Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные регулируемые электроприводы переменного тока на базе машины двойного питания 21
Основные направления и задачи исследования 30
Глава 2. Математическое описание асинхронизированного вентильного двигателя 31
2.1. Математическая модель асинхронизированного вентильного двигателя 35
2.2. Векторно-матричная модель асинхронизированного вентильного двигателя 43
2.3. Варианты векторного управления асинхронизированным вентильным двигателем 49
2.4. Асинхронизированный вентильный двигатель с постоянным током намагничивания 57
2.5. Математическая модель асинхронизированного вентильного двигателя при ортогональном управлении
2.6. Блоки компенсации 72
2.7. Наблюдатель магнитного потока 76
2.7. Выводы 79
Глава 3. Синтез системы регулирования и имитационная модель электропривода 82
3.1. Синтез регуляторов для системы управления 83
3.2. Определение параметров регуляторов 91
3.3. Моделирование системы векторного управления электропривода с асинхронизированным вентильным двигателем 94
3.4. Имитационная модель электропривода с асинхронизированным вентильным двигателем 99
3.5. Моделирование режимов работы электропривода
3.5.1. Моделирование процессов в преобразователях частоты 103
3.5.2. Моделирование привода при ортогональном управлении 109
3.5.3. Моделирование тяжелого пуска привода 113
3.5.4. Моделирование наблюдателя магнитного потока 117
3.7. Выводы 119
Глава 4. Энергоэффективное управление электроприводом с асинхронизированным вентильным двигателем в установившихсярежимах 122
4.1. Обобщенная постановка задачи экстремального управления электроприводом и выбор критериев оптимальности 124
4.1.1. Постановка задачи экстремального по энергетическим критериям управления электроприводом с АВД 131
4.2. Способы аппроксимации кривой намагничивания 137
4.3. Математическая модель двигателя с учетом потерь в стали и намагничивания 142
4.4. Анализ влияния частоты возбуждения на энергетические характеристики двигателя 148
4.5. Энергетические характеристики с учетом потерь в стали 157
4.6. Синтез алгоритмов энергоэффективного управления асинхронизированным вентильным двигателем в установившихся режимах
4.6.1. Координаты двигателя при оптимизации по энергетическим критериям с кусочно-линейной аппроксимацией кривой намагничивания 170
4.6.2. Координаты двигателя при оптимизации по энергетическим критериям с аппроксимацией кривой намагничивания степенным рядом
4.7. Реализация энергоэффективного управления электроприводом с авд 184
4.8. Двухзонное регулирование скорости в электроприводе на базе асинхронизированного вентильного двигателя 189
4.11. Выводы 197
Глава 5. Оценка энергетической эффективности алгоритмов управления и анализ областей применения электропривода с АВД 202
5.1. Оценка энергетической эффективности экстремальных по критерию энергосбережения алгоритмов управления 203
5.2. Определение потерь в электроприводе с асинхронизированным вентильным двигателем
5.2.1. Энергетические показатели преобразователей частоты 220
5.2.2. Потери в электроприводе при различных алгоритмах управления 224
5.3. Анализ областей применения электропривода на базе авд 227
5.4. Выводы 234
Глава 6. Особенности проектирования электропривода с асинхронизированнымвентильным двигателем 236
6.1. Силовой преобразователь в цепи возбуждения 240
6.2. Силовой преобразователь в цепи якоря
6.2.1. Преобразователь частоты якоря с автономным инвертором тока 245
6.2.2. Экспериментальные исследования установившегося режима 251
6.2.3. Преобразователь частоты якоря с автономным инвертором напряжения 253
6.2.4. Экспериментальные исследования авд с ортогональным управлением 262
6.2.5. Новое поколение экспериментального макета 264
6.3. Технико-экономическое обоснование внедрения электропривода
С асинхронизированным вентильным двигателем 265
6.3.1. Сравнительный анализ систем регулируемого электропривода 266
6.3.2. Оценка первичных капитальных затрат 273
6.4. Выводы 275
Заключение 279
Библиографический список 285
Список сокращений 314
- Варианты векторного управления асинхронизированным вентильным двигателем
- Моделирование системы векторного управления электропривода с асинхронизированным вентильным двигателем
- Постановка задачи экстремального по энергетическим критериям управления электроприводом с АВД
- Экспериментальные исследования установившегося режима
Введение к работе
Актуальность исследования. Применение электропривода в отраслях
промышленности, на транспорте и в быту постоянно растет. На сегодняшний день электрические двигатели потребляют порядка 70 % производимой в мире электрической энергии. При эксплуатации асинхронного двигателя с КПД 0,9 в течение года потери энергии сопоставимы с 60 – 80 % стоимости самого АД. А современные реалии развития конкурентной экономики таковы, что эффективность энергосберегающих технологий во многом определяется эффективностью применяемого электропривода. Но регулируемые ЭП составляют лишь порядка 10% всего парка электроприводов. Поэтому в рамках современной энергетической политики страны разработка энергетически эффективных систем регулируемого привода является одним из приоритетных направлений развития отечественной науки и техники.
Большой вклад в развитие регулируемого электропривода внесли выдающиеся
отечественные и зарубежные ученые – А.К. Аракелян, А.А. Афанасьев, М.М. Ботвинник,
И.Я. Браславский, В.Н. Бродовский, А.А. Булгаков, О.Г. Вегнер, А.М. Вейнгер,
В.А. Дартау, Л.Х. Дацковский, Н.Ф. Ильинский, В.И. Ключев, И.П. Копылов,
М.П. Костенко, Г.Б. Онищенко, В.В. Панкратов, Ю.П. Петров, А.Д. Поздеев,
В.Н. Поляков, В.В. Рудаков, Ю.А. Сабинин, А.С. Сандлер, Р.С. Сарбатов,
О.В. Слежановский, Ю.П. Сонин, Ю.Г. Шакарян, Р.Т. Шрейнер, В.А. Шубенко,
И.И. Эпштейн, F. Blaschke, A. Boehringer, W. Flter, K.P. Kovcs и др.
В настоящее время работы по совершенствованию систем электропривода ведутся по
трем основным направлениям – создание новых серий асинхронных двигателей с
повышенными энергетическими показателями, соответствующих международным
стандартам; совершенствование элементной базы преобразователей частоты, имеющих
обычно двухзвенную топологию с промежуточным звеном постоянного тока и выходным
инвертором напряжения, а в случае высоковольтного привода применяется
многоуровневое преобразование; внедрение энергетически эффективных алгоритмов управления и микроконтроллерных средств их реализации.
Традиционным подходом при разработке и внедрении регулируемого
электропривода является применение системы «преобразователь частоты – асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором» со скалярным или векторным управлением координатами, что вполне объяснимо эксплуатационной надежностью и низкой стоимостью базового двигателя.
Однако в ряде энергоемких отраслей промышленности, например,
металлургической, горнодобывающей, горно-обогатительной, производстве цемента, высока доля электроприводов с тяжелыми и сверхтяжелыми условиями пуска, где в качестве базовой машины применяется АД с фазным ротором и неэффективным реостатным регулированием. Это шахтные подъемные машины, стационарные тяжелые краны, приводы конвейеров, шаровых мельниц и измельчителей горнорудных предприятий, валков и намоточно-размоточных механизмов листовых прокатных и волочильных станов металлургических производств. Характерными режимами работы таких приводов, кроме тяжелых условий пуска, являются необходимость обеспечения высокого значения электромагнитного момента во второй зоне регулирования скорости, пуск и останов привода под нагрузкой, изменяющийся во времени от номинальной до холостого хода характер нагрузки. Применение частотно-регулируемого привода с АДКЗ при модернизации таких приводов с целью повышения их энергоэффективности сопряжено с рядом проблем. Так при работе привода на сверхсинхронной частоте
вращения напряжение статора ограничено, что вызывает необходимость снижения максимального момента обратно пропорционально квадрату скорости. АДКЗ имеет более низкий пусковой момент по сравнению с АДФР или машиной двойного питания на его основе. В АДКЗ также отсутствует возможность управления мощностью скольжения.
Обозначенные проблемы связаны с ограниченными возможностями управления базовым двигателем привода. В общем случае к машине переменного тока предъявляются следующие требования:
-
высокий КПД,
-
регулирование реактивной мощности,
-
регулирование частоты вращения ротора,
-
управление характером переходного процесса.
Этому комплексу требований не отвечают ни асинхронная, ни синхронная машины. АД с короткозамкнутым ротором при питании от сети вообще не управляем и не позволяет воздействовать на какие-либо параметры привода. При питании его от преобразователя частоты имеется возможность управления частотой вращения ротора и активными потерями. Синхронная машина, работающая параллельно с сетью, не позволяет регулировать частоту вращения, но обеспечивает изменение cos в широких пределах. Машина двойного питания также не удовлетворяет всем указанным требованиям, поскольку имеет лишь две управляющие переменные. Это дает возможность регулировать скорость и реактивную мощность. Т.е. все упомянутые выше машины являются частично управляемыми.
Бесконтактный двигатель постоянного тока имеет более широкие возможности для регулирования – амплитуда и фаза напряжения якоря позволяют регулировать скорость и потребление реактивной мощности, а изменением магнитного потока можно обеспечить минимум потерь при переменной нагрузке. Но БДПТ, несмотря на хорошие регулировочные свойства и высокие энергетические показатели, имеет серьезный недостаток – отсутствие коммутации тока в выходном инверторе ПЧ якоря при неподвижном роторе, что затрудняет его пуск из тяжелого режима упора.
В максимальной степени основные требования, предъявляемые к машине переменного тока, могут быть удовлетворены при использовании асинхронизированного вентильного двигателя (АВД), который можно отнести к классу управляемых электрических машин. АВД представляет собой вариант МДП с преобразователями частоты в цепях ротора и статора и, по сути, является своеобразным синтезом асинхронизированной синхронной машины и БД постоянного тока, устраняющим главный недостаток последнего – отсутствие коммутации ключей инвертора ПЧ якоря при тяжелом пуске. Наличие двух преобразователей открывает более широкие возможности для создания новых алгоритмов управления, обеспечивающих высокие энергетические характеристики, поскольку при этом в общем случае имеется шесть доступных для управления величин – две частоты, две амплитуды, две фазы питающих двигатель напряжений, изменением которых можно реализовать различные алгоритмы управления в зависимости от решаемых технологических задач. Две переменные – частота напряжения статора и сдвиг фаз между током и напряжением ротора – будут зависимыми. Оставшиеся переменные образуют четыре канала управления – угловой скоростью, магнитным потоком, активными потерями и реактивной мощностью. Таким образом, широкие возможности АВД относительно его управления наряду с высокой перегрузочной способностью, обусловленной применением АДФР в качестве базовой машины, делают перспективным его применение при разработке мощных регулируемых ЭП или модернизации существующих нерегулируемых приводов без замены двигателя.
Зарождение и развитие теории асинхронизированного вентильного двигателя связано с именами Ю.П. Сонина и И.В. Гуляева, создавшими в Мордовском госуниверситете им. Н.П. Огарёва научно-исследовательскую лабораторию вентильных электрических машин, где проводятся теоретические и экспериментальные исследования контактного и бесконтактного вариантов АВД при различных алгоритмах управления – с постоянным напряжением возбуждения, с постоянным магнитным потоком, с обеспечением ортогональности векторов тока статора и основного магнитного потока, работа АВД в режиме синхронной машины. Были определены рабочие и механические характеристики, исследована перегрузочная способность двигателя, даны рекомендации по расчету мощности бесконтактного АВД и оценке его основных размеров. В итоге многолетней работы коллектива лаборатории появилась научная концепция АВД, представляющая его как обобщенный двигатель постоянного тока.
Однако, несмотря на достаточно большой объем проведенных исследований в этой области электропривода, некоторые вопросы по-прежнему остаются недостаточно исследованными. Например, известный закон управления с постоянством основного магнитного потока ограничивает диапазон регулирования скорости подсинхронной зоной и имеет низкие энергетические характеристики в области малых нагрузок. Решение этой проблемы видится в разработке алгоритмов управления магнитным состоянием машины в функции электромагнитного момента. Оставалась за рамками исследований и принципиальная возможность регулирования частоты возбуждения либо в функции требуемого электромагнитного момента, либо в функции угловой скорости до перехода на встречное вращение ротора и магнитного поля, что позволило бы управлять энергетикой машины. Не были изучены и возможности работы АВД на скоростях выше синхронной.
Кроме этого, имевшиеся математические модели не позволяли решать задачи экстремального управления и верно оценить его энергетические показатели, поскольку не учитывали нелинейность магнитной цепи и потери в стали. Поэтому проблема создания адекватного математического описания АВД также требует разрешения.
Указанные обстоятельства свидетельствуют о том, что большие возможности АВД как управляемой машины не были использованы в полной мере и поиск энергоэффективных алгоритмов управления двигателем, обеспечивающих ему высокие энергетические показатели в широком диапазоне скоростей и нагрузок, определяет перспективное направление дальнейших научных исследований и их актуальность.
Диссертационная работа была выполнена в лаборатории вентильных электрических машин МГУ им. Н.П. Огарёва (г. Саранск) и содержит также ряд теоретических, методологических и прикладных результатов, полученных автором при выполнении НИР № 8.2668.2014/К в рамках проектной части государственного задания в сфере научной деятельности в 2014-2015 г.г.
Объектом исследования является регулируемый электропривод с
асинхронизированным вентильным двигателем – АДФР, включенным по схеме двойного питания с преобразователями частоты в цепях ротора и статора.
Предметом исследования являются алгоритмы и методы энергоэффективного управления электроприводами на основе АВД.
Цель диссертационной работы повышение энергетической эффективности электропривода на базе асинхронизированного вентильного двигателя в широком диапазоне изменения скоростей и нагрузок путем реализации экстремальных алгоритмов управления
Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:
-
Разработку математического описания АВД как управляемой машины переменного тока в динамических и квазиустановившихся режимах.
-
Определение асинхронизированного вентильного двигателя как многоканального объекта управления, обладающего, в отличие от других типов электрических машин, бльшим числом каналов управления и анализ вариантов формирования управляющих воздействий по ним с целью реализации энергоэффективных законов управления АВД.
-
Синтез системы регулирования координат привода и разработку имитационной модели ЭП с АВД для анализа процессов преобразования энергии и влияния частоты возбуждения на его энергетические характеристики в различных режимах работы.
-
Постановку и решение задач энергоэффективного управления электроприводом на базе АВД по критериям минимума токов и минимума суммарных потерь в двигателе с применением проблемно-ориентированных моделей, учитывающих возможность изменения как магнитного состояния машины, так и частоты возбуждения в функции электромагнитного момента или скорости с учетом нелинейности кривой намагничивания и потерь в стали.
-
Синтез алгоритмов управления электроприводом, обеспечивающих его работу в надсинхронной зоне регулирования скорости, и анализ энергетических показателей в этом режиме.
-
Оценку энергетической эффективности предложенных экстремальных алгоритмов управления приводом.
-
Сравнительный анализ регулируемых электроприводов на базе АВД и БД постоянного тока по технико-экономическим показателям и определение целесообразных областей его применения.
-
Экспериментальные исследования энергоэффективных алгоритмов управления электроприводом с АВД на лабораторном макете.
Методы исследования. Для решения поставленных задач были проведены
теоретические исследования с применением методов теории регулируемого
электропривода, электрических машин, теории автоматического управления, численных методов решения систем алгебраических и дифференциальных уравнений, матричной алгебры. Моделирование режимов работы привода проводилось с применением пакетов Excel и MATLAB-SIMULINK. Экспериментальные исследования проведены на лабораторных макетах.
Достоверность полученных в диссертационной работе научных результатов
обеспечивается корректностью постановки задач, обоснованностью принятых
допущений, применением апробированных математических методов и подтверждается
результатами имитационного моделирования и экспериментальных исследований,
выполненных на лабораторном стенде.
Научная новизна состоит в разработке теоретических положений и методов их практической реализации, обеспечивающих повышение энергетической эффективности электропривода на базе асинхронизированного вентильного двигателя в широком диапазоне изменения скоростей и нагрузок.
Итогом проведенных исследований стали новые научные результаты:
1. Система автоматического регулирования координат привода, в которой в отличие от известных систем векторного управления, магнитное состояние двигателя регулируется изменением амплитуды тока ротора, регулятор угла обеспечивает ортогональность обобщенных векторов тока статора и основного магнитного потока, а регулирование частоты возбуждения позволяет управлять энергетическими режимами работы привода.
-
Проблемно-ориентированные математические модели, отражающие особенности влияния частоты возбуждения на энергетические характеристики АВД.
-
Методика синтеза энергоэффективных алгоритмов управления АВД, отличающихся от известных алгоритмов управления двигателями переменного тока возможностью изменения не только магнитного состояния машины, но и частоты возбуждения в функции электромагнитного момента и скорости с учетом нелинейности кривой намагничивания.
-
Алгоритмы управления электроприводом с АВД в надсинхронной зоне регулирования скорости в условиях ограничения ресурсов силовых преобразователей, отличающиеся от известных возможностью работы привода на скоростях до двух синхронных с номинальной нагрузкой без уменьшения магнитного потока за счет управления частотой возбуждения.
-
Методика комбинированной оценки эффективности применения экстремальных алгоритмов по КПД и cos^.
Научная новизна всех технических решений, предложенных в работе, защищена свидетельствами об авторских правах.
Практическая ценность работы связана с достигнутым улучшением характеристик ЭП с АВД и созданием средств, обеспечивающих практическую реализацию теоретических положений:
-
Комплекс математических и имитационных моделей, алгоритмы экстремального управления и методики оценки их эффективности, официально зарегистрированные программные решения, используемые для проектирования регулируемого электропривода на базе АВД.
-
Программно-измерительный комплекс параметров АВД для обработки экспериментальных данных и анализа полученных результатов.
-
Макетные образцы электропривода с двумя вариантами реализации силового канала цепи статора - на основе АИТ с искусственной коммутацией вентилей и АИН с ШИМ на IGBT-модулях в качестве силовых ключей для проведения экспериментальных исследований.
Реализация результатов работы. Результаты исследований внедрены:
1. В виде комплекса математических и имитационных моделей, алгоритмов
экстремального управления и методик оценки их эффективности в практической
деятельности ООО «Симетра-Инжиниринг» (г. Саранск) при проектировании и внедрении
систем мощного регулируемого электропривода промышленных механизмов, а также в
проектах модернизации существующих электроприводов на предприятиях Республики
Мордовия.
Результаты применялись при выполнении ОКР по темам:
модернизация главного электропривода печи обжига клинкера (2 АДФР по 750 кВт) на ОАО «Мордовцемент»,
модернизация приводов двух сепараторов цементных мельниц мощностью 300 кВт на ОАО «Мордовцемент»,
модернизация главного привода резиносмесителя №3 цеха №1 мощностью 315 кВт на ОАО «Саранский завод «Резинотехника».
2. В виде комплекса математических и имитационных моделей для анализа
электромеханических процессов, методик синтеза энергоэффективных алгоритмов
управления в перспективных разработках, связанных с разработкой преобразователей
частоты для мощного регулируемого электропривода на ОАО «Электровыпрямитель»
(г. Саранск).
3. Основные теоретические положения диссертационной работы применяются при проведении исследований по гранту Российского научного фонда №15-19-20057 «Разработка усовершенствованных алгоритмов управления и методов модуляции для минимизации потерь в электроприводах переменного тока», где автор принимает непосредственное участие в качестве исполнителя.
Положения, выносимые на защиту. Разработанные в диссертации теоретические
положения и методы их практической реализации, обеспечивающие повышение
энергетической эффективности электропривода на базе асинхронизированного
вентильного двигателя в широком диапазоне изменения скоростей и нагрузок:
-
Комплекс математических и имитационных моделей, алгоритмы экстремального управления и методики оценки их эффективности.
-
Результаты анализа влияния частоты возбуждения на энергетические характеристики АВД.
-
Алгоритмы управления электроприводом с АВД в надсинхронной зоне регулирования скорости.
-
Сравнительный анализ экстремальных по критерию энергосбережения законов управления.
-
Результаты моделирования и экспериментальных исследований, подтверждающие теоретические положения диссертации, адекватность разработанных математических моделей и эффективность синтеза экстремальных по энергетическим критериям алгоритмов управления.
Апробация работы. Основные теоретические положения работы, ее практические
результаты, выводы и рекомендации доложены и по ним получены положительные
отзывы на следующих научно-технических конференциях и семинарах: Научно-
практических конференциях «Наука и инновации в Республике Мордовия» (Саранск,
2006 г.), Международных научных конференциях «Актуальные проблемы электронного
приборостроения» (Новосибирск – 2004, 2006, 2008, 2012, 2016 гг.), Всероссийской
научно-технической конференции с международным участием «Проблемы
электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (Тольятти, 2007 г.), V, VI, VII и VIII Международных конференциях по автоматизированному электроприводу (С.Петербург, 2007 г., Тула, 2010 г., Иваново, 2012 г. и Саранск, 2014 г.), IV Международной научной конференции «Методы и средства управления технологическими процессами» (Саранск, 2007 г.), Международной научно-технической конференции «Технологи инновациийн залуу судлаачдын нийгэмлэг. Эрдэм шинжилгээний бага хурлын эмхэтгэл «Khurel Togoot-2011» (Ulan-Bator, 2011 г.), Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы технических наук в России и за рубежом» (г. Новосибирск, 2017 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 43 печатные работы, среди которых 3 научные монографии, 12 статей в изданиях из перечня ВАК РФ, 15 статей в материалах научных конференций и других изданиях, 5 патентов РФ на изобретения, 2 свидетельства и 1 патент на полезные модели, 5 свидетельств о регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, шесть глав, заключение, библиографический список, включающий 263 наименования, список сокращений и приложения. Основная часть работы изложена на 315 страницах машинописного текста, содержит 111 рисунков и 7 таблиц.
Варианты векторного управления асинхронизированным вентильным двигателем
Для питания обмоток ротора используется отдельный ПЧ с АИН, выходная частота которого порядка 3 10 Гц [14, 55, 169, 186]. Такие значения частоты возбуждения обеспечивают допустимый тепловой режим силовых ключей ПЧ при длительной работе АВД в режиме упора с большой кратностью пускового момента и значительно снижают мощность скольжения, исключая тем самым необходимость ее рекуперации в сеть через цепь ротора [61, 62].
В АВД реализуется принцип частотно-зависимого управления, когда в отличие от классического частотного управления, частота токов статора определяется текущей частотой вращения вала. АВД может работать и при согласном, и при встречном вращении магнитных полей статора и ротора. Во втором варианте частота тока в статоре снижается по сравнению с первым вариантом вращения магнитных полей на удвоенную частоту возбуждения. Это позволяет существенно снизить потери в стали якоря и повысить КПД машины [218, 225].
Благодаря двум преобразователям частоты АВД обладает повышенной эксплуатационной надежностью и сохранит свойства управляемой электрической машины при выходе из строя одного из них [62, 194]. Кроме этого, наличие двух преобразователей частоты позволяет реализовать принципиально новые возможности управления электроприводом на базе АВД. ПЧ якоря обеспечивает регулирование скорости ротора и управление активными потерями путем изменения амплитуды напряжения и фазы тока якоря. А преобразователь ПЧf в цепи ротора при изменении амплитуды и частоты выходного напряжения позволяет управлять магнитным потоком и реактивной мощностью. Таким образом, АВД обладает четырьмя каналами регулирования параметров, что отличает его от других типов электрических машин и позволяет отнести к управляемым машинам [211]. В случае применения в качестве входных звеньев ПЧ управляемых выпрямителей в ЭП с АВД возможно рекуперативное торможение привода до полной его остановки [63, 194].
Электромагнитный момент и частота вращения ротора АВД определяются как напряжением (током) якоря, так и величиной магнитного потока возбуждения. Это означает, что изменение скорости осуществляется двумя способами, как и в ЭП постоянного тока: регулированием амплитуды напряжения якоря; регулированием тока возбуждения. Кроме этого управление скоростью ротора может осуществляться изменением фазы тока якоря (угла опережения коммутации). Аналогия свойств АВД и ДПТ может быть обоснована следующими фактами [63, 146, 147, 220]: 1. Управление выходным инверторным звеном ПЧ якоря АВД позволяет имитировать положение щеток на коллекторе ДПТ. При этом инвертор тока обеспечивает жесткую фиксацию фазы тока якоря относительно его напряжения, что реализуется и в двигателе постоянного тока. Регулирование фазы между первыми гармониками тока и напряжения якоря позволяет управлять величиной активных потерь и получать разные механические характеристики. 2. Изменение момента сопротивления на валу АВД приводит к одновременному изменению и угла нагрузки, и скорости вращения ротора как у двигателя постоянного тока. 3. Электромеханические характеристики АВД подобны характеристикам ДПТ с полной или частичной компенсацией реакции якоря.
Для реализации принципа действия ДПТ силовые преобразователи каскада АВД должны удовлетворять ряду требований. Так преобразователь частоты якоря должен обеспечить изменение фазы тока относительно напряжения на якоре вплоть до опережающей и возможность регулирования амплитуды этого напряжения. В полной мере это могут обеспечить непосредственный преобразователь частоты (НПЧ) или АИН с широтно-импульсной модуляцией [56, 57]. Для мощных приводов с глубоким регулированием скорости возможно применение ПЧ с промежуточным звеном и выходным инвертором тока с естественной либо с искусственной двухступенчатой коммутацией [55, 169]. ПЧ/ в цепи ротора должен обеспечить на выходе симметричные фазные напряжения и токи с изменяющейся от 0 до 50 Гц частотой, допускать плавное регулирование выходного напряжения и свободный двухсторонний обмен энергией между обмотками ротора и питающей сетью. В качестве ПЧ/ предлагается использовать АИН с ШИМ с регулируемым по амплитуде и частоте выходным напряжением [194].
Все это дает возможность реализации законов управления АВД с высокими энергетическими характеристиками и перегрузочной способностью, таких как обеспечение постоянного основного магнитного потока ( = const) и ортогональное управление векторами магнитного потока и тока якоря ( Fg _1_ /5) [8, 9, 61, 65, 194, 196, 224].
Недостатком привода с АВД является сложность каскада вследствие применения двух преобразователей частоты со своими системами управления. Для обеспечения его энергоэффективности необходимо снижать частоту возбуждения, что приводит к уменьшению ЭДС, индуцированных в обмотках якоря, и снижает коммутационную способность ИТ якоря, управляемого по этим ЭДС [55, 58, 60]. Это вызывает необходимость применения искусственной коммутации силовых ключей ИТ, что ухудшает массогабаритные показатели ПЧ якоря в целом. Применение полностью управляемых силовых ключей как в выпрямительном, так и в инверторном звеньях ПЧ позволяет уйти от использования искусственной коммутации, обеспечить двухсторонний обмен энергией и повысить коэффициент мощности.
Существенным недостатком базовой машины привода является наличие контактных колец и щеток у АДФР, что ограничивает области применения ЭП с АВД. Этот недостаток может быть устранен применением бесконтактного асинхронизированного вентильного двигателя (БАВД), представляющего собой каскадное соединение двух электрических машин – АВД и АД в качестве возбудителя, работающего с постоянным скольжением или с постоянной частотой питания в зависимости от варианта управления БАВД [22, 195, 196, 199, 200] (рис. 1.3).
Моделирование системы векторного управления электропривода с асинхронизированным вентильным двигателем
Для ВД существуют аналогичные режимы управления фазой тока якоря [153] вентили выходного звена ПЧ включаются с опережением относительно точек равенства ЭДС холостого хода коммутирующих фаз. Продольная и поперечная составляющие тока Is создают при этом соответствующие составляющие реакции якоря. Фазное напряжение якоря при этом может отставать или опережать ток Is на угол . вентили включаются при равенстве ЭДС холостого хода коммутирующих фаз – управление с поперечным током якоря, аналогичное ортогональному управлению АВД. управление по положению результирующего потока с углом /5 = (рх = 0. В этом режиме вентили инвертора включаются в моменты равенства
ЭДС коммутирующих фаз, что приводит к совпадению фазы напряжения и тока якоря ВД, обеспечивая работу двигателя с cos# = 1.
Для управления фазой тока якоря необходимо, чтобы в качестве выходного звена ПЧ якоря использовался ИТ с искусственной коммутацией, либо в качестве силовых ключей должны применятся полностью управляемые модули IGBT, MOSFET, GTO, IGCT.
На практике группа законов с постоянством магнитного потока применяется для динамичных электроприводов, работающих с постоянным моментом сопротивления на валу и с частыми ударными приложениями нагрузки.
Недостатком этих законов являются повышенные потери в стали статора при работе двигателя с моментом нагрузки ниже номинального, что вызвано необходимостью поддержания постоянного номинального потокосцепления во всех режимах работы.
Значительно увеличить КПД двигателя возможно путем регулирования магнитного потока в функции электромагнитного момента и скорости. В этом случае формирование продольной составляющей тока якоря осуществляется по следующим законам:
Критерий минимума тока якоря Ism —» min, где Ism - амплитуда тока якоря. Этот критерий обеспечивает максимальный электромагнитный момент при фиксированном значении тока якоря.
Критерий минимума суммарных потерь ЛРЕ —»min, что соответствует минимуму суммарных потерь в меди обмоток статора и ротора и потерь в стали статора. При этом значение частоты возбуждения изменяется вплоть до перехода на встречное вращение ротора и магнитного поля.
Таким образом, рассматривая АВД с позиций теории управления, можно предложить концепцию, определяющую его как многоканальный объект управления, отличающийся от других типов электрических машин большим числом доступных каналов управления [208, 211]. Асинхронизированный вентильный двигатель – это управляемая машина переменного тока с двумя преобразователями частоты в статоре и роторе, наличие которых позволяет организовать четыре канала управления: изменение амплитуды Us регулирует моментообразующую составляющую тока isy , управляя тем самым скоростью ротора и парируя изменения нагрузки на валу; изменение фазы вектора тока статора относительно вектора напряжения обеспечивает ортогональность векторов тока статора и основного магнитного потока, что позволяет минимизировать потери в меди при заданном значении электромагнитного момента и обеспечивает высокую перегрузочную способность при работе привода на упор; изменение амплитуды напряжения ротора управляет намагничиванием машины, обеспечивая либо постоянство магнитного потока, либо его регулирование в функции требуемого электромагнитного момента или скорости. Это позволяет улучшить энергетические показатели в области низких нагрузок, повысить при необходимости перегрузочную способность АВД за счет увеличения магнитного потока выше номинального и расширить диапазон регулирования скорости ротора. изменение частоты возбуждения вплоть до перехода на встречное вращение магнитного поля и ротора минимизирует потери в стали статора и ротора, регулирует потребление активных и реактивных мощностей и обеспечивает расширение диапазона регулирования скорости ротора во вторую зону при номинальном электромагнитном моменте.
Для формирования энергоэффективных законов математическая модель объекта должна учитывать нелинейность характеристики намагничивания аппроксимирующей функцией, которая приближенно изображает исходную характеристику. При управлении по минимуму суммарных потерь в уравнения модели необходимо ввести составляющие, характеризующие потери в стали статора, что усложняет синтез системы управления приводом [41, 66].
Постановка задачи экстремального по энергетическим критериям управления электроприводом с АВД
Сегодня проектирование систем электропривода неразрывно связано с применением современных технологий моделирования, в основе которых лежат прикладные программные пакеты [45-48, 54, 67, 161, 227, 235, 236, 258].
Особо место среди современных систем моделирования занимает MATLAB, имеющий большой набор специализированных дополнений (Toolboxes), среди которых Toolbox SIMULINK, в наибольшей степени отвечающий задачам анализа и синтеза различных систем. SIMULINK предоставляет разработчикам широкий спектр возможностей – от структурного представления системы до генерирования набора кодов для программирования микроконтроллеров [45].
Основу SIMULINK составляет решатель дифуравнений, представляющий собой программный цифровой интегратор. При моделировании можно выбрать метод решения уравнений – Эйлера, Адамса либо Рунге-Кутта. Все эти методы используют рекуррентные формулы, в которых очередной шаг решения осуществляется на основании данных, полученных на одном или нескольких предшествующих шагах. Возможно задание шага модельного времени и условий окончания процесса моделирования. Достоинство SIMULINK определяется в числе прочего и открытой для изменений библиотеке элементов, имеющей в своем составе источники сигналов с различными временными зависимостями, линейные и нелинейные преобразователи, дифференцирующие и интегрирующие блоки, квантующее устройство, электрические машины, преобразователи частоты и целый ряд других компонент.
Пакет SIMULINK полностью удовлетворяет задачам моделирования регулируемого электропривода и его выбор для создания имитационной модели привода с АВД вполне обоснован.
Для обеспечения высокого качества протекания технологических процессов необходимо регулировать координаты ЭП - скорость, момент (ток), положение вала двигателя. В разомкнутых системах используют простые варианты регулирования координат путем формирования механических характеристик. Обеспечить высокую точность и большой диапазон регулирования, высокое быстродействие возможно только применением замкнутых систем регулирования координат.
Для регулирования координат применяют один из известных принципов теории автоматического управления [91, 230]: 1) регулирование по отклонению управляемой координаты с применением отрицательной обратной связи; 2) регулирование по возмущению, когда положительная обратная связь компенсирует влияние возмущения на регулируемую величину.
В электроприводе в основном применяется первый вариант [190], так как это обеспечивает необходимую точность независимо от внешнего возмущения. Применяется и комбинированное регулирование, сочетающее оба способа.
Преимущественное распространение получил метод последовательной коррекции с подчиненным регулированием координат [151], достоинством которого является независимость настройки внутренних контуров от настройки внешних. Также достаточно просто осуществлять ограничение управляемых координат, ограничивая выходные сигналы предыдущих контуров.
Структурная модель электропривода представляет собой последовательное соединение инерционных звеньев. Передаточная функция такого объекта имеет вид параметры і-го звена модели. Звенья структуры с «большими» постоянными времени определят динамику переходных процессов в системе и ее быстродействие. Задача последовательной коррекции состоит в компенсации этих «больших» постоянных времени. Для устранения статической ошибки в контур регулирования вводится интегрирующее звено и обеспечивается единичный коэффициент передачи. Это позволит получить точное воспроизведение задающих воздействий и достаточно высокое быстродействие из-за малости оставшихся некомпенсированных постоянных времени.
Однако при наличии y объекта управления более двух «больших» постоянных времени компенсация их одним регулятором будет невозможна, так как при использовании ПИД-регулятора резко снижается помехозащищенность системы. В этом случае целесообразно использовать многоконтурное регулирование с подчиненными контурами (рис. 3.1), когда в каждом из внутренних контуров регулятор будет компенсировать не более двух постоянных времени.
Экспериментальные исследования установившегося режима
Для электромеханических систем подобные постановки экстремального управления весьма актуальны, но в [158] отмечается трудность их разрешения, поскольку нет достаточно полной информации о количественных оценках частных критериев качества при формировании основного критерия. Поэтому на практике эта задача, как правило, сводится к решению однокритериальной задачи с ограничениями, когда одна из оценок качества wi выступает в качестве целевой функции и наиболее полно отражает решение задачи оптимизации, а на остальные частные критерии вводятся ограничения.
С точки зрения принадлежности наилучшего управления Ui0 (X& ) к допустимой области управлений QU различают безусловные и условные оптимизационные задачи. В первом случае Ui0 (X& )ОQU , в другом – Ui0(X& )ПQU .
По числу управляемых координат, входящих в вектор управления U&, можно выделить одномерные и многомерные по управлению экстремальные задачи. Поиск экстремальных управлений АД с короткозамкнутым ротором и ДПТ относятся к одномерным задачам. Для остальных типов двигателей подобные задачи являются многомерными, поскольку число управляемых переменных в их математических моделях более единицы. Для АВД при заданных условиями технологического процесса электромагнитном моменте и угловой скорости ротора Х&= (m,w) таких изменяемых переменных три – фаза вектора тока статора относительно его вектора напряжения j1 (для тиристорного ПЧ - угол опережения коммутации /?), намагничивание двигателя, определяемое главным магнитным потоком Yd, и частота возбуждения (частота токов ротора) w2.
Для решения однокритериальных задач на открытом множестве управлений широко применяется градиентный метод, который также используется и в случае многокритериальной оптимизации для поиска экстремумов отдельных функций качества. Многомерные экстремальные задачи могут быть разрешены применением симплекс-методов Нелдера-Мида, которые относятся к числу наилучших прямых методов для нахождения минимума функций нескольких переменных. В случае наложения ограничений на допустимые управления поиск экстремальных управлений можно осуществлять методом штрафных функций, который позволяет приближенно свести задачу с ограничениями к безусловной задаче [158]. Если функцию качества можно отнести к хорошо организованной функции [170], для которой изменение одной из варьируемых переменных вектора управлений U будет приводить к более существенному изменению функции качества, чем изменение других переменных, то применим классический метод Эйлера [158].
Остановимся несколько подробнее на выборе критериев оптимальности и возможных ограничений, в условиях которых функционирует ЭП.
Для любого электродвигателя важным по энергетическим показателям является минимальное значение потерь. Это необходимо для повышения его КПД при широком диапазоне регулирования угловой скорости и изменении момента сопротивления на валу, а также для ограничения нагрева двигателя.
В качестве критериев могут выступать и токи обмоток. Это позволяет получить достаточно близкие к минимуму потерь режимы двигателя.
Важное практическое значение имеет задача обеспечения минимальных потерь с ограничением потребляемой двигателем реактивной мощности. Для регулируемых приводов зачастую необходимо обеспечить максимальную перегрузочную способность и диапазон регулирования скорости при ограниченных ресурсах преобразователей частоты.
В электроприводе с АВД возможна реализация широкого спектра экстремальных управлений: при безусловной оптимизации (в подсинхронной зоне регулирования скорости, без учета ограничений ПЧ по напряжению) минимум суммарных потерь; минимум токов статора и ротора; в задачах с ограничениями с постоянным магнитным потоком Ws = const и фиксированной частотой возбуждения при различных фазах между векторами напряжения и тока статора; ортогональное управление при фиксированной частоте возбуждения; ортогональное управление при регулировании частоты возбуждения, обеспечивающем минимум потерь в стали статора; регулирование скорости в надсинхронной области при ограничении ресурсов ПЧ по выходным напряжениям.
В рамках изложенного выше подхода рассмотрим задачу экстремального управления приводом с АВД по критерию минимума суммарных потерь, которые представляют собой совокупность электромагнитных, механических и добавочных потерь. АР= Pscop + РSSt + Рrcop + Рrst + Рмех + Рдоб = Ре + Рмех + Рдоб , где Pscop, Ргсор - потери в меди обмоток статора и ротора, Рsst, Рrsl - потери в стали статора и ротора, Рмех, Р доб - механические и добавочные потери. Механические потери не могут быть оптимизированы, поскольку скорость ротора задана и не зависит от компонент вектора управлений. Добавочные потери при нагрузках не выше номинальных имеют незначительную величину.
Считаем, что электромагнитный момент и угловая скорость ротора заданы условиями технологического процесса и образуют компоненты вектора состояний Х& = X&c = (m,w). Тогда, согласно концепции многоканального управления АВД, будем иметь три варьируемых переменных, образующих вектор управлений – фазу вектора статорного тока b=j1, основной магнитный поток Yd и частоту возбуждения w2 – U& = (b=j1,Y&,w2 ).
В векторной форме для установившегося режима работы уравнения математической модели АВД (2.16, 2.17, 2.22, 2.23, 2.25, 2.30) [210] примут вид Q)e = Q\—Q)2„ r -1" 1 0 Us = ISRS + а\ВЧ 8\ Ur = IrRr + o DF/, T = Lt I + T с V = I„ T -\- 4 IS S О Г ІГ Г ? j = Z i ; їт = Is + Ir; D МЭМ — m— D Fs ls; МЭМ — m — mc; В [158] показана возможность уменьшения размерности вектора управлений при решении экстремальных задач. Для АВД при условии питания обмоток статора от инвертора тока и использовании вектора основного магнитного потока в качестве опорного целесообразно формировать вектор управлений в виде V& = (I&s,w2 ).
Тогда уравнения проблемно-ориентированной модели для минимизации суммарных потерь в АВД, в которой независимыми воздействиями будут вектор тока статора I&s , частота возбуждения w2 и заданный технологической задачей вектор состояний X& = X&c , примут вид