Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ работы стана ХПТ 10
1.1 Особенности технологических процессов электроприводов станов холодной прокатки труб 10
1.2 Технико-экономическое обоснование повышения производительности 13
1.3. Анализ нагрузочных диаграмм электропривода с позиции быстродействия 15
1.4. Анализ нагрузочных диаграмм электропривода с позиции точности 22
1.5. Недостатки существующих решений 26
1.6. Выводы по первой главе 33
Глава 2. Выбор силовой части оборудования 34
2.1 Математическая модель механизма подачи трубы 34
2.1.1 Модель электромеханического преобразователя 34
2.1.2 Улучшение массогабаритных показателей электрической машины 37
2.1.3 Оптимизация геометрии ротора 41
2.1.4 Модель электропривода 45
2.1.5 Упрощенная математическая модель 53
2.2 Оптимальные кривые переходных процессов в электроприводе подачи 55
2.3 Пути повышения точности и быстродействия 61
2.4 Быстродействие контура регулирования момента 65
2.5 Особенности проектирования системы «преобразователь – двигатель» 69
2.6 Оценка перегрузочной способности СРМНВ 71
Выводы по второй главе 78
Глава 3. Синтез системы управления с максимальным быстродействием контура момента 80
3.1 Эволюция системы управления 80
3.2 Прямое управление моментом 83
3.2.1 Особенности математической модели 83
3.2.2. Синтез системы DTC управления электроприводом на базе СРМ 86
3.2.3 Оценка робастности системы DTC-СРМ 92
3.2.4 Сравнительный анализ математических моделей 95
Выводы по третьей главе 100
ГЛАВА 4. Адаптация системы к работе на повышенных скоростях и в зоне перегрузок 101
4.1 Оценка потерь при работе на повышенных скоростях, обусловленных инерционностью обмотки статора 101
4.2 Модальное управление в двухмассовой системе 103
4.3 Адаптивная система с самонастройкой параметров 108
Выводы по четвертой главе 114
Заключение 116
Литература 120
- Технико-экономическое обоснование повышения производительности
- Оптимизация геометрии ротора
- Прямое управление моментом
- Адаптивная система с самонастройкой параметров
Введение к работе
Актуальность работы. Производство тонкой и сверхтонкой трубы с минимальной разнотолщинностью востребовано в атомной, автомобильной промышленности и вертолетостроении. Получить трубы со сверхтонкой стенкой и высоким качеством поверхности можно на станах холодной прокатки труб (ХПТ), при этом сечение заготовки уменьшается на 75–85 %, а прочность трубы получается заметно выше по сравнению с продукцией, полученной при горячей прокатке. Дальнейшее повышение качества холодного проката позволит снизить процент отбраковки дорогостоящей трубы и даст экономический эффект.
Анализ работы станов холодной прокатки показал, что наиболее «слабым» звеном в технологическом процессе является механизм подачи, к которому предъявляются наиболее высокие требования по быстродействию и точности позиционирования, перегрузкам по моменту и условиям эксплуатации.
Указанные требования могут быть достигнуты только при системном подходе, который заключается в учете совместной работы узлов электропривода: рабочего механизма, механического преобразователя, двигателя, электрического преобразователя и системы управления. Такой подход стал возможен не только за счет развития силовой полупроводниковой техники и микропроцессорных систем управления, но и обусловлен возможностями, которые дают электромеханические преобразователи. Отказ от традиционных подходов к проектированию двигателя переменного тока в пользу несинусоидального возбуждения многофазной электрической машины переменного тока позволяет реализовать в ней новые привлекательные качества: большие перегрузочные моменты при простоте конструкции машины.
Таким образом, научно-техническая задача создания нового электропривода с использованием системного подхода, который позволит снизить разнотолщинность холоднокатаной трубы, повысит ее качество – является актуальной.
Степень научной разработанности проблемы. Большой вклад в общую теорию современного металлургического электропривода постоянного тока внесли ученые Бычков В.П., Дружинин Н.Н., Дралюк Б.Н., Усынин Ю.С., Филатов А.С. Развитие теории приводов переменного тока для объектов металлургического производства связано с трудами Осипова О.И., Lipo T. и др.
Долгое время регулирование скорости в механизмах пилигримовой группы выполнялось механическим способом. В 1986 г. Вейнгером А.М. был впервые теоретически обоснован и практически реализован регулируемый электропривод переменного тока на механизме подачи стана ХПТ. В 2008 г. Остроуховым В.В. решена научно-техническая задача замены информационно-управляющей системы при сохранении силовой части полупроводникового преобразователя. Григорьевым М.А. в 2013 г. теоретически показаны новые возможности по увеличению быстродействия электропривода, которые могут быть получены в системе на базе синхронного реактивного электропривода с независимым управлением по каналу возбуждения (СРМНВ).
Между тем, если рассматриваемую задачу решать с позиции повышения точности позиционирования трубы, то эта проблема далека от завершения, так как требует рассматривать стан ХПТ как многосвязную систему.
Объект исследования – синхронный реактивный электропривод с независимым управлением по каналу возбуждения механизма подачи стана ХПТ–450.
Предмет исследования – переходные процессы в контурах скорости и момента при использовании в качестве электромеханического преобразователя синхронной реактивной машины с различными способами управления.
Целью диссертационной работы является создание электропривода подачи стана ХПТ с улучшенными точностными показателями позиционирования рабочего органа при сохранении заданного быстродействия системы.
Идея работы. Выбор силовых элементов электропривода подачи нужно вести с учетом взаимного влияния главного привода клети, а при выборе структур управления необходимо еще и ориентироваться на соотношение динамических показателей “неизменяемой” части и наиболее быстродействующего контура регулирования.
Задачи исследования:
– анализ требований технологического процесса к электроприводу подачи;
– разработка математической модели электропривода подачи, реализованного на базе СРМНВ;
– оценка адекватности математической модели;
– разработка методики синтеза силовой части и системы управления силовой части электропривода подачи по критерию минимума ошибки позиционирования;
– оценка возможностей структур с подчиненным регулированием и системы с модальным управлением для электропривода подачи.
Методы исследований. В работе использовались методы теоретического и экспериментального исследований.
Теоретические методы исследования: теория электропривода и полупроводниковой преобразовательной техники, метод конечных элементов, частотные методы теории регулирования, методы математического моделирования с использованием суперкомпьютерных технологий, статистические методы исследований.
Методы экспериментального исследования: наблюдения, измерения, которые производились как непосредственно на работающем стане, так и в лабораторных условиях, где в качестве объекта исследований выступал макет электропривода, наиболее близкий по своей структуре производственному.
Достоверность полученных результатов определялась обоснованностью принятых допущений, корректностью использования математического аппарата и экспериментальным подтверждением основных теоретических выводов.
Научные положения, выносимые на защиту, и их научная новизна
1. Разработана математическая модель электропривода подачи стана
ХПТ, в которой механическая часть представлена как двухмассовая,
преобразователь частоты аппроксимирован непрерывным динамическим
звеном, электродвигатель – системой с распределенными параметрами, и
отличающаяся тем, что в расчетной модели выполнен учет влияния работы главного привода клети на механизм подачи.
2. Предложена методика выбора силового электротехнического оборудования и законов управления электроприводом подачи стана ХПТ, представленного в виде многосвязной системы по критерию минимума ошибки позиционирования рабочего органа, отличающаяся тем, что выбор структуры управления определяется соотношением частот среза одного из контуров “неизменяемой” части электропривода и контура регулирования электромагнитного момента.
Практическое значение работы заключается в следующем:
– предложенная математическая модель может быть положена в основу построения расчетной методики высокоточных электроприводов, работающих с широким диапазоном регулирования скорости;
– методика синтеза силовой части и системы управления электропривода была использована при разработке этапов наладки позиционных электроприводов и успешно применяется на производственных предприятиях, что подтверждается актами о внедрении.
Результаты диссертационной работы нашли применение:
– и были приняты к внедрению: в пятом цехе ОАО “ЧТПЗ” (г. Челябинск) при модернизации электропривода подачи стана ХПТ; в ООО НТЦ “Приводная техника” (г. Челябинск) при разработке тяговых электроприводов;
– в учебном процессе на кафедре электропривода ФГБОУ ВПО “ЮжноУральский государственный университет”;
– при выполнении Гранта Президента РФ (Соглашение №14.124.13.1403-МК от 04.02.2013).
Апробация работы. В полном объеме работа докладывалась и обсуждалась на расширенных заседаниях кафедр:
– “Электропривод и автоматизация промышленных установок” ФГБОУ ВПО “Южно-Уральский государственный университет”, г. Челябинск;
– “Электропривод и электрооборудование” ФГБОУ ВПО “Национальный исследовательский Томский политехнический университет”.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах, в том числе на: XV научно-технической Международной конференции “Электроприводы переменного тока”, Екатеринбург, 2012 г.; Отраслевой конференции “ANSYS в энергетике”, Санкт-Петербург, 2012 г.; VII Международной конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2012, Иваново, 2012 г.; Пользовательской конференции “ANSYS 2013: направления развития инженерного анализа”, Москва, 2013 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных статей (из них – 6 в периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ), 4 доклада на конференциях, 1 патент РФ на изобретение, 5 свидетельств РФ об официальной регистрации программ для ЭВМ.
Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования, разработке методов исследований, в формулировании и доказательстве научных положений. В работах [1, 3, 6] автору принадлежат: разработка математических моделей и результаты моделирования; В [2, 4, 5, 7-16] - ведущая роль в обосновании методов исследований.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, изложенных на 145 страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка, 6 таблиц, список используемой литературы из 214 наименований.
Соответствие научной специальности: исследование, проводимое в рамках диссертационной работы, полностью соответствует формуле и п.п. 1 и 3 области исследования, приведённой в паспорте специальности 05.09.03.
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы научные положения, их новизна, практическая значимость.
10 а, %
Ah, %
В первой главе выполнен анализ существующих проблем, сформулиро- Л5'% ваны требования к электроприводу подачи, что позволило построить зависимость разнотолщинности s от величин перерегулирования и ошибки подачи /г рабочего органа (см. рис. 1). Поверхность 1 (рис. 1), которая в большей степени зависит от перерегулирования , может рассматриваться как количественная оценка требований к разрабатываемому электроприводу.
Рис. 1. Зависимость разнотолщинности
трубы s от перерегулирования
и от ошибки подачи h (1); (2) - поверхность
допустимой величины разнотолщинности
данными. Выполнен анализ
Во второй главе сформулировано первое научное положение, определены основные допущения для разрабатываемой математической модели, статистическими методами сопоставлены результаты моделирования с экспериментальными влияния главной клети на электропривод подачи.
В третьей главе сформулировано второе научное положение, перечислены и обоснованы основные этапы методики синтеза силовой части и системы управления электроприводом. На примере электропривода подачи детально рассмотрены этапы: параметрического синтеза электропривода, оценки разнотолщинности s с учетом дискретного режима работы электропривода.
В четвертой главе рассмотрены этапы синтеза системы управления электроприводом. Дана оценка предельных значений частоты среза контура регулирования момента в системах с векторным и релейно-векторным управлением. Сформулирован критерий выбора структуры управления.
В заключении сформулированы основные выводы и даны результаты исследований в соответствии с целью и задачами исследований.
В приложении даны расчеты экономического эффекта и акты о внедрении результатов работы в производственный процесс.
1. Математическая модель. Как правило, при описании электропривода электромеханический преобразователь представляют в виде системы с сосредоточенными параметрами и при математическом описании большее внимание уделяют полупроводниковому преобразователю и системе управления.
Наиболее полное математическое описание электропривода подачи приведено в работе Остроухова В.В. Однако, существующие модели, используемые в работах данных авторов, не учитывают влияния главного электропривода. Между тем, позиционирование трубы может частично осуществляться и после попадания трубы в валки прокатной клети. Подробнее рассмотреть процесс подачи трубы на завершающем этапе позиционирования с учетом широкого сортамента, и как следствие, различных габаритах калибров валков, можно с помощью модели хода прокатной клети, приводимой в движение посредством главного электропривода.
Кроме того, конечная фаза подачи происходит на пониженных скоростях, что требует учета дискретной работы электропривода – зубцовых пульсаций момента. Существующие модели, в которых электромеханический преобразователь описывается системой уравнений с сосредоточенными параметрами не позволяют этого сделать. Разрабатываемый же электропривод содержит синхронную реактивную машину, параметры которой в значительной степени зависят от картины магнитного поля электрической машины.
Предложенная математическая модель содержит следующие узлы: механическую часть, модель электромеханического преобразователя, систему управления и модель главного электропривода.
При разработке математической модели были приняты следующие допущения:
– преобразователь частоты был представлен в виде непрерывных динамических звеньев. В современном регулируемом электроприводе в качестве источников питания в большинстве случаев используются полупроводниковые транзисторные преобразователи, реализация работы которых производится посредством ШИМ-модуляции. В модели СРМНВ питается от шести независимых источников тока, которые представляют собой источники ЭДС с бесконечной полосой равномерного пропускания частот, охваченные обратной связью по току. Данная замена справедлива при работе электропривода на требуемых скоростях, так как частота коммутации тока при этом значительно меньше несущей частоты ШИМ преобразователя, в самом «худшем» случае равной 2кГц.
Модель механической части, представленная в виде двухмассовой системы, не учитывает упругость заготовки. В работе Остроухова В.В. методом декомпозиции было установлено, что наиболее значимые упругие колебания в системе могут быть вызваны лишь жесткостью винтовой передачи. Кроме того, в работах З.А. Коффа доказано, что упругостью самой трубы можно пренебречь, так как частота её собственных колебаний гораздо выше частоты среза контура регулирования скорости, и при работе стана упругость трубы, вне зависимости от её массы может создавать лишь вибрацию, что не существенно влияет на характер процесса позиционирования.
Рис 2. Структурная схема электропривода подачи (1) с учетом работы главного электропривода прокатной клети (2)
Модель представлена в виде многосвязной системы, где электропривод подачи представлен в виде двухмассовой модели, а статический момент вычисляется в функции положения валков клети главного привода, представленного в виде подчиненной системы управления на базе двигателя постоянного тока.
Созданная конечно-элементная модель двигателя представлена звеном «модель магнитной системы». Система электропривода подачи выполнена в виде трехконтурной подчиненной системы управления: момента, скорости, положения. В модели учитывается насыщение регулятора скорости РС. В качестве сигналов задания на расчет конечно-элементной модели используются текущий угол поворота
Модель учитывает упругость винтовой передачи С, и представлена как двухмассовая. В качестве нагрузки выступает как приведенный момент силы трения трубы Мтр, который подается при условии, что Мс>Му, так и момент сопротивления Мс, обусловленный попаданием трубы в валки прокатной клети. Последнее условие реализовано посредством математического описания главного электропривода, который также выполнен по подчиненному принципу на базе машины постоянного тока. Тиристорный преобразователь главного привода представлен апериодическим звеном первого порядка. Аналогичная замена выполнена для якорной цепи. Зная скорость главного привода, можно вычислить линейную скорость клети $клети и угол поворота калибров ав в текущий момент времени и с их помощью получить момент сопротивления и уточнить суммарный приведенный к валу двигателя момент инерции за счет
переменной составляющей, равной /п = . Воздействие усилия, создаваемого
прокатной клетью в качестве нагрузки на привод подачи происходит только в момент попадания трубы в валки, что реализовано в функции угла поворота валков. Коэффициент к3 учитывает степень обжатия заготовки в каждый момент времени и зависит от параметров трубы и калибров валков, которые могут значительно меняться в зависимости от сортамента.
Моделирование процессов в электроприводе с СРМ производилось в КЭ продукте ANSYS Maxwell. Отличительной особенностью данного продукта является возможность его работы в связке с программой ANSYS Simplorer, где моделируется силовая часть электропривода и система управления, что позволяет учитывать работу электрической машины от преобразователя частоты. Также
разработанная модель позволяет учесть нелинейность кривой намагничивания стали, из которой выполнена машина, насыщение источников питания, регуляторов.
На основании выборки из 10 экспериментальных осциллограмм активной составляющей тока электропривода подачи была построена критическая зависимость, в полной мере отражающая характер переходного процесса: / = -469,18 -t3 + 864,58 t2 - 382,1 t + 47,95.
Предложенная математическая модель сопоставлялась с результатами экспериментов методами статистического анализа. Результаты приведены в табл.1, где /расч - расчетное значение тока, полученное в ходе моделирования; 4ксп ~ экспериментальное значение тока, полученное исходя из регрессионной зависимости; Л/, Л/2 - соответственно разность и квадрат разности между экспериментальными и расчетными величинами тока электропривода; t -квантиль Стьюдента; sAI - стандартное отклонение расчетных значений; /ід/ -математическое ожидание значений Л/. При сопоставлении расчетных и экспериментальных данных коэффициент Стьюдента t = 0,46 не выходит за пределы критического значения (крит = 1,813), на основании чего можно сделать вывод об адекватности предложенной математической модели.
Таблица 1 Сопоставление расчетных и экспериментальных данных
0,29
Д7 - /ід;
0,46
^КРИТ
1,813
Статистический анализ осциллограмм тока позволил также определить долю времени позиционирования при наличии статической нагрузки, вызванной попаданием заготовки в валки клети. Сходимость математической модели по этому критерию составила 92%. Однако, за счет массивности прокатной клети характер её воздействия на трубу в момент подачи можно считать эквивалентным воздействию гораздо более мощной нагрузочной машины, работающей в режиме поддержания скорости. Таким образом, наброс нагрузки на привод подачи происходит не скачкообразно, а по более сложному закону и время данного переходного процесса в первом приближении обратнопропорционально частоте среза контура скорости главного привода.
Разработанная математическая модель электропривода позволила уточнить расчетную методику выбора электропривода по нагреву. Конечное быстродействие контура регулирования скорости в главном электроприводе прокатной клети приводит к изменению графика момента сопротивления Мс, при этом изменяется осциллограмма электромагнитного момента, а следовательно, и нагрев двигателя. Изменение графика момента сопротивления обусловлено тем, что при позиционировании трубы приводом подачи на участке торможения в момент времени ґMc включается главный привод. В момент начала прокатки главный привод создает дополнительный тормозной момент для электропривода подачи. При ограниченной полосе равномерного пропускания частот контура регулирования положения этот дополнительный момент сопротивления изменяет свою форму со ступенчатой на криволинейную.
Рис. 3. Зависимость MrPKR электропривода
подачи от оо^ контура регулирования
скорости электропривода прокатной
клетии и от времени начала приложения
нагрузки ґМс
Для учета изменения нагрева электропривода подачи от конечного быстродействия главного электропривода на разработанной математической модели оценивалась зависимость среднеквадратичного электромагнитного момента МСРКВ привода подачи от времени начала приложе-ния усилия ґМс и частоты среза контура о)с скорости электропривода прокатной клети (см. рис. 3). При этом базовое значение частоты среза принималось равным 100 рад/с. Диапазон изменения ґМс выбран на основе статистической обработки и может изменяться в диапазоне от 1 до 1,5 с при общей продолжительности цикла 2 с. Как видно из рис. 3, среднеквадратичный момент, возрастает по мере уменьшения частоты среза контура скорости главного привода на (10-20) %. Обусловлено это увеличением времени переходного процесса наброса нагрузки и изменением его характера с монотонного на апериодический, а в некоторых случаях и колебательный, вызывающий дополнительные вибрации, способствующие износу оборудования. Плоскостью 2 (рис. 3) показана зона допустимого изменения частоты среза контура регулирования скорости, в которой перегрев находится в допустимых пределах.
Задача уточнения нагрева электропривода особенно актуальна при выборе нового электропривода, так как приближенные методики выбора электропривода по мощности требуют выбирать двигатель с запасом. Электропривод, работающий в пуско-тормозных режимах, и выбранный с запасом по мощности может иметь не самый лучшее отношение М/J, где М - номинальный момент двигателя, а J - момент инерции ротора.
2 научное положение. Методика выбора силового электротехнического оборудования и законов управления электроприводом подачи. Можно назвать не так много работ (Терехов В.М., Усынин Ю.С.), в которых просматривается системный подход к разрабатываемому электроприводу, когда синтез системы управления выполняется совместно с выбором силовой части. Этот подход был сохранен в данной работе. При решении задачи увеличения точности позиционирования необходимость оптимизации параметров механической части, например передаточного числа редуктора и оборотных пульсаций датчика скорости, становится более актуальной.
На рис. 4 приведен предложенный алгоритм, учитывающий все вышеназванные особенности. На первом этапе производился выбор оптимальной траектории движения по критерию минимума потерь. Статическая нагрузка носит условно постоянный характер, что делает возможным перераспределить соотношение времени пуска и торможения таким образом, чтобы среднеквадратичный момент, создаваемый двигателем, а следовательно, и его нагрев были минимальны.
В работах Коффа З.А. доказывается, что оптимальным соотношением времени пуска ко времени торможения является 2:1. В ходе исследования выдвигались гипотезы, о том, что данное смещение относительно соотношения 1:1 обусловлено наличием упругости и люфта в механической системе. Однако, данные предположения не были подтверждены. С другой стороны, оптимизация траектории движения электропривода с учетом неравномерного характера нагрузки
Выбор оптимальной траектории движения Q = min Q(i; г), где ф = /(Mc(t); a)(t)) = Const
Параметрический синтез ЭП mm f(j,^)
I E I
Оценка As с учетом дискретного режима работы ЭП
Синтез СУ
Синтез КРМ Atnn = min/(rWpKM(p))
Синтез СУ с модальным управлением
Синтез СУ с подчиненным регулированием
Рис. 4. Методика выбора силового оборудования и структуры системы управления
по критерию наибольшей величины подачи при минимальном моменте сил упругости в элементах механизма дала тот же результат, что и в работе Коффа З.А.
На втором этапе производился параметрический синтез электропривода. Наличие нескольких интеграторов в прямом канале многоконтурной системы делает её неустойчивой (рис. 2). Степень колебательности процессов можно оценить посредством амплитудного максимума ЛАЧХ контура положения. Наиболее эффективно снизить величину Ам и тем самым добиться устойчивости системы можно методом, предложенным проф. Усыниным Ю.С. Изменяя величину передаточного числа редуктора 1/j, можно влиять на контурный коэффициент в замкнутой системе, за счет чего добиться уменьшения амплитудного максимума. Однако, данная методика справедлива только для случая “легкого” двигателя (JРО>>JДВ). Результаты моделирования показывают, что в этом случае величину амплитудного максимума можно снизить до нуля. В случае же “тяжелого” двигателя достигнуть таких показателей невозможно.
Таким образом, для увеличения точности позиционирования необходимо увеличить быстродействие контура электромеханического преобразователя. Для достижения этой цели в работе используется два подхода: выбор системы управления с наиболее высоким быстродействием контура регулирования момента и применение новых типов электромеханических преобразователей с высокими показателями добротности М/J, наиболее приемлемым из которых, на наш взгляд, является синхронная реактивная машина с независимым управлением по каналу возбуждения.
Большую работу в усовершенствовании конструкции данной машины проводил в своих исследованиях Кононенко Е.В. в 70-х годах прошлого века. Однако в силу того, что все образцы были ведомые сетью, достичь высоких энергетических показателей не удавалось. Во многом это объясняется необходимостью иметь запас по углу между векторами потокосцепления ротора и статора, для того чтобы избежать опрокидывания машины. В случае с электродвигателем, управляемым от преобразователя, такое ограничение отсутствует, и основной задачей становится оптимизация геометрии машины и законов управления.
На данном этапе производилась оптимизация соотношения длины электрической машины к её диаметру. Сложность определения параметров ротора, таких как Ld и Lq, при варьировании геометрии машины приближенными методами диктует необходимость использования модели с распределенными параметрами. Оптимальным является соотношение DР/l=0,7, когда момент, создаваемый машиной, является максимальным, а влияние полей выпучивания, создаваемых лобовыми частями, обмотки не оказывает существенного влияния.
На следующем этапе производилась оценка разнотолщинности получаемых труб с учетом дискретного режима работы электропривода. Наиболее существенное влияние здесь оказывают зубцовые пульсации момента, поскольку при работе на пониженных скоростях их частота заметно снижается, а амплитуда становится соизмеримой со средним моментом, что приводит к “волнообразному” виду диаграммы скорости. На модели с распределенными
параметрами были проведены исследования амплитуды зубцовых пульсаций для нескольких асинхронных машин серии 4А и реактивных машин, выполненных на их основе (ротор машины заменялся на пассивный). Для реактивных машин амплитуда зубцовых пульсаций получилась заметно больше, в среднем на 40%. Обусловлено это явление явнополюсностью ротора.
Машины малой мощности выполняются обычно с небольшим числом пазов Z\ = 18...36. При этом на полюс и фазу может приходиться от 3 до 9 пазов (рассматриваются машины срр = 2...6). Двигатели большой мощности обычно выполнены с Zi = 72...80. Чем меньше число пазов на полюс и фазу, тем выше амплитуда зубцовых пульсаций по отношению к номинальному моменту, и меньше их частота. Однако, увеличения момента можно добиться не только за счет большего диаметра, но и посредством увеличения длины магнитопровода.
В позиционном электроприводе на пониженных скоростях данное явление может оказывать значительное влияние на точность позиционирования. Для оценки этого влияния на вход регулятора момента двухмассовой модели, выполненной в программном пакете Matlab Simulink, подавалась синусоида. Амплитуда сигнала Азп варьировалась в диапазоне реальных значений амплитуды зубцовых пульсаций, полученных на модели с распределенными параметрами, частота - в диапазоне, соответствующем частоте зубцовых пульсаций машин разной полюсности, при скорости ^ = 1 …5 рад/с. Целью данного эксперимента было определить перерегулирование в системе, обусловленное исключительно наличием зубцовых пульсаций момента. В результате было установлено, что на малых частотах перерегулирование может составлять до 2% от величины подачи. Причем при большей податливости системы этот эффект усугубляется. Таким образом, в случае недопустимого перерегулирования в системе, обусловленного конструктивными параметрами электрической машины, рекомендуется вернуться к предыдущему этапу и произвести выбор силового оборудования с учетом указанных особенностей.
Традиционно для уменьшения зубцовых пульсаций применяется скос пазов статора. Для моделирования этого случая необходимо было перейти к решению задачи в пространственной постановке. Созданная трехмерная модель состояла из 800 тыс. конечных элементов, поэтому для её решения использовался программный пакет ANSYS APDL, доступный в лаборатории суперкомпьютерного моделирования ЮУрГУ. Кроме того, переход к пространственной модели позволил учесть краевые эффекты, что довольно важно для машины с L/Dс < 1. Скос пазов осуществлялся на одно пазовое деление, эффект снижения амплитуды пульсации момента за счет применения данной технологии составляет 30%.
При большом быстродействии контура регулирования момента КРМ и малой механической постоянной времени двигателя, воздействуя на передаточное число редуктора j, можно получить высокую точность позиционирования. Но все вышесказанное справедливо, если считать, что контур регулирования момента имеет бесконечную полосу пропускания частот. Поэтому синтез контура регулирования момента производился по критерию минимума времени переходного процесса в нем. Была произведена
сравнительная оценка различных принципов формирования момента в электрической машине. По указанному критерию наилучшей оказалась система прямого управления моментом (Direct torque control, DTC).
В данной системе в каждый момент времени состояние инвертора напряжения выбирается таким, чтобы уменьшить (ограничить) ошибку регулируемых координат. В качестве таковых выступают потокосцепление статора фс и электромагнитный момент М. Быстродействие данной системы будет определяться дискретностью Тс работы цифрового контроллера, посредством которого осуществляется работа системы. Это означает, что выбранный вектор напряжения удерживается в течение Тс. Действительно, статорная цепь описывается уравнением:
d4>c
где исиіс- напряжение и ток статора, гс- сопротивление обмотки статора.
Поскольку в электрических машинах промышленного исполнения индуктивное сопротивление статора многократно превышает активное, величиной гс можно пренебречь, тогда приращение вектора \рс за время Тс:
&Фса — иса^сМ)ср = ис^с
где иса,иср - составляющие вектора напряжения в неподвижной системе координат.
В работах Рудакова В.В., Козярука А.Е., Перельмутера В.В., Соколовского Г.Г. достаточно подробно описана система DTC для асинхронного электропривода. Задача же отладки данного управления для реактивной машины является достаточно актуальной.
Однако следует обратить внимание на то, что для разрабатываемого электропривода актуальной становится задача обеспечения высокой перегрузочной способности. Обеспечить линейность зависимости М=f(I) возможно только при последовательном возбуждении, что проще всего реализуется в СРМНВ. Зависимость электромагнитного момента от фазного тока двигателя является линейной на участке 1... 3 МН, что заметно упрощает наладку системы управления. Однако, требование к быстродействию контура момента остается актуальным.
Технологический объект стана холодной прокатки труб является многосвязанным объектом. Труба является связующим звеном, т.е. оказывает статическую нагрузку на электроприводы проката, подачи, поворота. В ходе прокатки, если рассматривать такую систему с позиции исключительно электропривода подачи, параметры объекта управления могут существенно меняться. Кроме того, при срыве трубы с оправки электропривод работает в зоне перегрузки, что ведет к насыщению магнитной системы электрической машины
и существенному изменению соотношения d і . Работа в зоне перегрузок
приводит к нагреву машины и увеличению активного сопротивления статорной обмотки гг. Задачей современной системы электропривода является обеспечить требуемые показатели качества регулирования в конечном итоге движения
заготовки. Одним из путей достижения этой цели является применение адаптивных систем с самонастройкой.
Системы DTC в этом смысле являются более надежными, так как регуляторы тока (момента) в них выполнены не линейными, а релейными. Однако и в этих системах при изменении параметров сверх допустимых пределов настройка релейного коридора, выполненная изначально, впоследствии будет работать некорректно, что также приведет к неустойчивости системы.
Зачастую в сложных системах, описываемых дифференциальными уравнениями третьего порядка и выше, обеспечить требуемую точность простыми методами становится практически невозможно. В этом случае выбирают другой путь, позволяющий уменьшить статическую ошибку по положению, - применение структур с модальным управлением.
В зависимости от величины упругости в контуре рабочего органа возможны два варианта построения системы управления по критерию максимальной точности. Наилучшие результаты могут быть получены в системах с модальным управлением, но эти структуры требуют большего количества исходных данных при синтезе и настройке наблюдателя системы, больше временных ресурсов при наладке. Предлагаемая методика параметрического синтеза позволяет дать ответ, в каком случае можно использовать систему с подчиненным регулированием, и в каком целесообразно применять модальное управление. На рис. 5 показана зависимость перерегулирования в контуре положения при использовании системы подчиненного регулирования (1) и модального управления (2) от частоты среза контура момента а)КРМ и частоты среза контура рабочего органа
LРО
А/2, %
40 у
30 --'
Данная зависимость была получена на математической модели. Передаточные функции звеньев прямого канала в обоих случаях были одинаковы. Исходная система подчиненного регулирования имела частоту среза контура момента й)КРМ = 1500 рад/с, скорости а)г = 200 рад/с, контура, содержащего упругое звено, 0)С = 20 рад/с.
Система модального
юкрм, рад/с
юсро, рад/с
Рис. 5. Зависимость перерегулирования в
контуре положения от частоты среза
контура момента *)КРМ и частоты среза
контура II (jl>cРО в схемах с подчиненным
регулированием (1) и модальным
управлением (2)
регулирования имела те же значения
частоты среза внутренних контуров
(момента и скорости), а частота среза
каждого последующего внешнего
контура выбиралась в 2-3 раза
большей. Варьируя параметры
постоянной времени звена,
учитывающего упругость винтовой
передачи и постоянную времени КРМ, на вход системы подавался ступенчатый сигнал. На выходе регистрировался сигнал положения.
Было установлено, что при перерегулировании порядка 10% разнотолщинность трубы не превышает 7%, что соответствует допустимому технологией отклонению. В случае жесткой механической системы и быстродействующего контура момента обе системы показывают близкий результат по качеству переходного процесса в контуре положения.
Наиболее наглядно преимущества каждой из систем видны в области малых значений частоты среза каждого из приведенных контуров. В подчиненной системе регулирования уменьшение частоты среза контура второй массы ведет к снижению максимально допустимой частоты среза контура положения, а следовательно, и всей системы. В случае модального управления уменьшение постоянной времени звена упругости компенсируется увеличением коэффициента модального регулятора в этом контуре и не оказывает влияние на частоту среза контура положения. Устойчивость системы определяется здесь лишь быстродействием внутреннего контура регулирования момента. Для системы электропривода подачи стана ХПТ, у которой частота среза контура, содержащего упругое звено, составляет 20 рад/с, более эффективной является система модального управления.
ВЫВОДЫ
-
Разработана математическая модель электропривода подачи стана ХПТ, в которой механическая часть представлена как двухмассовая, преобразователь частоты аппроксимирован непрерывным динамическим звеном, электродвигатель - системой с распределенными параметрами, адекватность которой подтверждена статистической обработкой осциллограмм переходных процессов тока и скорости, снятых на реальном объекте.
-
Выполнен учет влияния работы главного привода клети на механизм подачи, что позволило определить оптимальную траекторию движения электропривода и сформулировать требования к показателям точности и быстродействия системы.
-
Предложена методика выбора силового электротехнического оборудования и законов управления электроприводом подачи стана ХПТ, представленного в виде многосвязной системы по критерию минимума ошибки позиционирования рабочего органа, что позволило улучшить качество переходных процессов и, как следствие, ограничить разнотолщинность получаемых изделий в пределах 7%.
-
Выбор структуры управления определяется соотношением частот среза одного из контуров “неизменяемой” части электропривода и контура регулирования электромагнитного момента. В случае высокой инерционности механической части при частоте среза данного контура о)с = 10-25 рад/с целесообразнее использовать систему модального управления. В случае низкой частоты среза контура регулирования момента 6l)kpm = 50- 500 рад/с следует применять подчиненное регулирование.
-
Предложенная структура модального управления позволяет ограничить перерегулирование в контуре положения в пределах 10% независимо от сортамента. Достичь этого результата стало возможным за счет высокого быстродействия контура регулирования момента, который, в свою очередь, достигается за счет применения систем прямого управления моментом и использования СРМНВ, имеющей высокие показатели МА/.
-
Модернизация электропривода подачи позволит повысить точность позиционирования заготовки и тем самым снизить процент брака выпускаемой продукции, что даст значительный экономический эффект (ожидаемая годовая экономия порядка 1,5 млн. р.).
Технико-экономическое обоснование повышения производительности
При постоянстве затрат на организацию производства (освещение, заработная плата рабочих, транспортные расходы) увеличение производительности стана позволит снизить себестоимость выпускаемой продукции и тем самым повысить её конкурентоспособность. Как было отмечено выше, основным этапом прокатки, требующим модернизации является подача трубы. Повышение точности позиционирования заготовки позволит снизить отбраковку продукции на 9-12%. По технологическим данным ОАО «ЧТПЗ» за 9 месяцев цехом №5 произведено около 15272 тонн труб. Себестоимость каждой тонны трубы 40 тыс. рублей.
Не мало важным остается вопрос качества продукции. Основным требованием, предъявляемым к готовой трубе является равномерность стенки. По данным руководства цеха №5 ОАО «ЧТПЗ» порядка 55% продукции производится для изготовления гидроцилиндров, 15% - для атомной промышленности (в основном ТВЭЛы), 25% - лонжероны для сверхтяжелого вертолета МИ-28, 5% – остальная продукция. В Таблице 1.3 приведены требования к разностен-ности готовой продукции для основных категорий выпускаемого сортамента.
Для оценки потенциальных возможностей использования стана попытаемся проанализировать участки работы, которые имеют существенную долю во всем переходном процессе. Наиболее характерным для такого анализа является статистическая обработка. Исходные данные были предоставлены Челябинским трубопрокатным заводом, а также были частично заимствованы из диссертации Остроухова В.В. [87]. Анализ проводился для максимально широкого диапазона возможностей работы стана и включал, в частности, следующие режимы: прокатка максимально податливой трубы (длиной 25м., диаметром 140мм., толщиной стенки 2,5 мм.), прокатка максимально жесткой трубы (длиной 6 м., диаметром 450 мм., толщиной стенки 50 мм.), работа с наивысшей скоростью 40 двойных ходов в минуту, и с наименьшей производительностью 10 двойных ходов в минуту. Одна из наиболее характерных осциллограмм представлена на рис. 1.2. Здесь же обозначены наиболее значимые участки работы.
В качестве электропривода подачи выступает позиционный электропривод с подчиненным регулированием тока, скорости и положения. Силовая часть организована посредством тиристорного преобразователя. Задание на ток поступает с выхода регулятора скорости. Перемещение осуществляется с оптимальной характеристикой скорости, представленной на рис. 1.2, 2. Анализ осциллограммы тока (рис. 1.2, 1) показывает, что при разгоне привода регулятор скорости работает сначала в линейном режиме, а затем происходит его насыщение. Просадка тока в данном случае обусловлена наличием бестоковой паузы при раздельном управлении вентильными группами. Увеличение быстродействия контура тока позволит осуществлять разгон с максимальным ускорением, что обеспечит увеличение производительности стана.
Для оценки доли времени нарастания тока в общем времени разгона была проведена статистическая обработка осциллограмм тока и скорости, полученных экспериментально (рис. 1.3). В качестве метода статистической обработки гипотез был выбран критерий Стьюдента. Доказано (Таблица 1.1), что максимальное отклонение исследуемой величины от среднего значения не превышает допустимого, т.к. полученный квантиль Стьюдента получился меньше критического. Это обстоятельство позволяет нам в качестве итоговой оценки брать среднее значение доли времени нарастания тока.
Поскольку процесс снятия осциллограмм на работающем объекте является довольно затруднительным, количество экспериментов n было ограничено 10. При этом для степени свободы f=n-1 критический односторонний квантиль Стьюдента будет равен tk=1,83 (вероятность 95%). В качестве ожидаемой величины Tож возьмем среднее значение доли времени нарастания тока. Разность наблюдаемого и ожидаемого значений d и её квадрат позволяют вычислить нам стандартное отклонение sd и квантиль Стьюдента (Таблица 1.4).
Аналогичные расчеты производились для остальных участков переходного процесса. Во всех случаях полученный квантиль Стьюдента получился меньше критического, что позволяет нам с вероятностью 95% утверждать, что каждый из участков имеет следующие доли в общем времени переходного процесса: участок 1 – 33,5%; участок 2 – 28,5%; участок 3 – 7%; участок 4 – 5%; участок 5 –6%; участок 6 –20%.
На втором участке регулятор скорости насыщается и электропривод работает с максимальным ускорением. Данное ограничение необходимо для того, чтобы механические усилия, в частности в зубчатых передачах не превышали допустимые. Кроме того, это ограничение обусловлено низкой перегрузочной способностью работающего электромеханического преобразователя. Наиболее же оптимальным с нашей точки зрения в этом ключе является синхронный электропривод с независимым управлением по каналу возбуждения [31].
Третий участок спадания тока до нуля ограничен лишь индуктивностью обмотки и быстродействием контура скорости. На четвертом участке привод работает с постоянной максимальной скоростью, которая ограничена максимумом сигнала на выходе регулятора положения. Пятый и шестой участки аналогичны по своей сути участкам 1 и 2 соответственно с той лишь разницей, что при торможении электроприводу необходимо развивать меньший момент за счет активного характера момента сопротивления (силы трения трубы).
С учетом произведенного анализа рассмотрим пути уменьшения времени позиционирования трубы. Для обеспечения высоких энергетических и производственных показателей стана ХПТ с точки зрения электропривода подачи необходимо обеспечить оптимальную кривую переходного процесса ограничив при этом ускорения уязвимых частей механизмов в пределах допустимых значений. Чаще всего таковыми узлами являются зубцы шестерни редуктора. Традиционно для уменьшения динамических нагрузок в кинематических цепях стремятся увеличить добротность электромеханического преобразователя M/J, уменьшить маховые массы и минимизировать люфты. Это позволяет уменьшить долю динамических нагрузок в общей нагрузке с 90…95% до 55…65%. Для ограничения усилий в пределах допуска используют программ-нореализуемые блоки ограничения.
Оптимизация геометрии ротора
Сегодня в силу высокого развития силовой полупроводниковой преобразовательной техники наиболее распространенным в промышленном применении является частотнорегулируемый асинхронный электропривод. Однако современные технологии производства предъявляют более высокие требования к быстродействию, перегрузочной способности и надежности систем электроприводов. В этой связи уместно рассмотреть другие варианты исполнения части электромеханического преобразования.
Лучше всего вышеуказанным требованиям отвечает синхронная реактивная машина независимого возбуждения (Field regulated reluctance machine). Большую работу в усовершенствовании конструкции данной машины проводил в своих исследованиях Е.В. Кононенко [64]. Однако в силу того, что все образцы были ведомые сетью, достичь высоких энергетических показателей не удавалось. Во многом это объясняется необходимостью иметь запас по углу между векторами потокосцепления ротора и статора для того чтобы избежать опро кидывания машины. В случае с электродвигателем, управляемым от преобразователя, такое ограничение отсутствует, и основной задачей становится оптимизация геометрии машины и законов управления.
Применяя новые подходы к управлению приводом можно достичь существенных результатов. Так, компания ABB сегодня выпускает линейку электроприводов с синхронной реактивной машиной. По данным компании, инженерам удалось разработать привод, с масса-габаритными показателями на 40% лучше по сравнению с АД. Кроме того, отсутствие обмоток в роторе СРМНВ улучшает энергетические показатели машины, и, поскольку в этом случае отсутствует противо ЭДС, защита преобразователя от перенапряжения становится излишней.
Эти результаты могут быть получены при детализированном моделировании процессов, в частности методом конечных элементов. Данный метод широко применяется для решения задач прикладной физики, в частности электродинамики. Математическим фундаментом в этом случае является система дифференциальных уравнений классической электродинамики Максвелла.
Существует множество программных продуктов, позволяющих пользователю проводить МКЭ требуемый анализ, не вникая глубоко в математический аппарат (ANSYS, ELCUT, MATLAB, FEMLAB и др.) Наиболее подробно технология расчета описана в [117]. Суть её сводится к тому, что пользователь создает модель для плоско-параллельной или пространственной постановки задачи, задает свойства материалов, нагрузки в виде токов, напряжений и т.д., определяет граничные условия и параметры конечно-элементной сетки. Далее производится непосредственно расчет, результатом которого является картина полей для каждой точки модели (для каждого узла всех КЭ), а также возможность вычисления интегральных показателей. Наиболее интересным для нас является электромагнитный момент, создаваемый машиной.
В [72] описан принцип определения электромагнитного момента посредством тензора напряжений Максвелла. Преимуществом описанной в данной статье методики является то, что при повороте ротора нет необходимости перестраивать КЭ сетку всей модели, т.к. зазор вручную разделяется на три «слоя», крайние из них прилегают к статору и ротору, а после поворота сетка генерируется заново только для «среднего слоя». В выбранном же нами КЭ продукте ANSYS Maxwell это делается автоматически.
Прежде чем переходить к результатам, хотелось бы отметить ключевые особенности конечно-элементной модели. В первую очередь важным является вопрос генерации конечно-элементной сетки. Критерием оптимизации машины являлся электромагнитный момент, вычисляемый в плоско-параллельной постановке задачи с помощью тензора напряжения Максвелла относительно оси z: радиус-вектор в глобальной декартовой системе координат п - нормаль к поверхности Поскольку данный интеграл берется по исследуемой поверхности, в нашем случае ротора, критичным здесь было точно разбить зазор. В нашем случае точность разбиения зазора выбрана в 10 раз больше точности разбиения ротора. На рис. 2.1 приведена конечно-элементная сетка 2D расчета.
Важным в применении данного метода является принятие нескольких допущений. Так, мы не учитываем изменение магнитных и электрических свойств материалов при нагреве машины во время работы. Обмотку принимаем идеально уложенной в паз с учетом коэффициента заполнения. При Рис. 2.1 - Конечно-элементная сетка расчете задачи в плоско-параллельной постановке не учитываются краевые эффекты, поля рассеивания учитываются только в радиусе 0,5 м от края машины.
Верификация моделирования производилась посредством сравнения угловых характеристик электрических машин в диапазоне мощностей от 2 до 15 кВт. Данный эксперимент проводился на асинхронных, синхронных и синхронно-реактивных машинах. Под угловой характеристикой мы понимаем зависимость электромагнитного момента на валу двигателя от угла поворота ротора при постоянстве тока статора. Сходимость с натурным экспериментом составила 95%. Подробнее данный эксперимент будет описан далее.
Улучшение массогабаритных показателей электрической машины На первом этапе стояла задача оптимизации электрической машины. Имея возможность глубокого анализа электромагнитных полей в машине, необходимо обратить внимание на несколько обстоятельств. В первую очередь при проектировании электрической машины обращается внимание на участки насыщения. Условно говоря, принято, что индукция в зубцах не должна превышать 1,9 Тл, в спинке 1,6 Тл, и в роторе 1, 4 Тл. Это эмпирические данные, полученные из условий нагрева машины. Исходя из этих условий, на первом этапе производилась оптимизация отношения диаметра ротора к диметру статора.
Прямое управление моментом
До сих пор вопросы увеличения быстродействия системы и точности позиционирования рассматривались с точки зрения оптимального передаточного числа редуктора. При большом быстродействии контура регулирования момента КРМ и малой механической постоянной времени двигателя, воздействуя на передаточное число редуктора j, можно получить высокую точность позиционирования. Но все вышесказанное справедливо, если считать, что контур регулирования момента имеет бесконечную полосу пропускания частот. Поэтому в следующей главе будут рассмотрены пути увеличения быстродействия КРМ. Если теперь мы заменим регулятор момента на апериодическое звено первого порядка, тем самым ограничим бесконечную полосу равномерного пропускания частот конкретным значением, то получим несколько ухудшенный вид переходных процессов. Степень ухудшения будем оценивать величиной перерегулирования Ah. На рис. 2.28 обозначена граница влияния каждого из параметров. Приу 0,13 перерегулирование в большей степени зависит от Тм, в то время как приу 0,13 точность позиционирования зависит как раз оту.
С позиции точности позиционирования уточнения требует модель самого двигателя. На упрощенной модели электромеханическая часть двигателя заменялась звеном —, в относительных единицах принима Тдр лось, что / = М. Однако, как известно из теории электрических машин, наличие открытых пазов приводит к пространственной несинусоидальности индукции в воздушном зазоре. В рабочем режиме это приводит к наличию высших гармоник момента во временной области, их принято называть зубцовыми пульсациями.
На модели с распределенными параметрами, представленной в п.2.1 были проведены исследования амплитуды зубцовых пульсаций для нескольких машин серии 4А. Выборочно для нескольких машин был произведен натурный эксперимент. Суть его заключалась в следующем. Статор и ротор асинхронных двигателей запитывались постоянным током, и при вращении вручную вала двигателя с помощью закрепленного на нем рычага измерялось усилие на расстоянии l от вала посредством динамометра. Аналогичный эксперимент проводился на двух синхронных реактивных машинах, выполненных на базе АД серии 4А. Сходимость экспериментальных данных с данными, полученными в результате моделирования составила 95%.
Машины малой мощности выполняются обычно с небольшим числом пазов Z1=18…36. При этом соответственно на полюс и фазу может приходиться от 3 до 18 пазов (рассматриваются машины с pp=2…6). Двигатели большой мощности обычно выполнены с Z1=72…80. Чем меньше число пазов на полюс и фазу, тем выше амплитуда зубцовых пульсацией по отношению к номинальному моменту и меньше их частота. Однако, увеличения момента можно добиться не только за счет большего диаметра, но и посредством увеличения длины магнитопровода. В этом случае номинальный момент будет увеличиваться и доля зубцовых пульсаций станет падать.
В позиционном электроприводе на пониженных скоростях данное явление может оказывать значительное влияние на точность позиционирования. Для оценки этого влияния полученные на модели с распределенными параметрами зубцовые пульсации подавались в виде синусоиды на вход регулятора момента двухмассовой модели Simulink. Амплитуда сигнала Азп варьировалась в диапазоне реальных значений, частота о) в диапазоне, соответствующем частоте зубцовых пульсаций машин разной полюсности, при скорости а = 1... 5 рад/с. Целью данного эксперимента было определить перерегулирование в системе, обусловленного исключительно зубцовыми пульсациями. На рис. 2.30 представлены результаты моделирования. Как видно из рисунка, на малых частотах перерегулирование может составлять до 2% от величины подачи. Причем при наличии податливости в системе этот эффект усугубляется. Рис. 2.30 Перерегулирование в системе позиционирования, вызванное зубцовыми пульсациями частотой и амплитудой АЗП
Развитие силовой полупроводниковой, а также информационной техники позволяет контролировать в электроприводе переменного тока параметры, не доступные раньше даже для наблюдения. Например, в системах с векторным управлением АД благодаря использованию контроллеров во время работы привода обсчитывается модель двигателя, что позволяет независимо регулировать активную и реактивную составляющую тока статора.
В СРМНВ этому вопросу уделяется особое внимание - величины токов возбуждения и якоря задаются независимо, что позволяет элементарно обеспечить режим ослабления поля, а также улучшить энергетические показатели привода в целом за счет оптимизации законов управления. Данное обстоятельство дает электроприводу с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения большие преимущества по сравнению, например, с синхронной машиной, возбуждаемой постоянными магнитами. Энергетические показатели привода с СРМНВ мощностью боле 100 кВт гораздо выше, чем у того же двигателя на постоянных магнитах. Технология сборки СРМНВ гораздо проще, что улучшает в разы ремонтопригодность машины. Бесконтактность и высокая механическая прочность ротора делают электропривод с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения одним из самых надежных.
При расчете работы двигателя от преобразователя частоты наименьшая скорость, которую электропривод стабильно поддерживает под действием номинального момента, 1 об/мин. Контур скорости при этом отрабатывает коммутационные пульсации момента. Стоит отметить, что максимальная скорость в данном приводе ограничена лишь возможностями коммутационной аппаратуры. Однако с точки зрения электромеханики важно обеспечить высокие энергетические показатели электропривода при удовлетворении требований технологии.
Здесь важную роль играет выбор числа полюсов машины. Для традиционных сетевых двигателей переменного тока число полюсов машины выбирается по номинальной скорости. Т.е. при питании от сети двигатель должен обеспечивать работу в номинальной точке.
Когда же проектирование электропривода производится комплексно, понятие номинальной скорости несколько изменяет свой смысл. Нет привязки к 50 Гц, а следовательно с учетом возможностей полупроводниковой техники ПЧ может выдать любую частоту коммутации.
Актуальным здесь становится выбор числа полюсов машины. МКЭ производился анализ угловых характеристик (зависимости электромагнитного момента от угла поворота ротора при постоянстве тока статора). Варьировалось число пар полюсов 2p=2,4,6,8,12. При этом наиболее существенное влияние на величину создаваемого машиной момента влияла высота спинки, или отношение Dp/Dc
Адаптивная система с самонастройкой параметров
Одним из путей повышения производительности стана является увеличение максимальной скорости подачи (пп.1.4). При работе электропривода с СРМ на повышенных скоростях инерционность обмоток статора может существенно влиять на процесс коммутации токов. При значительном запаздывании переключения тока относительно сигнала задания часть статорной обмотки, выполняющая функцию якоря находится не строго над полюсом, а на некотором отклонении от оптимального положения. Вследствие этого усиливается размагничивающая составляющая поля, и при I=const электромагнитный момент падает. В данной главе дается количественная оценка данных потерь и производится синтез адаптивной системы управления, позволяющей работать с максимально возможным соотношением M/I в широком диапазоне регулирования скорости.
На модели, приведенной на рис. 2.15, выполненной в программном комплексе ANSYS Simplorer–Maxwell производились исследования влияния инерционности контура тока на регулировочные показатели электропривода на базе СРМ с независимым управлением по каналу возбуждения. Постоянной была задана статическая нагрузка. Поскольку представленная система является замкнутой, момент, создаваемый электроприводом в установившемся режиме был для всех случаев постоянным. При увеличении скорости, увеличивалась и частота коммутации тока статора, имеющего прямоугольную форму. Так как в обмотке с индуктивностью L, ток не может мгновенно изменить направление, данное переключение происходит с определенной задержкой. На малых скоростях величина этой задержки занимает незначительную долю в периоде коммутации и не оказывает большого воздействия. В случае работы на скорости порядка 2–3 тыс. об/мин (в случает представленной шестиполюс-ной машины) данная задержка играет существенную роль в переходном процессе в контуре тока. За время данной коммутации ток имеет условно «неправильный» знак, и соответственно оказывает размагничивающее влияние на полюс ротора. При этом для создания того же момента требуется потреблять больший ток. Осциллограммы описанных процессов приведены на рис 4.1.
Как видно из рисунка, мгновенное значение тока в фазе отличается от сигнала задания: имеется как небольшой сдвиг по фазе, так и колебательный характер, обусловленный зубцовыми пульсациями момента. Для оценки величины потерь, обусловленных вышеописанными процессами, производилось вычисления среднеквадратичного тока за несколько периодов /сркв. При увеличении скорости для минимизации времени нахождения полюса в «неправильном» положении производился сдвиг момента коммутации, другими словами ток в обмотке переключался заранее. Технически это возможно сделать введя угол коррекции КУ (см. рис. 2.14).
На рис. 4.2 приведена зависимость соотношения MJI для оптимального угла коррекции, т.е. когда при М=const, /сркв. = min при варьировании скорости вала двигателя со = 1... 400 рад/с. Очевидным здесь является то, что при увеличении скорости двигателя сигнал задания на ток необходимо сдвигать на больший угол. Однако возникает вопрос, почему при ш = 1 оптимальный угол
Зачастую в сложных системах, описываемых дифференциальными уравнениями третьего порядка и выше обеспечить требуемую точность простыми методами становится практически невозможно. В этом случае выбирают другой путь, позволяющий уменьшить статическую ошибку по положению – применение структур с модальным управлением. Суть его сводится к следующему.
В системе, приведенной на рис. 1.5 введем обратную связь по каждой из координат прямого канала (рис 4.3). Таким образом у нас получится 4 контура регулирования: момента М, скорости вала двигателя n1, момента упругости Му и скорости перемещения каретки n2. Настройку начнем с контура момента, выполним его максимально быстродействующим, выбрав соответствующую ве Рис. 4.3. Структура модального управления личину коэффициента k1. Далее, варьируя величину коэффициента обратной связи контура скорости вала двигателя k2, добьемся постоянной времени данного контура T2=(2…4)T1. Настройку всех последующих контуров произведем аналогичным образом. В конечном итоге получим систему, в которой постоянная времени каждого последующего внешнего контура будет в 2…4 раза больше. Перекрестные связи можно учесть двумя способами: либо привести к сумматору, расположенному на выходе регулятора положения по правилам переноса, либо отбросить[148].
Получившаяся система регулирования позволяет достичь высоких динамических показателей. Однако, за счет большого числа обратных связей требует большого количества датчиков, что ведет к существенному её удорожанию. Для решения этой проблемы принято использовать «наблюдатели» – устройства, вычисляющие в режиме реального времени координаты привода по одному или нескольким, доступным для измерения сигналам. С учетом развития современной микропроцессорной техники реализация данных устройств не представляет особой сложности. Однако, следует отметить, что полноценно просчитать все координаты реального объекта с учетом возмущающих воздействий и внешних факторов практически невозможно. Для увеличения точности расчета наблюдатель обычно охватывают обратной связью по положению (рис 4.4).
