Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ систем частотного асинхронного электро привода, обеспечивающих управление моментом двигателя 11
1.1 Анализ разомкнутых и замкнутых систем частотного управления, обеспечивающих формирование момента асинхронного двигателя 11
1.2 Скалярное, векторное и прямое управление моментом асинхронного двигателя 14
1.3 Системы управления асинхронным электроприводом с аппаратами нечеткой логики 21
1.4 Характеристики конвейеров и механизмов передвижения и предъявляемые к ним требования 23
Выводы 27
2 Математические модели систем частотного управления асинхронным электроприводом, формирую щих момент асинхронного двигателя 28
2.1 Математическое описание асинхронного двигателя при скалярном управлении 28
2.2 Формирование сигналов коррекции напряжения в системах скалярного управления асинхронным двигателем 33
2.3 Математическое описание систем асинхронного электропривода с векторным управлением 44
2.4 Математическое описание систем асинхронного электропривода с прямым управлением моментом 48
Выводы 51
3 Оптимальное управление моментом асинхронного двигателя в системах с нечеткой логикой 52
3.1 Моделирование систем управления асинхронным двигателем 52
3.2 Однокритериальная и двухкритериальная оптимизация частотного асинхронного электропривода на безе нечеткой логики 59
3.3 Моделирование системы ПУМ асинхронного двигателя с однокри-териальной оптимизацией 73
3.4 Моделирование системы ПУМ асинхронного двигателя с двухкритериальной оптимизацией 87
Выводы 101
4 Разработка и исследование математических моделей систем управления асинхронным двигателем 102
4.1 Построение системы ПУМ асинхронного двигателя с фаззи-регулятором 102
4.2 Обучение поискового алгоритма на базе нечеткой логики 112
4.3 Моделирование систем ПУМ асинхронного двигателя с фаззи-регулятором и с измененным алгоритмом переключения силовых ключей 118
4.4 Разработка модели гибридной сети 131
Выводы 141
Заключение 142
Список литературы
- Скалярное, векторное и прямое управление моментом асинхронного двигателя
- Формирование сигналов коррекции напряжения в системах скалярного управления асинхронным двигателем
- Моделирование системы ПУМ асинхронного двигателя с однокри-териальной оптимизацией
- Моделирование систем ПУМ асинхронного двигателя с фаззи-регулятором и с измененным алгоритмом переключения силовых ключей
Скалярное, векторное и прямое управление моментом асинхронного двигателя
Электромагнитный момент является основной величиной, характеризующей процесс получения механической энергии из электрической [4, 5]. Существует несколько способов определения электромагнитного момента, базой для которых является значение электромагнитной мощности двигателя. Если основой системы управления является схема замещения, то для нахождения электромагнитного момента пользуются величинами, лежащими в ее описании. Представление электромагнитного момента двигателя через проекции пространственных векторов токов и потокосцеплений во вращающейся системе координат используется при описании электромагнитных процессов в пространственных векторах [6, 7].
Разомкнутыми системами частотного управления электроприводами являются системы, не имеющие в своей структуре внешних обратных связей по координатам привода или его технологическим параметрам [8, 9]. Управление системами осуществляется без учета результатов воздействия [10, 11]. Схемы просты в реализации, но не обеспечивают высокое качество регулирования и точность управления. Автоматизация данных систем происходит за счет наличия сигналов от соответствующих датчиков или самого двигателя. Принципы управления, к которым относятся принципы времени, тока, скорости, ЭДС и положения, базируются на сигнале управления, часто имеет место сочетание различных принципов управления [12, 13].
Типовые схемы разомкнутых систем обычно пускаются прямым подключением к сети, их управление осуществляется с помощью магнитных пускателей, обеспечивающих одновременно несколько видов защит, недостатком данных схем является отсутствие ограничения пусковых токов [13, 14].
Если расчеты разомкнутых систем ведутся с использованием методов, базирующихся на матричном описании объекта, то удобнее пользоваться векторно-матричной структурной схемой асинхронного двигателя. Внешними сигналами в ней являются: матрица-столбец и угловая частота статорного напряжения, а также момент нагрузки. Выходными сигналами будут матрицы-столбцы токов статора и ротора, потокосцеплений статора и ротора, скорость двигателя, частота роторной эдс. Недостатком данного метода является сложность расчетов.
Существует несколько методов, основанных на описании двигателя в виде проекций пространственных векторов, используемых при построении структурных схем, применяемых в роли объекта системы векторного управления. При произвольной ориентации системы координат регулирование системы управления осуществляется за счет изменения частоты с одновременным воздействием на модуль и фазу напряжения на статоре. Если ориентация системы координат осуществляется по вектору потокосцепления ротора, то внешними управляющими воздействиями являются компоненты пространственного вектора напряжения на статоре. Недостатком данных систем является низкое быстродействие.
Предъявляемые в настоящее время повышенные требования, относящиеся к погрешности и быстродействию, обусловливают необходимость применения замкнутых систем [15, 16].
Замкнутые системы управления электроприводом обеспечивают наличие большого диапазона регулирования координат и точности их поддержания, заданные критерии переходного процесса, высокую экономичность. Схема управления содержит обратные связи по регулируемым координатам, а в структуру электропривода входит силовой управляемый полупроводниковый преобразователь энергии.
Достоинствами замкнутых систем управления служат возможность гибкой настройки их параметров, программирования и перепрограммирования алгоритмов управления электропривода, повышение надежности функционирования сие 13 темы управления.
Частотное управление замкнутого электропривода, осуществляемое с помощью преобразователя частоты, зачастую реализуется по одному из вариантов [17,18]: Параметрическое управление - управляющим воздействием на двигатель являются частота и действующее значение подаваемого на двигатель напряжения. Реализуется за счет использования различных обратных связей и функциональных блоков, происходит формирование жестких механических характеристик двигателя для качественного регулирования скорости, ограничиваются ток и момент и обеспечивается требуемое соотношение между регулируемыми частотой и напряжением. Недостатком является невозможность точного поддержания момента во всем диапазоне регулирования скорости.
Частотно-токовое управление - управляющим воздействием на двигатель являются частота и действующее значение тока двигателя. В состав схемы входят управляемый выпрямитель и автономный инвертор тока, а также системы управления ими, регуляторы, датчики, усилитель-ограничитель, функциональный преобразователь. Жесткие механические характеристики двигателя формируются при работе усилителя-ограничителя в линейной зоне, при перегрузках или резком изменении задающего сигнала, усилитель-ограничитель входит в зону ограничения своего входного сигнала, и характеристика становится абсолютно мягкой. Схемы позволяют осуществлять торможение двигателя с рекуперацией энергии в сеть. Недостатком является сложность реализации, наличие датчиков скорости, увеличивающих габариты установки.
Векторное управление - связанное с регулированием мгновенных значений питающих напряжений и токов с целью формирования электромагнитного момента двигателя нужной величины. Данный вид управления позволяет добиться высокого качества и диапазона регулирования переменных асинхронного электропривода в установившемся и переходных режимах. Форма записи электромагнитного момента меняется в зависимости от исследуемых переменных и выбранной системы координат. Векторное регулирование момента асинхронного двигателя обеспечивает точное поддержание скорости во всем диапазоне управления [10, 19].
Формирование сигналов коррекции напряжения в системах скалярного управления асинхронным двигателем
Сигналы требуемой амплитуды Ц ад и частоты со і формирует блок задания сигналов управления 18. Эти сигналы поступают на вход блока формирования мгновенных значений фазных напряжений 17. С сигналом Ui3W складывается на сумматоре 19 сигнал коррекции напряжения AU, и на выходе сумматора 19 формируется сигнал U =U 3afl+AU.
Релейный принцип формирования напряжения на выходе инвертора тока позволяет повысить качество напряжения питания обмотки статора двигателя. Это особенно важно для металлургических подъемно-транспортных механизмов, у которых в системах электроснабжения используется длинный гибкий кабель.
При пуске двигателя и регулировании его частоты вращения блок задания сигналов управления 18 реализует изменение сигналов задания Ц ад и ю в соответствии с запрограммированным в этом блоке рассчитанным на номинальную нагрузку законом частотного управления и зад =f (со J).
В блоке 25 осуществляется вычисление тангенса угла между векторами тока статора и потокосцепления ротора у 0.
При изменении условий работы электропривода, в частности изменении нагрузки на валу двигателя и регулировании частоты вращения, для обеспечения минимального значения тока статора при заданном значении статического момента на валу двигателя необходимо изменять амплитуду напряжения U так, чтобы угол между векторами тока статора и потокосцепления ротора ф 0 был близок к 45, тогда tg(po=l.
Уравнение связи между током статора и потокосцеплением ротора, представленное в операторной форме [67], являющееся передаточной функцией, имеет вид [24] Величина сигнала коррекции напряжения AU определяется в блоке коррекции 21, согласно алгоритму [66, 65], работающему следующим образом: если А1ф 0 0, то на очередном (п+1) шаге расчета происходит уменьшение приращения AU к напряжению U , с шагом убывания =0,001 U H, пока угол ф 0 не станет равным 45, a tg(p 0=\; если 1фо 0, то происходит увеличение приращения AU к напряжению U , с шагом возрастания =0,001 U H; если 1ф 0=0, то значение приращения AU к напряжению не изменяется. Считывание мгновенных значений 1фд происходит циклически с дискретностью, определяемой быстродействием системы. Поддержание постоянства 1ф позволяет стабилизировать взаимное положение векторов тока статора и потокосцепления ротора. Данная система скалярного управления с коррекцией напряжения позволяет корректировать закон частотного регулирования, однако корректирующий блок имеет сложный алгоритм управления.
Так же, как и в рассмотренном ранее частотном электроприводе со скалярным управление (рисунок 2.3), в данном электроприводе система коррекции напряжения позволяет уменьшить ток статора при заданном статическом моменте, меньшем номинального значения, что обеспечивает энергосбережение. Однако данная система коррекции напряжения не обеспечивает управление моментом двигателя в пусковом режиме.
Математическое описание систем асинхронного электропривода с векторным управлением При векторном описании электромагнитных процессов в асинхронном двигателе рассматриваются все три фазы электрической машины, данный способ в своей основе содержит представление о векторах, ориентированных в электрическом пространстве [6, 68, 69].
Векторное управление основано на уравнениях динамики электродвигателя, оно работает с мгновенными величинами и пространственными векторами, представляющими напряжения, токи, потокосцепления в некоторой системе координат [70, 71].
Одной из систем векторного управления, отображающей происходящие в электродвигателе процессы на плоскость в виде вращающихся векторов (тока, напряжения или потокосцепления), является трехфазная неподвижная система координат, оси которой относительно друг друга сдвинуты на угол 2л/3 (рисунок 2.6) и совпадают с электрическими осями соответствующих обмоток электродвигателя.
Моделирование системы ПУМ асинхронного двигателя с однокри-териальной оптимизацией
Следующим этапом моделирования является построение компьютерной модели с двухкритериальной оптимизацией на базе нечеткой логики, позволяющей улучшить настройку системы управления электроприводом. Реализация двухкритериальной оптимизации в математической среде MATLAB представлена на рисунке 3.29.
В качестве управляющих сигналов в данном случае выступают ток статора (II), мощность (Р1) и угол между моментообразующими векторами (Ugol). Для всех сигналов используется функция автомасштабирования. Создание системы нечеткого вывода типа Тагаки-Сугено происходит аналогично системе с однокри-териальной оптимизацией путем объединения правил для однокритериальной оптимизации по минимуму тока и однокритериальной оптимизации по минимуму потерь, то есть в данном случае управление будет осуществляться совокупностью из восьми правил.
На рисунке 3.30 показана поверхность, которая отражает взаимосвязь управляющего сигнала по углу от входных переменных, которыми в данном случае являются изменение угла и реакция тока и потерь.
Реализация блока Система ПУМ в программе MATLAB показана на рисунке 3.31. Описание блока Система ПУМ. Изменение угла Реакция тока и потерь Рисунок 3.30 - Поверхность зависимости выходного параметра «Угол коррекции» от входных «Реакция тока и потерь» и «Изменение угла» На компаратор потокосцепления через сумматор поступают значения заданного (истинного) потокосцепления статора и рассчитанного в модели (текущего) модуля потокосцепления статора, с выхода которого сигнал поступает на первый вход блока формирования промежуточных данных. Выходной сигнал компаратора потока может принимать значения 1 или 0 [6]: если текущее значение потокосцепления статора меньше заданного щ значения модуля вектора на величину, превышающую допустимое отклонение ДЧ , то его нужно увеличить, чему соответствует выходной сигнал компаратора 5 =1 [6]; - если же оно превышает заданное значение на величину, большую AT,, то
Значения текущего и заданного момента через сумматор поступают на один из компараторов момента. Выходной сигнал компаратора момента может принимать три различных значения момента [6]: 1; -1 и 0: - значению 5М = 1 соответствует состояние, при котором требуется увели чение момента двигателя; Компьютерная модель системы ПУМ - при значении 8М = -1 момент должен быть уменьшен; - значение 8М = 0 означает, что момент лежит в допустимых пределах. Заданный момент - это момент с регулятора скорости, обеспечивающего отработку задания с заданным темпом и стабилизацию скорости после выхода на заданное значение, блок Speed controller (блок PUM). Входами блока Speed controller служат следующие параметры: - постоянное значение скорости, поступающее с блока Constant speed, которое рассчитано для данного двигателя по формуле (3.1); - ступенчатое задание скорости на ПИ- регулятор скорости с блока Speed step, обеспечивающего регулирование скорости от начального уровня 120 рад/с, с шагом времени выхода на верхний уровень 160 рад/с, составляющим 0,02 с, поданное на блок speed.
Компараторы моментов являются гистерезисными регуляторами, в настройках которых указывается допустимое отклонение от заданного значения. Если отклонение ± 2,5 Нм от заданного, то на выходном сумматоре 1, если меньше - 5 Нм, то 0, если больше + 5 Нм, то 2.
Сигналы с компараторов момента 1 и 2 поступают на сумматор, с выхода которого сигнал поступает на второй вход блока формирования промежуточных данных.
Графики сигналов с компараторов потокосцепления и моментов представлены на рисунках 3.32, 3.33.
Из рисунка 3.33 видно, что в данный момент времени в работе находится компаратор 1 (любой компаратор выдает либо 0, либо 1), так как отклонения по моменту лежат в его диапазоне от +2Нм до +5 Нм от заданного значения. При торможении ситуация поменяется, то есть в работе будет компаратор 2.
С выхода блока формирования промежуточных данных сигнал поступает на первый вход блока таблицы оптимальных переключений, задавая значение момента и потокосцепления, на второй вход которой поступает сигнал с блока распознавания текущего сектора 1 (360/60=6 секторов), входом для которого
Моделирование систем ПУМ асинхронного двигателя с фаззи-регулятором и с измененным алгоритмом переключения силовых ключей
Полученные в работе энергосберегающие алгоритмы управления для поддержания оптимального угла между моментообразующими векторами в системах «Преобразователь частоты - асинхронный двигатель» используются в учебном процессе Липецкого государственного технического университета при выполнении лабораторных работ с использованием ЭВМ по дисциплине: «Системы управления электроприводами», о чем свидетельствует акт внедрения, приведенный в приложении В. Лабораторный стенд представлен на рисунке В1, в таблице В.1 приведены технические данные двигателя. Также в приложении В представлены параметры и состав комплекта цифрового управления двигателем, на рисунке В. 2 приведена его функциональная схема. Полученная на лабораторном стенде в результате исследования зависимость приведена на рисунке В.З, где также представлена характеристика, построенная по результатам компьютерного моделирования. Анализ графиков показывает сходимость результатов, полученных при компьютерном моделировании и на экспериментальном стенде. Также графики иллюстрируют, что ослабление потока ведет к ослаблению тока статора.
В приложении Г представлен акт об использовании результатов кандидатской диссертационной работы. Моделирование систем ПУМ асинхронного двигателя с фаззи-регулятором и с измененным алгоритмом переключения силовых ключей Для проверки эффективности предложенного метода была составлена математическая модель в оболочке Simulink программного пакета MATLAB [93, 94, 95]. Реализация системы автоматического формирования задания потокосцепления статора с форсировкой в программе MATLAB [96, 97] показана на рисунке 4.11.
Задание на потокосцепления статора формируется с помощью блока Stepl, с которого через усилитель Gein3 поступает на второй вход сумматора и на один из входов мультиплексора. Реальное значение модуля потокосцепления статора формируется в блоке Система ПУМ и с помощью блока вывода сигнала flux через усилители Gein6, Gein5, передаточное звено, реализованное с помощью блока Discrete Transfer Fcn4, подается на первый вход сумматора. Формируемый на выходе сумматора сигнал, в зависимости от его значения, поступает на один из компараторов, далее через сумматор на мультиплексор, который реализован с помощью блока Multi-port Switch. Пороговые значения уставки компаратора заданы с помощью Constant, Constant2 и соответственно равны 0,4 и 1,2. Мультиплексор подключает один из трех входов, в зависимости от значения сигнала с сумматора. Если сигнал ниже 0,4 и выше 1,2, то на выходе мультиплексора формируется сигнал задания на потокосцеп-ление статора (Zadjlux) с учетом форсировки. Если сигнал лежит в пределах от 0,4 до 1,2, то на выход мультиплексора передается сигнал задания с блока Stepl.
Сигнал задания на потокосцепление статора (Zadjlux) поступает на первый вход сумматора, на второй вход которого поступает сигнал текущего модуля потокосцепления статора (flux), рассчитанный в блоке определения текущего угла и модуля потокосцепления статора. Входами блока определения текущего угла и модуля потокосцепления статора служат текущие значения потокосцепления статора в системе d-q. Разница сигналов ограничивается на первом этапе в блоке гистерезиса Dead Zone, на втором этапе - в блоке насыщения Saturation4.
Сигнал задания на момент Zad_M и текущее значение момента ТекМ поступают на второй сумматор. Разница сигналов по моменту ограничивается в блоке насыщения Saturation!.
Обеспечение автоматического контролируемого режима форсировки возможно благодаря применению динамического регулятора с гистерезисом и насыщением, текущий сигнал которого u(t) зависит от значения выхода u(t-l) в предшествующий момент времени.
Система FUZZY-регулирования асинхронного электропривода в качестве исходных данных использует ошибки регулирования потокосцепления - сигнал с бока Saturation4 и электромагнитного момента - сигнал с блока Saturation!. Третьим входом FUZZY-регулятора является сигнал с блока распознавания текущего сектора.
Решение задачи FUZZY-логического регулирования осуществляется за счет FUZZY-логических преобразований.
Структурно FUZZY-регулятор состоит из приведенных ниже элементов, выполняющих последовательно следующие действия: - фаззифицирование - превращение измеренных (наблюдаемых) четких значений переменных на язык нечеткой логики в виде лингвистических перемен ных - терм-множеств, то есть происходит определение степени принадлежности к определенным нечетким множеством качеств или свойств измеренного или вы численного значения переменных состояния; - фаззи-логическое преобразование - логические вычисления, выполняемые с применением операции И и определенные соответствующими логическими пра 122 вилами (алгоритмом нечеткой логики), в соответствии с задачей управления. Основой для FUZZY-логических преобразований является матрица, формируемая в соответствии с экспертными оценками при помощи операций ЕСЛИ, ..., ТОГДА; - дефаззифицирование - процесс получения четких величин вычисленных значений. На вход блока дефаззифицирования поступают рассчитанные функции принадлежности, а на выходе формируются численные значения переменных, то есть управляющих воздействий.