Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние теории и практики вентильно-индукторного электропривода 14
1.1. Общие сведения 14
1.2. Объект исследования 17
1.2.1. Принцип действия и отличительные признаки ВИЛ 17
1.2.2. Основные конструктивные параметры ВИМ 21
1.2.3 Электромагнитные характеристики и особенности преобразования энергии в ВИМ 23
1.3. Прототип ВИП - ШЭП, общие и отличительные черты ШЭП и ВИЛ.. 29
1.3.1. Элементная база 29
1.3.2. Характерные режимы работы и алгоритмы управления 41
1.3.3. Методы анализа и синтеза 47
1.4. Состояние разработки и перспективы применения ВИП,
постановка задач исследования 49
Выводы по главе 59
Глава 2. Принципы построения моделей вентильно-индукторного электропривода 61
2.1. Известные подходы к построению моделей ВИП 61
2.2. Имитационное моделирование как средство исследования ВИП, требования к имитационным моделям 68
2.3. Выбор программных средств для имитационного моделирования ВИП 74
2.4. Условия и допущения при построении имитационных моделей ВИП 78
2.5. Экспериментальное оборудование для проверки имитационных моделей ВИП 87
Выводы по главе 93
Глава 3. Базовые имитационные модели ВИП 95
3.1. Общие сведения 95
3.2. Базовая модель одной фазы ВИМ 105
3.3. Базовая модель одиночного цикла коммутации ВИМ 111
3.4. Базовая модель ВИП с неограниченным числом циклов коммутации ВИМ 117
3.5. Проверка имитационных моделей 128
Выводы по главе 139
Глава 4. Условия достижения максимальных энергетических и регулировочных показателей ВИП 140
4.1. Общие сведения 140
4.2. Определение условий коммутации ВИМ для достижения макс и мальных энергетических показателей за цикл коммутации фазы 145
4.3. Алгоритмы регулирования выходной мощности ВИП 161
4.3 Л. Постановка задачи 161
4.3.2. Режим граничной коммутации ВИМ 163
4.3.3. Предельный режим максимальной мощности ВИП 165
4.3.4. Режим максимальной мощности ВИП при ограничении установленной мощности инвертора 169
4.4. Условия формирования постоянства выходной мощности ВИП 175
4.4.1. Аналитическая оценка 175
4.4.2. Исследование на модели 183
4.5. Выбор рациональной формы фазного тока для номинального режима работы ВИМ 191
Выводы по главе 203
Глава 5. Базовые алгоритмы компенсации пульсаций момента ВИЛ 205
5.1. Общие сведения. Анализ существующих решений 205
5.2. Физические причины пульсаций момента ВИЛ 209
5.3. Условия устранения пульсаций момента средствами управления
5.4. Алгоритмы компенсации пульсаций момента в замкнутой структуре управления 225
5.5. Упрощенные алгоритмы при разомкнутом управлении 234
Выводы по главе 243
Глава 6. Аномальные режимы работы ВИП 245
6.1. Общие сведения 283
6.2. Аномальные режимы ВИП при датчиковом управлении 250
6.2.1. Влияние временной дискретизации сигналов управления 251
6.2.2. Влияние разброса электромагнитных параметров фаз 264
6.3. Специфические причины аномальных режимов ВИП при бездатчиковом управлении 266
6.3.1. Отклонения значений настроечных коэффициентов алгоритма 267
6.3.2. Отклонения формы линии переключения 283
6.3.3. Одновременное отклонение значений настроечных коэффициентов и формы линии переключения 285
6.4. Проявление разброса электромагнитных параметров фаз и дискретизации сигналов управления при бездатчиковом управлении 290
Выводы по главе 298
Заключение 300
Список литературы! 304
Приложение Справки об использовании результатов 318
- Электромагнитные характеристики и особенности преобразования энергии в ВИМ
- Выбор программных средств для имитационного моделирования ВИП
- Режим максимальной мощности ВИП при ограничении установленной мощности инвертора
- Алгоритмы компенсации пульсаций момента в замкнутой структуре управления
Введение к работе
Вентильно - индукторный электропривод (ВИЛ) в настоящее время является одной из наиболее бурно развивающихся областей современной электромеханики. Интенсивные разработки ВИЛ, за которым в англоязычной литературе закрепилось название — Switched Reluctance Drive или сокращенно SRD, ведутся примерно на протяжении последних двадцати лет многими университетами, исследовательскими центрами и фирмами практически во всех промышленно развитых странах мира (Германия, Великобритания, Швеция, Италия, США, Австралия, Япония и др.).
Наиболее существенные преимущества ВИЛ по сравнению с традиционными электроприводами обусловлены предельной простотой, надежностью и высокой технологичностью электрической машины (ВИМ), на базе которой он выполняется. Она имеет неодинаковое число явновыраженных полюсов на статоре и роторе, причем обмотки в виде сосредоточенных катушек располагаются только на полюсах статора.
В основе работы ВИМ лежит хорошо известное физическое явление, согласно которому на ферромагнитный материал в магнитном поле действует сила, стремящаяся переместить его в зону с максимальной интенсивностью поля. Эта сила, получившая в электромеханике название реактивной, заставляет явнополюсный ферромагнитный ротор ВИМ поворачивается вслед периодически изменяющемуся магнитному полю статора.
При этом в отличие от традиционных электрических машин реактивного типа в ВИМ благодаря соответствующему дизайну и управлению удается добиться значительно более высокой эффективности преобразования энергии. В результате, по массогабаритным и энергетическим показателям ВИЛ не уступает широко применяемому частотно-регулируемому асинхронному электроприводу и превосходит его по технологичности, ремонтопригодности и т.п.
Из широко известных типов электроприводов наиболее близким к ВИЛ по конструкции двигателя и структуре управления является успешно применяемый в приборных системах шаговый электропривод (ШЭП). Более того, ВИЛ можно считать его продолжением и развитием в силовом варианте. Благодаря трудам Б.А. Ивоботенко, В.П. Рубцова, В.А. Ратмирова, А.А. Сазонова и др. удалось преодолеть многие специфические для ШЭП проблемы и распространить на него большинство методов анализа и синтеза, характерных для классической теории электропривода.
Однако между ШЭП и ВИЛ имеются принципиальные отличия. ШЭП является приборным приводом. Он создавался, в первую очередь, для преобразования информации, представленной в виде числа или кода на входе в пропорциональное ему перемещение. Поэтому в ШЭП в основном стремятся к получению высокой точности отработки заданных перемещений, а энергетические показатели в силу относительно небольших мощностей обычно имеют второстепенное значение.
Основное назначение ВИП - преобразование энергии. Поэтому для ВИП энергетические показатели являются одними из важнейших. Это потребовало различных подходов к их проектированию в части выбора электромагнитных нагрузок, алгоритмов управления и т.д.
Наиболее существенный вклад в исследование SRD внесли такие зарубежные ученые, как P.J. Lawrenson, Miller T.G.E, J.M. Stephenson и др. В России исследования ВИП ведутся в Московском энергетическом институте, Южно-российском государственном техническом университете, в Чувашском государственном университете, во Всероссийском научно-исследовательском и проектно-конструкторском институте электровозостроения (ВЭлНИИ) и т.д. Среди российских ученых следует выделить работы Н.Ф. Ильинского, М.Г. Бычкова., В.А. Кузнецова, Д.А. Бута. Л.Ф. Коло-мийцева, С.А. Пахомина, В,В. Жуловяна и др.
К настоящему времени решены первоочередные задачи: обоснован функциональный состав привода и сформулированы требования к его элементам; проанализированы физические особенности функционирования ВИМ при представлении ее различными математическими моделями; намечены и частично реализованы подходы к формированию алгоритмов управления.
Основным итогом этого этапа развития ВИП явилось определение сферы его наиболее предпочтительного применения. Это, прежде всего, массовые промышленные агрегаты (насосы, вентиляторы, конвейеры и т.п.) при переходе в них к регулируемому электроприводу. Доказана также перспективность применения ВИП в бытовой технике, в малых транспортных средствах, а также в ряде специальных применений.
Тем не менее, несмотря на признанные практически всеми специалистами достоинства и, безусловно, положительный опыт практического применения этого привода, массового распространения он еще не получил.
Причина этого состоит в том, что потенциально присущие ВИП достоинства реализуются только при соответствующих алгоритмах управления. При этом специфика ВИП предполагает использование отличных от традиционных для классических систем электропривода инструментов для их разработки. Дальнейшее расширение сферы применения ВИП, его успешная конкуренция с традиционными на сегодняшний день регулируемыми электроприводами требует улучшения его потребительских свойств, оценки возможностей и условий реализации заданных режимов работы в зависимости от параметров привода и управления. Это позволит в каждом конкретном случае находить рациональные алгоритмы управления приводом с учетом всего комплекса предъявляемых к нему требований.
Известно, что на исследование ВИП существенное ограничение накладывают характерные особенности ВИМ. Среди них наиболее важными являются дискретность в управлении и изменение в широких пределах состояния
магнитной системы двигателя. С другой стороны, учет этих и других особенностей ВИМ в алгоритмах управления ВИЛ является необходимым условием при построении привода с высокими потребительскими свойствами. Поэтому наличие методов и средств исследования, хорошо приспособленных для решения задач анализа и синтеза и адекватно воспроизводящих реальные процессы в приводе, для ВИП имеет особое значение.
Однако отмеченная выше объективная сложность физических процессов, определяющих работу привода, делает аналитическое описание работы ВИП очень громоздким, а в некоторых случаях и трудно реализуемым. По этой причине традиционные методы исследований электроприводов с использованием структурных схем, преобразований координат, векторных диаграмм и т.п. для ВИП оказываются неэффективными.
Достижения вычислительной техники в последние годы расширили роль математического моделирования при разработке и исследовании сложных систем. Наряду с установлением количественных соотношений между параметрами системы и управления, появилась возможность воспроизведения процесса ее функционирования во времени с имитацией элементарных явлений, составляющих исследуемый процесс, их логической структуры и последовательности. Такие модели в теории моделирования названы имитационными.
Развитие этого направления моделирования связано с именами таких ученых, как R. Е. Shannon, A. Alan В. Pritsker, В.Н. Четвериков, Б.Я. Советов и др. Имитационные модели, позволяющие достаточно просто учитывать наличие дискретных и непрерывных элементов, их нелинейные характеристики и т.п., наиболее полно подходят для исследования ВИП и позволяют исследовать его во всей полноте.
В связи с изложенным тема, связанная с совершенствованием методов создания и средств исследования вентильно-индукторного электропривода на базе современных компьютерных технологий, ориентированных на опре де-
ление основных функциональных связей в электроприводе и на поиск адекватных оптимальных параметров и алгоритмов управления, является весьма актуальной.
Цель работы - развитие методологии исследования нового, перспективного вентильно-индукторного электропривода с широким использованием имитационного моделирования и совершенствование на этой основе его теории и алгоритмов управления для повышения его конкурентоспособности в промышленности, на транспорте, в быту.
Для достижения этой цели решены следующие задачи:
разработка новой для ВИЛ исследовательской базы - обоснование принципов построения и реализация имитационных моделей основных режимов работы ВИЛ с проверкой их адекватности реальным процессам в приводе;
разработка алгоритмов управления ВИЛ, обеспечивающих максимальное использование энергетических и регулировочных возможностей электропривода при различных ограничениях на его параметры;
обоснование условий полного и частичного устранения пульсаций электромагнитного момента ВИМ и разработка на этой основе точных и приближенных алгоритмов управления ВИЛ.
определение основных причин аномальных режимов в ВИЛ из-за специфики параметров и алгоритмов управления, определение зоны допустимых значений параметров привода и управления для их исключения.
Методы исследований
При решении поставленных в диссертационной работе задач использованы базовые положения теории автоматизированного электропривода, электрических машин, теоретические и практические аспекты компьютерного моделирования сложных динамических систем.
Предложенные в диссертационной работе выводы основаны на проводимых автором в течение последних пяти лет теоретических и экспериментальных исследованиях ВИП, а также на протяжении более двадцати лет его прототипа - шагового электропривода. Основная часть экспериментальных исследований выполнена на аппаратуре и образцах ВИП кафедры Автоматизированного электропривода МЭИ. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается сопоставлением теоретических и экспериментальных результатов.
Новые научные положения, выносимые на защиту:
Метод расчетно-экспериментального исследования ВИП с использованием имитационных моделей, наиболее полно учитывающий его специфику и ориентированный на решение широкого круга задач по определению рациональных алгоритмов управления, оптимизации параметров привода на стадии проектирования, организации генераторного режима работы и тл.
Базовые имитационные модели ВИП при управлении вентильно-индукторной машиной от датчика положения ротора и в бездатчиковом вариантах управления, построенные на аналитических и экспериментальных зависимостях между физическими переменными, обеспечивающие гибкую адаптацию к решаемым задачам.
Алгоритмы управления ВИП, наиболее полно отвечающие протекающим в нем процессам и обеспечивающие максимальное использование энергетических и регулировочных возможностей электропривода при различных ограничениях на его параметры.
Точные и приближенные методы и алгоритмы снижения пульсаций электромагнитного момента ВИМ в разомкнутой и замкнутой структуре управления, основанные на согласованном изменении напряжений и токов коммутируемых фаз на периоде коммутации двигателя.
Условия возникновения аномальных режимов при управлении вен-тильно-индукторной машиной от датчика положения ротора и в без-датчиковом вариантах ВИП из-за специфики его параметров и алгоритмов управления, способы их предотвращения.
Определение зоны допустимых значений параметров ВИП при бездат-чиковом управлении для исключения их критических сочетаний, ограничивающих сферу применения этого способа управления. Практическая ценность работы:
Созданы универсальные программные средства для сопровождения разработки, исследования и эксплуатации нового в мировой практике эффективного вентильно-индукторного электропривода и расширения областей его применения;
Разработан современный удобный инструмент для поиска и реализации рациональных алгоритмов управления;
Выработаны рекомендации по снижению пульсаций момента, получению максимальной мощности и исключению аномальных режимов, использованные при выполнении госзаказа на разработку нового типа электропривода.
Реализация и внедрение результатов
Результаты, содержащиеся в диссертации, использованы при создании базовых образцов ВИП с машинами, произведенными на Ярославском электромашиностроительном заводе (ЯЭМЗ), и блоками управления, выполненными на основе контроллеров фирм Texas Instruments, Motorola, Intel и др. для:
насосных установок (15 кВт, 3000 об/мин и 7.5 кВт, 3000 об/мин);
бытовой техники (0,5 кВт, 3000 об/мин);
малых транспортных средств (160 Вт, 160 об/мин).
Разработки автора и созданные с их использованием на ЯЭМЗ прототипы промышленных вентильно-индукторных электроприводов способству-
ют производству на заводе новых эффективных регулируемых электроприводов нового поколения.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и неоднократно обсуждались на заседаниях кафедры электротехники и промышленной электроники МГТУ им. Н.Э. Баумана в 1987-2003 гг. Результаты работы также были доложены и обсуждены на следующих научных конференциях:
II Международная конференция «Состояние разработки и перспективы применения вентильно-индукторных приводов в промышленности и на транспорте», Россия, Москва, 2001г.
IV Международная конференция "Электротехника, электромеханика и электротехнология", Россия, Клязьма, 2000г.
Юбилейная научно-техническая конференция, посвященная 170-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана, М. МГТУ, 2000г.
XXXVII конференция РУДН "Теория и практика инженерных исследований, 2002г.";
XXXVI конференция РУДН "Проблемы теории и практики инженерных исследований, 2000г.";
Юбилейная научно-техническая конференция, посвященная 165-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана, М. МГТУ, 1995г.
II Международная конференция "Актуальные проблемы фундаментальных наук" М.,МГТУ 1994г.
I Международная конференция "Актуальные проблемы фундаментальных наук" М.,МГТУ 1991г.
Отраслевой семинар НИАТ «Автоматизация и механизация производства на базе промышленных роботов и манипуляторов, Москва, НИАТ, 1986г.
Всесоюзная научно-техническая конференция по применению преобразовательной техники в электроприводе, Тольятти, 1984г.
III Всесоюзная конференция "Роботы и робототехнические системы" Челябинск, 1983г.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 317 страницах основного текста, содержит 164 рисунков и 5 таблиц. Список литературы включает 147 наименований.
Электромагнитные характеристики и особенности преобразования энергии в ВИМ
Дискретность работы в сочетании с нелинейностью магнитной системы являются важнейшими отличительными признаками ВИМ. В общем случае в каждом цикле коммутации состояние магнитной системы ВИМ может изменяться в широких пределах: линейный режим, т.е. режим без насыщения чередуется с режимом локального насыщения, которое в некоторых случаях переходит к частичному общему насыщению.
Для анализа и иллюстрации этих явлений при анализе работы ВИМ широко используются магнитные характеристики различных участков ее магнитной цепи, например, в виде зависимостей магнитного потока Ф от падения МДС F на этом участке [13,29,129]. Эти зависимости наглядно подчеркивают особенности работы ВИМ и, в частности, позволяют оценить изменение свойств соответствующих участков ее магнитной цепи.
Магнитные характеристики могут быть получены экспериментально или в результате моделирования распределения поля в магнитной системе с двухсторонней зубчатостью одним из известных методов [61,62]. Важно отметить, что в общем случае магнитное состояние ВИМ определяются совокупным действием МДС всех одновременно включенных фаз.
В соответствии с законами электромеханики, процесс преобразования энергии в двигателях с двойной зубчатостью связан с изменением индуктивности 1(0) или магнитной проводимости Х(&) фазы [23,24]. В каждом конкретном случае вид этих зависимостей определяется свойствами материалов, магнитной геометрией, условиями питания ВИМ и связан с кривыми 3 (F5) зоны перекрытия взаимодействующих зубцов фазы при их различных взаимных положениях.
Характерный вид кривых Ф( ) фазы ВИМ при изменении взаимного положения взаимодействующих зубцов статора и ротора 0 показан на рис. 1.5. Нижняя кривая соответствует полностью рассогласованному положению зубцов, когда оси зубца статора и паза ротора совпадают. Верхняя кривая соответствует совпадению осей зубцов статора и ротора. Между ними располагаются кривые при частичном перекрытии зубцов.
Следует отметить возрастание нелинейности кривых (/ по мере увеличения падения МДС F& что объясняется локальным насыщением зубцов ВИМ. Обычно ВИМ проектируются так, что насыщаются, главным образом, зоны взаимодействующих зубцов, прилегающие к воздушному зазору. Как уже отмечалось, локальное насыщение благотворно сказывается на характеристиках ВИП, повышая эффективность преобразования энергии в ВИМ. Однако при определенных условиях локальное насыщение может переходить к частичному общему насыщению различных участков магнито-провода ВИМ (зубцов, ярма статора и т.д.).
Нелинейный характер зависимостей 0(/ соответствующим образом отражается в изменении дифференциальной Хтф = %Р и интегральной А- = % магнитных проводимостей. Для линейных участков кривых 0(FS)при отсутствии насыщения законы изменения дифференциальной и интегральной проводимостей в функции 0 совпадают. Вид этих зависимостей показан на рис. 1.6 сплошной линией. Из рисунка видно, что в первом приближении характер изменения Х(0) при перемещении взаимодействующих зубцов статора и ротора от полностью рассогласованного положения к согласованному положению можно считать близким к трапеции.
Однако если по мере увеличения фазного тока (Д h h 1\) развивается насыщение магни-топровода, то законы изменения дифференциальной и интегральной проводимостей не совпадают. Характер трансформации кривой ин тегральной проводимости фазы по мере роста фазного тока и развития насыщения отражают пунктирные линии на рис. 1.6. Одновременная нелинейная зависимость магнитных характеристик фазы ВИМ от взаимного расположения зубцов и намагничивающего тока чрезвычайно осложняет применение к ним традиционных методик исследования электрических машин.
Однако многочисленные исследования показывают, что для большинства режимов работы ВИМ характерна слабая магнитная связь между фазами [1ДЗ,129]. Это дает основание в первом приближении рассматривать работу ВИМ как последовательность независимых циклов коммутации ее фаз.
Включение каждой фазы происходит обычно с некоторым упреждением относительно положения начала перекрытия соответствующих зубцов, а отключение - с упреждением относительно положения полного их перекрытия. Заметим, что на практике используют как режим одиночной ком-мутации фаз, так к смешанной коммутации[13,129]. При одиночной коммутации момент включения последующей фазы ВИМ совпадает с отключением предыдущей фазы, а при смешанной - отключение Для упрощения в расчет примем только магнитную проводимость воздушного зазора А.(0), которая в функции углового сдвига зубцов статора и ротора аппроксимирована, как показано нарис. 1.8,а. Значение проводимости Храс соответствует положению начала перекрытия зубцов, когда боковая грань зубца ротора совпадает с боковой гранью зубца статора. Максимального значения імакс проводимость достигает при согласованном положении зубцов, когда зубец ротора совпадает с зубцом статора. Углы 0рас и 0СОГЛ соответствуют началу и полному перекрытию зубцов.
Выбор программных средств для имитационного моделирования ВИП
Некоторый опыт в распространении вентильно-индукторных электроприводов имеет германская фирма MACCON. Американская фирма Magna Physics поставляет электроприводы мощностью от 10 Вт до 1500 Вт, итальянская фирма Sicme Motori в кооперации с SRDL выпускает серию приводов RELU-SPEED мощностью от 9 до 140 кВт, 3000 об/мин.
В последние годы появилась информация о работах по созданию ВИП в нашей стране (Московский энергетический институт совместно с Ярославским электромашиностроительным заводом, АО "Каскод", Челябинский технический университет, Южно-Российский технический университет и предприятие «Эметрон», Чувашский государственный университет совместно с предприятием «Электром» и др.).
Интересен результат, полученный в МЭИ [19] при сопоставлении двух технических решений двигателей мотор колеса электровелосипеда - традиционного широко применяемого в зарубежной практике бесконтактного двигателя постоянного тока с постоянными магнитами и ВИМ. При полностью одинаковых технических данных ВИМ оказалась в 3 раза дешевле за счет отсутствия постоянных магнитов и упоминавшихся выше технологических особенностей производства.
Фирмой «ЭлКоН» [109] в содружестве с лабораторией "Motorola" Новосибирского технического университета разработан ВИП мощностью 5,5 кВт и номинальной частотой вращения 1500 об/мин для электротранспорта. Изготовлен опытный образец этого привода, предназначенный для установки на электротележку. В нем осуществляется разгон двигателя до заданной частоты вращения с заданным темпом, переход с одной скоростной характеристики на другую, торможение с рекуперацией энергии, реверсирование.
ООО «STAR-K0» совместно с Чувашским государственным университетом объявили о начале разработки на Канашском заводе нового типа электропогрузчика на базе ВИМ [110]. По мнению авторов, он будет превосходить по набору функциональных возможностей и потребительских свойств продукцию таких фирм, как Toyota, OMG, Still. При этом за счет использования ВИП предполагается, что цена этого электропогрузчика будет в три раза ниже.
АО "Каскод" (г. С-Петербург) ведет комплекс работ по проектированию, созданию аппаратных составляющих ВИП и программного обеспечения для его управления, ориентированных на различные сферы применения [108]. Сообщается о создании ВИП для профессионального электроинструмента с широким диапазоном регулирования частоты вращения от 17500 до 200 об/мин. Система управления обеспечивает стабилизацию скорости на любом промежуточном значении, реверс направления вращения, плавный разгон и защиту от перегрузки в случае заклинивания рабочего органа электроинструмента. Разработан и исследован промышленный электропривод 3,5 кВт, 1500 об/мин с конфигурацией машины 12/8, встроенной в корпус корабельного трехфазного асинхронного двигателя.
В настоящее время "Каскод" и "Свободинский Электромеханический Завод" разрабатывают серию низкооборотных вентильных реактивных ветровых генераторов с частотой вращения 50 - 1000 об/мин, мощностью до 20 кВт [108]. Выполняется несколько проектов, предназначенных для привода компрессоров электротранспорта, бытовой стиральной машины, универсального бытового регулируемого электропривода, высокоскоростного привода пылесоса.
Приведенные примеры свидетельствуют о широких эксплуатационных возможностях ВИП. Тем не менее, важно еще раз подчеркнуть, что, несмотря на признанные уже практически всеми специалистами достоинства и, безусловно, положительный опыт практического применения этого привода, массового распространения он еще не получил. Дело в том, что большинство принципиально присущих ВИП достоинств пока еще не удается в полной мере воплотить на практике.
Причина этого состоит в том, что потенциально присущие ВИП достоинства реализуются только при соответствующих алгоритмах управления. Однако в силу отмеченной выше специфики традиционные методы разработки электроприводов применительно к ВИП в большинстве своем оказываются неприемлемыми. Как следствие, в отношении ВИП до сих пор все еще остаются нерешенными важные для практики теоретические проблемы. Их решение требует, в первую очередь, разработки универсальных средств исследования поведения ВИП, максимально учитывающих его специфику и ориентированных на решение широкого круга задач. Это, прежде всего, поиск рациональных алгоритмов управления в различных режимах работы привода, определение его параметров на стадии проектирования с учетом конкретных особенностей использования и т.п. Поскольку ВИП находится в стадии активных исследований и в преддверии широкого практического применения в самых разных областях техники, эти задачи будут неизбежно обновляться и углубляться, затрагивая все новые аспекты поведения ВИП. Соответственно, эти средства должны обладать способностью гибкой адаптации к новым задачам.
На современном этапе развития ВИП к таким нерешенным задачам следует отнести установление связи его энергетических показателей с параметрами двигателя и управления. Необходим также всесторонний анализ физических причин характерных для ВИП пульсаций момента и выработка на этой основе мер по их частичному и полному устранению. Практически не исследованы причины возникновения аномальных процессов в ВИП, как из-за аварий в цепи питания, как и из-за специфики параметров и алгоритмов управления, особенно в бездатчиковом варианте коммутации фаз.
Все эти проблемы продиктованы опытом практического применения ВИП. От их решения во многом зависит успешность продвижения этого очень перспективного типа электропривода в те области промышленности, в которых пока еще безраздельно господствуют традиционные, в частности, асинхронные электроприводы. Именно решению этих проблем и посвящена данная работа.
Режим максимальной мощности ВИП при ограничении установленной мощности инвертора
В бездатчиковом варианте управления для имитации временной дискретизации сигналов управления кроме приема и передачи сигналов в дискретные моменты времени необходимо также обеспечить дискретизацию процедуры расчета положения коммутации фаз 0КОМ. Для этого в субсистеме БФП на рис. 3.27 используется дискретный интегратор вместо непрерывного интегратора и соответствующая настройка параметра «Sample Time» ее входных портов In.
В заключение важно подчеркнуть, что принятый модульный принцип построения базовых имитационных моделей ВИП позволяет их легко адаптировать к задачам исследования генераторного режима работы ВИМ. При этом, поскольку, как уже отмечалось, для генераторного режима ВИМ характерна работа на ниспадающем участке кривой Х{&) (см. 1 главу), их доработка сводится в основном к изменению параметров входных сигналов, а также к включению дополнительных элементов для имитации конкретных условий, особенностей нагрузки и регистрации соответствующих переменных.
Как уже отмечалось, имитационное моделирование представляет собой экспериментирование с математической моделью реальной системы. Как следует из предыдущих разделов диссертации, в разработанных имитационных моделях ВИП имеется соответствие между элементами модели и элементами реальной системы. Тем не менее, они, как и любые другие модели, являются упрощенным представлением реальной системы и отражают лишь некоторые характерные ее свойства в зависимости от задач исследования. Поэтому выводы, сделанные по результатам имитационного моделирования, могут быть достоверными только в том случае, если все идеализации в модели в каждом конкретном случае выполнены корректно.
Важно подчеркнуть, что при проверке корректности допущений, принятых при разработке имитационных моделей ВИП, доказывается не справедливость той или иной структуры модели, а их адекватность реальным процессам в приводе, т.е. функциональная полезность при отражении тех или иных свойств реального объекта. С этих позиций проверка адекватности имитационных моделей ВИЛ проведена в несколько этапов.
Первые два этапа являются предварительными. В теории моделирования они обозначаются иногда общим термином - верификация модели [71]. Они дают основание судить о том, что отдельные функциональные элементы модели и модель в целом ведут себя так, как было задумано при их разработке. Самое общее суждение о правдоподобности каждой модели основывается на отсутствии абсурдных результатов при изменении ее параметров в некоторых пределах, характерных для реального привода. Это дает возможность сделать вывод о достоверности моделей в первом приближении.
Далее проверено соответствие преобразования информации в функционально законченных элементах модели здравому смыслу и физическим представлениям о работе аналогичных элементов реального устройства. Опыт показал, что такая проверка особенно эффективна для моделей с достаточно сложными связями между ее элементами, как, например, в циклической модели ВИП в режиме бездатчиковой коммутации или в модели с компенсацией пульсаций момента на основе рассчитываемых в реальном времени необходимых кривых фазных напряжений или токов (см. главу 5).
На этом же этапе производится выбор наиболее походящих метода и шага интегрирования уравнений в модели. Опыт показал, что это очень важный и ответственный момент в разработки модели. В частности было установлено, что использование переменного шага интегрирования для моделей с резким изменением состояния, например, при имитации режима широтно-импульсной модуляции (ШИМ), может приводить к сбоям в работе модели.
Окончательный вывод о достоверности моделей сделан при проверке неадекватности - проверке соответствия тому реальному явлению, для описания которого они построены. Заметим, что в некоторых переводных литературных источниках, как, например, в [71], этап оценки соответствия имитационной модели реальной системе называют валидацией.
Для проверки адекватности разработанных имитационных моделей ВИП реальным процессам в приводе и, соответственно, справедливости сделанных выводов, проведена серия опытов на экспериментальном оборудовании, разработанном на кафедре Автоматизированного электропривода МЭИ (см. главу 2). Результаты экспериментальных исследований работы привода сравнивались с результатами, полученными на модели при тех же условиях.
В данном разделе диссертации представлены основные результаты экспериментальных исследований опытных образцов ВИП с машинами различной мощности и конфигурации, позволяющие судить о достоверности разработанных имитационных моделей. Другие экспериментальные результаты представлены в соответствующих главах диссертации при обсуждении конкретных аспектов поведения ВИП. Наибольшему объему испытаний подверглись машины, параметры которых представлены в табл. 2.2. Цель экспериментальных исследований состояла в подтверждении правомерности сделанных допущений при составлении имитационных моделей ВИП и выводов, сделанных на их основе.
Алгоритмы компенсации пульсаций момента в замкнутой структуре управления
Анализ результатов двух предельных случаев коммутации фаз ВИМ, когда на одну из фазных обмоток подается неизменное напряжение, а напряжение другой фазы определяется из условия компенсации пульсаций момента, позволяет заключить, что только их комбинация может отвечать поставленным требованиям. Для расчета требуемых текущих значений напряжений на коммутируемых фазах в структуру управления приводом целесообразно включить математическую модель привода. Основное требование к модели ВИП в данном случае, кроме ее адекватности реальным коммутационным процессам в приводе, - формируемые ею законы изменения напряжений на фазах должны быть в рамках напряжения силового источника питания.
Плавное уменьшение напряжения на отключаемой фазе по условию отсутствия пульсаций момента на начальном этапе коммутации может быть выполнено, пока расчетное значение напряжения на отключаемой фазе не превышает напряжения силового источника питания. Если затем расчетное значение напряжения на включаемой фазе не превышает возможностей силового источника питания и обеспечивается равенство темпов изменения моментов коммутируемых фаз в конечной точке коммутации, физические причины появления всплеска суммарного момента также устраняются.
Практически степень компенсации пульсаций момента при таком управлении зависит от точности воспроизведения моделью реальных процессов в приводе, от запаса по напряжению силового источника питания, а также от быстродействия и точности вычислительного устройства, на базе которого реализована математическая модель привода.
Вариант алгоритма управления с непосредственным формированием напряжений фаз
В рассматриваемом алгоритме управления, по сути, реализуется стабилизирующая обратная связь по суммарному моменту, поскольку управляющие воздействия - напряжения на фазах - определяются из условия компенсации отклонений этого момента от заданного уровня. Ошибка регулирования - отклонение момента - преобразуется здесь в соответствующие изменения фазных напряжений. На начальном этапе коммутации к включаемой фазе прикладывается полное напряжение силового источника питания для обеспечения максимального темпа увеличения тока в ней.
Напряжение на отключаемой фазе задается математической моделью привода (наблюдателем). При построении наблюдателя можно, например, принять те же допущения, что и в разделе 2.4. Тогда присвоив дополнительный индекс «расч.» всем рассчитанным в наблюдателе переменным для включаемой фазы, получаем, что момент включаемой фазы при условии полного отсутствия пульсаций момента должен быть равен
Это продолжается до тех пор, пока расчетное напряжение на отключаемой фазе не достигнет уровня напряжения силового источника питания Unm. Как только это произойдет, на отключаемой фазе поддерживается напряжение неизменное напряжение, равное UnKli а на включаемой фазе напряжение изменяется по рассчитанному на модели из тех же условий закону.
Чередование описанных режимов управления позволяет всякий раз подстраивать напряжение на одной из фаз под условие подавления пульсаций момента. Функциональная схема двух смежных фаз привода, работающих по такому алгоритму, показана на рис. 5.8. Для сокращения индексации переменных на рисунке индекс »1» соответствует отключаемой фазе, а индекс «2» - включаемой. Переключение режимов формирования напряжений на коммутируемых фазах осуществляется специально выделенным для этого блоком - коммутатором.
Эффективность такого управления проверялась на специально разработанной для этого имитационной модели, которая в общем виде показана на рис. 5.9. В ее основу положена базовая имитационная модель одной фазы ВИП (см. раздел 3.3). Кроме двух идентичных каналов для имитации процессов, соответственно, в отключаемой (субсистемы LU1,IM1) и во включаемой (субсистемы LU2, IM2) фазах, она дополнена специальным блоком (субсистема MD), который имитирует работу наблюдателя в контуре управления привода.
Блок MD, в сою очередь, содержит два идентичных канала для расчета условия полной компенсации пульсаций момента. В качестве примера на рис. 5.10 показана часть модели, выполняющая расчет тока и напряжения отключаемой фазы на основе соотношений (5.20) - (5.25).
На выходе блоков Sum 2 и Math Function формируются расчетные значения фазного тока, соответственно, в режиме локального насыщения и в линейном режиме работы ВИМ. Одно из этих значений в зависимости от состояния магнитной системы ВИМ (определяется блоком Switch 1 по значению тока) является текущим расчетным значением тока отключаемой фазы.
Аналогичным образом сформировано два значения потокосцепления фазы (на выходах блоков Product 3 и Sum4), по одному из которых в зависимости также от значения фазного тока определяется расчетное напряжение на отключаемой фазе. Кривые токов, напряжений и суммарного момента для коммутируемых фаз при таком управлении, полученные на имитационной модели, показаны на рис. 5.11. Как видно, напряжения С/вкл и t/OTK„ на фазах не выходят за пределы заданного уровня напряжения источника питания ±/пит, однако в окрестности точки начала перекрытия зубцов, когда ток 1ЕКЛ начинает спадать, может возникать ситуация с одновременным ограничением как /вкл, так и II При этом в алгоритме возникают высокочастотные переключения между некоторыми состояниями, и как результат — накапливается некая ошибка, проявляющаяся в отклонении токов от требуемых значений. Как показали результаты моделирования, характер колебаний и значение ошибки существенно зависят от выбранного метода численного интегрирования уравнений модели. Значение ошибки также связано с необходимостью дифференцирования расчетных значений потоков при определении текущих значений фазных напряжений. На рис. 5.10 пунктиром показаны также кривые токов на включаемой /ВКл,расч и на отключаемой фазе /откл,расч5 рассчитанные из условия полного подавления пульсаций момента, а сплошными линиями кривые токов этих фаз /вкл и /откл , сформированные по описанному выше алгоритму. ления ошибки при регулировании момента по первому алгоритму. Для минимизации ошибки при регулировании момента целесообразно управляющие воздейст-вия формировать непосредственно Рис 5 и Иллюстрация возможности появ в функции отклонений фазных токов от их расчетных значений.
Похожие диссертации на Имитационные модели в теории и практике вентильно-индукторного электропривода
