Введение к работе
Актуальность. Современное серийное производство и широкое применение электроприводов переменного тока с векторным управлением являются результатом длительного и сложного этапа становления векторного управления как самостоятельного научного направления, дальнейшее мировое развитие которого на долгосрочную перспективу относится к основным проблемам теории и практики регулируемых электроприводов, электротехнических комплексов и систем.
Несмотря на длительное развитие в XX веке асинхронных электроприводов с частотным управлением и вентильных электроприводов, лишь в начале XXI века многие ранее исследованные, но трудно реализуемые принципиально новые пути повышения точности, диапазонов регулирования скорости, быстродействия и энергетической эффективности бесконтактных регулируемых электроприводов стали востребованы и получили мощный импульс развития. Это вызвано появлением и быстрым обновлением поколений принципиально новой элементной базы автоматизированного электропривода - специализированных для электроприводов высокопроизводительных однокристальных микроконтроллеров, быстродействующих интеллектуальных транзисторных ключей (IGBT-модулей) и трехфазных транзисторных преобразователей на их основе, используемых для регулирования скорости электродвигателей переменного тока в широком диапазоне мощностей.
В связи с этим в настоящее время особенно актуальной становится проблема создания научной методологии векторного управления, включающей теорию, методы синтеза, законы, способы и системы векторного управления транзисторными электроприводами с микропроцессорным управлением, обладающими все большей эффективностью по точности и быстродействию регулирования скорости при оптимальном использовании энергетических и динамических возможностей электродвигателей в предельно высоких диапазонах изменения момента и скорости.
Теоретической основой векторного управления являются теория двух реакций Блонделя-Парка, координатные преобразования дифференциальных уравнений Парка, теория электромеханических преобразователей, развитая в трудах R. Doherty, С. Nickle, Г.Крона, Ч. Конкордиа, Е.Кларка, ЕЯ. Казовского, А.А. Горева, Р. Рюденбер-га, Б.А. Адкинса, К.П. Ковача, И. Раца, Д.Уайта, Г.Вудсона, И.П. Копылова, А.В. Иванова-Смоленского и других.
В начале 60-х годов в ФРГ (AEG) предложено частотно-токовое управление асинхронным двигателем с регулированием частоты тока и частоты скольжения, вытесненное за рубежом в конце 60-х-начале 70-х годов регулированием вектора тока в координатах вектора потокосцепления с реализацией координатных преобразований уравнений Парка (работы K.Hasse, патенты «Siemens» на систему «Transvektor» F. Blaschke, статьи F. Blaschke, H.Rjpperger, Н. Steinkonig, W.Flotter и другй)$нако асинхронные приводы, реализованные как по принципу ориентирования вектора тока по измеренному полю в системе «Transvektor», так и по способу частотно-токового управления с регулированием частоты тока и частоты скольжения, распространенному в нашей стране в 70-90-е годы, уступают по точности регулирования приводам постоянного тока и вентильным приводам с диапазоном регулирования скорости 1000 и не применимы для более высоких диапазонов 10000 и выше.
Развитие точного машиностроения и специальной техники выдвинуло задачи, связанные с необходимостью достижения максимальной надежности электроприводов для необслуживаемого функционирования автоматических комплексов при высокой точности регулирования скорости бесконтактных электродвигателей в диапа-
зонах от 10000 до 10 -=-10 . При этом требуется минимизировать массу, габариты, стоимость и энергозатраты как высокоточных приводов, так и общепромышленных приводов для большинства отраслей промышленности, для электротранспорта.
Многие научные исследования, публикации, изобретения и промышленные разработки в передовых странах за последние 30 лет направлены на решение этих задач с широким конкурентным развитием асинхронных приводов, синхронных приводов с возбуждением от постоянных магнитов, вентильных и индукторных приводов.
Предпочтение по надежности, стоимости и технологической подготовленности массового серийного производства двигателей в большинстве отраслей получил асинхронный электропривод. Однако известные способы управления не обеспечивали асинхронному приводу конкурентоспособность в точном машиностроении, а синхронные приводы с постоянными магнитами требуют развития способов управления для возрастающих требований по быстродействию, точности и диапазонам регулировании момента и скорости. В связи с этим актуальной становится проблема создания новых способов управления, методов синтеза систем управления и методов оптимизации регулировочных, динамических и энергетических свойств асинхронных и синхронных электроприводов с точным регулированием момента и скорости.
Решению проблем высокоточного асинхронного электропривода, в том числе для робототехники и станкостроения, с начала 70-х годов посвящены разработки автора настоящей работы по созданию теории, способов и систем векторного управления. Предлагаемое автором направление отличается от систем типа «Trans-vektor» и систем частотно-токового управления новым - фазовым принципом управления моментом в динамике, способами векторного управления фазой тока, что защищено автором многими патентами, в том числе в РФ, ФРГ, США, в других странах. В отличие от многих вариантов устройств и систем эти способы имеют наиболее общий для широкого класса приводов комплекс принципиально новых отличительных свойств, относящихся к научной методологии векторного управления.
Решению задач и разработке многих вариантов систем векторного управления посвящены изобретения и научные публикации К. Hasse, F. Blaschke, R. J^Stten, W.Fl^Stter, H. Ripperger, G. Pfaff, A. Wick, G. Kaufman, L. Garces, T. Barton, D. Novotny, T. Lipo, V. Stefanovic, R. Gabriel, С Schauder, D. Naunin, K. Nordin, K. Bayrer, W. Leonhard, R. Lorenz, M.Depenbrock, T. Matsuo, M. Matsumoto, Katsuo Ko-bary, Hiroshi Ishida, S. Morimoto, T. Ohtami и многих других. Ведущие компании мира серийно производят приводы и микроконтроллеры с векторным управлением.
Научные труды Г.Б. Онищенко, В.И. Ключева, В.А. Шубенко, О.В. Слежанов-ского, Н.Л.Архангельского, И.И. Эпштейна, А.Д. Поздеева, А.Е. Козярука, В.А. Дар-тау, В.В. Рудакова, В.В. Слепцова, Н.И. Мищенко, А.Б. Виноградова и других способствовали становлению и применению в нашей стране векторного управления электроприводами в разных областях техники.
Актуальность создания научной методологии векторного управления обусловлена многими нерешенными проблемами высокоточного регулирования момента и скорости, связанными с неопределенностью параметров, законов и способов управления полем и моментом, с отсутствием способов совместимой оптимизации статики и динамики для достижения предельных энергодинамических возможностей.
Особую актуальность приобретает создание фазового принципа управления моментом, отыскание оптимальных фазовых законов при магнитном насыщении, векторные методы синтеза замкнутых по скорости систем регулирования с диапазонами регулирования скорости выше 10000, электроприводов без датчика скорости, а также систем воспроизведения момента с форсировками момента в диапазонах до 4-8-кратных, с максимальной выходной мощностью при ограничении тока и потерь.
Цель работы.
Целью работы является качественное повышение быстродействия, точности, диапазонов регулирования скорости и энергетической эффективности электроприводов переменного тока по сравнению с известными способами управления.
Для достижения указанной цели в работе решается проблема создания научной методологии векторного управления, включающей физико-математические основы и фазовый принцип векторного управления, векторные методы синтеза и оптимизации управления полем и моментом, векторную теорию асинхронного двигателя, фазовые законы, способы и системы векторного и оптимального векторного управления высокоточными быстродействующими приводами переменного тока на основе асинхронных двигателей и синхронных двигателей на постоянных магнитах с датчиком скорости и без датчиков, связанных с двигателем.
Цель работы и проблема методологии векторного управления обусловлены практическими задачами, решаемыми автором при создании высокоэффективных приводов по государственным программам и гособоронзаказам в 1970-2000-х годах.
Для достижения цели поставлен и решен комплекс теоретических задач инвариантного векторного управления динамикой с фазовым принципом управления током и полем по найденным в полярных и декартовых координатах законам фазовых смещений векторов токов и потокосцеплений в новых способах и системах управления, оптимальных по комплексу энергетических и динамических критериев.
Методы исследования. В основу предлагаемой методологии векторного управления положены опыт и результаты разработок автора по заказам промышленности в направлении создания транзисторных асинхронных электроприводов с диапазонами регулирования скорости выше 10000 с полосой пропускания выше 300 Гц.
При создании методологии использованы методы описания электромагнитных переходных процессов, известные из теории электромеханических преобразователей, и методы теории автоматического управления: метод пространства состояний, метод аналитического конструирования регуляторов, аналитические методы оптимизации, метод координат, методы синтеза систем подчиненного регулирования.
Использованы частотные методы оптимизации асинхронного электропривода, в том числе, методы, ранее разработанные автором: в 60-е годы- метод оптимизации частотно-управляемого асинхронного электропривода по минимуму тока и по минимуму потерь при магнитном насыщении асинхронного двигателя, и в 70-е годы -метод определения оптимальной частоты и оптимального потока по критерию максимума выходной мощности при ограничении потерь в асинхронном двигателе.
Научная новизна.
-
Научная новизна полученных результатов заключается в том, что создан фазовый принцип векторного управления электроприводами переменного тока с регулированием фаз и взаимных фазовых смещений электромагнитных векторов, обеспечивающий инвариантное управление моментом, оптимальное управление полем и высокоточное регулирование скорости с подтверждением мировой новизны комплекса основных способов векторного управления патентами автора в РФ, США, ФРГ, Англии, Франции, Швеции, Швейцарии по отношению к мировому уровню, к системе «Трансвектор» и к способу частотно-токового управления.
-
Впервые были созданы высокоточные транзисторные асинхронные электроприводы с векторным управлением с диапазоном регулирования скорости 10000, 20000, удовлетворяющие требованиям по точности, быстродействию и стабильности регулировочных характеристик при подтверждении наибольшей эффективности в сравнительных испытаниях приводов постоянного и переменного тока для роботов и
станков, чем доказана возможность применения асинхронного привода для высокоточных систем воспроизведения движения взамен другим типам приводов. 3. Предложен векторный метод управления взаимными фазовыми смещениями мо-ментообразующих векторов электромеханического преобразователя в полярных и декартовых координатах с регулируемой фазой синхронизации без измерения поля.
-
Создана методология векторного управления, включающая развитие теории электромеханических преобразователей и третий закон электромеханики, векторные методы синтеза и оптимизации систем векторного управления, векторную теорию асинхронного электродвигателя, фазовые законы, комплекс способов и систем векторного и оптимального векторного управления электроприводами переменного тока с датчиком скорости и без датчика скорости, методы построения систем адаптивно-оптимального многозонного векторного управления и методы достижения предельных энергодинамических характеристик электроприводов переменного тока.
-
Разработаны новые теоретические положения и новые, защищенные патентами способы векторного управления синхронным электродвигателем с возбуждением от постоянных магнитов, позволяющие повысить точность, быстродействие и диапазоны регулирования скорости микропроцессорных синхронных электроприводов.
6. Разработана математическая основа векторного управления в различных координатах ориентации, способ и система векторной ориентации и векторного мониторинга «Векторинг» по измеренным токам и напряжениям, сформулированы основные направления перспективного развития микропроцессорных электроприводов на основе асинхронных и синхронных электродвигателей с оптимизацией энергодинамических качеств приводов для высокоточных систем воспроизведения движения.
Практическая значимость.
Созданная методология векторного управления позволяет разработчикам микропроцессорных систем управления повысить точность, быстродействие, диапазоны регулирования и энергодинамические качества перспективных электроприводов.
Предложенные в работе теория и способы векторного управления применимы в качестве математической основы для разработки алгоритмов и управляющих программ микропроцессорных систем приводов переменного тока в различных вариантах как с датчиком скорости, так и в высоконадежном исполнении без датчика.
Результаты исследований данной работы внедрены в промышленных разработках, выполненных автором в 70-90-е годы и в 2000-е годы:
- первые многокоординатные асинхронные электроприводы с векторным управ
лением для универсальных и сборочных роботов,
асинхронные электроприводы сварочных автоматов и сварочных роботов,
асинхронные электроприводы механизмов подачи прецизионных металлообрабатывающих станков,
электроприводы и системы управления подачи основы для ткацких станков,
- электроприводы для специальных быстродействующих следящих систем,
асинхронные электроприводы для электромобилей и электробусов,
комплектный асинхронный электропривод и система автоматического управления для корабельных технических комплексов (завершенные ОКР внедрены в серийном производстве и поставке корабельных асинхронных электроприводов). Достоверность полученных результатов.
Основные результаты теоретических исследований подтверждены многими результатами экспериментальных исследований статических и динамических характеристик разработанных асинхронных электроприводов, совпадением расчетных зависимостей с экспериментальными данными и осциллограммами, а также результатами промышленных испытаний электроприводов на нескольких видах технических
комплексов в разных отраслях: в робототехнике, в станкостроения, в электромобилях, в корабельных технических комплексах для военно-морского флота, что подтверждено актами и протоколами испытаний.
Апробация работы.
Результаты исследований и разработок докладывались на научно-технических конференциях по проблемам развития асинхронных электроприводов в 60-90 годы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на V Международной (16 Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2007 в Санкт-Петербурге в 2007 г., на 4-х Международных конференциях и Российской научной школы «Системные проблемы надежности в инновационных проектах» «Инноватика-2006», «Инноватика-2007», «Инноватика-2008», «Иннова-тика-2009», на научных советах ФГУП НПП «ВНИИЭлектромеханики им. А.Г. Ио-сифьяна (2002 г.), кафедры электропривода МЭИ (2003 г.), ОАО «Электропривод» (2006 г.), кафедры 310 Московского авиационного института (2008 г.).
Результаты разработок демонстрировались на международных выставках в Москве в 1977 году «Электро-77», в 2000 г. «Электро-2000», в 1994 году в Вашингтоне на выставке «Технологии из России».
Публикации.
Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 47 научных трудах и изобретениях, в том числе, в одноименной монографии 2002 года, 8 статьях в журналах, рекомендованных ВАК РФ, в том числе, в журналах «Электротехника» 2004-2008 годов, в 9 патентах РФ и 8 зарубежных патентах автора на комплекс способов и систем векторного управления, выданных США, ФРГ, Англией, Францией, Швецией, Швейцарией в 1988-1993 годах.
Структура и объем работы.
Похожие диссертации на Теория, способы и системы векторного и оптимального векторного управления электроприводами переменного тока
