Введение к работе
Актуальность темы. На сегодняшний день наиболее перспективным из регулируемых электроприводов (ЭП) является частотно-регулируемый ЭП на основе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (АД) и преобразователя частоты (ПЧ) со звеном постоянного тока и автономным инвертором напряжения (АНН). Управление современным асинхронным частотно-регулируемым электроприводом (АЭП) осуществляется при помощи микропроцессорных систем управления (МПСУ).
В настоящее время АЭП в основном применяется для механизмов длительного режима работы (S1, S6) и поэтому определяющими требованиями к системе регулирования являются поддержание на заданном уровне технологических параметров и высокие энергетические показатели ЭП.
В последнее время расширяется область применения АЭП для механизмов со значительной долей неустановившихся режимов работы (пуско-тормозные, реверс и т.д.). Это металлообрабатывающие станки, подъемно-транспортные устройства различного назначения и другие механизмы где АЭП работают в режимах S2-^S5. Здесь наибольшее значение имеет высокое качество динамических процессов (быстродействие, перерегулирование и т.п.).
Применяемые сегодня МПСУ не в полной мере удовлетворяют требованиям АЭП как первой группы механизмов (режимы S1 и S6), так, и тем более, второй (режимы S2+S5). Это связано с тем, что их элементная база проектируется не специалистами по ЭП, а фирмами-изготовителями, занимающимися выпуском широкой гаммы микропроцессоров (МП) и микроконтроллеров (МК) многоцелевого назначения. В результате, даже специализированные к АЭП микроконтроллеры имеют применительно к АЭП далекую от совершенства архитектуру и "закрытое" алгоритмическое обеспечение. Существующие МПСУ не в полной мере реализуют такие возможности прямого микропроцессорного управления как мультиалгоритмическое регулирование, оптимизированное для каждого режима работы, диагностика и прогнозирование и др.
Традиционно используемые непрерывные методы синтеза и оптимизации систем автоматического регулирования (САР) АЭП, компромиссные настройки регуляторов САР в фиксированной рабочей точке ухудшают динамические свойства АЭП при широком диапазоне регулирования. Теория импульсных систем позволяет использовать как традиционные, так и новые критерии для синтеза регуляторов АЭП и дает возможность реализации принципа декомпозиции при синтезе САР. К тому же, дискретный метод синтеза, оперируя с дискретными величинами, позволяет унифицировать проектирование САР и системы диагностирования.
Независимо от режима работы АЭП постоянно повышаются требования обеспечения необходимых уровней надежности и безотказности. Выполнение этих требований возможно только путем оснащения АЭП встроенной системой диагно-
стирования, проектирование которой должно производиться параллельно с проектированием объекта диагностики (МПСУ и весь ЭП в целом). Ведущиеся в настоящее время исследования в области технической диагностики АЭП не предполагают единого подхода ко всем элементам системы АЭП и, как следствие, малопригодны в практическом плане.
В этой связи комплексное решение всех перечисленных выше проблем МПСУ АЭП является актуальным и своевременным.
Цель диссертационной работы заключается в разработке и исследовании новой архитектуры мультипроцессорной системы управления (ММПСУ) АЭП с реализацией функций регулирования, управления и диагностирования.
Задачи диссертационной работы:
1. Разработка и схемная реализация оптимизированной архитектуры
ММПСУ, позволяющей расширить выполняемые функции и предусмотреть даль
нейшее увеличение объема вычислений.
-
Разработка математических моделей АЭП, наиболее полно учитывающих физику работы силовой части и ММПСУ АЭП.
-
Структурно-параметрический синтез микропроцессорных регуляторов выходных параметров АЭП.
-
Разработка аппаратных и программных средств технического диагностирования и прогнозирования неисправностей элементов системы АЭП.
Методы исследования. Для теоретических исследований использовались: теория электрических машин переменного тока, теории непрерывных и импульсных систем, дискретно-операторный метод, основанный на использовании модифицированного Z-преобразования, общая теория технического диагностирования. Экспериментальные исследования проводились на макетных и промышленных образцах с помощью современной измерительной аппаратуры и средств автоматизации обработки результатов эксперимента.
Научная новизна:
-
Разработана универсальная архитектура ММПСУ АЭП, оригинальность которой подтверждена свидетельством на полезную модель.
-
На основе дискретно-операторного метода разработана математическая модель, позволяющая более точно учесть электромагнитные и электромеханические процессы в АЭП.
-
Для САР АЭП синтезированы цифровые регуляторы составляющих тока статора, скорости и потокссцепления ротора, реализующие непрерывные (модульный и симметричный оптимумы) и дискретные (минимум среднеквадратичной ошибки и максимальное быстродействие) критерии оптимальности.
4. Предложено описание АЭП как объекта диагностирования, базирующееся на дискретных методах представления объекта и позволяющее с единых методологических позиций оценивать и прогнозировать состояние всех элементов АЭП.
Практическая ценность.
-
Разработанная модульная архитектура ММПСУ обладает высокой производительностью, что позволяет использовать ее для решения большого количества задач управления, регулирования и диагностирования АЭП.
-
Разработанный комплекс алгоритмов и программ регулирования, управления и диагностирования представляет собой законченный продукт и может быть легко перенесен в программное обеспечение ММПСУ АЭП любой степени сложности.
-
Реализованные и экспериментально исследованные перспективные методы векторной широтно-импульсной модуляции позволяют просто и обосновано сделать выбор способа управления АИН в зависимости от конкретных требований потребителя.
-
Разработанные структурные схемы универсальных датчиков для задач диагностирования, прогнозирования и защиты позволяют помимо расширения функциональных возможностей снизить стоимость производства и эксплуатации АЭП за счет унификации и универсальности первичных источников информации.
Реализация результатов работы. Результаты работы использованы при разработке и внедрении АЭП вентилятора мощностью 2,2 и 11 кВт в кузнечнс-литейном производстве ОАО "ГАЗ", а также нашли применение в учебном процессе в НГТУ и ВГАВТ.
Апробация работы. Основные положения, результаты, выводы и рекомендации диссертационной работы доложены, обсуждены и получили положительные отзывы на следующих научно-технических конференциях:
- Десятая международная научно-техническая конференция
"Электроприводы переменного тока" ЭППТ-95, Екатеринбург, 19Э5.
Международная научная конференция "Методы и средства управления технологическими процессами", Саранск, 1996.
Всероссийские научно-методические конференции "Новые информационные технологии в системе многоуровнего образования", Нижний Новгород, 1996, 1997.
Научно-техническое совещание "Управление движением электромеханических систем", Санкт-Петербург, 1997.
Региональные научно-технические конференции "Актуальные проблемы электроэнергетики", Нижний Новгород, 1993 - 1S99.
Международная Научно-техническая конференция "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (XI Бернадосовские чтения), Иваново, 1999.
- Первая всероссийская научно-техническая конференция "Компьютерные технологии в наука, практике, производстве", Нижний Новгород, 1999.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 20 работ, получено свидетельство на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем диссертации составляет 167 страниц основного текста, 63 рисунка, список литературы включает 104 наименования.
