Введение к работе
Актуальность проблемы. Современные высококачественные частотные электроприводы проектируются как системы с векторным управлением. Широкое распространение получили варианты, в которых в качестве управляющих координат используются составляющие вектора тока статора.
Выбор координат вектора тока статора в качестве регулируемых величин обусловлен прежде всего тем, что с их помощью относительно просто выражаются электромагнитный момент, потери, магнитный поток двигателя и, соответственно, сравнительно несложными средствами реализуется система управления привода. К системам с управляемыми координатами вектора тока статора (УКВТ) относится целый ряд известных частотных приводов, таких как частотно-токовые, "Transvektor" и другие.
Несмотря на перспективность и сравнительно большой опыт разработки и эксплуатации приводов с УКВТ в области их аналитического конструирования остается ряд проблем. Одна из основных связана с необходимостью разработки эффективных методов векторного проектирования, позволяющих синтезировать системы с направленным формированием не только динамических, но и ряда других, например, эксплуатационных характеристик.
При создании асинхронных частотных приводов часто не учитывается векторный характер задач проектирования, и синтез структур производится на основе динамических моделей. Это проявляется уже на этапе выбора математической модели электрической машины как объекта автоматического управления. Предпочтение отдается вариантам, удобным для анализа динамических процессов и имеющим минимальное число регулируемых переменных и перекрестных связей, для чего осуществляется переход от трехфазной машины к двухфазной, используются вращающиеся ортогональные координаты, связанные с одним из векторов состояния электрической машины и т.д.
Такой подход безусловно оправдан с позиций направленного формирования динамических показателей и принес ощутимые результаты в этой области. Однако рассматриваемые модели не отвечают требованиям векторного проектирования. Как известно, модель машины переменного тока является инструментом синтеза систем автоматического управления, поэтому неучет в ее структуре некоторых конструкционных особенностей, например, т-фазности, приводит к существенному ограничению вариантов структур электроприводов, синтезированных на основе выбранной модели и, как следствие, сужает возможности по совершенствованию эксплуатационных характеристик систем. Так, для создания кругового равномерно вращающегося магнитного поля, как необходимого условия стабильности угловой скорости привода, в статорной обмотке машины в установившемся режиме формируются
2 синусоидальные токи. Вместе с тем, круговое поле в машине с числом фаз большим двух может быть создано и при отличной от синусоиды форме фазных токов, в частности, при однополярных токах. Преобразователи электрической энергии с однополярными выходными токами имеют меньшее количество элементов, значительно надежнее, чем преобразователи с синусоидальными фазными токами.
При построении внешних контуров регулирования стремление любыми средствами, в том числе с помощью сложных аналоговых вычислительных устройств, приблизить свойства АД к свойствам двигателя постоянного тока в большинстве случаев не оправдано не только с точки зрения аппаратных затрат и накапливания погрешностей регулирования при перемножении сигналов и изменении параметров двигателя, но и с точки зрения создания безынерционного канала задания момента двигателя. Во многих случаях для сочленения двигателя с нагрузкой через механические передачи и упругие звенья приходится ограничивать динамические нагрузки, избегать появления ударных моментов двигателя, что вызывает необходимость дополнительно усложнять структуру электропривода. При пуске двигателя рационально плавное нарастание момента с небольшой постоянной времени для выборки люфта. В связи с этим при решении задач векторного проектирования, когда требуется направленно формировать не только динамические характеристики, но и эксплуатационные, целесообразны режимы работы асинхронной машины с переменным магнитным потоком. В этих режимах проявляются особенности асинхронной машины как системы с параметрической связью, обладающей адаптивными свойствами. Исследования в этой области практически отсутствуют, хотя возможности нелинейных методов коррекции характеристик систем значительно шире, чем линейных методов.
Таким образом, для решения рассмотренных проблем требуется разработка соответствующих моделей, методов их анализа, а также алгоритмов векторного проектирования систем электропривода с УКВТ.
Данная диссертационная работа выполнялась в соответствии с научно-исследовательскими работами Воронежского государственного технического университета "Разработка, исследование и внедрение системы автоматизации манипулятора по перегрузке топлива на АЭС с реакторами типа ВВЭР-210", "Разработка и исследование робота для перегрузки топлива на реакторах типа ВВЭР-1000 на базе перегрузочной машины МП-1000" и ГБ 96-09 "Разработка и исследование средств робототехники".
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является исследование асинхронных частотных приводов с управляемыми координатами вектора тока статора, разработка средств совершенствования их характеристик.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
-
Построить математическую модель асинхронной машины, отвечающую требованиям векторного проектирования.
-
На основе модели разработать общую схему решения поставленной
проблемы совершенствования характеристик частотных электроприводов с УКВТ.
-
Определить методику формирования новых структур электропривода и критерии их отбора.
-
Разработать варианты аппаратной реализации элементов структур.
Научная новизна.
-
Разработана модель т-фазной асинхронной машины как объекта с параметрической обратной связью.
-
Разработана методика синтеза асинхронных частотных электроприводов с УКВТ, учитывающая многокритериальный характер задач проектирования.
-
Определены рациональные структуры реализации регулирующей и исполнительной частей электроприводов с УКВТ и составлены рекомендации по их анализу и синтезу.
-
Исследованы характеристики привода при различных формах фазных токов.
-
Разработаны варианты аппаратной реализации элементов привода.
Методы исследований. При разработке и исследовании частотных приводов с УКВТ использовались методы математического и системного анализа, положения теории автоматического управления, численные методы математического анализа.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
Результаты, полученные в работе, позволяют расширить число вариантов реализации асинхронных электроприводов с УКВТ, проектировать электроприводы с заданными эксплуатационными и динамическими показателями. Результаты диссертационной работы использованы при создании электропривода для перегрузочных манипуляторов АЭС.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на отчетных научно-технических конференциях по итогам НИР Воронежского государственного технического университета, на Шестой научно-технической конференции "Электроприводы переменного тока с полупроводниковыми преобразователями" (Свердловск, 1983), на Третьем Всесоюзном совещании по робототехническим системам (Воронеж, 1984), на X Всесоюзной научно-технической конференции по научно-техническим проблемам автоматизированного электропривода (Воронеж, 1987), на Межрегиональном научно-техническом семинаре "Элементы и системы управления робототехнических комплексов для экстремальных сред" (Санкт-Петербург, 1993), на VI научно-технической конференции "Робототехника для экстремальных условий" (Санкт-Петербург, 1995).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 21 статьях и тезисах докладов конференций. По результатам работы получено 4 авторских свидетельства.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 142 страницы машинописного текста, в том числе 54 рисунка. Список литературы включает 112 наименований используемых источников.
