Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Задачи регулирования асинхронного привода с векторным управлением 16
1.1. Существующие методы и нерешенные проблемы разработки систем управления асинхронным двигателем (АД) 16
1.2. Обобщенная задача регулирования асинхронного двигателя 21
1.3. Условия согласования механической характеристики двигателя и типа нагрузки 26
1.4. Замкнутые системы векторного управления АД 27
1.5. Законы регулирования. Асинхронный привод 34
1.6. Цели и задачи исследования 37
1.7. Обоснование выбора программного продукта 39
Выводы по главе 1 42
ГЛАВА 2. Разработка модели управляемого асинхронного привода 43
2.1. Модель асинхронного двигателя и нагрузки 44
2.2. Модель силового инвертора 55
2.3. Модель блока ШИМ 57
2.4. Модель векторного управления 61
2.5. Модель блока амплитудно-частотного регулятора 68
Выводы по главе 2 72
ГЛАВА 3. Компьютерная реализация модели привода в caspoc 74
3.1. Модель силовой схемы привода 75
3.2. Модель схемы «прямого управления моментом» АД 78
3.3. Модельная реализация блоков различных типов ШИМ в
CASPOC 79
3 А. Модели вспомогательных вычислительных блоков 84
3.5. Подтверждение работоспособности модели и демонстрация ее возможностей 85
3.6. Моделирование динамических процессов в асинхронном приводе без регулирования 90
3.7. Применение улучшенного закона управления для моделирования динамических процессов асинхронного привода 96
3.8. Анализ динамических процессов при питании асинхронного двигателя импульсным и гармоническим напряжением при одинаковом законе управления 99
3.9. Оценка влияния высших гармоник питающих АД токов 101
3.10. Методика построения законов управления 103
Выводы по главе 3 103
ГЛАВА 4. Применение модели для расчета рабочих характеристик приводов : 105
4.1. Задачи исследования рабочих режимов привода пневмокомпрессора электропоезда 105
4.2. Привод пневмокомпрессора и его функционирование 106
4.3. Результаты моделирования 109
4.3.1. Базовые характеристики - при гармоническом питании без регулирования 109
4.3.2. Базовые характеристики - при гармоническом питании с регулированием ПО
4.3.3. Базовые характеристики - при питании от инвертора без регулирования 112
4.3.4. Базовые характеристики - при питании от инвертора с регулированием 114
4.3.5. Базовые характеристики — при питании от инвертора с регулированием при начальных значениях частоты и амплитуды, равных 10% от номинальных значений 115
4.3.6. Базовые характеристики — при питании от инвертора с регулированием, при начальных значениях частоты и амплитуды, равных 10% от номинальных значений, с увеличенным вдвое коэффициентом скорости нарастания частоты и амплитуды .117
4.3.7. Сопоставление параметров работы привода в различных режимах 121
4.4. Анализ результатов моделирования пусковых режимов 123
4.5. Анализ результатов моделирования ШИМ управления 124
4.6. Анализ влияния «компрессорной» нагрузки 128
Выводы по главе 4 130
Заключение 132
Литература 138
- Существующие методы и нерешенные проблемы разработки систем управления асинхронным двигателем (АД)
- Модель асинхронного двигателя и нагрузки
- Модель схемы «прямого управления моментом» АД
- Задачи исследования рабочих режимов привода пневмокомпрессора электропоезда
Введение к работе
Развитие точного машиностроения, транспорта, коммунального хозяйства добычи и переработки нефти и газа, тепловых сетей выдвинуло ряд принципиально новых задач, связанных с необходимостью достижения максимальной надежности приводов для необслуживаемого функционирования технических комплексов при широком диапазоне регулирования скорости. При этом предъявляются все более жесткие требования к минимизации массы и габаритов устанавливаемых на механизмах электродвигателей при минимальных энергозатратах для воспроизведения движения. Многие изобретения, научные публикации и промышленные разработки за последние годы, направлены на решение этих задач.
Предпочтительным по надежности, стоимости и технологической доступности рассматривается асинхронный электропривод с частотным регулированием. Однако, многие ограничения по точности и диапазонам регулирования, быстродействию и удельным энергетическим показателям сдерживают его применение в ряде областей техники и производства.
Актуальной проблемой управления электроприводами, где широко
применяются, в качестве исполнительных двигателей, асинхронные
двигатели, является повышение точности и достижение предельных
динамических и энергетических возможностей при регулировании момента и
скорости. Современные электроприводы переменного тока с частотным и
частотно-токовым и векторным управлением являются
конкурентоспособными по точности, быстродействию и диапазонам регулирования скорости по отношению к высокоточным электроприводам постоянного тока. Это стало возможным благодаря новым принципам управления, и в частности векторного управления.
Последнее время разработчики и исследователи асинхронных электроприводов сосредоточились на развитии векторного управления.
Однако, по признанию самих ведущих специалистов этого направления, завершенным можно обоснованно признать лишь этап становления векторного управления как самостоятельного крупного наученного направления, дальнейшее развитие которого на длительную перспективу относится к одной из наиболее актуальных проблем электромеханики, теории электропривода, электротехнических комплексов и систем.
В настоящее время имеет место быстрое развитие двух тенденций электронной техники. Во-первых, наблюдается стремительное улучшение характеристик, как микропроцессорных устройств, так и силовых полупроводниковых приборов. Во-вторых, постоянное совершенствование технических систем управления, повышение требований к стабильности, надежности и точности характеристик, снижению энергопотребления, массы и размеров. Обе эти тенденции стали предпосылками перехода от аналоговых систем управления к цифровым. В 80-90-х годах появились работы, посвященные цифровому управлению АД, в том числе микропроцессорной реализации широтно-импульсного метода управления АД. К этой группе принадлежат следующие работы:
- Работа [17] О.В. Горячева посвящена проблеме выбора алгоритмов
коммутации КЭ, силовых ключей, цепей управления и векторного
управления при широтно-импульсном управлении асинхронным
двигателем.
- В работах [72, 73, 74] С.А. Сандлер рассмотрел вопросы проектирования
преобразователей код - широтно-импульсная модуляция (ПКШИМ) для
управления асинхронным двигателем.
- С.Г. Герман-Галкин посвятил работы [14, 15] цифровым приводам с
транзисторными преобразователями. В работе можно выделить два
принципиально различных способа управления АД: амплитудно-фазовое и
амплитудно-частотное. Для различных способов управления автор
представил функциональную схему, временную диаграмму напряжений на двигателе и алгоритм работы (соответствующие выражения напряжений).
В работе [39] Б.Н. Попов разработал алгоритм амплитудного способа управления АД с помощью микропроцессоров и получил аналитические зависимости управляющих логических функций для случая несимметричной коммутации КЭ, реверсом по обмотке управления и центрированной ШИМ.
В.А. Полковников [38] исследовал схемы прямого цифрового управления асинхронного двигателя, состоящие из управляющей и силовой частей. Основным назначением управляющей части является преобразование заданного в цифровом коде сигнала регулирования в сигнал управления силовой частью. Для управления силовой частью исполнительного асинхронного двигателя предлагается устройство на основе микропроцессора.
Таким образом, проблемой управляемого асинхронного привода занимались и занимаются исследователи с разных сторон, однако, так как построение законов управления и регуляторов на их основе по-прежнему содержит нерешенные вопросы, она остается актуальной, что и определило цель и задачи работы.
Цель работы: разработка законов управления асинхронным приводом и методики их построения, способа их реализации в виде программы и исследование рабочих характеристик на компьютерной модели электропривода.
Задачи работы:
провести анализ законов управления асинхронным двигателем в зависимости от режимов работы и нагрузки привода;
разработать математическую модель электропривода с векторным управлением на базе асинхронного двигателя, учитывающую эффект вытеснения тока ротора и сложный характер нагрузки;
получить обобщенный закон управления, учитывающий все типы механической нагрузки;
обосновать выбор программной среды для компьютерной реализации модели асинхронного привода;
- выполнить компьютерную реализацию модели в выбранной программной
среде;
продемонстрировать работоспособность и эффективность методики, выполнить расчет характеристик на конкретных моделях приводов при различных режимах питания и нагрузки;
выполнить расчет коэффициентов закона управления, улучшающих энергетические показатели привода.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников и приложений. Объем работы составляет 145 печатных страниц, включая 87 рисунков, 14 таблиц, список источников и приложения. Библиография содержит 81 наименование.
В первой главе на основе литературных источников рассмотрены существующие методы регулирования асинхронных двигателей, а также указаны нерешенные проблемы. Рассматривается обобщенная задача регулирования как задача системы автоматического управления (САУ) и системы автоматического регулирования (САР), обобщенная система представляется в виде объекта регулирования и регулятора.
Как известно, САР обладают рядом недостатков в сравнении с САУ, в частности, возможной неустойчивостью, принципиальным наличием погрешности (так как регулирование ведется по сигналу рассогласования), временным запаздыванием и так далее. Проблема построения САУ -априорное знание частотной характеристики нагрузки и правильная настройка регулятора. На практике в большинстве случаев оказывается, что частотная характеристика нагрузки (насосная, вентиляторная и т.д.) известна. Для таких устройств и такие системы целесообразно строить как САУ.
Далее, на основании рассмотрения работы асинхронного двигателя в замкнутой системе с различными типами регуляторов в структуре векторного управления выводятся частотные характеристики асинхронного привода (АП) с векторным управлением (ВУ) при использовании регуляторов различного типа в контуре обратной связи. Показано, что характеристики с ПИ-регулятором (механическая и регулировочная) схожа с аналогичными у двигателя постоянного тока (мягкая), а при использовании ПИ-регулятора в обратной связи - с характеристиками синхронного двигателя (абсолютно жесткие).
Это позволяет сконструировать аналитическую зависимость закона управления асинхронным приводом для варианта разомкнутой структуры асинхронного привода.
В работе рассмотрены различные типы нагрузки (активное, сухое и вязкое трение), обладающие частотными характеристиками. Как известно, любая сложная нагрузка может быть представлена одним из этих компонентов или их комбинацией. Рассматривается работа асинхронного привода при условии согласования частотных характеристик асинхронного привода и нагрузки. Из условия согласования, определяется закон управления при амплитудно-частотном регулировании асинхронного двигателя. На основании рассмотрения частотного закона для двигателя постоянного тока и синхронного двигателя, которые принимаются как граничные, строится закон для асинхронного привода. Анализируется инструментарий, необходимый для реализации данного подхода и обосновывается применение метода имитационно моделирования CASPOC.
Во второй главе рассматривается математическое описание и структура привода с векторным управлением и на ее основе строится регулятор, воспроизводящий зависимость U=U(f) в структуре векторного управления и разомкнутой системы управления.
Как известно, метод аналитического конструирования позволяет строить регуляторы как в САУ, так и в САР, путем «инверсии» модели объекта, в данном случае асинхронного двигателя. С этой целью в работе рассматривается математическое описание структуры привода.
Кроме того, часть модели блоков структуры может быть реализована типовыми модулями в CASPOC, однако, ряд моделей необходимо строить по оригинальным виртуальным схемам, оформляя их в виде макросов. Для таких блоков также требуется математическое описание, которое разработано в этой главе, в частности, это модели блоков «вытеснения тока» ротора, обобщенной нагрузки, регулятора, а также модели блоков различных типов ШИМ.
По математическому описанию строятся структурные схемы соответствующих блоков, которые в прямом или «инверсном» виде реализуются в третьей главе в программные модули асинхронного привода.
В третьей главе разработанная модель асинхронного привода программируется для каждого блока и собирается в имитационную модель асинхронного привода на входном графическом языке системы визуального моделирования CASPOC. Каждый из модельных блоков отлаживается, и далее, вся модель собирается в целом. Следует отметить, что поскольку модель построена по агрегатному принципу, то она позволяет исследовать различные структуры асинхронного привода. Это позволяет, как для одного привода оценивать влияние различных факторов, так и варьировать структуру асинхронного привода и законы управления, воспроизводимые в регуляторах в соответствии с заданными критериями и ограничениями.
Завершает главу разработанная методика построения закона управления асинхронного привода, основанная на компьютерной модели. Работоспособность и эффективность модели демонстрируется на контрольном примере.
В четвертой главе, согласно разработанной методике, выполнено построение закона управления и расчет рабочих характеристик электропривода пневмокомпрессора электропоезда пригородного сообщения.
Найденный закон управления позволяет иметь требуемые
динамические характеристики по интегральным параметрам, по выбранному
критерию и заданным ограничениям, в частности, обеспечивающий
улучшенные регулировочные характеристики в пусковых режимах, снижение
потерь и надежный пуск.
Исследование на модели различных способов ТТТИМ при формировании питающих асинхронный двигатель напряжений, позволило дать количественную оценку влияния гармонического состава на динамические механические характеристики: скорость вращения и электромагнитный момент, а также электромагнитные потери мощности и выработать рекомендации по выбору несущей частоты ШИМ.
На примере расчета привода пневмокомпрессора продемонстрирована эффективность предложенной методики расчета динамических характеристик частотно-регулируемых асинхронных электроприводов. Она позволила произвести расчет:
- предельных токовых нагрузок при динамических режимах, которые
необходимы для обеспечения запаса по надежности при проектировании
питающих асинхронный двигатель инверторов в системе частотного
управления;
мгновенных и интегральных значений потерь мощности в динамических режимах, позволяющих осуществить расчет тепловых потерь при проектировании;
влияния температурных факторов на величину механической нагрузки и оценить запас по электромагнитному моменту, обеспечивающему надежный пуск привода при критических температурах.
В конце каждой из глав приведены основные выводы, наиболее важные из которых вошли в заключение.
Научную новизну представляют:
Модель привода в программной среде CASPOC.
Закон управления и его реализация в программной среде CASPOC, обеспечивающей инвариантное управление по отношению к нагрузке.
Методика расчета динамических характеристик асинхронного привода на основе модели в CASPOC.
Интегральные оценочные характеристики качества регулирования, позволяющие оценить эффективность регулирования по различным выбранным критериям.
Результаты расчетов закона управления электропривода пневмокомпрессора электропоезда пригородного сообщения, позволяющие улучшить его рабочие и динамические характеристики.
Новые научные положения, выносимые на защиту:
Законы амплитудно-частотного управления, реализуемые в регуляторах, должны быть инвариантны относительно характера нагрузки и соотношения ее составляющих. Для этого, в контуре регулирования в структуре регулятора должен быть включен перенастраиваемый блок в соответствие с частотной характеристикой нагрузки.
Структура блока механической нагрузки модели асинхронного привода (АП) должна отражать все составляющие нагрузки. Коэффициенты, характеризующие настройку блока модели частотного регулятора, определяются на основании модельного эксперимента в соответствие с выбранным критерием управления.
Расчет коэффициентов целесообразно проводить с помощью модели привода, реализованной в программной среде CASPOC. Для этого в работе предложены оригинальные модули структурных схем,
представляющие новые схемотехнические решения для моделирующей системы CASPOC.
Практическая значимость результатов работы:
Предложена методика расчета динамических характеристик асинхронного привода (АП), основанная на использовании модели АП в CASPOC.
Получены с помощью модели АП оценочные характеристики влияния ряда различных факторов на рабочие режимы, в том числе параметров закона управления, формы питающих токов, типа ШИМ и параметров ШИМипр.
Построен закон управления, позволяющий улучшить качество управления привода пневмокомпрессора электропоезда пригородного сообщения по интегральным энергетическим показателям.
Модель и методика расчета динамических характеристик внедрены в учебный процесс кафедры 310 «Электроэнергетические, электромеханические и биотехнические системы» Московского авиационного института.
Научные методы, использованные в диссертационной работе:
Методы моделирования (математического, структурного, имитационного).
Теория обобщенного электромеханического преобразователя. Методы теории цепей и автоматического управления.
Метод аналитического конструирования.
Аппарат численного интегрирования систем обыкновенных дифференциальных уравнений (СОДУ), матричной алгебры.
Новизна научных положений и результатов:
Впервые предложены схемотехнические решения, представляющие модели функциональных блоков асинхронного привода с векторным управлением в CASPOC.
Модель асинхронного привода в целом в CASPOC, отражающая особенности асинхронного двигателя, автономного инвертора напряжения, специализированного микроконтроллера.
Методика расчета динамических характеристик асинхронного привода, основанная на использовании имитационной модели в CASPOC.
Уточненный закон амплитудно-частотного регулирования, позволяющий построить регулятор в системе векторного управления инвариантный по отношению к механической нагрузке, отличительной особенностью которого является степенная зависимость, учитывающая коэффициенты, отражающие соотношение составляющих различных типов механической нагрузки.
Достоверность научных выводов и результатов по работе основана:
На использовании классических методов теории обобщенного электромеханического преобразователя, общепринятых допущениях, известных методов численных расчетов
Модельный эксперимент и численные расчеты выполнены с помощью апробированных вычислительных программ и систем (CASPOC).
Основные научные результаты по теме диссертационной работы опубликованы в следующих работах:
1. Сыроежкин Е.В., Молчанова СЮ. Синтез законов управления асинхронным приводом. Труды научно-технической конференции «Научное программное обеспечение в образовании и научных исследованиях». Государственный Политехнический Университет, г. Санкт-Петербург, 2008 г., с. 122 - 130.
Молчанова СЮ. Синтез законов управления асинхронным приводом. Сборник тезисов докладов. Международная научно-техническая конференция «Системы и комплексы автоматического управления летательными аппаратами». МИРЭА, г. Москва, 2008 г., 128 - 134.
Молчанова СЮ. Разработка алгоритмов управления мехатронным модулем на базе трехфазного асинхронного двигателя. Сборник тезисов докладов. Всероссийская конференция молодых ученых и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике - 2008», МАИ, г. Москва, 2008 г., с. 25.
Молчанова СЮ. Моделирование асинхронного электропривода с адаптивным векторным управлением в CASPOC Вестник МАИ №25, г. Москва, 2008 г., с. 141 - 146.
Молчанова СЮ. Программное моделирование алгоритмов векторного управления трехфазным асинхронным двигателем в CASPOC — Тезисы докладов научно-технической конференции «Авиация и Космонавтика -2008», МАИ, 2008, с. 100-102.
Существующие методы и нерешенные проблемы разработки систем управления асинхронным двигателем (АД)
Асинхронная машина, как известно, имеет ряд преимуществ перед машинами постоянного тока, в частности, отсутствие коллектора и щеток в асинхронном короткозамкнутом двигателе (АД) обуславливает большую предельную единичную мощность, лучшие весогабаритные показатели, допустимую скорость изменения момента и более высокие скорости вращения, чем машины постоянного тока [1, 2, 8, 59, 64].
В настоящее время около половины вырабатываемой электроэнергии потребляется нерегулируемыми двигателями переменного тока. Регулирование скорости асинхронных двигателей, исключение режимов прямых пусков - эффективные факторы повышения производительности рабочих механизмов, снижения эксплуатационных расходов, экономии электроэнергии. Рабочими механизмами асинхронных электроприводов являются: подъемники горной и металлургической промышленности, вентиляторы, приводы компрессоров для электропоездов, приводы для регулирования потока в теплосетях, приводы для вращающихся устройств медицинском диагностическом оборудовании [47, 50].
Известно, что преимущества АД наиболее полно реализуются при частотном управлении, что обуславливает происходящее в настоящее время вытеснение регулируемого электропривода постоянного тока с частотно-регулируемым асинхронным электроприводом во всех отраслях промышленности [45, 57].
С разработкой и освоением серийного производства мощных силовых полупроводниковых приборов появилась возможность широкого применения мощных высоковольтных преобразователей частоты (ПЧ) для питания обмоток асинхронных двигателей [48]. Таким образом, появилась возможность создания регулируемых по скорости мощных высоковольтных асинхронных электроприводов, к недостаткам которых относятся неполная управляемость электромагнитными переходными процессами и моментом, что ограничивает быстродействие и динамическую точность управления полем и моментом, снижает точность и диапазон регулирования скорости .
Известно, что механические и динамические характеристики, энергетические показатели АД в частотно-регулируемом электроприводе определяются: принятым законом частотного управления, способом частотного управления, алгоритмической и аппаратной реализацией автоматической системы регулирования (АСР) электропривода [32].
Стремление иметь высокие динамические показатели при регулировании привода вступает в противоречие с требованием токоограничения, которое диктуется заданным значением коэффициента использования полупроводниковых приборов преобразователя. Кроме того, известно, что характер зависимости частоты и амплитуды питающего асинхронный двигатель напряжения зависит от типа механической нагрузки, который, в свою очередь, определяется ее зависимостью от частоты вращения. Таким образом, встает задача разработки систем управления (СУ) и отыскания законов, определяющих зависимость соотношения частоты и амплитуды питающего напряжения в соответствии с характером нагрузки и временным законно регулирования. Такими СУ явились системы векторного управления [25].
Это выдвигает проблему создания новых алгоритмов управления, обеспечивающих более высокие энергетические показатели, снижение потерь, улучшение регулировочных свойств, повышение надежности и одновременно позволяющих сделать их более универсальными, путем перенастройки алгоритмов управления под заданные требования: режимы работы и характер нагрузки. Разработкой систем частотного и частотно токового управления асинхронными приводами занимались многие отечественные и зарубежные ученые.
Проблемы управления динамическими режимами асинхронных электроприводов, исследованные во многих работах, оказались наиболее сложными по постановке задач и поиску методов их эффективного решения.
В ФРГ в конце 60-х - начале 70-х годов в работах K.Hasse, F.Blaschke, H.Ripperger, H.Stienkonig, W.Flotter [66, 67, 69] предложено практическое применение для привода положений теории электромагнитных переходных процессов и координатных преобразований и дифференциальных уравнений Парка.
F.Blaschke предложен принцип управления вектором тока статора по двум ортогональным осям с ориентированием по измеренному полю в системе Transvektor, обладающей повышенными показателями точности по отношению к частотно-токовому управлению, но уступающей известным другим высокоточным электроприводам, применяемым в машиностроении.
В 1971 году F.Blaschke предложил принцип построения системы управления асинхронным двигателем, в котором использовалась векторная модель АД с ориентацией системы координат о потокосцеплению ротора. Сущность предложенного метода, получившего впоследствии название векторного, заключалась в использовании в системе управления передаточных функций обратных по отношению к передаточным функциям векторной модели АД, что позволяло получить в качестве независимых входных переменных системы величины, входящие в уравнение электромагнитного момента. Поэтому этот принцип называется также прямым управлением моментом.
Модель асинхронного двигателя и нагрузки
Как известно, все электродвигатели могут рассматриваться с позиции единой обобщенной модели электромеханического преобразователя [8]. При этом уравнения конкретного электродвигателя формируются из обобщенной модели путем задания ее параметров. Такая возможность существует благодаря тому, что поля статора и ротора неподвижны относительно друг друга. На основании общей теории электромеханических преобразователей любая электрическая машина может быть представлена эквивалентной двухфазной машиной. Обобщенная электрическая машина с взаимно вращающимися координатными осями статора и ротора представлена на рисунке 2.1. В модели машины имеются две ортогональные оси статора а и /3 и две ортогональные оси d и q с соответствующими обмотками. Q - угловая скорость ротора или частота вращения ротора, у - угол между осями and соответствующих систем координат.
Получим математическое описание модели асинхронного двигателя на основании обобщенной электрической машины. Обмотки статора представлены в виде двух взаимно перпендикулярных катушек, которые расположены по оси а и (3. Ротор машины имеет симметричную короткозамкнутую обмотку. Магнитные потоки и намагничивающие силы, создаваемые обмотками статора и ротора принимаем синусоидально распределенными. Положение ротора определяется углом y(t) = \o.dt, где Q о угловая скорость ротора или частота вращения ротора. Тогда Wi=o)r+fi где о)г частота тока статора; ыг- частота тока ротора;
Координаты а и /3 являются неподвижными координатами, которые связаны со статором или сокращенно называем координатами статора. А координаты d и q являются подвижными координатами, которые связаны с ротором или сокращенно называем координатами ротора. Как известно, вид уравнений математического описания зависит от выбора системы координат.
Математическое описание асинхронного двигателя содержит дифференциальные уравнения электрических цепей и уравнение движения ротора, а также алгебраические уравнения магнитных цепей асинхронного двигателя. Дифференциальные уравнения электрических цепей асинхронного двигателя в статорной системе координат а,/3 будут иметь вид:
Электромагнитный момент может быть также представлен в виде: Мэ = piWasVpr -WpsWar) = Pi os s аз) = Рм ссг W )
В этих уравнениях Uas№J3s Uccr- Ufir z"as- (5s ocr fir - соответственно напряжения и токи статора и ротора по осям а и J3; Vas Wfts Wor Wfir - потокосцепления обмоток статора и ротора по осям а и J3,m- число фаз статора, р - число пар полюсов.
Дифференциальные уравнения асинхронного двигателя в системе координат d,q, которая вращается с произвольной скоростью о)0, имеют следующий вид:
В этих уравнениях Мэ- электромагнитный момент; тп- число фаз обмотки статора: р- число пар полюсов; Мс- момент сопротивления; J-момент инерции ротора; KQ - коэффициент вязкого трения; Q - механическая частота вращения ротора; Мвт . демпферный момент или момент вязкого трения, МСт — момент сухого трения.
Согласно уравнениям математической модели строится структурная схема асинхронного двигателя, которая, как уже было сказано ранее, позволяет на ее основе разработать модель регулятора системы векторного управления [32, 45].
Алгоритм построения структурной схемы следующий: - математическое описание системы представляется в виде отдельных звеньев (в данном случае звено соответствует уравнению); - каждое звено строится из операторов (интеграторов, дифференциаторов, операционных усилителей, перемножителей и т.д.), осуществляющих функциональное преобразование переменных, содержащихся в уравнении; соединения операторов в звено отображают связи в уравнении; - связи между звеньями отражаются путем непосредственного обмена сигналами (переменными в уравнениях).
Решение системы уравнений с помощью структурной модели осуществляется следующим образом. Каждое звено решает соответствующее уравнение отдельно, а все звенья одновременно - всю систему.
На рисунках 2.2. - 2.3. представлены структурные модели электрических контуров статорных и роторных обмоток асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором соответствующих уравнениям 2.1. и 2.2.
На схемах показаны: V2, V3 - источники гармонических напряжений, питающих асинхронный двигатель, сдвинутые по фазе на 7Г/2; операционные усилители; сумматоры; - интегратор; У - метка — коннектор с соответствующим именем. Входными напряжениями моделей статорных обмоток являются напряжения U и Up и сигналы 4у и Ч , а выходными - Ч и 4 . Входными сигналами моделей роторных обмоток - Ч , Ч/ и Ч и Ч , а выходными Ч и Ч .
Заметим, что связь сигналов Ч и Ч означает, что обмотки ротора замкнуты накоротко. Значения Lsap, Lrap, Lm, Rsa,p, Rra,p, выставленные в обозначения операционных усилителей на схеме означают соответствующие параметры асинхронного двигателя.
Модель схемы «прямого управления моментом» АД
Модель схемы управления в CASPOC приведена на рисунке 3.5. ТМЕ Рисунок 3.5. Модель блока управления частотой и амплитудой питающего напряжения. Данный блок реализует закон управления U=U(f). Изменение амплитуды осуществляется путем подачи сигнала на управляемый источник постоянного напряжения. Изменение частоты обеспечивается подачей сигнала на блок управления тиристорами. Изображенный на рисунке 3.5 вариант схемы реализует линейную зависимость частоты от времени —f=f(t).
Заметим, что при необходимости реализации другого закона движения, блок перенастраивается в соответствии с требуемым законом.
Блоки SIGNAL являются источниками напряжения. Блоки INTMOD являются частотными генераторами. Блоки SUB - операция вычитания. Блоки MUL - операция умножения. Блоки LIM являются усилителями с возможность ограничения выходного сигнала.
Принцип работы данной схемы. Блок SIGNAL (S) формирует «пилу» с заданной частотой модуляции и амплитудой, определяющей глубину модуляции. Остальные блоки формируют синусоиды с «несущей» частотой, со сдвигом фаз l/3 Pi. Данный синусоиды сопоставляются с пилой, если значение пилы в данный момент времени меньше, чем значение синусоиды то на тиристор подается положительное напряжение, и он открывается. Формы напряжений приведены на рисунке 3.8.
Формы напряжений. Обозначения сигналов на осциллограмме следующие: зеленый — пила, синий - синусоида, красный - управляющий сигнал.
Полученный сигнал управления умножается на -1 и получается сигнал управления для «парного» тиристора. Пары тиристоров: 1-4, 2-5, 3-6. Тиристоры 1,2,3,4,5,6 управляются сигналами FIRE1, FIRE2, FIRE3, FIRE4, FIRE5, FIRE6 соответственно [3].
Блок управления тиристорным инвертором при ШИМе по всей длине. Модель системы управления тисторным инвертором при ШИМе по всей длине приведена на рисунке 3.9.
На схеме обозначены: 1 - элементы, задающие пределы изменения ширины импульса (от 0 до 1), фактически имитируют глубину модуляции; 2 - генераторы частот, модулирующая частота кратна несущей.
Описание схемы. На рисунке ЗЛО приведен фрагмент схемы, поясняющий работу схемы. В данном случае сигналы FIRE1, FIRE2, FIRE3, FIRE4, FIRE5, FIRE6 (управляющие тиристорами 1,2,3,4,5,6) генерируются отдельными блоками.
Рисунок 3.10. Фрагмент схемы. На входе, задающим соотношение «полупериодов», стоит источник синусоидального напряжения (1) с заданной амплитудой (от 0 до 1), который управляет шириной импульсов. (2) - источник прямоугольного напряжения с модулирующей чаБлокШ Назначение - измерение тока статора, соединен с осциллографом Вход: TEL — момент, создаваемый двигателем БлокША Назначение - измерение тока ротора, соединен с осциллографом Вход: TEL - момент, создаваемый двигателем Вместо активной нагрузки используется момент сухого трения, который реализован с помощью блоков СОМР и REL. Блок СОМР Назначение - компаратор, сравнивает угловую скорость ротора w с нулем Вход: w - угловая скорость ротора Выход: 0 или 1 Блок REL Назначение - реле, включается и выключается при 0 и 1 соответственно на входе.
Вход: 0 или 1 - выход компаратора; il - положительный момент; І2 отрицательный момент Выход: REL = il или Ї2, зависит от входа, подается на вход Tload блока LOAD. Система управления реализует линейный закон увеличения частоты питающего напряжения и его амплитуды, реализована блоками TIME, OFS, LIM, MUL, INTMOD. Выход IN блока INTMOD соединен с входом time блока SIGNAL и реализует переменную частоту. Выход AM блока MUL соединен с входом AM блока SIGNAL и реализует переменную амплитуду. Блок TIME Назначение - имитация времени (t) Блок OFS Назначение - линейная функция вида y=k (t+a) Блок LIM Назначение — ограничитель Блок MUL Назначение умножение, задает пропорциональность между частотой и амплитудой питающего напряжения Блок INTMOD Назначение - дает возможность создать источник напряжения с переменной частотой. Модель асинхронного двигателя при питании от силового инвертора. L4C t»Y « 4=2 LSJ, 120l « R=2 1Л 120V" R=2 SIOML Will. 8QML I 1IL Модель состоит из асинхронного двигателя, нагрузки, системы управления, источника постоянного напряжения и силового инвертора. Модель асинхронного двигателя выполнена в развернутом виде и реализована с помощью блоков ASMSC, IR, IS, IT, ICE, VOLTAGE, LR, LS, LT-рисунок 3.15. стотой. Формы выходных сигналов представлены на рис.3.11.
Задачи исследования рабочих режимов привода пневмокомпрессора электропоезда
В данной главе выполнены исследования рабочих режимов привода пневмокомпрессора электропоезда пригородного сообщения нового поколения. Потребность подобных исследований возникла в связи с разработкой привода нового типа с заменой электромагнитного преобразователя на статический полупроводниковый для питания асинхронного двигателя.
Трудности по применению полупроводникового преобразователя частоты возникли при работе асинхронного преобразователя, как в пусковых режимах, так и в стационарном из-за плохой формы питающих токов (из-за наличия высших гармоник) и работе двигателя при повышенном скольжении.
Штатным двигателем не обеспечивался надежный пуск, учитывая, что пневмокомпрессор представляет собой значительную нагрузку. Положение усугублялось при работе на холоде, когда смазка пневмокомпрессора загустевала.
Выходом из создавшегося положения явилось применение «управляемого» пуска, обеспечивающего больший пусковой момент при ограничении величины пускового тока. Улучшение гармонического состава питающих токов и напряжений обеспечено за счет алгоритмов ШИМ.
В связи с этим, возникла необходимость исследования динамических характеристик и поиска законов управления асинхронного привода. Эту задачу позволяет решить разработанная в главе 3 модель асинхронного привода.
В модели реализовано частотное регулирование при соблюдении различных зависимостей амплитуды и частоты питающих напряжений в соответствии с характером нагрузки. Рассмотрены режимы разгона до номинальной частоты с линейной зависимостью 0(t) от времени, а также регулирование по гармоническому закону с глубиной регулирования 20%. вблизи номинального режима
Полученные на модели динамические характеристики позволили построить эмпирические законы управления для наиболее важного режима по энергетическим показателям - режима пуска двигателя под нагрузкой. Рассмотрена механическая нагрузка, в которой присутствовали в различном соотношении все три компоненты: активный момент, моменты вязкого и сухого трения. Учитывались ограничения пускового тока и уровня пульсаций электромагнитного момента. Мотор-компрессор располагается в подвагонном пространстве прицепного вагона электропоезда ЭР-2Т. Он служит для нагнетания воздуха в пневмосистему электропоезда, которая обеспечивает системы открывания-закрывания дверей, пневматического торможения поезда и других потребителей сжатого воздуха. Для адаптации модели привода, разработанной в главе 3 и настройки ее параметров в соответствии с режимами работы пневмокомпрессора, рассмотрим структуру силовой электрической схемы привода пневмокомпрессора электропоезда с частотным управлением, которая приведена на рисунке 4.1.
На рисунке показано: В - выпрямитель; Ф - фильтр; АИН автономный инвертор напряжения; М - трехфазный асинхронный двигатель; УУП -устройство управления преобразователем частоты.
Статический диодный выпрямитель предназначен для питания трёхфазного инвертора. Выпрямитель обеспечивает выходное силовое напряжение =280В. Трёхфазный инвертор предназначен для питания асинхронного двигателя мотор-компрессора переменным трёхфазным напряжением 220В (линейное) - 50Гц. Силовая схема инвертора выполнена по трёхфазной мостовой схеме. Инвертор имеет следующие уровни выходных величин — см. таблицу 4.2.1.
Инвертор должен отвечать требованию: потребление тока по 280В ограничено выходной мощностью тиристорного преобразователя и не должно превышать 50А - мгновенное значение. Применяемый в приводе тип двигателя - 4А315М2УЗ. Параметры двигателя представлены в таблице 4.2.2.
Нагрузкой двигателя является компрессор поршневого типа. Датчик давления пневмосистемы измеряет давление в ней. Он настроен таким образом, что подает сигнал на включение компрессора при давлении в пневмосистеме ниже 6 Атм и снимает его при достижении давления 8 Атм. В связи с этим режим работы мотор-компрессора - повторно-кратковременный. Он работает в течение 40 сек. с промежутком в 2 мин.
Работа системы осуществляется следующим образом. При снижении давления в пневмосистеме секции электропоезда ниже 6 Атм срабатывает датчик давления, который свои контакты подает сигнал в трехфазный инвертор на включение компрессора. С задержкой порядка 0,5 сек., (предотвращающей включение инвертора из-за дребезга контактов в датчике давления, замыкается реле), и через зарядные резисторы и дроссель начинает протекать ток заряда конденсаторов. Напряжение на конденсаторах начинает плавно расти. Как только напряжение на конденсаторах достигает 275В замыкается реле, которое шунтирует зарядные резисторы. Через время 20 мсек после замыкания реле, на силовые транзисторы подаются сигналы управления, и начинает выполняться программа плавного запуска. В начальный момент плавного запуска сигналы управления имеют период равный ПО мсек. В сигналах управления имеются «врезки» — по 12 штук за период. «Врезки» предназначены для регулирования среднего напряжения на выходе инвертора, что позволяет обеспечить выполнение условия U / f = const и работу двигателя при ненасыщенной магнитной системе.
В процессе выполнения программы плавного запуска происходит уменьшение длительности «врезок» и периода сигналов управления таким образом, что среднее значение выходного напряжения растет линейно. Программа плавного запуска длится 10 сек., до момента, когда период сигналов управления станет равным 20 мсек., что соответствует частоте равной 50 Гц. С этого момента времени «врезки» в сигналы управления отключаются, и на компрессор подаётся трёхфазное напряжение 220В (линейное) с частотой 50 Гц.
