Введение к работе
Актуальность темы исследования. Привлекательность применения частотно-управляемого электропривода (ЧУЭП) с трехфазным асинхронным двигателем (АД) для производственных механизмов (ПМ), включая исполнительные механизмы (ИМ) технологических машин (ТМ) и рабочие органы (РО) промышленных роботов (ПР), известна. ЧУЭП является энергосиловой основой обеспечения ПМ механической энергией и эффективным средством управления технологическими процессами. Растущая тенденция использования ЧУЭП обусловлена рядом их преимуществ в сравнении c регулируемыми электроприводами постоянного тока и успехами, достигнутыми в теории и практике создания силовых полупроводниковых приборов СПП (IGBT, IGCT, MOSFET, GTO, MCT и др.) и преобразователей на их основе -автономных инверторов напряжения (АИН), а также систем управления ими на базе микроэлектроники и микропроцессорной техники. Взаимосвязь этой тенденции с совершенствованием технологических процессов определяет требования, предъявляемые в настоящее время к техническому уровню ЧУЭП, его энергоэффективности и возможности реализации технологических показателей. Однако использование ЧУЭП для ряда ПМ, работающих в повторно-кратковременном режиме (с ПВ 40, 60% и более), в настоящее время несколько сдерживается из-за сложности обеспечения необходимых энергетических и механических характеристик АД в зоне малой скорости движения ПМ. Известно, при управлении АД частота и выходное напряжение АИН регулируются в определенных соотношениях (для скалярного управления) и с заданными показателями качества, которые установлены международными и национальными нормами (ГОСТ 32144–2014, ГОСТ 13109, ГОСТ 30804.4.30–2013 (IEC 61000–4–30: 2008), ГОСТ Р51317.3.2–99), где суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения не должен превышать 5–8% для технических средств (класса А) промышленных предприятий. Исследования отечественных и зарубежных учёных, практика наладки и эксплуатации ЧУЭП показывают, что в диапазоне частоты формируемого напряжения АИН от 0,5 до 70 Гц существует «низкочастотная» область (0,5–20 Гц), где суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения в несколько раз превышает значение 5–8%. Гармоники тока статора АД совместно с основной гармоникой формируют пульсирующие электромагнитные моменты, вызывают неравномерность вращения вала АД в зоне «малой и ползучей» скорости движения ПМ. Указанные моменты в сочетании с нестабильными силами (моментами) трения в звеньях подвижности ПМ не позволяют программно решать задачи позиционирования РО с заданными параметрами (по точности). Одновременно гармоники тока затрудняют реализацию эффективных (по за-
тратам электроэнергии) и индивидуальных (по каждой координате) механических характеристик АД при разгоне и торможении, не обеспечивают согласование характеристик привода и механической системы ПМ при мультипроцессорном управлении ЧУЭП. Поэтому разработка и применение в ЧУЭП АИН с управлением суммарным коэффициентом гармонических составляющих выходного напряжения (при формировании пуско-тормозных режимов работы АД в зоне малой скорости) позволит программно: регулировать электрические потери от гармоник в энергетическом канале, обеспечивать согласование механических характеристик АД и ПМ, использовать пульсирующие моменты на валу АД c целью коррекции влияния сил трения в звеньях подвижности ПМ ЧУЭП, является важной и актуальной задачей.
Тема диссертационной работы соответствует научному направлению кафедры «Робототехника и мехатроника» ФГБОУВО «Донской государственный технический университет» (ДГТУ) по тематике «Преобразовательные устройства мехатронных и робототехнических систем».
Степень разработанности темы исследования. Исследованию различных режимов работы ЧУЭП и способам управления АИН посвящены работы отечественных учёных, таких как: Браславский И.Я., Шрей-нер Р.Т., Булгаков А.А., Бернштейн А.Я., Изосимов Д.Б., Ильинский Н.Ф., Поздеев А.Д., Терехов В.М., Соколовский Г.Г., Мещеряков В.Н., Петру-шин В.С., Ишматов З.Ш. и др., – а также и зарубежных: Blaschke F., Buja G., Leonard W., Vas P., Simon O., Schroder P. и др.
Разработкой и созданием преобразователей частоты в России и за рубежом занимаются: компания «ОВЕН» (г. Москва), компания «Веспер» (г. Москва), корпорация «Триол» (г. Москва), корпорация «Мицубиси Электрик» (Япония), корпорация «OMRON» (Япония), компания «Delta Electronics Industry Co., Ltd.» (Тайвань), компания «ABB» (Швеция).
Анализ научных работ и технических характеристик существующих преобразователей частоты показал, что вопросы по формированию напряжения питания АД в «низкочастотной» области (0,5–20 Гц) недостаточно проработаны с точки зрения уменьшения влияния гармонических составляющих на динамику АД и эксплуатационные характеристики ЧУЭП в зоне низкой скорости.
Объект исследования – формирование регулируемого синусоидального напряжения автономным инвертором для питания трехфазного асинхронного двигателя ЧУЭП производственного механизма в зоне малой скорости.
Предмет исследования – алгоритм работы ключевых элементов автономного инвертора напряжения для формирования «пуско-тормозных» режимов работы асинхронного двигателя ЧУЭП.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности ЧУЭП с улучшением механических характеристик АД в зоне малой
скорости благодаря ступенчатой «подмодуляции» несущей частоты автономного инвертора напряжения.
Задачи исследования, которые поставлены в работе:
– осуществить анализ состояния проблемы, определить направления совершенствования преобразовательных устройств и систем управления для обеспечения эффективности их работы по преобразованию электроэнергии в ЧУЭП ПМ;
– разработать метод и алгоритм переключения ключевых элементов АИН для повышения качества «квазисинусоидального» выходного напряжения АИН, обеспечивающего пуско-тормозные режимы работы АД при снижении пульсирующих моментов на валу и минимизацию потерь электроэнергии в зоне малой скорости движения ПМ;
– выполнить моделирование и экспериментальные исследования пуско-тормозных режимов, подтверждающие возможность снижения электрических потерь в АД при различных способах регулирования напряжения АИН;
– разработать математическую модель ЧУЭП ПМ и создать метод энергоэффективного пуска и торможения АД c учетом влияния гармоник тока статора и возможностью активного демпфирования колебаний ПМ;
– выполнить экспериментальные исследования преобразовательного устройства (АИН), подтверждающие работоспособность ЧУЭП с заданными техническими характеристиками;
– разработать структуру энергетического канала и системы управления ЧУЭП для реализации метода и алгоритма формирования напряжения АИН, схемотехнического решения электронных узлов для обеспечения энергоэффективных режимов работы АД в зоне малой скорости.
Научная новизна данного диссертационного исследования заключается в следующем:
– разработан метод формирования напряжения АИН с пространственно-векторной широтно-импульсной модуляцией (ПВ ШИМ) и ступенчатым изменением несущей частоты (НЧ), отличающийся m-кратной ее «подмодуляцией» в зоне малой частоты вращения вала АД;
– создан алгоритм управления ключами АИН, позволяющий обеспечить напряжение питания АД в зоне низких частот с суммарным коэффициентом гармонических составляющих kГ 8% и использованием предварительно рассчитанных временных параметров формирования базовых векторов;
– определены зоны регулирования тока подмагничивания статора АД в зависимости от скорости при программном поддержании расчетного динамического момента при двухтоковом торможении ПМ;
– разработан метод активного демпфирования вынужденных колебаний ПМ (консольной конструкции) посредством изменения
параметров импульса тока подмагничивания АД с учетом амплитуды и фазы вынужденных колебаний звена подвижности;
– применён способ «вибрационной линеаризации» коэффициента трения в звеньях подвижности ПМ и уменьшения момента «трога-ния» АД за счет управляемой вибрации ротора АД при изменении амплитуд 5-й и 7-й гармоник тока в диапазоне частоты 0,5–20 Гц.
Теоретическая и практическая значимость диссертационной работы:
– разработан метод регулирования амплитуд гармоник напряжения АИН в зоне «малой и ползучей» скорости движения ПМ с целью снижения влияния сил (момента) трения в звеньях подвижности при пуске и торможении АД в зоне малой скорости;
– разработана структурная схема вычислительного аппаратно-программного комплекса (АПК) для управления АИН ЧУЭП ПМ;
– разработана программа для одновременной обработки в режиме «реального времени» (значительной по объему) информации в системе управления ЧУЭП, обеспечивающая реализацию приведенных алгоритмов в заданные промежутки машинного времени работы АПК;
– создан учебный стенд, позволяющий экспериментально исследовать работу преобразовательного устройства (АИН), систему управления ЧУЭП, влияние гармонических составляющих выходного напряжения на формирование пульсирующих моментов на валу АД и управление амплитудами «вибраций» ротора при программном регулировании 5-й и 7-й гармоник тока статора.
Результаты, полученные в рамках данной работы, широко внедряются в виде комплектных ЧУЭП (модулей) городских рекламных щитов с программным перемещением информационного полотна (акт наладки от 24.11.2016г. предприятия ПНФ ОАО «Кавэлектромонтаж»), а также используются в учебном процессе кафедры «Робототехника и мехатроника» ФГБОУВО «Донской государственный технический университет» (ДГТУ).
Методология и методы исследования. При решении поставленных задач в работе использованы: методы математического моделирования, разложение в ряд Фурье, методы решения уравнений в частных производных, принцип максимума Понтрягина в сочетании с методом Ньютона-Рафсона при минимизации потерь; прикладное программирование и компьютерное моделирование в среде MathCAD, MatLAB+Simulink; экспериментальные испытания предлагаемых технических решений.
Положения, выносимые на защиту:
– метод и алгоритм формирования выходного напряжения АИН с улучшенным суммарным коэффициентом гармонических составляющих в зоне малых частот питания АД системы ЧУЭП ПМ с вычислительным АПК;
– математическая модель звена подвижности ПМ для исследования режима двухтокового динамического торможения АД при управляемом токе подмагничивания и регулируемых амплитудах гармоник тока статора;
– метод активного демпфирования вынужденных колебаний звена подвижности ПМ и способ для его реализации;
– схемотехнические решения силового канала и системы управления ЧУЭП для реализации разработанных эффективных пуско-тормозных режимов работы АД с формированием индивидуальных законов регулирования скорости звена подвижности ПМ в зоне низких частот, малых перемещений ПМ.
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечены: корректностью принятых допущений при теоретическом анализе и математическом моделировании физических процессов, использованием современного программного обеспечения, глубиной анализа разработанных теоретических положений и результатов экспериментальных исследований, полученных на стенде.
Апробация. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены во время проведения:
– IV Общероссийской молодежной научно-технической конференции «Молодежь. Техника. Космос» 14–16 марта 2012г. в Балтийском государственном техническом университете;
– V международной научно-технической конференции в 2013г. в Кабардино-Балкарском университете;
– научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, сотрудников и обучающихся Донского государственного технического университета по итогам работы за 2014–2015, 2015–2016, 2016–2017 учебные годы.
Публикации. По материалам диссертационной работы: опубликовано 23 печатных работы: из них – две статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ, получено два патента на изобретение РФ, 19 статей – в трудах вузов и материалах различных конференций.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, списка литературы из 108 наименований (отечественных и зарубежных авторов) и 7 приложений. Общий объем работы составляет 216 страниц, 81 рисунок и 27 таблиц.