Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время наблюдается устойчивая тенденция к расширению спроса потребителей на регулируемые электроприводы переменного тока, Сегодня большинство асинхронных электроприводов строится на базе преобразователей частоты (ПЧ), выполненных по схеме неуправляемый выпрямитель - автономный инвертор напряжения. Анализ современных исследований и разработок по частотному регулированию скорости вращения асинхронного двигателя (АД) показывает, что существуют два основных типа систем управления ПЧ.
К первому типу относятся так называемые системы скалярного управления. Преобразователи со скалярным управлением благодаря относительно низкой стоимости широко используются в механизмах, не предъявляющих высоких требований к качеству регулирования скорости. В первую очередь это относится к турбомеханизмам, таким как насосы, вентиляторы, компрессоры. Данный класс механизмов обладает широкими потенциальными возможностями энерго- и ресурсосбережения, которые успешно реализуются при внедрении указанного типа преобразователей. Фиксированная зависимость U(f), как правило, используемая в рассматриваемых системах, не позволяет одновременно обеспечить удовлетворительные механические и энергетические характеристики двигателя в широком диапазоне изменения частоты и момента нагрузки. Возрастание удельного веса падения напряжения на активных сопротивлениях статора по сравнению с суммарным прикладываемым напряжением при снижении частоты сопровождается снижением магнитного потока двигателя, что приводит к уменьшению его перегрузочной способности. Данное явление обусловливает необходимость стабилизации магнитного потока путем компенсации падения напряжения на активных сопротивлениях статора. Исследования установившихся режимов асинхронных двигателей свидетельствуют о том, что для достижения высоких энергетических показателей при изменении момента нагрузки целесообразно не стабилизировать, а определенным образом регулировать магнитное состояние двигателя. Так как фиксированный закон U(f) не обеспечивает одновременной реализации двух указанных принципов, задача гибкого управления амплитудой напряжения с учетом текущего режима
4 работы и момента нагрузки является весьма актуальной в области систем скалярного управления.
Ко второму типу систем управления относятся высококачественные системы векторного управления, обеспечивающие характеристики асинхронного электропривода, близкие к характеристикам привода постоянного тока. ПЧ с векторным управлением имеют сравнительно высокую стоимость и применяются в механизмах с повышенными требованиями к качеству регулирования скорости. Наиболее распространенным принципом построения таких систем является ориентация системы координат по вектору потока ротора. Большинство современных публикаций в области частотно-регулируемого электропривода посвящено разработке алгоритмов адаптации к изменяющимся параметрам объекта управления. Кроме того, существует четкая тенденция к отказу от датчиков скорости и разработке алгоритмов адаптивной идентификации состояния двигателя по измеренным фазным токам и напряжениям. Наиболее актуальная задача - получение адекватной оценки магнитного потока в диапазоне низких частот вращения магнитного поля. Следует отметить, что сегодня не существует общего решения проблемы адаптивной идентификации при отсутствии датчиков на валу двигателя.
Новым направлением в области разработки высококачественных алгоритмов управления является принцип прямого управления моментом. Указанный принцип не использует идею ориентации системы координат. В данном случае раздельное управление потоком статора и моментом достигается путем использования релейных регуляторов указанных величин и выбора такого состояния инвертора напряжения, которое обеспечивает необходимый знак изменения как потока статора, так и момента двигателя. Прямое управление моментом пока имеет ограниченное использование, так как предъявляет более высокие требования к быстродействию микропроцессорной техники и качеству идентификации по сравнению с обычными системами векторного управления. Алгоритмы оценивания регулируемых величин запатентованы и не публикуются в литературе. Таким образом, разработка адаптивного наблюдателя потока и момента для системы, реализующей описанный принцип, в настоящее время является актуальной задачей.
Цель работы заключается в разработке принципов построения, структуры и алгоритмов управления для двух типов современных систем частотно-регулируемого электропривода с учетом выделенных выше
5 актуальных задач. В связи с этим в работе ставятся и решаются следующие задачи.
1. Исследование возможностей энергосбережения при скалярном
управлении асинхронным двигателем.
-
Разработка регулятора напряжения с переменной структурой, который обеспечивает гибкое управление амплитудой напряжения в зависимости от режима работы электропривода со скалярным управлением.
-
Разработка структуры системы прямого управления моментом.
4. Разработка адаптивного наблюдателя регулируемых координат для
системы прямого управления моментом при отсутствии датчика скорости.
5. Исследование разработанных алгоритмов управления на
математических моделях и макетных образцах.
Методы исследования. Работа выполнена с привлечением теории электропривода, теории электрических машин, теории автоматического управления. В работе широко используется имитационное компьютерное моделирование. Экспериментальные данные получены с помощью лабораторной установки, разработанной с участием автора.
Научная значимость и новизна работы. В процессе решения поставленных задач были получены следующие новые научные результаты:
-
Разработан энергосберегающий алгоритм регулирования напряжения в системе скалярного управления, основанный на итеративном поиске точки минимального энергопотребления в установившемся режиме работы.
-
Разработан алгоритм компенсации снижения перегрузочной способности, основанный на стабилизации электродвижущей силы (ЭДС), наведенной потоком статора, с использованием измеренных значений фазных токов. Предложенный алгоритм в отличие от широко используемой коррекции фиксированного закона U(f) позволяет учесть текущий режим работы и избежать перекомпенсации, следствием которой являются повышенные броски тока при пуске двигателя.
-
Определена структура релейных регуляторов момента и потока статора для системы прямого управления моментом.
-
Разработан метод предварительной идентификации параметров асинхронного двигателя, не требующий отсоединения механизма от вала двигателя.
5. Разработан алгоритм работы адаптивного наблюдателя регулируемых координат для системы прямого управления моментом, обеспечивающий высокое качество переходных процессов во всем диапазоне частот вращения в условиях изменения активных сопротивлений обмоток двигателя.
Практическая ценность работы заключается в использовании разработанных алгоритмов для построения системы скалярного управления электроприводом насосной установки, а также в создании необходимой базы для последующих теоретических и экспериментальных исследований системы прямого управления моментом.
Апробация работы. Положения диссертационной работы доложены на
Одиннадцатой научно-практической конференции "Электроприводы
переменного тока" (Екатеринбург, 1998); II Международной (ХШ
Всероссийской) научно-технической конференции "Проблемы
автоматизированного электропривода" (Ульяновск, 1998); Международной электронной научно-технической конференции (Вологда, 1999); Второй межвузовской отраслевой научно-технической конференции "Автоматизация и прогрессивные технологии" (Новоуральск, 1999); Научно-технической конференции "Идеи В.А.Шубенко на рубеже веков" (Екатеринбург, 1999); Международном симпозиуме по силовой электронике, электроприводам, современным двигателям (Италия, Искья, 2000); Научно-практической конференции "Перспективы разработки и производства электрических машин на Баранчинском электротехническом заводе" (Баранчинский, 2000).
Реализация результатов работы. Разработанные алгоритмы скалярного управления использованы в процессе модернизации насосной станции ТП-83 (г.Екатеринбург) при внедрении преобразователя частоты.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано десять печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, трех приложений. Общий объем составляет 250 страниц.
