД в системе координат с ориентацией по вектору потокосцепления ротора у/г
По итогам эксперимента с расчётом переходных процессов можно сделать вывод о том, что кривые переходных процессов по своей форме полностью повторяют полученные ранее в п.2.1.2 результаты расчёта переходных процессов имитационной модели в стационарной системе координат, что в свою очередь, свидетельствует о правильной организации работы имитационной модели во вращающейся координатной системе и о её адекватности реальному АД. 2.2. Инвертор напряжения
В асинхронном ЭП переменного тока в качестве силовых преобразователей электроэнергии широкое распространение получили двухзвенные ПЧ с неуправляемым выпрямителем и транзисторным автономным инвертором напряжения, рис.2.7.
Напряжение питающей сети выпрямляется неуправляемым выпрямителем НВ, пульсации сглаживаются фильтром Ф и далее преобразуется в переменное напряжение требуемой частоты и амплитуды. В системах частотного управления электродвигателями переменного тока широкое распространение получили автономные инверторы напряжения. Они способны работать как при наличии, так и при отсутствии в цепи нагрузки источников, способных развивать ЭДС и генерировать активную энергию.
Автономный инвертор напряжения представляет собой коммутатор на основе полностью управляемых переключающих элементов - силовых ключей, в качестве которых используют полностью управляемые полупроводниковые приборы в виде силовых транзисторов или запираемых тиристоров [1,2]. Инверторы напряжения совместимы с нагрузкой активно-индуктивного характера и благодаря специальному алгоритму формирования управляющих импульсов обеспечивают требуемую величину и форму выходного напряжения. Для управления ключами автономного инвертора используются различные законы ШИМ: синусоидальный, векторный и т.д. [28, 62, 67]. Законы широтно-импульсной модуляции предполагают, как правило, микропроцессорную реализацию управляющего устройства для воспроизведения импульсов, необходимых для управления силовыми ключами.
При проведении анализа с позиций организации оптимального управления асинхронным ЭП, автономный инвертор напряжения при определённых допущениях можно рассмотреть как дискретно-управляемый объект с периодичностью обновления, равной частоте ШИМ. Справедливость данного допущения подтверждается временной разницей в быстроте процессов, протекающих в инверторе напряжения и электромагнитных контурах машины. Как правило, постоянные времени указанных объектов отличаются друг от друга более чем на порядок.
Контур управления потокосцеплением ротора
По результатам синтеза получена система, обладающая нулевым значением установившейся ошибки и астатизмом первого порядка по управлению и возмущению. Анализ отклонений между ожидаемыми показателями и показателями качества оптимизированного контура показывает, что расхождения вызванные допущениями (3.6) и (3.8) при оптимизации незначительны и могут быть приняты при проведении оптимальной настройки контура управления составляющей пространственного вектора тока статора isx, так как обеспечивают получение удовлетворительных рабочих характеристик.
Рассматривая контур управления второй составляющей пространственного вектора тока статора і , мы также используем метод настройки на оптимум по модулю [7, 57]. Для нахождения требуемой передаточной функции регулятора fVp%,(p) выделим из всей системы ЭП отдельно взятый контур, рис.3.6 и сопоставим передаточную функцию объекта управления с желаемой с учётом используемой системы относительных единиц. Нетрудно ви 90 деть, что структурная схема данного контура аналогична рассмотренному ранее контуру управления составляющей isx и, следовательно, все предположения относительно проведения оптимизации для контура управления составляющей isx также справедливы и для данного случая. постоянная времени интегрирования. Ожидаемые показатели качества оптимизированного контура в данном случае будут полностью совпадать с показателями качества контура управления составляющей i , таблица 3.1.
Для проверки соответствия показателей качества оптимизированного контура и ожидаемых значений, проведём расчёт переходных процессов и частотных характеристик. Переходные процессы и частотные характеристики рассчитаем, используя программную среду Simulink-Matlab. Результаты в виде графиков представлены на рис.3.7 и рис.3.8, а в приложении П.1 на рис.П.1.6 представлен внешний вид имитационной модели в среде Simulink-Matlab для расчёта частотных характеристик и переходных процессов в оптимизированном контуре управления составляющей пространственного вектора тока / при подаче на вход ступенчатого управляющего сигнала.
Для удобства проведения анализов полученных результатов переходных процессов на рис.3.7 и рис.3.8 как и в предыдущем случае в одних осях представлены графики оптимизированного контура и желаемой передаточной функции с эквивалентной малой некомпенсируемой постоянной времени /„, отмеченные символом ( ). Сравнительные результаты показателей качества приведены в таблице 3.3. Как видно из графиков, показатели качества переходных процессов желаемой передаточной функции практически полностью совпадают с ожидаемыми, чего нельзя сказать о показателях оптимизированного контура. По величине перерегулирования расхождение составляет
Как и в предыдущем случае с контуром управления составляющей пространственного вектора тока isx, по результатам синтеза получена система с нулевым значением установившейся ошибки и астатизмом первого порядка по управлению и возмущению. Анализ полученных результатов показывает, что отклонения между ожидаемыми показателями и показателями качества оптимизированного контура незначительны и могут быть приняты при проведении оптимальной настройки контура управления составляющей пространственного вектора тока статора і . Следовательно, допущения (3.6) и выполненные при оптимизации можно считать справедливыми, так как обеспечивается упрощение объекта управления до уровня апериодического звена второго порядка с одновременным получением удовлетворительных рабочих характеристик в оптимизированном контуре. ЦдБ
Для контура управления составляющей пространственного вектора тока isx внешним контуром является контур управления потокосцеплением у/г.
При оптимизации контура управления потокосцеплением у/г временно пренебрегаем влиянием перекрёстных обратных связей и используем метод настройки на оптимум по модулю [7, 57]. Для нахождения требуемой передаточной функции регулятора W (р) выделим из всей системы ЭП отдельно взятый контур, рис.3.9 и сопоставим передаточную функцию объекта управления данного контура с желаемой с учётом используемой системы относительных единиц. В канале обратной связи контура управления потокосцеплением ц/г расположим фильтрующее апериодическое звено, смысл которого заключается в учёте инерционности системы косвенной оценки переменных, недоступных для прямого измерения. При решении задачи оптимизации данного контура определим постоянную времени фильтрующего элемента как двукратное значение постоянной времени из внутреннего подчинённого контура управления составляющей вектора тока:
Линеаризованная система нагрузочного электропривода
Перед использованием разработанной системы управления в составе реального асинхронного ЭП с инвертором напряжения необходимо произвести предварительную проверку работоспособности и оценить показатели качества. В данном случае наиболее удобным инструментом для проверки является метод имитационного моделирования эксплуатационных режимов работы разрабатываемой системы. Таким образом, на данном этапе задача исследования сводится к анализу показателей качества разработанной системы управления применительно к имитационной модели разработанного ЭП.
Линеаризованная система нагрузочного электропривода После проведения оптимизации отдельных контуров системы управления необходимо провести проверку показателей качества всей системы нагрузочного ЭП. Данный режим не принимает во внимание различные нелинейности, присущие системе любого ЭП и предполагает рассмотрение системы в линеаризованном виде. На рис.4.1 представлена структурная схема линеаризованного асинхронного ЭП с векторным управлением на основе имитационной модели АД во вращающейся системе координат с ориентацией по вектору потокосцепления ротора, т.е. в данном случае и система управления, и модель АД, как управляемый объект, находятся в одной и той же вращающейся системе координат.
Имитационная модель АД во вращающейся системе координат, с ориентацией по вектору потокосцепления ротора Уг
Структурная схема линеаризованного асинхронного ЭП с векторным управлением на основе модели АД во вращающейся системе координат с ориентацией по вектору потокосцепления ротора Исследование показателей качества имитационной модели ЭП в представленном виде позволяет проверить работоспособность и оценить взаимное влияние перекрёстных контуров управления потокосцеплением ротора и скорости. Используя программную среду Simulink-Matlab на базе структурной схемы рис.4.1 разработаем имитационную модель линеаризованного асинхронного ЭП с векторным управлением. В приложении П.1 на рис.П.1.11 представлен внешний вид имитационной модели в среде Simulink-Matlab для расчёта переходных процессов.
На рис.4.2 представлены графики переходных процессов при последовательной подаче задающего сигнала в контуры потокосцепления и скорости. В первую очередь ступенчатый сигнал задания поступает на вход контура потокосцепления, и только по окончании переходных процессов в данном контуре система формирует следующий задающий сигнал для контура скорости. Данная задержка позволяет ещё перед началом движения стабилизировать магнитное состояние АД и способствует приближению переходных процессов по характеру к переходным процессам в ЭП с двигателем постоянного тока независимого возбуждения. В теории асинхронного ЭП задержку с подачей задания в контур скорости подобного вида принято называть начальным намагничиванием.
Условия для проведения исследований на рис.4.2 соответствуют пуску ЭП без нагрузки и её последующему набросу в момент времени tHaep = 45 о.е. с моментом тнагр = 1.0 о.е., соответствующем номинальной нагрузке. Показатели качества переходных процессов приведены в сравнительной таблице 4.1.
Анализ переходных процессов применительно к оценке взаимного влияния перекрёстных контуров потокосцепления ротора и скорости показывает, что наибольшее влияние оказывает переходный процесс в контуре скорости, вызывая отклонение потокосцепления ротора от установившегося значения на величину jj=9.02% и т2=6.37%. Относительно переходных процессов в контуре потокосцепления, можно заключить, что значительное влияние на отклонения в контуре скорости, как и ожидалось, отсутствует.
Продолжая исследования, выполним переход от имитационной модели АД во вращающейся системе координат к модели в стационарной координатной системе. Именно модель АД в стационарной системе координат позволяет получить протекание процессов по характеру наиболее близкое к реальному АД, что незаменимо при отладке системы управления.
Используя координатные преобразования Парка-Горева (п.2.1.3) связываем разработанную систему управления с имитационной моделью АД в стационарной системе координат. На рис.4.3 представлена структурная схема линеаризованного асинхронного ЭП с векторным управлением на основе модели АД в стационарной системе координат.
Для ориентации координатных преобразователей, и, как следствие, всей системы управления вычисляем угол поворота пространственного вектора потокосцепления ротора на основе информации о его составляющих в стационарной системе координат. Данная степень идеализации процесса косвенного определения переменных использована в линеаризованной системе для получения возможности анализа и оценки влияния промежуточных координатных преобразований.
Используя программную среду Simulink-Matlab на базе структурной схемы рис.4.3 разработаем имитационную модель линеаризованного асинхронного ЭП с векторным управлением и координатными преобразованиями. В приложении П.1 на рис.П.1.12 представлен внешний вид имитационной модели в среде Simulink-Matlab для расчёта переходных процессов.
На рис.4.4 представлены графики переходных процессов рассчитанные для условий работы, аналогичных исследованным ранее на рис.4.2. Численные значения показателей качества переходных процессов, полученные по итогам моделирования, приведены в сравнительной таблице 4.1. Как видно из графиков, характер переходных процессов и показатели качества практически полностью совпадают с полученными ранее на рис.4.2, что свидетельствует о правильном выполнении перехода к имитационной модели АД в стационарных координатах и верной ориентации координатной системы.
