Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния электропривода переменного тока с микропроцессорным управлением 14
Состояние теории и практики построения электропривода переменного тока с микропроцессорным управлением
Моделирование асинхронного двигателя без учета потерь в стали Математическая модель синхронного двигателя с постоянными магнитами
Принципы построения векторных широтно-импульсных модуляторов 31
Выводы 37
2. Построение математических моделей элементов электропривода переменного тока с улучшенными регулировочными и энергетическими характеристиками 38
2.1. Разработка математической модели асинхронного двигателя с учетом потерь в стали, поверхностного эффекта и насыщения магнитной системы основным потоком и потоками рассеяния 38
2.2. Математическое моделирование процессов в вентильно-индукторном электроприводе 51 Выводы 57
3. Разработка и исследование эффективных алгоритмов формирования широтно-импульсной модуляции преобразователей переменного тока в рамках пространственно-векторного и релейно векторного подходов 58
3.1. Алгоритмы компенсации динамических неидеальностей инвертора напряжения 58
3.2. Анализ энергетических показателей и методика выбора оптимальных алгоритмов ШИМ для управления 3-фазным инвертором напряжения 68
3.3. Построение алгоритмов релейно-векторного управления инвертором напряжения в замкнутом контуре тока статора 76
3.4. Синтез алгоритмов пространственно-векторного управления матричным преобразователем частоты
3.4.1. Векторное описание состояний матричного преобразователя частоты 97
3.4.2. Синтез алгоритма управления МПЧ 102
3.4.3. Результаты моделирования 114
Выводы 119
4. Разработка методов и алгоритмов цифровой параметрической идентификации и оптимизации процессов в электроприводе переменного тока 121
4.1. Синтез системы оптимального по КПД векторного управления тяговым электроприводом на основе идентификатора параметров 121
4.2. Минимизация пульсаций электромагнитного момента в вен-тильно-индукторном электроприводе 141
Выводы 161
5. Разработка вспомогательных интеллектуальных режимов работы электропривода переменного тока с микропроцессорным управлением 164
5.1. Построение тепловой защиты преобразователя частоты на основе динамической тепловой модели ЮВТ-модуля 165
5.1.1. Тепловая модель ЮВТ-модуля 167
5.1.2. Эффект увеличения перегрузочной способности преобразователя с встроенной защитой по динамической тепловой модели ЮВТ-модуля 178
5.1.3. Экспериментальные результаты и промышленная реализация
5.2. Адаптация привода к изменению параметров его механической части 185
5.3. Автоматическая настройка параметров системы управления на параметры двигателя 192
5.4. Режим управления с использованием энергии торможения 197
Выводы 201
6. Построение системы векторного управления автономной станцией энергоснабжения в составе транспортного средства с электромеханической трансмиссией 203
Выводы 214
7. Создание структур, алгоритмов управления электроприводами и преобразователями серии ЭПВ 215
7.1. Реализация принципов векторной ориентации переменных в асинхронном электроприводе с частотным управлением 215
7.2. Системы адаптивно-векторного управления асинхронным электроприводом серии ЭПВ 235
7.3. Системы векторного управления синхронным электроприводом серии ЭПВ 259
7.4. Система векторного управления рекуперативным выпрямителем напряжения серии ЭПВ Выводы 272
Заключение 273
Список литературы
- Моделирование асинхронного двигателя без учета потерь в стали Математическая модель синхронного двигателя с постоянными магнитами
- Математическое моделирование процессов в вентильно-индукторном электроприводе
- Анализ энергетических показателей и методика выбора оптимальных алгоритмов ШИМ для управления 3-фазным инвертором напряжения
- Минимизация пульсаций электромагнитного момента в вен-тильно-индукторном электроприводе
Введение к работе
Актуальность темы. Системы векторного управления электроприводами переменного тока в сравнении с частотными и частотно-токовыми системами управления позволяют достигать наилучших динамических и статических характеристик регулирования скорости и момента, а при условии эффективного управления потокосцеплением способны обеспечивать двухзонное регулирование скорости и оптимизацию энергетических характеристик привода как в статических, так и в динамических режимах его работы. Потенциально именно эти системы способны удовлетворить наиболее жестким требованиям к эффективности и качеству регулирования электропривода со стороны технологического процесса.
Основы теории векторного управления электроприводами переменного тока были положены в работах Р. Парка и Ф. Блашке и развиты в работах ряда отечественных и зарубежных ученых. Первые промышленно реализованные системы векторного управления (70-е – 80-е годы прошлого века) были ориентированы на аналоговую и аналого-дискретную элементную базу и не получили широкого распространения, в сравнении с системами частотного управления, главным образом в связи с их высокой чувствительностью к изменению параметров и сложностью исходной настройки. Наибольшие проблемы были сопряжены с построением аналоговых и аналого-дискретных систем векторного управления без датчика на валу двигателя. Ни одна из ряда отечественных разработок того времени в указанном направлении не дошла, по сведениям автора, до серийного производства по тем же причинам высокой чувствительности к параметрам и сложности настройки.
Настоящий прорыв в применении электроприводов переменного тока состоялся в 90-е годы в связи с разработкой и началом массового производства электроприводов переменного тока с микропроцессорным управлением. При этом изначально характеристики микропроцессорных электроприводов заметно уступали характеристикам их более ранних образцов с векторным управлением и датчиком скорости/положения, реализованным на аналого-дискретной элементной базе, по диапазону и быстродействию регулирования скорости.
Кроме того, начиная с 90-х годов, наметилось серьезное, прежде всего технологическое, отставание отечественных разработок в области электропривода переменного тока с микропроцессорным управлением, доведенных до стадии серийного производства, и рынок наполнился импортными приводами, в том числе выпускаемыми под торговыми марками отечественных производителей.
Чтобы устранить эти недостатки и максимально реализовать неоспоримые преимущества микропроцессорного привода с векторным управлением потребовалась разработка структур, алгоритмов, методов управления электроприводами переменного тока, непосредственно ориентированных на программную реализацию и максимально использующих ее потенциальные возможности. Техническую предпосылку для этого создало появление в 90-х годах высокопроизводительных сигнальных процессоров, способных решать в реальном времени задачи векторного управления приводом переменного тока и специализированных под задачи управления приводом.
Диктуемые технологическими задачами и постоянно растущие требования к качественным показателям регулирования координат и энергетической эффективности электропривода обусловили необходимость решения в реальном времени задач цифровой идентификации параметров и переменных, адаптации характеристик привода к изменению его параметров и режима работы, синтеза алгоритмов управления, сочетающих предельно достижимую динамику с высокими энергетическими показателями. При оптимизации привода по КПД актуальным является вопрос учета потерь в стали в динамических моделях двигателей, используемых для управления в реальном времени. При построении бездатчикового электропривода переменного тока с векторным управлением наибольшую остроту приобретают вопросы параметрической идентификации, адаптации и учета динамических свойств силовых переключателей. При построении вентильно-индукторного электропривода (ВИП) актуальными остаются вопросы минимизации пульсаций электромагнитного момента, выбора конфигурации силовой части и синтеза алгоритмов управления, оптимальных по этому показателю. К автономным станциям энергоснабжения (АСЭ), создаваемым на основе современного электропривода и преобразовательных устройств, предъявляются повышенные требования к динамической точности выходного напряжения при работе с различными видами нагрузок и высокой надежности в аварийных режимах. Это предполагает необходимость построения быстродействующих векторных систем управления и определения оптимального соотношения параметров всей системы в целом, включающей двигатель внутреннего сгорания, привод мотор-генератора, звено постоянного тока, АСЭ и ее нагрузку. Актуальными являются также вопросы доведения новых разработок в области электропривода переменного тока как универсального, так объектно-ориентированного назначения до стадии серийного производства, повышения его надежности и конкурентоспособности на рынке в сравнении с импортными аналогами.
Таким образом, актуальными задачами в развитии теории и практической реализации векторных электроприводов переменного тока с микропроцессорным управлением являются улучшение энергетических и регулировочных характеристик приводов, оснащение их комплексом интеллектуальных режимов (функций, свойств), под которыми в данной работе понимаются режимы автоматического определения и настройки параметров системы управления на параметры силового канала привода, идентификация параметров и переменных в реальном времени работы привода, самонастройка и параметрическая адаптация, оптимизация характеристик привода в реальном времени, поддержка вспомогательных функций и режимов, существенно расширяющих функциональные возможности и улучшающих технические характеристики привода.
Диссертационная работа посвящена решению указанной проблемы и выполнялась в ГОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина» в рамках федеральной программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники 2003-2004 г.», а также в рамках хоздоговорных работ с научными и производственными компаниями.
Целью работы является развитие теории и практическая реализация векторных электроприводов переменного тока с микропроцессорным управлением, улучшение их энергетических и регулировочных характеристик за счет разработки и внедрения новых методов, алгоритмов и интеллектуальных функций управления. В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи:
– анализ существующего состояния электропривода переменного тока и направлений его совершенствования;
– разработка математических моделей элементов электропривода переменного тока для анализа и синтеза векторных систем с улучшенными регулировочными и энергетическими характеристиками;
– разработка и исследование эффективных алгоритмов формирования широтно-импульсной модуляции преобразователей переменного тока в рамках пространственно-векторного и релейно-векторного подходов;
– разработка методов и алгоритмов цифровой параметрической идентификации и оптимизации процессов в электроприводе переменного тока;
– разработка вспомогательных интеллектуальных режимов работы электропривода переменного тока;
– разработка принципов построения системы векторного управления автономными станциями энергоснабжения в составе транспортных средств с электромеханической трансмиссией;
– создание структур, алгоритмов управления серийных электроприводов и преобразователей переменного тока.
Объектом исследования является электропривод переменного тока с векторным управлением
Предметом исследования являются методы и алгоритмы управления электроприводами и преобразователями переменного тока, оптимизации привода, идентификации его параметров и переменных в реальном времени, алгоритмы реализации интеллектуальных режимов работы.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы современной теории автоматического управления, теорий дискретных и нелинейных систем с разрывным управлением, методы векторного анализа, теории дифференциальных уравнений, методы цифрового математического моделирования и натурного эксперимента.
Достоверность полученных в диссертационной работе научных результатов подтверждается непротиворечивостью численных расчетов, проведенными по различным методикам, результатами математического моделирования и экспериментальных исследований, выполненных на лабораторных и испытательных стендах в Ивановском государственном энергетическом университете, в испытательных центрах ОАО «НИПТИЭМ», г. Владимир, ООО «ЧЭАЗ-ЭЛПРИ», г. Чебоксары, ООО «НПО Вертикаль», г. Харьков, данными квалификационных испытаний приводов, проведенных фирмами-производителями, данными, полученными в ходе эксплуатации электроприводов и преобразователей на реальных объектах.
Научная новизна работы представлена
– разработанными структурами, алгоритмами работы, методиками синтеза систем микропроцессорного управления электроприводами переменного тока с улучшенными регулировочными и энергетическими характеристиками, учитывающими потери в стали и насыщение при оптимизации по КПД, обеспечивающими достижение предельного быстродействия в рамках действующих ограничений при малых дополнительных потерях от ШИМ, наделенных широким набором вспомогательных интеллектуальных функций и свойств;
– предложенной методикой синтеза алгоритмов управления матричным преобразователем частоты, построенной в рамках стратегии пространственно-векторного формирования ШИМ с жестко заданным законом коммутации и обеспечивающей высокие показатели ее энергетической эффективности, достигаемой за счет оптимизации элементарной комбинации векторов на периоде коммутации, и предельно-достижимый коэффициент использования источника питания при синусоидальном законе изменения входного тока и выходного напряжения;
– разработанным алгоритмом оценки электромагнитных и механических параметров асинхронного двигателя (АД) в процессе его работы (активных сопротивлений обмоток, постоянной времени ротора, взаимной индуктивности, момента инерции), используемым в процессе адаптации системы управления, а также алгоритмами автоматического определения исходных значений параметров и настройки разработанных систем частотного и векторного управления приводом на основе информации о фазных токах и напряжении звена постоянного тока без отключения двигателя от механизма;
– разработанной динамической тепловой моделью IGBT- модуля и методикой расчета температуры его кристаллов в реальном времени, а также алгоритмом его температурной защиты, использование которого позволяет существенно повысить перегрузочную способность и надежность преобразователя частоты в режиме кратковременных перегрузок;
– синтезированной структурой и алгоритмом работы системы векторного управления автономной станцией энергоснабжения транспортного средства с электромеханической трансмиссией, обеспечивающих согласование динамики элементов системы «двигатель внутреннего сгорания – векторный привод мотор-генератора – АСЭ – нагрузка» при малой емкости звена постоянного тока, высокое качество электрической энергии при различных нагрузках и устойчивость в аварийных режимах;
– предложенным методом приближенного учета потерь в стали двумя постоянными коэффициентами в составе динамической модели асинхронного двигателя, ориентированной на анализ систем векторного управления электроприводом с улучшенными энергетическими и регулировочными характеристиками и синтез управления этими системами в реальном времени;
– предложенным критерием оценки энергетики ШИМ и результатами сравнения энергетических показателей наиболее эффективных вариантов ШИМ по уровню коммутационных потерь в системе «преобразователь-двигатель», а также разработанной методикой выбора ее оптимального алгоритма по типовой диаграмме работы преобразователя;
– разработанными алгоритмами пофазной компенсации влияния задержек инвертора напряжения, учитывающих их зависимость от мгновенного значения тока каждой фазы, использование которых позволяет расширить диапазон регулирования асинхронных и синхронных электроприводов без датчика на валу двигателя;
– предложенной структурой, алгоритмом и методикой синтеза системы управления вентильно-индукторным приводом с минимизацией пульсаций электромагнитного момента и разработанной математической моделью 6-фазного ВИП с общей точкой в координатах проводящих фаз.
Практическая ценность работы
Разработанные структуры, алгоритмы, методики синтеза систем управления асинхронным и синхронным приводом положены в основу серийно выпускаемых электроприводов и могут использоваться при проектировании новых систем привода с улучшенными регулировочными и энергетическими показателями.
Созданные в ходе работы программные комплексы для моделирования процессов в асинхронном и синхронном электроприводе с различными видами систем управления, регуляторами, набором допущений при описании двигателей и преобразователей, а также в вентильно-индукторном приводе с различными конфигурациями силовой части, в преобразовательных устройствах систем автономного электропитания, в трехфазных инверторах с учетом ШИМ и задержек переключения, в матричных преобразователях частоты с учетом ШИМ могут использоваться при решении научно-исследовательских и учебных задач в области электропривода и преобразовательных устройств переменного тока, при разработке новых систем привода.
Предложенная методика синтеза алгоритмов управления матричным преобразователем частоты, структуры, методики синтеза системы управления ВИП с минимизацией пульсаций момента, результаты исследований энергетических характеристик алгоритмов формирования ШИМ, представленные результаты моделирования, стендовых испытаний, а для серийно выпускаемых изделий - результаты эксплуатации в реальных условиях электроприводов и преобразователей переменного тока с разработанными системами управления могут использоваться при создании высокоэффективных систем электропривода переменного тока и в учебном процессе.
Разработанные методы и алгоритмы идентификации переменных и параметров электропривода в процессе его работы, алгоритмы определения исходных параметров подключенного двигателя пригодны для применения в электроприводах переменного тока с различными, как векторными, так и скалярными системами управления с целью улучшения их энергетических и регулировочных характеристик.
Представленные в работе результаты сравнения показателей различных вариантов реализации ШИМ, методов компенсации влияния задержек инвертора, структур вентильно-индуктурного привода в сопоставлении с асинхронным приводом и сформированные на основе их анализа рекомендации по выбору вариантов позволяют осознанно подходить к задаче выбора того или иного варианта при построении новой системы электропривода.
Реализация и внедрение результатов работы. Разработанные под руководством автора системы частотного и адаптивно-векторного управления асинхронным и синхронным электроприводом с датчиком и без датчика скорости, система векторного управления рекуперативным выпрямителем внедрены в электроприводах и преобразователях серий АПЧ и ЭПВ мощностью 1…250 кВт, выпускаемых ООО «ЧЭАЗ-ЭЛПРИ» Чебоксарского электроаппаратного завода с 2000 г. Разработанные как электроприводы универсального назначения, они нашли многочисленное (на 10.2010 внедрено более 2800 приводов) применение в самых различных объектах и отраслях экономики страны от простейших станций управления насосами до механизмов главного движения и подач высокоточных металлообрабатывающих станков. Оптимальная по КПД система векторного управления внедрена в опытных образцах тягового электропривода трактора «БЕЛАРУС–3023» мощностью 300 л.с. с электрической трансмиссией переменно-переменного тока, созданной концерном «Русэлпром» (ООО «Русэлпром-Электропривод») совместно с Минским тракторным заводом и в тяговом электроприводе маршрутного городского автобуса ЛиАЗ-5292Х с гибридной энергоустановкой, созданный тем же концерном совместно с Ликинским автобусным заводом. Система векторного управления автономной станцией энергоснабжения в виде опции внедрена на опытном образце трактора «БЕЛАРУС–3023». Объектно-ориентированные системы векторного управления асинхронным электроприводом внедрены на ряде предприятий – производителей преобразовательной техники, среди которых: промышленная группа «Приводная техника», г. Москва, корпорация «Триол», г. Харьков, ДООО «ИРЗ-ТЭК» Ижевского радиозавода. В виде оборудования и методической разработки для лабораторных стендов электроприводы внедрены в учебный процесс ГОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», г. Иваново.
На защиту выносятся
– методика синтеза алгоритмов управления матричным преобразователем частоты в рамках стратегии пространственно-векторного формирования ШИМ с жестко заданным законом коммутации;
– методика расчета температуры кристаллов IGBT-модуля в реальном времени работы преобразователя и основанные на ней алгоритмы температурной защиты;
– структуры, алгоритмы работы, методики синтеза следующих систем управления:
- системы частотного управления с векторной ориентацией переменных и развитыми интеллектуальными свойствами для построения асинхронного привода общепромышленного назначения;
- систем адаптивно-векторного управления для построения высококачественных асинхронных и синхронных электроприводов без датчика на валу двигателя;
- системы цифрового релейно-векторного управления асинхронным электроприводом с предельным быстродействием и энергоэффективными алгоритмами ШИМ;
- системы оптимального по КПД векторного управления асинхронным электроприводом с учетом потерь в стали и насыщения магнитопровода;
– методы и алгоритмы оценки в реальном времени электромагнитных и механических параметров асинхронного двигателя, претерпевающих существенные изменения в процессе работы;
– метод приближенного учета потерь в стали двумя постоянными коэффициентами в составе динамической модели асинхронного двигателя;
– методика синтеза системы управления ВИП с минимизацией пульсаций электромагнитного момента, результаты сравнения различных вариантов построения силовой части ВИП при различных формах задания фазных токов;
– структура и алгоритмы работы системы векторного управления автономной станцией энергоснабжения в составе транспортного средства с электромеханической трансмиссией;
– математические модели, результаты моделирования, стендовых исследований и эксплуатации на производственных объектах разработанных электроприводов и преобразователей переменного тока;
– результаты сравнительного анализа различных вариантов формирования ШИМ и алгоритмов компенсации задержек инвертора.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:
Научно-техн. конференция «Методы анализа и технические средства испытаний электромеханических систем управления, Владимир, 1988; Всесоюзная научно-техн. конференция «Современное состояние, проблемы и перспективы энергетики и технологии в энергостроении», Иваново, 1989; Научно-техн. конференция «Системы электроприводов гибких производственных модулей», Киров, 1989; Крым, 2009; Всесоюзная конф. «Современные проблемы электромеханики, Москва, 1989; XI Всесоюзная научно-техн. конференция по проблемам автоматизированного электропривода, Суздаль, 1991; V Всесоюзная научно-техн. конференция «Проблемы преобразовательной техники», Киев, 1991; Международная научно-техн. конференция «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (Бенардосовские чтения), Иваново, 1991, 1992, 1994, 1997, 1999, 2001, 2003, 2005, 2007, 2009; II Международная научно-техн. конференция по электромеханике и электротехнологии, Крым, 1996; XVI Научно-техн. конференция «Актуальные проблемы энергетики», Н. Новгород, 1997; XI Научно-техн. конференция «Электроприводы переменного тока», Екатеринбург, 1998; Международная электронная научно-техн. конференция «Перспективные технологии автоматизации», Вологда, 1999; Всероссийская конф. «Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения», Н. Новгород, 1999; Международная конференция по автоматизированному электроприводу (АЭП): 2001 г. – Н. Новгород, 2004 г. – Магнитогорск, 2007 г. – С.Петербург, 2010 г. – Тула; International Scientific and Technical Conference «Theory and Engineering of Metallurgical Processes», Cracow, 2003; Международная научно-техн. конференция «Электроприводы переменного тока» (ЭППТ), Екатеринбург, 2005, 2007; 6-й Международный симпозиум ЭЛМАШ2006 «Перспективы и тенденции развития электротехнического оборудования», Истра, 2006; 12th International Power Electronics & Motion Control Conference, Portoroz, Slovenia, 2006; 10th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment (OPTIM’06), Brasov, Romania, 2006.Научно-техн. конференция «Силовая электроника», Москва, 2008; Международная научно-техн. конференция «Силовая электроника и энергоэффективность» (СЭЭ’2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 115 печатных работ, в том числе, 1 монография, 5 учебных пособий, 25 работ в изданиях, предусмотренных перечнем ВАК, 5 авторских свидетельств и патентов на изобретения.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, библиографического списка (307 наименований) и приложений, содержащих документы, подтверждающие внедрение полученных результатов. Работа содержит 308 страниц, 98 рисунков, 16 таблиц.
Моделирование асинхронного двигателя без учета потерь в стали Математическая модель синхронного двигателя с постоянными магнитами
В современных регулируемых электроприводах переменного тока, управляемых от преобразователей частоты, наиболее широкое распространение получили способы» формирования выходных напряжений и токова преобразователей с помощью широтно-импусной модуляции (ШИМ). Применительно к управлению трехфазными инверторами и активными выпрямителями напряжения широкое распространение получили следующие способы формирования ШИМ: 1) традиционный способ на основе сравнения сигналов управления с некоторым опорным сигналом [215]; 2) векторный способ модуляции [19, 29, 66]; 3) релейно-векторное формирование ШИМ в замкнутом контуре слежения за мгновенными значениями токовых ошибок (без принудительной модуляции) [130, 28, 5]. Методология построения векторных модуляторов [74, 19, 29, 66] базируется на векторном представлении совокупности выходных напряжений инвертора и ориентирована на микропроцессорную реализацию.
Трехфазный инвертор с идеальными ключами можно условно представить в виде трех двухпозиционных ключей (рис. 1.4.1), каждышиз которых подключает соответствующую фазу нагрузки либо к положительному, либо к отрицательному полюсу источника постоянного напряжения Udc в зависимости от трехмерного вектора входных сигналов управления. Всего имеется 2=8 возможных состояний ключей инвертора. Векторы выходных напря жений инвертора, соответствующие всем возможным его состояниям, представлены на векторной диаграмме рис. 1.4.2. Имеется шесть значащих (отличных от нуля) векторов Ui...U6 и два нулевых U7 ,Ug, соответствующих подключению всех фаз нагрузки к отрицательному либо к положительному полюсу источника.
Эти векторы будем называть образующими векторами. В случае симметрии нагрузки все ненулевые образующие векторы имеют одинаковые амплитуды: щ =U2 =U3 =U4=U5 =U6 = Udc. Каждый вектор однозначно характеризуется своим трехразрядным двоичным кодом состояния. + г VI U6(101) U2(110) и8(Ш) U7(000) У кДЦ U3(010) ,„ IV U5(001) и4(0И) Vy(Uya,Uyb,Uyc) Рис. 1.4.1. Схема замещения инвертора напряжения Рис. 1.4.2. Векторная диаграмма выходных напряжений инвертора U lOO)
Под алгоритмом формирования выходного напряжения инвертора будем понимать последовательность включения образующих векторов напряжения V % , & = 1...8, связанную определенными временными соотношениями. Введем понятие вектора эквивалентного напряжения инвертора иэкв, представляющего собой вектор выходного напряжения, усредненного на временном интервале дискретности управления инвертором. Задачей любого алгоритма является формирование в нагрузке заданного значения вектора эквивалентного напряжения. Каждый алгоритм однозначно характеризуется своей элементарной комбинацией векторов напряжения U , формирующих элементарный цикл переключения ключей инвертора. Весь алгоритм складывается из совокупности повторяющихся элементарных циклов. Математически задачу векторного формирования алгоритма можно сформулировать в виде следующего выражения: U3 e=-!-Z7}U/=2 ;U/, (1А1) 1ц і і где Тц — период цикла модуляции (продолжительность элементарной комбинации векторов); U/— і-й вектор, входящий в элементарную комбинацию; Т-Ті,Ті ——— абсолютная и- относительная продолжительности включения і ТЦ го вектора напряжения. Постановку задачи в виде (1.4.1) дополним ограничениями, следующими из ее физического смысла: 0 ТІ ТЦ , Ъг Тц, (1.4.2) где п — общее число векторов напряжения в элементарной комбинации векторов. Формирование одного и того же вектора эквивалентного напряжения может осуществляться множеством различных элементарных комбинаций выходных векторов инвертора, то есть в рамках различных алгоритмов управления. При этом алгоритмы будут отличаться друг от друга следующими показателями: - величиной пульсаций тока и потерями в фазах нагрузки; - коммутационными потерями инвертора; - коэффициентом использования источника напряжения; - числом коммутаций ключей инвертора за период модуляции; - коэффициентом использования нагрузочной способности ключей инвертора; - степенью симметрии управления фазами инвертора.
Критерии синтеза, полученные на основе этих показателей, в большей части являются противоречащими друг другу. Синтез алгоритма (выбор последовательности включения векторов напряжения) может выполняться на основе требования оптимального сочетания указанных показателей, задаваемого в каждом конкретном случае с помощью весовых коэффициентов.
В общем случае задача синтеза векторных ШИМ включает следующие основные этапы: 1) предварительный анализ координат заданного вектора5эквивалентного напряжения и при необходимости их ограничение для обеспечения принципиальной возможности решения задачи синтеза; 2) выбор состава элементарной комбинации образующих векторов для формирования заданного вектора с учетом его пространственного положения; 3) определение длительностей интервалов включения каждого из образующих векторов в пределах периода модуляции (усреднения) в соответствии с требованием равенства усредненного значения вектора напряжений инвертора заданному значению; 4) выбор порядка включения образующих векторов в элементарной комбинации и синтез сигналов управления ключами- инвертора во временной области. Физические ограничения на величину заданного вектора эквивалентного напряжения легко-определяются из анализа векторной диаграммы выходных напряжений инвертора (рис. 1.4.3). Из анализа следует: 1) задача формирования заданного вектора эквивалентного напряжения физически реализуема, если этот вектор находится в пределах шестиугольника, образованного векторами U] ...Ug (линия 2); 2) предельное значение модуля формируемого вектора является функцией 2 его углового положения: оно максимально на границах секторов (—U c) и ,гтт п udc минимально в их середине (— U\jc cos— = —р-); 3 6 V3 3) при векторной модуляции по синусоидальному закону амплитуда фазного напряжения ограничена значением U5фгр = —Щ- (линия 3). л/3 Для сравнения векторной модуляции с другими способами формирования сигналов на выходе инвертора на рис. 1.4.3 показан также годограф граничного вектора при традиционной синусоидальной ШИМ с пилообразным опорным сигналом (окружность 4 с радиусом Udc/2) и годограф основной гармоники вектора, фазных напряжений при шестиступенчатом алгоритме управления без ШИМ (окружность 1 с радиусом 2Udc jit).
Математическое моделирование процессов в вентильно-индукторном электроприводе
С целью повышения точности данного способа оценки коэффициентов потерь частота напряжения в точках измерения выбирается таким образом, чтобы частотный отрезок между точками измерения перекрывал значительную часть, либо весь диапазон рабочих частот электропривода. Расчет коэффициентов потерь выполняется с помощью решения системы из двух алгебраических уравнений: Rec 27tf2kn Rm2 где f\, /2 - частоты, при которых производятся измерения; Rm\ , Rm2 - сопро тивления, совокупно учитывающие потери в стали от вихревых токов и гистерезиса на частотах f\,f2 включенные параллельно цепи намагничивания традиционной Т- образной схемы замещения фазы АД [190, 153]. С потерями в стали параметры связаны следующим выражением: р =р , р = Етт ( Етт = Етт Rec 2фи Rm где Рес ,Pfr ,РС- потери в стали от вихревых токов, от гистерезиса, суммарные; т - число фаз АД; Ет- ЭДС взаимоиндукции:
Строго говоря, для вычисления потерь.от гистерезиса должна использоваться не вся ЭДС взаимоиндукции Ет =d m/dt, а только одна ее составляющая: jo)v/xPm, представляющая собой ЭДС вращения вектора пото-косцепления взаимоиндукции. Так как другая, трансформаторная часть ЭДС (d ffj/dtyVw , которая появляется в динамических режимах, сопровождаемых изменением- модуля потокосцепления, обычно мала по отношению к ЭДС вращения в рабочих режимах привода, то такое допущение не является грубым; Ч щ , Р ,й)ц/- модуль, единичный направляющий вектор и частота вращения вектора потокосцепления взаимоиндукции. Заметим, что в представленных выше схеме замещения АД и. уравнениях связи между коэффициентами и составляющими потерь в стали активная энергия, расходуемая на гистерезис, фигурирует в виде энергии, запасаемой источником тока и в дальнейшем полностью трансформируемой в тепло, а энергия вихревых токов выделяется на активном сопротивлении Rec.
Если измерения потерь в стали (расчет сопротивлений Rm, учитывающих потери в стали) произведены в нескольких точках частотного диапазона электропривода, то вычисление коэффициентов потерь от гистерезиса и вихревых токов выполняется на основе минимизации среднеквадратического значения относительной погрешности потерь или расчетных сопротивлений Rm. Для АД 4A250S4Y3 получены следующие значения коэффициентов по терь: Rec = 288 Ом, kh = 0.706 Гн.
Представленная модель может использоваться для адекватного описания динамических процессов в асинхронном электроприводе с управлением от преобразователя частоты во всех типовых режимах регулирования переменных. За счет учета потерь в стали модель позволяет осуществлять точный анализ энергетических характеристик привода, как в статике, так и в динамике. С учетом ограничений на частоту тока ротора и амплитуду тока статора упрощенная версия модели может использоваться для решения задач синтеза системы управления электроприводом-. Сама математическая модель двигателя, а также расчетный и экспериментальный способы определения ее параметров, были проверены на ряде типоразмеров асинхронных двигателей основного исполнения серии 4А- и на тяговых двигателях, входящих в состав комплекта тягового электрооборудования трактора ЭТ300ЦП и гибридного автобуса ЛиАЗ-5292Х.
В. качестве критериев точности модели использованы отклонения в токе статора, КПД, cos(q ) при режиме двигателя, заданном напряжением, частотой и моментом нагрузки в различных точках рабочего диапазона при сравнении результатов моделирования с результатами расчета по различным методикам проектирования и опытным данным. Получены- отклонения в КПД в пределах долей процента, отклонения в токе - в пределах 2-3%, отклонения в потерях в стали — в пределах 5-7%. Математическая модель двигателя была апробирована в составе модели асинхронного электропривода с частотным и векторным управлением. Расчет, проектирование, стендовые испытания электрических машин, "применяемых в тяговом электрооборудовании трактора и автобуса, проводились в ОАОч НИПТИЭМ» г. Владимир. Аналогичные показатели сходимости результатов моделирования с экспериментальными данными получены на лабораторной установке, собранной в научно-исследовательской лаборатории кафедры ЭП и АПУ «Ивановского государственного энергетического университета». Лабораторная установка включает асинхронный двигатель 4А112МА6УЗ мощностью 3 кВт, преобра зователь частоты серии ЭПВ [98], реализующий как частотное, так и векторное управление электроприводом, нагрузочный агрегат и контрольно-измерительную аппаратуру. Все необходимые для построения модели параметры определяются в процессе автоматической настройки привода на параметры подключенного двигателя [59].
Конфигурации активной части ИД: а) 12/8; б) 8/6; в) 12/10. Математические модели индукторного двигателя (ИД) существенным образом различаются в зависимости от схемы включения его обмоток. Анализ литературы, в.частности [238, 304, 278, 172, 173], проведенные исследования и предварительные расчеты показали, что с точки зрения сформулированной ранее задачи минимизации пульсаций электромагнитного момента, применительно к тяговому электроприводу, перспективными являются варианты ИД с соотношением числа полюсов статора и ротора 12/8, 8/6, 12/10 и числом фаз 3, 4, 6, соответственно, (рис.2.2.1). Пульсации однофазных и двухфазных структур ВИП, как правило, слишком велики. Повышение числа фаз выше 4 при независимом управлении фазами и выше 6 в структурах с общей точкой оказывается нецелесообразным из-за усложнения и удорожания преобразовательной части привода.
Анализ энергетических показателей и методика выбора оптимальных алгоритмов ШИМ для управления 3-фазным инвертором напряжения
Рассмотренные выше способы формирования ШИМ с жесткими законами коммутации ключей позволяют синтезировать алгоритмы управления с высокими энергетическими характеристиками системы ПЧ - АД. Однако они имеют ряд недостатков. Так быстродействие регулирования токов статора и других переменных ограничено периодом модуляции инвертора, а повышенные требования к быстродействию привода могут приводить к неоправданному завышению частоты модуляции. Кроме того, процессы в приводе характеризуются повышенной чувствительность к- неидеальностям инвертора напряжения и параметрам статорной цепи.
Известно, что предельно достижимые динамические характеристики привода с учетом заданных физических ограничений его энергетического канала можно получить только в системах с релейными принципами управления [208], так как именно они позволяют максимально использовать имеющийся в системе ресурс управления. Зачастую это достигается в ущерб энер гетическим показателям электропривода, например, сопровождается увеличением дополнительных потерь системы «инвертор напряжения — двигатель», вызываемых высокочастотными коммутациями ключей инвертора. Системы управления с жестким законом векторного формирования алгоритма управления [92, 19, 29] допускают оптимизацию энергетических показателей привода по критерию минимизации дополнительных потерь и вместе с тем накладывают ограничения на динамические свойства привода даже при условии применения)наиболее эффективных с точки зрения быстродействия привода векторных принципов управления переменными. Для таких систем быстродействие определяется периодом модуляции инвертора. Чтобы получить полосу пропускания контура скорости привода 150 Гц, частоту модуляции желательно иметь не менее 10 кГц. На таких частотах существенно возрастают коммутационные потери инвертора, заметно проявляются проблемы, связанные с задержками переключения силовых ключей.
Существенно повысить быстродействие и снизить чувствительность позволяет применение принципов релейно-векторного формирования алгоритмов управления инвертором напряжения в замкнутом контуре слежения за мгновенными значениями ошибок тока статора (без принудительной модуляции).
Один из наиболее простых вариантов реализации данных принципов представлен структурной схемой на рис. 3.3.1. Компоненты дискретного вектора управления формируются по уравнениям: 1, ecnubdj +SJJS 0; S,j = (З 3 1) -1, ecnuMj +SJJS 0; Mj=Iszj-Isj\ (3.3.2) U =S/5 (3.3.3) где j = a,b,c; S — гистерезис релейного регулятора тока; S j (Sja, Sj , Sjc ) — векторная дискретная функция токовых ошибок; Iszj,ISj— компоненты векторов заданного и реального тока статора (Isz(Iaz Jbz cz) и IJ Va- b- c)- соответственно).
Распределитель - импульсов (РИ) осуществляет распределение сигналов» управления по шести ключами инвертора- с учетом формирования задержек в переключенияхключейодной фазы.
Применение в системах векторного управления такого контура тока без формирования в нем алгоритма.управления, оптимизированного по критерию дополнительных потерь, приводит к чрезмерному завышению частоты коммутаций.; которая? при величине трубки тока; статора; заданной на уровне (5 -г 10)% от 1пот, может составлять десяткИіКилогерц. .
Существенно снизить дополнительные потери позволяет оптимизация алгоритма коммутации ключей инвертора по энергетическим критериям. Задача синтеза:ставится следующим образом: получить, візамкнутом релейном контуре тока алгоритмы коммутации ключей инвертора, близкие по своим энергетическим показателям к оптимальным ШИМ с жестким законом коммутации: Ранее эта задача была частично -решена в рамках аппаратной аналого-цифровой реализации в системах релейно-векторного управления со встроенным формирователем, энергетически эффективных алгоритмов управления? инвертором [112, 14] ив релейно-векторных бездатчиковых системах управления [112, 28]. Эти системы не получили широкого распространения прежде всего в связи со сложностью их настройки и с переходом к микропроцессорным системам управления электроприводом, которые обладают известными преимуществами в сравнении с аналоговыми и аналого-цифровыми системами. Ниже рассматривается пример построения асинхрон ного привода с разработанной автором цифровой, программно-реализуемой системой релейно-векторного управления [130], обладающей грубостью к параметрам привода, предельным в условиях действующих физических ограничений быстродействием, а также известными преимуществами современных цифровых систем управления, а именно: самотестированием, автонастройкой, широкими интерфейсными и прочими функциональными возможностями. Ключевым элементом данной системы управления является цифровой релейно-векторный контур тока статора.
Структурная схема системы релейно-векторного управления приводом представлена на рис. 3.3.2. Контур тока статора входит в систему управления как автономный элемент, реализованный в естественной для трехфазной машины системе координат (А,В,С). Это позволяет применять его в различных структурах векторного управления асинхронным приводом, как с датчиком положения/скорости, так и без него, а также в системах управления вентильным, синхронным, синхронно-реактивным и другими типами двигателей с трехфазной симметричной обмоткой статора. Заметим, что структура контура тока не содержит координатных преобразований.
Минимизация пульсаций электромагнитного момента в вен-тильно-индукторном электроприводе
Возможные ошибки в значениях базовых параметров, первоначально задаваемых в расчетных формулах системы идентификации оцениваемых параметров и переменных состояния в виде констант, вызывают появление дополнительных погрешностей в оцениваемых параметрах, приводящих в дальнейшем к ошибке ориентации системы векторного управления и отклонению от выбранного оптимального-закона управления.
Отдельными вопросами являются анализ чувствительности оценок параметров ко всем вышеуказанным факторам, разработка методик и алгоритмов первоначального определения параметров с заданной точностью, процедур синтеза и настройки системы оптимального векторного управления с учетом тестируемой точности каналов измерения, а также алгоритмов автоматизации этого процесса.
Основным методом решения поставленных задач является математическое моделирование, с последующей- проверкой полученных решений методом натурного эксперимента. Математические модели элементов привода: асинхронного двигателя, инвертора с учетом алгоритма ШИМ и задержек переключения рассмотрены в разделах 2.1, 1.3; 3.1.
Блок-схема и методика синтеза системы управления Блок-схема контура регулирования электромагнитного момента системы оптимального векторного управления асинхронным тяговым электроприводом представлена на рис. 4.1.1. Математическое описание основных элементов системы управления (за исключением алгоритма оптимального формирования компонент тока) и методика синтеза регуляторов подробно рассмотрены в [74] применительно к асинхронному векторному электроприводу серии ЭПВ [134 - 137] и в разд. 7 работы. Математические основы построения идентификатора параметров двигателя рассматриваются ниже.
Задачу оптимального векторного управления электроприводом сфор мулируем как обеспечение минимума потерь (максимума КПД) в рабочих режимах привода с учетом физических ограничений на его переменные (напряжение, ток, скорость). Полагаем, что скорость и момент определяются требованиями тягового электропривода - тягово-динамическими характеристиками транспортного средства. В пределах выбранной,структуры, привода при заданных значениях скорости и момента оптимизация энергетических показателей обеспечивается за счет оптимального закона»формирования тока намагничивания.
Начало цикла управления Обработка сигналов датчика тока(измерение фильтрация, координатноепреобразование (A,B,C-$d,q) ГОбработка сигналов задания момента (ограничение интенсивности, ограничение по уровню) Идентификация параметров двигателя (постоянной времени ротора, индуктивности статора)) . Формирование оптимального задания компонент тока по осям d,q с учетом. ч ограничений по напряжению и току Перерасчет параметров и коэффициентов системы управления) (Регулятор напряженияV Обработка сигналов энкодера(наблюдатель состояния механической частипривода) і ҐРегуляторы компонент тока с упреждающими и обратными связями
Модель роторной цепи (расчет модуля и углового положения векторапотокосцепления ротора) , С Формирование задания по напряжению (ограничение, компенсация запаздывания, преобразование координат, компенсация задержек V инвертора)
Блок-схема моментного контура системы оптимального векторного управления асинхронным тяговым электроприводом
Оптимальная система векторного управления отличается наличием блока формирования оптимального задания компонент тока по осям d и q. Рассмотрим-принципы построения этого блока.
Зависимость оптимального значения I z является сложной нелинейной функцией как минимум двух переменных. Для упрощения формирования зависимость может аппроксимироваться зависимостями с линейным и нелинейным вхождением переменных. В целях упрощения на практике часто применяются более простые законы оптимизации энергетических показателей привода, например, закон минимизации тока статора (Is = min), вытекающий из уравнений Парка, либо, применительно к векторным системам. управления, эквивалентный ему закон равенства модулей активной и реактивной составляющих тока статора: I z = Iq . В і частности, именно по-такому закону реализована опция «энергосбережение» в электроприводах серии. .ЭПВ [74]. Однако оба этих энергетических закона в ряде режимов работы, актуальных для тягового привода, существенно уступают закону минимума потерь. Это связано прежде всего с эффектом насыщения магнитного материала и влиянием потерь в стали, которые составляют весомую долю в. общих потерях привода-(в отдельных режимах до 50%).
Методика синтеза оптимальной по потерям зависимости I z(cor,M), полученная в результате проведенных исследований, включает в себя следующие этапы: - формирование массива оптимальных по КПД рабочих точек привода; - расчет коэффициентов аппроксимации оптимальной зависимости Idz(o)r,M). Формирование массива оптимальных по КПД рабочих точек привода осуществляется методом эксперимента, выполняемого на стенде с реальным приводом, либо на компьютерной модели. Очевидно, что потенциально более точной является стендовая настройка оптимального закона управлениями, когда сама методика оптимизации уже отработана, предпочтительным является использование именно стендовой настройки (при такой настройке учитываются все эффекты, а не только указанные выше). Моделирование удобно использовать на стадии предварительных исследований, определения эффективных методов аппроксимации оптимальных законов управления, сравне 126 ния различных оптимальных законов друг с другом по эффективности. При этом точность модели должна быть протестирована относительно расчетныхи экспериментальных данных. Такое тестирование может осуществляться по сопоставлению модельной и стендовой оптимизации. Поле рабочих точек, в которых выполняется оптимизация, должно охватывать рабочие режимы привода. Оптимизация режима работы, привода при стендовой настройке выпол } няется в замкнутой по оценкам параметрові системе векторного управления, при независимом задании тока по оси d путем его вариации. В каждой рабо -; чей точке, задаваемой скоростью и моментом, оптимизация выполняется еле дующим образом:
Похожие диссертации на Развитие теории и практическая реализация векторных электроприводов переменного тока с микропроцессорным управлением
