Разработка структур, алгоритмов и средств векторного управления асинхронным электроприводом с улучшенными динамическими и энергетическими показателями Виноградов, Анатолий Брониславович

Данная диссертационная работа должна поступить в библиотеки в ближайшее время
Уведомить о поступлении

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Виноградов, Анатолий Брониславович. Разработка структур, алгоритмов и средств векторного управления асинхронным электроприводом с улучшенными динамическими и энергетическими показателями : автореферат дис. ... кандидата технических наук : 05.09.03.- Иваново, 1993.- 18 с.: ил.

Введение к работе

Актуальность тены. Доля электроприводов с асинхронными коро-ткозанкнутынк электродвигателями и полупроводниковыми преобразователями энергии среди обшего числа регулируемых электроприводов неуклонно растет. Это связано с конструктивной простотой и надежностью асинхронного двигателя! а также с высокими достижениями в области преобразовательной техники и микроэлектроники, что позволяет успешно решать проблемы его управления. К современному асинхронному электроприводу предъявляются все более высокие требования по статический и динамическим показателям регулирования. При зтон в ряде случаев установка датчиков на вал двигателя нежелательна либо невозможна в связи с конструктивными, технологическими, экономическими или другими соображениями, например, в отраслях хинической и атонной промышленности при работе электропривода в активной среде. Помимо технических характеристик асинхронного электропривода все большее внимание в настоящее время уделяется его энергетическим показателям, что связано с дробленой экономии энергетических ресурсов.

В качестве теоретической базы для решения этих проблем удобны сформировавшиеся в последние годы в трудах В.Н.Бродовского, С. Г. Гернан-Галкина. Т. А. Глазенко, В. А ГРузова, Д. Б. Нзосинова. Г. Б. Онишенко, В. В. Рудакова, Ю. А. Сабинина, В. И. Уткина, Р. Т. Яреинера и др. качественно новые подходы к созданию асинхронных электроприводов: принципы векторного управления и векторного Форкирования переменных, использование которых позволяет создавать асинхронные электроприводы с динамическими показателями, близкими к предельпо до-сткжинин при существующих Физических ограничениях систем "преобразователь частоты - двигатель", а также улучшать энергетические показатели электропривода.

Построение систем векторпого управленій асинхронным электро-прішодон п условиях информационной недостаточности тесно связано с рядом проблем, среди которых: идентификация переменных и параметров электропривода на основе введения в систему управления математических моделей элементов электропривода, построение быс-тродеОствухстнх регуляторов тока статора двигателя с энергетически рациональными алгоритмами управления, построение регуляторов переменных электропривода, грубых по отношению к внутренним и внешним позмуизшшш воздействиям. Проработка указанных проблем п

известных к настоящему иренени работах не позволяет считать их решенными. Такий образом проблемы, которым посвящена данная работа, являются актуальными.

Целью работа является разработка структурі алгоритмов и средств векторного управления асинхронным электроприводом с улучшенными динаническими и энергетическими показателями в >сювиях информационной недостаточности.

Для достижения цели работы решаются следующие задачи:

Анализ принципов построения систем векторного управления асинхронный электроприводом с целью выбора их рациональных структур и определения требовании к основный элементам электропривода в условиях информационной недостаточности и параметрической нестабильности.
Выбор рационального алгоритма векторного Формирования переменных в асинхронной электроприводе с инвертором напряжения с целью улучшения энергетических показателей электропривода.
Разработка и исследование вариантов построения контура тока статора системы векторного управления асинхронным электроприводом, обеспечивающих Формирование энергетически рациональных алгоритмов управления в условиях ограниченного быстродействия инвертора напряжения.
Разработка и исследование устройств определения координат и параметров асинхронного электропривода, обеспечивающих получение всей необходимой информации для построения системы векторного управления.
Экспериментальное исследование системы векторного управления асинхронным электроприводом.

Нетоды исследования. В работе используются методы анализа систен в пространстве состояний, теории идентификации перененных и параметров объекта управления, теории динамических систем с разрывным управлением, функционирующих в скользящем режиме, метод преобразования координатного базиса, метод инмктационного моделирования на ЦВМ и экспериментальные методы.

Научную новизну работы составляют:

І.Нетод прямого векторного формирования алгорнтна управления инвертором напряжения по энергетическим КРИТЄРИЯН.

2. Установленные преимущества "треугольного* нетода формирования алгоритма управления шшерторон напряжения в сравнении с "шестиугольным" по энергетическим показателям.

Предлохенная структура контура тока статора асинхронного электропривода с табличный форнированиен алгоритмов управления и ромбовидный" алгоритм управления, реализуеный в скользящем рехи-ие слежения за мгновенный значениен токовой ошибки, а такхе структура и алгоритм программного Формирования управлявших воздействий контура тока статора АД на базе микропроцессорного Формирователя алгоритма управления.
Разработанный идентификатор состояния АД с переменной структурой, позволявший восстанавливать координаты состояния электропривода на основе информации о токах и напряжениях статора.

и методика вастроки его параметров.

5. Натенатическая модель контура скорости системы векторного
управления асинхронным злєктроприводон, позволяющая проводить
анализ процессов и упростившая процедуру синтеза регулятора ско
рости.

Практическая ценность работы заключается в следующем: і. Получены принципиальные схемы и таблицы управлявших воздействий для реализации энергетически рациональных "треугольного" и "ромбовидного" алгоритмов управления в замкнутой контуретона статора на скользящих рехинах.

Предложены варианты практической реализации различных методов оценки вектора эквивалентного напряжения, позволяющие проектировать контуры тока с векторным Формированием алгоритмов управления; получены результаты экспериментального исследования различных вариантов построения контура тока статора.
Разработана программа тестовых режимов, выполняемая при па-стройке параметров ияептификатора состояния на параметры двигателя и позволяющая устанавливать параметры идентификатора непосредственно в работающей системе "инвертор напряхения-двигатель" согласно полученным математическим критериям.
Разработан пакет програми для расчета процессов в замкнутом контуре скорости системы векторного управления асинхрошшн электгоприродон, позволяющий упростить процедуры анализа и синтеза регуляторов СКОРОСТИ.
Полупени функциональная и принципиальные схемы, по который исстгоея макетный образец электропривода, а также результаты нс-слсг'овачігя системы векторного управления электроприводом па модели контура скорости к на экспериментальной установке.

Автор закгазет нетод прямого векторного фогнигозапия алгорн-

тна управления инвертором напряжения, структуры построения и алгоритмы формирования управляющих воздействия контура тока статора электропривода, структуру идентификатора состояния АД. изменяющуюся в зависимости от режима работы электропривода, методику настройки параметров идентификатора состояния.

Внедрение. Принят к внедрение во В1ШИ 'Сигнал* г. Ковров макетный образен системы векторного управления электромагнитный номентом асинхронного двигателя в составе устройства регулирования вектора тока статора, идентификатора состояния электромагнитных процессов в двигателе, устройства ориентации вектора тока статора по вектору потокосцепдения ротора.

Апробация работы. Теоретические положения и основные результаты работы докладывались и обсуждались на XI Всесоюзной научно-технической конференции по пробленам автоматизированного электропривода (Суздаль, 1991г. ); Международной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электротехнологии* (Иваново, 1991г. ); Всесоюзной конференции "Современные цроблены электромеханики" (Носква.1989г. ); Всесоюзной научно-технической конференции "Современное состояние, проблемы и перспективы энергетики и технологии в эпергостроении" (Иваново.1989г. ); научно-технической конференции "Нетоды анализа и технические средства испытаний электромеханических систен управления"(Владимир, 1988); III областной конференции молодых ученых и специалистов по актуальным общественно-политический и научно-техническим проблемам (Иваново.1988г. ); научно-технической конференции "Системы электроприводов гибких производственных нодулей" (Киров. 1989г. ); международной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (Иваново, 1992г. ).

Публикации. По тене диссертации опубликовано 16 печатных работ и получено 4 авторских свидетельства.

Структура и обьен работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, списка использованной литературы, 7 приложений. Объем работы - 149с. основного текста. 8 таблиц, 72 рисунка на 48 с., 9 с. списка литературы из 97 наименований и 40 с. приложений.

Во введении обоснована актуальность темы, сфорнулировапы пель и задачи исследовании, отнечепы научная новизна, практическая пеиность и результаты реализации работы.

В первой главе выполнен анализ принципов построения систем векторного управления асинкрошши электроприводом с ориентацией, по полю. Натенатическое описание АД выбрано в обшепрішптой Форнє систены векторных дифференциальных уравнений, записанных во вращающейся с произвольной скоростью Ьск снстене координат:

Os-RsIs^ft/dt+iucft ;

о = R_r Ir+d9r/dt +<К52к-С)Фг ; Vs-Lsls + Lmlr; Vr^Lmls+Lrlr ;

H=№ZpLm/Lr(4r*Is); dG/dt = Zp/7(M-Mc).

Это позволяет осуществлять переход к системам ураппепий, удобішм для описания процессов в электроприводе при рассмотрении ориентации по различный переменный двигателя, в частности, по векторая Ыс , Ыт і Ц'г Проведен сопоставительный анализ структурного построения внутренних контуров систем векторного управления с

ПРЯНОЙ И КОСВеГШОЙ ОРНеНТаПИеЙ ПО ВеКТОРаН Ц1$ tVltl'^T' ^в основу которого положены статические, динанические показатели и простота технической реализации асинхронного электропривода с этннн систенаки. Анализ показал близость технических показателей этих систем и возможность Рассмотрения их п райках единой теории ориентации по полю, а такзе небольшое прєинуиєство но статическим, динаническим показателям и простоте технической реализации систены с ориентацией по вектору потокосцепления ротора.

Вторая глава носвяшена выбору рационального алгоритма векторного Формирования переменных в асинхронном электроприводе с инвертором напряжения. Энергетические показатели электропривода по счстеиетлвсртор напгяхепня-двигатель*(Ш1-Д) в значительной степени онггделяотся алгоритяои форниропашія уараплссошх воздействий инвертора. В основу предложенного метода пряного вєкторноі'о Формирования алгоппна полоаено векторное представление пегеиен-

иых электропривода на диаграмме выходных напряжении НИ (рис. 1). Ключевыми цонятияни метода являются вектор эквивалентного (среднего) напряжения ин и производная ошибки тока статора:

Г\*,«-м\ dXs ,_D т* ,Lm cJtV .
Ue^-dLs-^+RsIs + jj-^ , (г,

где ^=j-Lm/(Lslr)" " " заданное значение тока статора; один из восьми возножных векторов напряжения на выходе инвертора. к=0.1... 7. Конкретный тип алгоритна управления определяется составом и последовательностью включения векторов напряжения в элементарной комбинации векторов, осуществляющей Формирование эквивалентного напряжения. Выбор конбинашт векторов напряжения с учетом величины производных токовых ошибок, которыми они характеризуются в данный монент времени и режим работы электропривода, определяет энергетические показатели алгоритма управления. Анализ наиболее распространенных в настоящее вреня в системах НН-Д алгоритмов управления "шестиугольного" (Оч ~ Us~ 1>і - U$- Ui~U6 ) и "треугольного" ( Uv - Us - Ur- \J& - ІІН ~ Uo ' ^c точки зрения относительной величины пульсаций тока статора и числа переключений в ИН за единицу времени при одинаковой частоте изменения быстрой составляющей тока, показал существенные преимущества последнего.

Анализ особешюстей метода прямого векторного формирования алгоритна управления показал целесообразность его никропродесЦ сорной реализации, осуществляемой с помощью стандартного набора ^: аппаратных средств, инеюшихся в большинстве современных микропроцессорных комплектов. Анализ различных алгоритмов управления и способов их получения в системе ИН-Д в условиях наличия Физических ограничений, и прежде всего ограничения частотных свойств, всегда присутствующих в реальных инверторах напряжения, позволил рекомендовать "треугольный", алгоритм управления с принудительной модуляцией для применения в инверторах с минимально допустимой шириной инпульса на входе Тмин > 50 икс.

Третья глава посвящена построению и исследовании контура тока статора системы векторного управления асинхронным электроарн-дон. В результате анализа различных вариантов построения замкнутого контура тока статора в систене ИН-Д, среди которых релейные регуляторы тока на скользящих режимах и традиционные П и ПИ -ре-

Рисі.

І - ПИ-рег., 2 - "треуг? аяг., З - "рокб" елг., ^"шестиуг¹! вяг

Рйс.З.

StgnWv 6 SwS'^nUsKB

ВЛК -блок линзйннх комбинаций токовых ошибок,

ПЗУ -постоянное запоминающее устройство,

Sign Ц)у-направление вращения иапіитного полл.

Рис.2.

гуляторы с НИН. предложен обобщенный подход к синтезу алгоритнов управления инвертором иапряхения где в качестве дополнительной информации используется вектор эквивалентного напряжения, на основе которого иолучена структурная схема (рис. 2) контура тока статора с табличным Формированием алгоритнов управления, позволяющая в скользящем рехиие слежения за мгновенным значением токовой ошибки осуществлять Формирование энергетически рациональных алгоритмов управления инвертором напряжения. Получены принципиальные осени и таблицы значений вектора управляющих воздействий контура тока статора, позволявшие в рамках предложенной структуры реализовать рациональные с энергетической точки зрения "треугольный" и "ронбовшшый" алгоритмы управления инвертором. Последний формируется из различных комбинаций трех значащих и двух нулевых векторов напряжения с наименьшими производными ошибки тока статора при известном положении U3KB (векторы Ua > U& U4 Uo- U7 на рис. 1). Анализ критичности алгоритнов управления, формируемых в занкнутон контуре тока, к точности информации об угловой поло-хении вектора эквивалентного напряжения показал, что "ромбовидный* апгоритн обладает угловым запасом, равным 30 град., а угловой запас "треугольного" алгоритма равен нулю, что приводит к дополнительной токовой ошибке на границах секторов диаграммы напряжений. Для того, чтобы величина этой ошибки не превышала іох от 1н, положение иэкй достаточно вычислять с угловой погрешностью, не превышавшей 5 град.

С учетон критичности "треугольного" и "ромбовидного" алгоритмов управления к точности информации об Оэкь синтезированы устройства вычисления углового положения вектора ІІЗкв' для обоих предложенных алгоритмов, позволявшие осуществлять регулирование тока статора электропривода при заданных значениях диапазона изненения частоты основной гарноники и амплитуды ошибки тока.

Сопоставительный анализ алгоритмов управления, полученных в рамках предлагаемой структуры контура тока, с известныни техническими решениями, в частности, с П и ПН -регуляторами тока с НИИ, получаемой путем сравнения нодулируииего и несущего сигналов, проведен на основе статических (АЧХ.ФЧХ), динамических (время переходного процесса при скачкообразной набросе и сбросе амплитуды тока задания в пределах (О. 3-1. 5) \ц ) показателей и энергетического критерия :

Кэ «6і/Ін Ju.

где 01 - средняя величина пульсаций в "трубке" тока, jy - средняя частота переключений в инверторе напряжения.

Результаты теоретического и экспериментального исследований, выполненных на лабораторной установке, содержащей транзисторный ин (Тмин = гэнкс), тиристорний нн ( Тмин = зоонко к асинхронный двигатель 4АПаНА6УЗ, показали существенные преимущества контура тока с предложенными алгоритмами по статический и динамическим показателям, обеспечивая при этом энергетические показатели, практически не уступайте энергетике традиционных систем с ЗИН (рис 3).

Проведен анализ влияния Физических ограничений инвертора напряжения (ограничения анплитуды выходного напряжения и быстродействия силовых ключей инвертора) на работу замкнутого контура тока статора, который показал, что в условиях, когда частотные свойства инвертора существенно ограничены I Тмин > 50мкс) и требуется жесткий контроль за частотой переключения его ключей при одновременной точной отработке вектора заданного тока статора, целесообразным является построение контура тока с встроенным Формирователей алгоритна управления и компенсацией ЭДС ротора. Получена структура и алгоритм программного формирования управлявших воздействий контура тока статора со встроенным микропроцессорным форнирователен алгоритна, позволяющие строить систены векторного управления электроприводом в условиях ограниченного быстродействия инвертора напряжения (защищено а. с. Н 1727190.. Н02Р 7/42). Принципиальным эленентон предложенной структуры контура тока является формирователь алгоритма, реализующий "треугольный* характер управляющих воздействий и осуществляющий расчет времени включения каждого вектора напряжения.

Четвертая глава посвяшена построению и исследованию идентификатора состояния (ИС) асинхронного электропривода. Исходная структура ИС выбрана в виде замкнутых контуров. Функционирующих в скользящих режимах и реализующих дифференциальные уравнения зяектронагнитных процессов двигателя, записанные относительно тока статора и потокосцешіения ротора в неподвижной относительно статора систене координат:

т ^Ь - ?' il!Lv4.i N і lm,_ О' - Lin, Т.!

Tr^=-v;+LmK+Trx,

.где Tr⁼lr/Rr і У ~ дополнительная перененная, определяемая как знак ошибки между измеренным и вычисленным током статора. Это позволяет осуществлять вычисление всех ПЄРЄКЄШШХ состояния двигателя, необходимых.для построения систены векторного управления на основе информации о токах и напряжениях статора, обеспечивая при этой грубость идентификатора состояния но отношению к параиетрическии вознушенияи. Предложен оригинальный вариант введения начальных условий и построенная на его основе структура КС (рис. 4). в основу которых положена возможность изменения структуры идентификатора в зависимости от режнна работы электропривода (уровня скорости, электромагнитного нонента, потокосдеп-ления),что позволило повысить его помехоустойчивость и расширить диапазон регулирования скорости электропривода. В результате анализа влияния различных внутренних связей и изненений в структуре ИС на точность вычисления неренешшх электропривода в зависимости от режима его работы и возможности полной либо частичной компенсации отдельных компонент ошибок переменных от изменения структуры ИС получено устройство переключения СТРУКТУР (НПО идентификатора состояния в зависимости от уровня скорости и электромагнитного нонента электропривода. Оно обеспечивает нахождение ошібки потокоспепления ротора в пределах заранее заданного допустимого значепия. Разработана структура для аналого-цифрового и диФрового исполнений векторного анализатора (ВА), реализуемого в виде замкнутого контура, функционирующего в скользящем режине в соответствии с уравнениями:

%=ju)%dl ;

utf= Sign ^хф_г⁰=$і9пІ^|ІЧІ5іп/іЧ= Sign Щ ;

lUNVrYrHUIlft'lCoSacp ї ^(Y)

гдг Ц>ч- - Фаза Ц) ; aCf - угол нехпу l+V и Ц-V . ІЇЛ позволяет вг.чнекять угловое голошение, модуль и угловую скорость вращения вектора потокосцеиления ротора с точностью до палых огнбок, определяемых параметрами скользипего режима ( зализшно а. с. Н 167 4341, Н02І' 1/W).

Показано, что в целях повышения точности инчкеления перемен

Рис.4.

_^43

РТ -регулятор тока; ДТ.ДН -датчики тока и напряжения статора; БВО -блок векторной ориентации, реализующий выражение Is*z |$_r|_z ц) + Mzj Фг

Рис.5.

ньге электропривода окончательную установку паранетров кс целесообразно производить непосредственно в работавшей системе ИН-Д. Предложенная нетодика настройки паранетров ИС на параметры двигателя позволяет устанавливать параметры идентификатора с помощью выполнения програнны тестовых режимов, организуемых в контуре тока статора электропривода согласно математический критериям, полученным на основе дифференциальных уравнений электромагнитных контуров АД и принятым при их выводе допушепиян. Полная програнна тестовых режимов включает в себя установку начальных значений всех коэффициентов и постоянных времени ИС в соответствии с каталожными данкыни двигателя и нулевыми начальными условиями во всех переменных идентификатора при нулевых значениях входных сигналов, установку коэффициента |/Rs при напряжении статора, установку постоянной времени Тг в модели роторной пени, установку постоянной времени Т$ в модели статорной цепи и коэффициента Lm в модели роторной цепи, корректировку коэффициентов . полученных ранее для ненасыщенной иагнитной кепи АД с учетон их зависимости от насыщения.

Наличие четко определенных математических критериев настройки параметров ИС позволяет осукествлять автоматизацию этого процесса при условии построения НС с нрогрангашм заданием параметров от микропроцессорной системы.

Пятая глава посвяяена построению контура скорости и экспериментальному исследованию системы векторного управления асинхронный электроприводок. В результате анализа характерных особенностей построения предлагаемой система векторного управления асинхронный электроприводом (рис.5), среди которых: ориентация но вектору нотокосцепления ротора, стабилизация модуля потокосцепле-шта ротора в динамических режимах электропривода, супествовакне локальных скользящих Регннов в идентификаторе состояния и контуре тока статора с "ромбовидным" алгоритмом управления, получена модель контура скорости системы векторного управлення и пакет програмі для расчета ее на ЦВМ. что упростило процедуры анализа процессов и контуре скорости электропривода и синтеза регулятора скорости (ГС). Синтез регуляторов скорости вращения ротора, Функционирующие п сксльзяяем гештне с постоянной и переменной ами-лн гулами разт'нр.нсго управления, производится с учетон у слонил сг-псствовлнич ско.пьзлзн«: режимов в контуре тока статора и г- модели контур;! гкогогтн:

Si9n(u_SL-dLs^-RsI_Si-^^) = -Sign_uIsi ; «.,

_^4^^^⁹_^^^-_^^³_^^1, ^(9>

где і - а.в.с j См= fZpLin/LrVr ,* Xz=dX*/dt ; Х<=йг-Й V А-положительная величина, характеризующая аншштуду разрывного управления. Экспериментальное исследование статических (величина статической ошибки скорости), динамических (время переходных процессов, перерегулирование скорости, динанический провал скорости при набросе момента нагрузки) и энергетических (величина пульсаций в активной составляющей тока статора) показателей электропривода с регуляторани скорости на скользящих режимах и регуля-торани последовательной коррекции П и ПИ -типа с оптимизацией по фильтран Ваттерворта, проведено на предложенной модели контура скорости при различных значениях параметров электропривода, в частности при 7 ⁼ 7о 7 ⁼ 0-5 3о 7= 5Зо Результаты исследования показали, что наиболее перспективный среди рассмотренных регуляторов с точки зрения указанных показателей, и особенно при наличии параметрических воэнушений. является регулятор скорости в скользящем режине с регулируемой амплитудой разрывного управления.

На основе разработанных Функциональной и принципиальных схен асипхронпого электропривода с векторным управлением построен макетный образец электропривода, что позволило провести экспериментальные исследования электропривода на лабораторной установке, содержащей, помимо систеиы векторного управления, транзисторный инвертор напряжения ( Ud = 520В, Тмин = 25нкс) и асинхронный двигатель 4АіігНА6УЗ. Результаты исследований подтвердили теоретические положения, принятые за основу при построении системы векторного управления асинхронным электроприводом, и позволили рекомендовать ее к использованию в отраслях пронышленпости, где требуется высокое качество регулирования параметров в статике и динамике - в станкостроительной, текстильной, химической и других отраслях.

В Приложениях приведены материалы по внедрению, таблицы управляющих воздействий алгоритнов замкнутого контура тока статора, принєр решения дифференциального уравнения роторной пепи для конкретных параметров систеиы ИН-Д, програмна для расчета процессов в замкнутом контуре скорости электропривода, результаты эк-

спернментального исследования системы векторного управления и контура тока электропривода.