Введение к работе
Актуальность темы. Последнее десятилетие XX и начало XXI века в развитых странах, в том числе и в России, ознаменовалось массовым переходом от нерегулируемого электропривода к регулируемому во всех значимых промышленных технологиях. Ведущие производители преобразовательной техники для целей управления двигателями (Siemens, ABB, Hitachi, Schneider Electric, Control Techniques и др.) перешли на более совершенную и надежную элементную базу - интеллектуальные силовые ключи и модули, высокопроизводительную процессорную технику. В производстве комплектных электроприводов полностью завершился этап перехода от аналоговых систем управления к цифровым. На порядок возросли функциональные и сервисные возможности электропривода, упростилась его наладка и интеграция в системы автоматизации производства. Комплектные электроприводы стали интеллектуальными, с функцией интерактивной настойки оператором или по сети от внешнего компьютера, с развитыми средствами диагностики состояния оборудования и раннего предупреждения аварий.
Сегодня в России, к сожалению, нет ни одного крупного производителя комплектных электроприводов, а на рынке преобразовательной техники для управления двигателями работают более трех десятков зарубежных фирм и лишь несколько отечественных предприятий: ОАО «ЧЭАЗ», г. Чебоксары; ООО «Энергосбережение», г. Пушино; ООО «ЦИКЛ+», г. Москва; ОАО «Ижевский радиозавод»; ЗАО «Ирис», г. Новочеркасск; НИИЭМ, г. Истра; ЗАО «ЭлеСИ», г. Москва; ЗАО «ЭЛСИЭЛ», г. Москва; ЗАО «Электротекс», г. Орел; ФГУП НЛП ВНИИЭМ, г. Москва; АО «ЭРАСИБ», г. Новосибирск и некоторые другие. Такое положение нельзя признать удовлетворительным, так как потенциал отечественной школы электропривода, признанной во всем мире, используется не в полной мере. Более того, столь явная зависимость от зарубежного производителя, особенно в области мощных комплектных электроприводов, подрывает стратегическую безопасность страны.
Создание отечественного, конкурентоспособного комплектного электропривода невозможно без разработки нового поколения встраиваемых, модульных, микропроцессорных систем управления с эффективной реализацией функций прямого цифрового управления элементами силового канала и прямого сопряжения с датчиками, высокой производительностью, достаточной для поддержки перспективных структур векторного управления и реализации широкого набора сервисных функций. Новые системы управления, разработке которых посвяшена диссертация, должны быть унифицированными, обеспечивать быструю, преимущественно программную, адаптацию к конкретному типу электропривода с асинхронным, вентильным или вентиль-но-индукторным двигателем, иметь достаточные ресурсы для решения на базе электропривода задачи локальной автоматизации технологического процесса и управления технологической автоматикой, обеспечивать максимальную экономию затрат конечного потребителя на автоматизацию.
Особое значение высокопроизводительная цифровая система управления имеет для бурно развивающегося нового типа привода с вентильно-индукторными двигателями, которые вообще не работают без электронного преобразователя. Обеспечить высокие показатели качества в таких электроприводах можно только с помощью оригинальных структур управления, требующих значительных вычислительных ресурсов. В работе развивается новое направление - векторное двухзонное управление вентидьно-индукторными двигателями с независимым возбуждением, открывающее широкие перспективы применения этого типа привода в станкостроении, городском и электрическом транспорте, в энергетике и коммунальной сфере.
Актуальность работы состоит также в возможности создания на базе мульти-микропроцессорных систем управления многосекционными вентиль-но-индукторными двигателями мощных (до 1-2 МВт) комплектных электроприводов повышенной надежности и уровня резервирования для энергосберегающих технологий, способных конкурировать по набору функций и цене с электроприводами на базе высоковольтных асинхронных двигателей и высоковольтных преобразователей.
Предпосылкой для разработки отечественной серии систем управления комплектными электроприводами явилось создание к 1995 г. ведущими мировыми производителями электронных компонент (Intel, Texas Instruments, Analog Devices, Motorola) специализированных микроконтроллеров с архитектурой, системой команд и набором периферийных устройств, адаптированных к задачам управления в реальном времени двигателями и силовыми преобразователями. Появилась возможность объединить достижения лучшей в мире электроники с достижениями передовой отечественной теории электропривода, разработать и запустить в промышленное производство серию унифицированных систем управления с программной поддержкой наиболее перспективных структур управления электроприводами на базе асинхронных и вентильно-индукторных двигателей.
Научная часть диссертации выполнена в лаборатории «Микропроцессорных систем управления электроприводами» кафедры Автоматизированного электропривода МЭИ и в Учебно-научно-консультационном центре «Texas Instruments-МЭИ», а опытно-конструкторские работы и запуск серии систем управления в производство - з Научно-производственной фирме «Вектор», г. Москва. Разработка систем управления и комплектного алгоритмического и программного обеспечения велась по планам фундаментальных и прикладных исследований МЭИ (ТУ), по заказам и в сотрудничестве с ведущими отечественными производителями преобразовательной техники и комплектных электроприводов: ООО «ЦИКЛ+»; 000 «Энергосбережение» и ИБП РАН, г. Пушино; ЗАО «Ирис», г. Новочеркасск; ОАО «Ижевский радиозавод»; ФГУП НЛП ВНИИЭМ, г. Москва; ФГУП ВНИКТИ, г. Коломна; 000 «Электротранссервис», г. Москва; «ЭЗАН», г. Черноголовка.
Разработки опытно-промышленных образцов новых типов комплектных электроприводов на базе вентильно-индукторных двигателей с независимым возбуждением велись совместно с кафедрой Электротехнических
комплексов автономных объектов МЭИ, ОАО «Сафоновский электромеханический завод», ОАО «Ярославский машиностроительный завод» и фирмой «НЛП Цикл+», г.Москва.
Работа опирается на достижения отечественной школы управления частотно-регулируемыми асинхронными двигателями (Ключев В.И., Поздеев А.Д., Сандлер А.С., Бродовский В.Н., Шрейнер Р.Т., Остриров В.Н.), новыми типами вентильно-индукторных двигателей (Ильинский Н.Ф., Бычков М.Г., Кузнецов В.А., Коломийцев Л.Ф., Темирев А.П., Русаков A.M.), на современную теорию цифрового управления (Терехов В.М., Осипов О.И., Рассудов Л.Н., Коган В.Г., Изерман Р., Острем К., Куо Б., Фритч В., Шенфельд Р.) и опыт разработки цифровых систем управления шаговыми и вентильными двигателями (Ивоботенко Б.А., Садовский Л.А., Рубцов В.П, Цаценкин В.К., Балковой А.П.).
Работа развивает исследования, выполненные в докторской диссертации Острирова В.Н. «Создание гаммы электронных преобразователей для электроприводов на современной элементной базе», в части создания модульных систем управления и комплектного алгоритмического и программного обеспечения для современного комплектного электропривода.
Цель работы - создание и организация промышленного производства высокопроизводительных, унифицированных, модульных, цифровых систем управления для отечественных комплектных электроприводов с исполнительными двигателями любых типов, снабженных модульным математическим, алгоритмическим и программным обеспечением поддержки наиболее перспективных структур управления.
В теоретической части диссертации ставятся и решаются задачи:
Выделение типовых функций прямого цифрового управления элементами силового канала и прямого сопряжения с датчиками для наиболее перспективных структур комплектных электроприводов с перспективными типами исполнительных двигателей - от асинхронного до вентильно-индукторного. Обоснование основных путей улучшения показателей качества комплектных электроприводов за счет применения модульных микроконтроллерных систем управления.
Выбор процессорной элементной базы для максимально полной аппаратной поддержки решения типовых задач управления за счет интегрированных на кристалл микроконтроллера специализированных периферийных устройств и высокопроизводительной архитектуры центрального процессора.
Разработка математического, алгоритмического и программного обеспечения решения типовых задач управления элементами комплектных электроприводов - от одиночного силового ключа до трехуровневого инвертора напряжения. Создание банка типовых алгоритмов и программных модулей.
Разработка новых алгоритмов широтно-импульсной модуляции базовых векторов повышенной точности и алгоритмов прямого токового управле-
ния трехфазными инверторами для перспективных систем векторного управления приводами переменного тока.
Разработка новых, быстродействующих алгоритмов программной реализации дискретных автоматов для управления режимами работы силовых преобразователей и станций группового управления оборудованием.
Разработка концепции модульного построения аппаратной части систем управления комплектных электроприводов и архитектуры унифицированных контроллеров привода на основе специализированных процессоров для управления двигателями с развитым набором встроенных периферийных устройств.
Разработка теории векторного управления многосекционными вентильно-индукторными двигателями с независимым возбуждением, экспериментальная проверка теории на опытно-промышленных образцах электропривода.
В практической части диссертации ставятся и решаются задачи:
Организация проектных и конструкторских работ по созданию и освоению в промышленном производстве серии микроконтроллерных систем управления с наращиваемыми функциональными возможностями и производительностью.
Разработка свободно-конфигурируемой пользователем архитектуры систем управления отечественных преобразователей частоты «Универсал», максимально адаптированной для условий применения в России, с расширенным набором функций, в том числе, для управления групповыми насосными станциями.
Разработка комплектного алгоритмического и программного обеспечения отечественных преобразователей частоты, включая поддержку скалярного и векторного управления, бездатчикового векторного управления.
Разработка мульти-микропроцессорных систем управления мощными вен-тилъно-индукторными электроприводами районных тепловых станций повышенной надежности и степени резервирования.
Методы исследований. При решении поставленных задач использованы основные положения теории электропривода, электрических машин, автоматического управления, математического моделирования, современные средства разработки, конструирования и отладки силовых электронных устройств и микропроцессорных систем. Разработка алгоритмов и базового программного обеспечения выполнялась на основе: теории цифровой обработки сигналов; теории дискретных управляющих автоматов; новых «автоматных» технологий, используемых в современных системах автоматизации производства; перспективных сетевых технологий распределенного управления оборудованием.
Созданные системы управления тестировались с использованием специализированных компьютерных стендов в лабораторных условиях, а также в промышленных условиях в составе ряда комплектных электроприводов и преобразователей частоты с разработанным и установленным программным обеспечением. Все новые алгоритмы и структуры управления от-
лаживались на опытно-промышленных образцах привода. Сопоставление теоретических и экспериментальных результатов подтверждает обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций. Основные научные положения, выносимые на защиту.
Концепция модульного построения аппаратной и программной части системы управления современного комплектного электропривода и ее ядра - контроллера привода, на базе специализированных микроконтроллеров для управления двигателями, обеспечивающая унификацию решений независимо от типа исполнительного двигателя и структуры системы управления, быструю программную адаптацию к области применения. Технология наращивания производительности и функциональных возможностей системы управления за счет использования модулей расширения и интеллектуальных модулей ввода/вывода, в том числе с сетевыми интерфейсами.
Комплекс алгоритмов и программ поддержки типовых функций прямого цифрового управления элементами силового канала и сопряжения с датчиками для перспективных структур управления электроприводами переменного тока с асинхронными, вентильными и вентильно-индукторными двигателями.
Оптимизированные для использования в структурах векторного управления приводами переменного тока методы, алгоритмы и программы управления мостовыми инверторами напряжения:
12-секторной широтно-импульсной модуляции базовых векторов с программной компенсацией «мертвого времени»;
24-секторной широтно-импульсной модуляции базовых векторов для трехуровневых инверторов напряжения;
прямого цифрового управления вектором тока.
Методы эффективной программной реализации дискретных автоматов для управления режимами работы комплектных электроприводов и сопутствующей технологической автоматикой.
Свободно-конфигурируемая в реальном времени структура системы управления для отечественных серий преобразователей частоты с расширенными функциями управления групповыми насосными станциями и технологическими процессами, поддержкой скалярного, векторного дат-чикового и векторного бездатчикового управления асинхронными двигателями.
Теория цифрового векторного четырехквадрантного двухзонного управления скоростью и моментом вентильно-индукторных многосекционных двигателей с независимым возбуждением. Структура мульти-микропроцессорной системы управления мощными многосекционными вентильно-индукторными двигателями с жесткими требованиями по бесперебойности работы и резервированию.
Научная новизна. Разработана новая технология построения систем управления для современных комплектных электроприводов на базе унифицированных по структуре и интерфейсам интеллектуальных модулей, обес-
печивающая эффективную программно-аппаратную реализацию типовых функций управления элементами силового канала и сопряжения с датчиками для всех типов приводов переменного тока, поддержку перспективных алгоритмов прямого цифрового векторного управления двигателями.
Разработана и реализована в практике проектирования отечественных серий преобразователей частоты оригинальная концепция свободно-конфигурируемой пользователем архитектуры системы управления, обеспечивающая значительное расширение функций преобразователя частоты по сравнению с зарубежными аналогами и реализацию дополнительных функций управления технологическими процессами и станциями группового управления оборудованием при значительной экономии средств на энергосберегающее оборудование.
Разработаны новые алгоритмы управления трехфазными инверторами напряжения в режиме широтно-импульсной модуляции базовых векторов с повышенной точностью формирования вектора напряжения или вектора тока, адаптированные к структурам векторного управления двигателями.
Разработана теория векторного управления новым типом электропривода с многосекционным вентильно-индукторным двигателем, позволяющая реализовать четырехквадрантное двухзонное регулирование скорости и момента с показателями качества, близкими к лучшим станочным электроприводам. Это направление не имеет аналогов в России и в мире и перспективно для электрической тяги, малой энергетики и коммунального хозяйства.
Разработана оригинальная «безмастерная» мульти-
микропроцессорная система управления многосекционными вентилько-индукторными двигателями мощных сетевых насосов с повышенной надежностью и резервированием.
Практическая значимость. Создана серия модульных, унифицированных по структуре и интерфейсам, цифровых систем управления с наращиваемой производительностью и функциональными возможностями, позволяющая в сжатые сроки разрабатывать и выводить на рынок комплектные электропривода с различными типами исполнительных двигателей, не уступающие по показателям качества лучшим зарубежным аналогам.
Разработано комплектное алгоритмическое и программное обеспечение для поддержки производства отечественных серий преобразователей частоты и отечественных комплектных вентильно-индукторных электроприводов.
Предложены методы, алгоритмы и программы эффективного управления технологическими переменными и оборудованием групповых насосных станций от контроллера привода без использования дополнительных промышленных программируемых контроллеров и средств синхронизации, обеспечивающие экономию средств потребителя энергосберегающего оборудования не менее чем на 30%.
В рамках теории векторного управления вентильно-индукторными двигателями с независимым возбуждением созданы методики расчета граничных и предельных механических характеристик привода, оценки ожидае-
мого диапазона регулирования скорости, в том числе в зоне ослабления поля, расчета параметров регуляторов системы управления, пригодные для проектирования.
Создан комплект программно-аппаратных средств быстрого включения электропривода и оборудования на его основе в систему комплексной автоматизации производства на базе сетевых протоколов высокого уровня CANopen и MODBUS, обеспечивающий удаленное оперативное управление, диспетчеризацию состояния привода, настройку и конфигурирование.
Практикой создания опытно-промышленных образцов вентильно-индукторного электропривода с независимым возбуждением доказана его перспективность для широкого спектра применений от энергетики и коммунальной сферы до электрической тяги.
Реализация результатов. Основные результаты диссертации использованы в НПФ «Вектор», г. Москва при выполнении опытно-конструкторских работ по запуску в производство серии микропроцессорных систем управления МК7-МК17 для отечественных электроприводов и силовых преобразователей энергии. Объем годового выпуска комплектных систем управления превысил 2000 шт.
Системы управления на базе контроллеров МК7.1/2/3, МК10.1- 10.5 использованы НЛП «Цикл+», г.Москва и ИБП РАН, г. Пущино для производства отечественной серии преобразователей частоты «Универсал» и энергосберегающего оборудования на их основе - станций группового управления насосами «СГУ2/3/4» для коммунального хозяйства г. Москвы и Московской области, а также - для производства Автоматических регуляторов дозировочных насосов «АРДН».
Контроллеры МК9.1 использованы на заводе ЭЗАН, г. Черноголовка в системах управления силовыми преобразователями установок по выращиванию кристаллов.
Разработанные совместно с ФГУП «НЛП ВНИИЭМ», г. Москва, системы управления на базе контроллеров МК7.1 (ПС 196), применены в ответственных системах электропривода стержней атомных реакторов и в системах управления перегрузочными машинами, а системы управления на базе контроллеров МК16.1/2 - при создании новых вентильных приводов нефтяных погружных насосов.
На базе контроллеров МК11.3 спроектирована и запущена в производство по кооперации фирм ЗАО «Ирис», г. Новочеркасск, НЛП «Цикл+», г. Москва и ИБП РАН, г. Пущино серия комплектных вентильно-индукторных электроприводов компрессоров мощностью ог 0,5 до 32,5 кВт.
Контроллеры МК12.1/2 использованы ФГУП ВНИКТИ, г. Коломна при разработке нового поколения мощных тяговых электроприводов тепловозов на базе асинхронных двигателей с векторным управлением.
На базе контроллеров МК14.2/3 совместно с фирмой «Конвир», г. Москва, разработана серия малогабаритных преобразователей частоты «i-CAN» с поддержкой систем скалярного, векторного датчикового и бездатчи-кового управления асинхронными двигателями.
Предложенная в диссертации система мульти-микропроцессорного векторного управления многосекционными вентильно-индукторными двигателями на базе контроллера МК17.3 применена при создании привода сетевого насоса мощностью 630 кВт для Районных тепловых станций г. Москвы по кооперации ряда предприятий: ООО «Центртехкомплект», Шш «Цикл+», НПФ «Вектор», г. Москва и ОАО «Сафоновский электромеханический завод».
Разработанные в диссертации методики проектирования систем управления асинхронными и вентильно-индукторными двигателями использованы при проведении научно-исследовательских и проектных работ на кафедрах АЭП и ЭКАО МЭИ, а также в учебном процессе, в том числе при повышении квалификации специалистов в УНКЦ «Texas Instruments-МЭИ».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены, обсуждены и одобрены на заседании кафедры Автоматизированного электропривода МЭИ в 2007 г., на 6 российских семинарах, а также на: 1-й Международной конференции по электромеханике и электротехнологии (Суздаль, 1994 г.); 1-й Международной конференции по автоматизированному электроприводу (Санкт Петербург, 1995 г.); 11-й Международной научно-технической конференции «Новые методы и средства экономии энергоресурсов и энергетические проблемы энергетики» (Москва, 1995 г.); Международной научно-технической конференции «Гидромеханика, гидромашины, гидропривод и гидропневмоавтоматика» (Москва, 1996 г.); П-й Международной конференции по электромеханике и электротехнологии МКЭЭ-96 (Крым, 1996 г.); Ш-й Международной конференции «Электромеханика и электротехнологии» МКЭЭ-98 (Клязьма, 1998 г.); Международной конференции по промышленной электронике IEEE (Аахен, Германия, 1998 г.); Ш-й Международной конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП-2001» (Нижний Новгород, 2001 г.); V-ii Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение» МКЭЭЭ-2003 (Крым, 2003 г.); IV-й Международной конференции по автоматизированному электроприводу «Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития» (Магнитогорск, 2004 г.); Международной конференции ЕРЕ-РЕМС (Рига, 2004 г.); Международной конференции «Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика» (Харьков, 2005 г.); XI- Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Крым, 2006 г.).
Публикации. Результаты работы изложены в 1 учебнике и 7 учебных пособиях, 2 монографиях, 66 научно-технических публикациях, защищены 1 авторским свидетельством СССР и 2 патентами Российской Федерации.
Структура и объем.диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 157 наименований и 9 приложений. Ее содержание изложено на 326 страницах, проиллюстрировано 150 рисунками и 16 таблицами.
