Исследование алгоритмов идентификации для систем бездатчикового векторного управления асинхронными электроприводами
На правах рукописи
КУЧЕР ЕКАТЕРИНА СЕРГЕЕВНА ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ ИДЕНТИФИКАЦИИ ДЛЯ СИСТЕМ БЕЗДАТЧИКОВОГО ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ Специальность: 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Новосибирск – 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образова тельном учреждении высшего профессионального образования «Новосибир ский государственный технический университет».
Научный консультант:
д.т.н., профессор Панкратов Владимир Вячеславович
Официальные оппоненты:
Зиновьев Геннадий Степанович – д.т.н., профессор, Новосибирский государст венный технический университет, профессор кафедры электроники и электро техники;
Ланграф Сергей Владимирович – к.т.н., доцент, Национальный исследователь ский Томский политехнический университет, доцент кафедры электропривода и электрооборудования.
Ведущая организация: Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук, г. Новосибирск
Защита диссертации состоится « 6 » декабря 2012 г., в 10.00 часов на за седании диссертационного совета Д 212.173.04 в Новосибирском государствен ном техническом университете по адресу:
630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского госу дарственного технического университета.
Автореферат разослан «_2_» ноября 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор Нейман Владимир Юрьевич
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В настоящее время в России, как и за рубежом, ши роко внедряются системы регулируемого по скорости электропривода (ЭП) пе ременного тока, большинство которых построено на базе асинхронных двига телей с короткозамкнутым ротором (АД). Причиной тому является высокая на дежность и низкая стоимость АД в сравнении с другими типами электрических машин, при этом реализация векторного управления АД обеспечивает регули ровочные характеристики ЭП, не уступающие характеристикам ЭП постоянно го тока. Как правило, электроприводами на базе АД оснащаются общепромыш ленные механизмы, не требующие глубокого (свыше 1:100) регулирования час тоты вращения. Это насосы, компрессоры, вентиляторы, мельницы, прессы, конвейеры и подъемно-транспортные механизмы.
Большой вклад в исследование и построение систем управления ЭП пе ременного тока внесли выдающиеся отечественные и зарубежные ученые – М.М. Ботвинник, И.Я. Браславский, А.А. Булгаков, А.М. Вейнгер, А.Б. Вино градов, Л.Х. Дацковский, Д.Б. Изосимов, Н.Ф. Ильинский, В.И. Ключев, С.А.
Ковчин, А.Е. Козярук, В.А. Мищенко, Г.Б. Онищенко, В.В. Рудаков, Ю.А. Са бинин, О.В. Слежановский, Ю.Г. Шакарян, Р.Т. Шрейнер, В.А. Шубенко, И.И.
Эпштейн, F. Blaabjerg, F. Blaschke, B.K. Bose, W. Flter, J. Holtz, W. Leonhard, R.D. Lorenz, M.P. Kazmierkowski, T.A. Lipo, K. Matsuse, D.W. Novotny и др.
Одной из главных проблем построения высококачественных систем век торного управления электроприводами на базе АД является необходимость вы числения в реальном масштабе времени (наблюдение) координат опорного век тора потокосцеплений. Эта задача традиционно решается на основе тех или иных математических моделей АД как объекта управления, которые оперируют значениями различных параметров машины. Вместе с тем, даже параметры классической Т-образной схемы замещения двигателя имеют значительный технологический разброс и, более того, изменяются в процессе функциониро вания ЭП в довольно широких диапазонах, что не позволяет постоянно пользо ваться их номинальными значениями, приведенными в справочной литературе или определенными по результатам опытов в лабораторных условиях. Поэтому в адаптивных системах управления электроприводами реализуются автомати ческие процедуры активной предварительной идентификации начальных зна чений интервально неопределенных параметров машины, которые затем уточ няются путем их текущей идентификации.
Задача наблюдения опорного вектора потокосцеплений и текущей иден тификации изменяющихся параметров АД значительно усложняется в так на зываемых «бездатчиковых» ЭП, не имеющих сенсоров координат механическо го движения электропривода – скорости и положения ротора. В таких системах приходится опираться исключительно на результаты прямых измерений элек трических величин, доступных во внутренней структуре и на выходных клем мах управляемого преобразователя электрической энергии – преобразователя частоты (ПЧ).
Известны три основных подхода к вычислению координат и параметров электрических машин в процессе работы ЭП.
1. Пассивная текущая идентификация на основе анализа информации об ос новных рабочих гармониках электрических величин.
2. Пассивная текущая идентификация параметров на основе информации о не основных (относительно высокочастотных) составляющих электрических величин, генерируемых зубцовыми пульсациями магнитного поля или им пульсным характером выходного напряжения силового ПЧ.
3. Активная текущая идентификация на основе анализа реакции объекта управления на инжектированные в статор двигателя тестовые воздействия (как правило, периодическую составляющую напряжения или тока по про дольной оси магнитного поля ротора).
В большинстве практических разработок предпочтение отдается первому подходу, не связанному с ухудшением энергетических характеристик ЭП, за вышением установленной мощности элементов ПЧ, сложными вычислениями и использованием измерительных цепей высокой точности. Однако вследствие изменений параметров диапазоны регулирования скорости в таких ЭП на прак тике редко достигают значений 1:50 (1:100 – в лабораторных условиях), а в ре жимах генераторного торможения значительно сужаются.
Целью диссертационной работы является исследование алгоритмов ак тивной предварительной и пассивной текущей идентификации параметров и наблюдения координат асинхронного бездатчикового ЭП, а также построение адаптивных законов векторного управления, расширяющих диапазон регулиро вания частоты вращения в двигательном и генераторном режимах работы.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.
1. Разработать беспоисковый алгоритм предварительной идентификации постоянной времени ротора асинхронного двигателя в системах ЭП.
2. Получить условия, при выполнении которых изменяющиеся парамет ры и неизмеряемые координаты АД принципиально возможно совместно вы числить по измерениям лишь основных гармоник токов и напряжений статора в установившихся режимах работы электропривода.
3. Разработать и исследовать методику совместного синтеза подсистем регулирования и идентификации частоты вращения ротора асинхронного дви гателя с адаптацией ЭП к изменениям активного сопротивления статора.
4. Экспериментально исследовать характеристики разработанных алго ритмов в бездатчиковом асинхронном ЭП.
Поставленные задачи решаются с помощью методов современной теории автоматического управления и теории электропривода с использованием мате матического аппарата дифференциальных уравнений и передаточных функций.
Экспериментальное исследование выполнено путем численного моделирования в пакете программ MATLAB – Simulink и физического макетирования.
Работа выполнена при поддержке Правительства Российской Федерации по государственному контракту № 13.G36.31.0010 от 22.10.2010 г.
Научная новизна основных результатов диссертации заключается в сле дующем.
1. Впервые предложена методика анализа корректности задач текущей идентификации неизмеряемых координат и изменяющихся параметров АД в системах частотно-регулируемого ЭП по основным рабочим гармоникам элек трических переменных, позволяющая получить условия, при выполнении кото рых искомые величины могут быть определены однозначно. Выявлены режимы работы ЭП, в которых однозначное вычисление требуемых величин в процессе их текущей идентификации невозможно. Их признаки могут использоваться для «переключения» структур закона управления.
2. Предложена методика структурно-параметрического синтеза подсис тем регулирования и идентификации частоты вращения бездатчикового асин хронного электропривода с векторным управлением, отличающаяся возможно стью совместного нахождения передаточных функций регулятора и идентифи катора скорости. В процессе определения параметров контуров можно задавать и варьировать желаемые динамические характеристики системы управления ЭП, а также обеспечить астатизм системы регулирования скорости по задаю щему и возмущающему воздействиям.
Практическая ценность результатов диссертационной работы состоит в следующем.
Предложены два подхода (векторно-матричный и символический) к ана лизу принципиальной возможности решения (корректности постановки) неко торых имеющих реальный технический смысл задач совместной текущей иден тификации параметров и наблюдения координат двигателя в системах частот но-регулируемого электропривода. В результате проведенного исследования выявлены режимы работы ЭП, в которых однозначное вычисление технически целесообразных пар режимных параметров АД в процессе их текущей иденти фикации невозможно, также даны рекомендации по их применению в частотно регулируемом ЭП.
Разработаны и экспериментально апробированы инженерная методика расчета параметров адаптивного идентификатора частоты вращения АД, спо собного обеспечить расширение диапазона регулирования скорости, и простой беспоисковый алгоритм активной предварительной идентификации постоянной времени цепи ротора двигателя.
На защиту выносятся следующие основные результаты.
1. Алгоритм активной предварительной идентификации постоянной вре мени цепи ротора АД в системах частотно-регулируемого ЭП.
2. Методика анализа условий текущей идентифицируемости координат и параметров асинхронного ЭП с использованием матрицы Якоби.
3. Методика синтеза адаптивного идентификатора частоты вращения ро тора с текущей коррекцией активного сопротивления обмотки статора АД.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной школе-конференции «Ин формационно-телекоммуникационные системы и управление» ИТКСУ-2009 (г.
Новосибирск, 2009 г.);
на Всероссийских научных конференциях молодых уче ных «Наука. Технологии. Инновации» НТИ-2007, НТИ-2009, НТИ-2010 (г. Но восибирск, 2007, 2009, 2010 гг.);
на четвертой научно-технической конферен ции с международным участием «Электротехника, электромеханика и электро технологии» ЭЭЭ-2009 (г. Новосибирск, 2009 г);
на X Международной научно технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборо строения» АПЭП – 2010 (г. Новосибирск, 2010 г.);
на V Международной науч но-технической конференции «Электромеханические преобразователи энер гии» ЭПЭ-2011 (г. Томск, 2011 г.);
на XV международной конференции «Элек троприводы переменного тока» ЭППТ-2012 (г. Екатеринбург, 2012 г.).
В июне 2012 г. подана заявка о выдаче патента Российской Федерации на полезную модель.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы используются при создании систем управления асинхронными электроприво дами в ЗАО «ЭРАСИБ» (г. Новосибирск), а также в учебном процессе Новоси бирского государственного технического университета.
Экспериментальные исследования, проведенные в работе, поддержаны грантом по проекту «Исследование предельных точностей оптических методов измерения параметров движения и мехатронных методов управления движени ем и разработка новых робототехнических и электромеханических систем», темплан, заявка № 7.559.2011.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 работ, из которых – в рецензируемых научных журналах и изданиях, входящих в пе речень ВАК РФ для опубликования основных научных результатов диссерта ций, 1 – в сборнике научных трудов, 8 – в материалах научных конференций.
Личный вклад автора в работы, опубликованные в соавторстве с науч ным руководителем, заключается в участии в постановке задач исследований, синтезе алгоритма активной предварительной идентификации постоянной вре мени ротора АД, выполнении выкладок при определении условий идентифи цируемости параметров ЭП. Также соискателем были выполнены постановка задачи, собственно разработка и исследование процедуры структурно параметрического синтеза алгоритмов управления и идентификации частоты вращения ротора АД.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введе ния, 5 глав, заключения, списка литературы из 70 наименований и 6 приложе ний. Она содержит 150 страниц основного текста, включая 65 рисунков и 3 таб лицы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснованы важность и актуальность темы диссертацион ной работы;
приведен обзор классических методов идентификации координат состояния и параметров схемы замещения АД;
выявлена необходимость анали за корректности постановки некоторых задач совместной текущей идентифика ции координат и параметров двигателя;
сформулированы цель и задачи дис сертации, научная новизна и практическая ценность основных результатов дис сертационного исследования.
Первая глава диссертационной работы посвящена математическому описанию асинхронного двигателя как объекта векторного управления. Рас смотрен общий подход к векторному управлению асинхронным электроприво дом при питании АД от автономного инвертора напряжения с широтно импульсной модуляцией (ШИМ).
В качестве математической модели электромагнитных процессов в двига теле при общепринятых допущениях использованы известные уравнения элек трического равновесия цепей статора и ротора, представленные во вращающей ся с произвольной скоростью ортогональной системе координат:
Lm L r k D Le I s m r U s, Le I s Rs I s Lr Lr (1) Lm Rr Rr I s k e D r r r.
Lr Lr Система (1) совмещается с выражением для электромагнитного момента и уравнением движения привода:
L T M e c m I s D r, J Me Mc.
Lr Здесь: J – суммарный момент инерции ротора двигателя и жестко связанных с ним маховых масс;
M c – приведенный к валу двигателя момент сопротивления нагрузки;
c – коэффициент;
I s, r – двумерные векторы-столбцы токов статора d и потокосцеплений ротора;
k k – угловая скорость системы координат;
dt 0 d e e – электрическая частота вращения ротора;
D – матрица 1 dt поворота вектора на угол ;
Le Ls L2 Lr – эквивалентная индуктивность m рассеяния двигателя;
Lm, Ls, Lr – главная взаимная индуктивность машины и L полные индуктивности цепей статора и ротора соответственно;
Tr r, Rr – Rr постоянная времени и активное сопротивление цепи ротора;
Rs – активное со противление цепи статора.
В системе координат, ориентированной по направлению вектора пото косцеплений ротора уравнения (1) принимают вид L d rm disd Rs isd m Le Le isq U sd t,, dt Lr dt disq Lm rm U sq t,, Rs isq Le isd Le dt Lr (2) d rm Lm 1 isd rm, dt Tr Tr d, dt где rm, – евклидова норма (модуль) и мгновенная круговая частота векто ра потокосцеплений ротора;
isd, isq – намагничивающая и моментообразующая компоненты вектора токов статора;
s – частота скольжения;
U sd,U sq – ком поненты вектора напряжений статора:
U sd t, cos sin U s t U s cos U s sin U t, sin.
cos U s t U s cos U s sin sq Также в первой главе детально рассмотрены функциональная и структур ная схемы бездатчиковой системы векторного управления АД с непосредствен ным ориентированием по полю ротора на базе ПЧ с ШИМ. Принцип векторно го управления позволяет независимо воздействовать на продольную ( isd – на магничивающую) и поперечную ( isq – активную или моментообразующую) со ставляющие вектора токов статора для управления магнитным состоянием ма шины и электромагнитным моментом соответственно.
Вторая глава отражает основные результаты проведенного исследования методов предварительной идентификации параметров схемы замещения АД, а также описание разработанной методики активной предварительной идентифи кации постоянной времени ротора асинхронного ЭП.
Функция предварительной идентификации параметров двигателя – важ ная составляющая алгоритмического обеспечения бездатчикового электропри вода. В зависимости от ситуации, в ходе предварительной идентификации оп ределяются оценки требуемых параметров АД, которые затем используются в адаптивных идентификаторах неизмеряемых координат как начальные значе ния (приближения) их настраиваемых параметров. Активная идентификация подразумевает применение специальных тестовых воздействий, пассивная – напротив, основывается только на измерениях электрических переменных в ра бочих процессах и на оценках координат состояния, определенных с помощью наблюдателей. В задаче предварительной идентификации предпочтительней именно активные алгоритмы, так как с помощью специальных тестовых сигна лов можно сфокусироваться именно на влиянии интересующего параметра, не боясь при этом нарушить ход технологического процесса.
За основу принят следующий известный алгоритм, форма соответствую щего тестового воздействия изображена на рис. 1.
1. Предварительная оценка сопротивления статора вычисляется на основе системы уравнений (2), при начальном возбуждении двигателя напряжением U sd U m 1(t ) с учетом 0, и с учетом падения напряжения в инверторе.
Достаточно точные значения вычисляемых оценок активного сопротивления статора и величины статической составляющей падения напряжения в инверто ре можно получить через 710 Tr после приложения тестового напряжения.
При этом вследствие дискретного характера выходного напряжения ПЧ изме рение тока и фиксация среднего за период дискретизации напряжения должны производиться в моменты времени, когда опорный сигнал ШИМ принимает максимальное или минимальное значения.
2. Идентификация эквивалентной индуктивности рассеяния АД осущест вляется при ступенчатом изменении напряжения статора. Показано, что в тече ние первых пяти периодов ШИМ можно достичь погрешности вычисления эк вивалентной индуктивности рассеяния в пределах (1-2)%.
3. Предварительная идентификация индуктивности статора осуществля ется при линейном изменении напряжения статора. В момент времени, когда ток намагничивания станет равным измеренному ранее установившемуся зна чению, из зафиксированных значений напряжения можно найти разницу u sd, ref (рис. 1), которая затем и используется для предварительного расчета.
Показано, что ошибка идентификации индуктивности статора прямо пропор циональна ошибке в определении оценки эквивалентного сопротивления стато ра и ошибке при формировании напряжения инвертором.
4. Идентификация постоянной времени ротора Tr также производится по экспериментальным данным о переходном процессе тока при ступенчатом из менении напряжения и последующей «линейной заводке».
Рис. 1. Форма тестового воздействия по напряжению статора На примере общепромышленного двигателя 4А200М4У3 мощностью кВт, определено, какую величину составляет u sd, ref.
Расчетное значение перепада напряжения составляет около 1 В, это до вольно малая величина, т.к. предел измерений датчиков (прямых или косвен ных) фазных напряжений двигателя составляет не менее 500 В. Следовательно, для относительно точного измерения напряжений на уровне 1 В нужно иметь разрешающую способность еще на 2 порядка выше. Такими датчиками элек троприводы для целей регулирования никогда не оснащают, дабы не увеличи вать стоимость и габариты оборудования. Расчет показывает, чтобы u sd, ref составляла доступную для измерения датчиками общепромышленной системы ЭП величину, производная напряжения должна быть 800 B, и в свою оче c редь, линейно нарастающий ток статора по истечении рекомендованного ин тервала времени 6..10 Tr достигает недопустимо большой величины, которое не соответствует перегрузочной способности ПЧ по току, которая обычно со ставляет (120-150)% от номинального тока статора АД.
В этой связи необходимо использовать другой вид тестового воздействия для предварительной идентификации Ls Lr и постоянной времени ротора асинхронного ЭП, например, гармонического сигнала задающего напряжения.
Суть предлагаемого метода предварительной идентификации параметров АД заключается в определении значений двух точек фазовой частотной характери стики (ФЧХ) и составлении на их основе системы уравнений, из которой можно выразить оценки постоянной времени и активного сопротивления цепи ротора ^ ^ асинхронного ЭП ( R r и T r ). Измерение относительной фазы гармонического сигнала осуществляется посредством специальной следящей системы – триго нометрического анализатора, методика построения которого предлагалась и не однократно описывалась в статьях, а также была реализована в серийных про мышленных электроприводах производства ЗАО «ЭРАСИБ», таких как «ЭРА ТОН-М5» и «ЭРАТОН-ФР».
На основе анализа фазовой частотной характеристики получено алгеб раическое уравнение четвертой степени, один из корней которого является ве ^ ^ личиной T r. По значению T r вычисляется оценка активного сопротивления цепи ротора двигателя. Погрешность полученных значений постоянной време ни и активного сопротивления обмотки цепи ротора асинхронного электропри вода зависит только от погрешности определения других параметров схемы за мещения АД и точности измерения фазы и частоты.
Третья глава диссертации посвящена методике анализа корректности постановки задач текущей идентификации неизмеряемых координат и изме няющихся параметров АД на основе матрицы Якоби. Получены условия совме стной идентифицируемости технически целесообразных пар параметров ЭП.
Выявлены режимы работы ЭП, в которых однозначное вычисление требуемых величин в процессе их текущей идентификации невозможно. Даны рекоменда ции по практическому применению полученных результатов.
Основой разработанной методики является система уравнений (1), запи санная для синхронной скорости ( k o ), и для установившегося режима ра боты ЭП. Из нее следует, что Us Z Is, (3) I sm cos U sm где U s, I s I sin ;
0 sm U sm, I sm – модули векторов напряжений и токов статора АД;
R s R r 1 s Tr2 L2 s o o L2 L e L r 1 s Tr 2 m m R r 1 s T r L r 1 s T r Z R s R r 1 s Tr L m s o L2 L L 1 2 T 2 2 2 e o m r s r 2 2 2 2 L r 1 s Tr R r 1 s Tr – полное сопротивление двигателя, представленное в матричной форме.
Из условий совместности уравнения (3) могут быть однозначно опреде лены лишь какие-то два неизвестных параметра, входящих в матричное полное сопротивление. При этом необходимым и достаточным условием идентифици руемости каждой возможной пары параметров АД является невырожденность матрицы Якоби для системы (3):
F1 F Y 1, F2 F 1 F1 (1, 2 ) где 1, 2 – идентифицируемые параметры АД;
F – вектор F2 (1, 2 ) столбец функций – левая часть уравнения F U s I s Z 0.
На основе традиционной для задач векторного управления АД математи ческой модели статики двигателя, представленной в векторно-матричной фор ме, предложена методика анализа принципиальной возможности решения, иными словами, корректности постановки некоторых имеющих реальный тех нический смысл задач совместной текущей идентификации координат и пара метров двигателя в системе частотно-регулируемого электропривода.
Целью проведенного исследования являлось получение условий совмест ной идентифицируемости технически целесообразных пар параметров ЭП.
Для бездатчикового асинхронного ЭП, такими параметрами могут быть:
активное сопротивление обмотки статора и электрическая частота враще ния ротора АД ( Rs и e ) – возможность совместной идентификации Rs и e отсутствует в режиме идеального холостого хода ( s 0 ), т.е. на син хронной скорости, и при выбеге ( I sm 0 );
эквивалентная индуктивность рассеяния и электрическая частота вращения ротора АД ( Le и e ) – их возможно совместно идентифицировать во всех режимах работы асинхронного двигателя, кроме режима холостого хода, выбега и режима динамического торможения ( o 0 );
постоянная времени цепи ротора и электрическая частота вращения ротора АД ( Tr и e ) – данные параметры невозможно одназначно идентифициро вать в установившихся режимах работы ЭП по информации об основных рабочих гармониках электрических величин;
взаимная индуктивность и электрическая частота вращения ротора АД ( Lm и e ) – условия идентифицируемости и этих параметров совпадают с по лученными для пары Rs и e.
Для ЭП с датчиком частоты вращения или угла поворота ротора рассматрива лась пара Lm и Tr, используемая для косвенной автоматической ориентации вращающейся системы координат по направлению вектора потокосцеплений ротора посредством модели цепи ротора двигателя. Результат проведенного анализа для выбранной пары такой же, как и в предыдущих случаях.
Предложенная методика анализа корректности постановки задач текущей идентификации неизмеряемых координат и изменяющихся параметров АД в системах частотно-регулируемого ЭП по основным рабочим гармоникам элек трических переменных позволяет получить условия, при выполнении которых искомые величины могут быть определены однозначно.
Четвертая глава посвящена структурно-параметрическому синтезу идентификатора частоты вращения и опорного вектора потокосцеплений рото ра. Предложена методика совместного синтеза подсистем регулирования и идентификации скорости АД.
Разработан многоэтапный алгоритм идентификации активного сопротив ления статора асинхронного ЭП. В основу подхода положены метод адаптив ной модели и метод больших коэффициентов, в том числе используется метод разделения движений.
Поскольку ЭП бездатчиковый, возникает необходимость в построении наблюдателя для получения информации о неизмеряемых координатах состоя ния r, r,,, т.е. их оценок. Наблюдатель является алгоритмом, позво ляющим стабилизировать систему, получая требуемые переходные процессы.
Используемый адаптивный идентификатор частоты вращения ротора АД осно ван на методике MRAS – Model Reference Adaptive System (адаптивная система с задающей или эталонной моделью) (рис. 2).
На структурной схеме обозначено:
МЦС – модель цепи статора;
МЦР – модель цепи ротора;
А – адаптор;
КН – корректор нулей МЦС;
D – матрица поворота;
ТА – тригонометрический ана лизатор.
Синтез наблюдателя заключается в нахождении параметров адаптора и корректора нулей, представляющих собой пропорционально-интегральные ре гуляторы, расчет которых осуществляется с помощью модального метода.
Для такой существенно нелинейной системы как асинхронный электро привод в большинстве случаев контур регулирования скорости бездатчикового ЭП синтезируется приближенно, исходя из условий разделения движений с процессами идентификации неизмеряемых координат, что приводит к значи тельным ограничениям по быстродействию электропривода в целом как по за дающему, так и по возмущающему воздействиям.
Рис. 2. Структурная схема адаптивного идентификатора частоты вращения В работе предложена методика совместного структурно параметрического синтеза регулятора и идентификатора частоты вращения ро тора бездатчикового асинхронного электропривода, лишенная указанного выше недостатка. В основу методики положены результаты анализа процессов, про текающих в моделях двигателя и адаптивной системы с эталонной моделью (АСЭМ), представленных в разных вращающихся системах координат. В дис сертации это ориентированная по направлению вектора потокосцеплений рото ра АД система координат (d,q) и смещенная система, обозначенная как (1,2).
Главным допущением является высокое быстродействие (безинерционность) регулируемого источника токов статора двигателя.
Получены следующие уравнения, которые отражают связь между моделью двигателя и настраиваемой системой:
T is1 1 cos k is 2 sin k, r Lm is 2 is1 sin is 2 cos.
k Tr r r k k r ^ ^ где e e ;
r r – отклонения;
k – угол смещения систем коор динат (d,q) и (1,2) друг относительно друга.
После преобразований, проведенных при условии, что и k малы, ко зад гда cos k 1,а sin k k, для системы с задатчиком is1 r / Lm полу чим Tr p 1 ( p ) Lm is 2 k ( p ), ^ p Lm is1 k ( p ) ( p ) e ( p ) e ( p ).
Tr r зад На основе этих уравнений, используя уравнения движения и момента ЭП, построена структурная схема пересекающихся контуров регулирования скоро сти и идентификатора скорости АД (рис. 3).
Чтобы найти параметры передаточной функции ПИ-регулятора АСЭМ, предлагается приравнять характеристический полином замкнутого контура адаптации к биномиальной стандартной форме. Для получения передаточной функции регулятора скорости используется методика синтеза по возмущающе му воздействию, т.е. по требованиям к максимальному динамическому откло нению скорости электропривода при ступенчатом изменении момента сопро тивления нагрузки на валу двигателя, к коэффициенту неравномерности враще ния (диапазону регулирования) в условиях изменяющихся нагрузок или к инте гральной ошибке регулирования (ошибки по положению ротора).
Рис. 3. Структурная схема системы управления и идентификации скорости По данной методике синтеза, передаточная функция регулятора скорости будет иметь следующий вид Rf mn c, W pc p c Rf n ac p где ac – стандартный коэффициент, определяющий степень демпфирования переходных процессов;
– параметр электропривода, характеризующий быст родействие в переходных процессах «в большом»;
Rf mn – задающее воздейст вие по моменту электропривода, соответствующее номинальному значению M e ;
Rf n – задающее воздействие по скорости электропривода, соответст вующее номинальному значению этой величины;
с – частота среза ЛАЧХ ра зомкнутого контура скорости, определяющая его быстродействие «в малом».
Методика отличается от традиционной тем, что вместо понятия малой некомпенсируемой постоянной времени оперирует частотой среза ЛАЧХ кон тура скорости в разомкнутом состоянии, которая при фиксированном коэффи циенте ac однозначно определяет основные показатели системы в переходных процессах по возмущению – максимальное динамическое отклонение скорости, коэффициент неравномерности вращения и интегральную ошибку регулирова ния.
Также в данной главе рассмотрена методика структурного и параметри ческого синтеза двухэтапного идентификатора активного сопротивления стато ра асинхронного двигателя. В основу синтеза «быстрого» алгоритма, исполь зуемого при предварительном намагничивании АД, положены метод адаптив ной модели и метод больших коэффициентов, где, в том числе, используется метод разделения движений, ориентированный на преднамеренную организа цию разнотемповых процессов идентификации посредством малого параметра. Структурная схема «быстрого» идентификатора активного сопротивления обмотки статора двигателя представлена на рис. 4.
Рис. 4. Структурная схема идентификатора активного сопротивления статора Построение «медленного» алгоритма текущей идентификации активного сопротивления статора, используемого для вычисления оценки активного со противления статора в рабочих режимах ЭП, основано на известной структуре, изображенной на рис. 5.
Рис. 5. Структурная схема «медленного» идентификатора активного сопротивления обмотки статора Разработанные алгоритмы идентификации активного сопротивления ста тора, потокосцеплений и частоты вращения ротора в двигательном режиме ра боты ЭП обеспечивают следующие показатели.
Идентификация неизмеряемых величин осуществляется точностью не хуже 1%.
Величина оценки сопротивления устанавливается с погрешностью ^ ( R s 0,17 %).
Система ЭП адаптируется к изменениям параметров схемы замещения АД (на примере активного сопротивления обмотки статора).
«Быстрый» алгоритм идентификации активного сопротивления обмотки статора на 2…3 порядка быстрее устанавливает истинное значение Rs, чем «медленный».
В генераторном режиме ЭП диапазоны изменений частоты вращения и момента нагрузки двигателя ограничены в зависимости от отклонений величи ны активного сопротивления статора. При достоверной исходной информации о величине Rs, что достигается предварительной и текущей ее идентификаци ей, диапазоны частоты вращения ротора и момента нагрузки остаются такими же, как и в двигательном режиме работы.
В пятой главе диссертации приведены описание экспериментального стенда, построенного на базе ПЧ «ЭРАТОН-М5» и результаты исследования адаптивных алгоритмов управления бездатчикового асинхронного ЭП.
Рис. 6. Графики переходных процессов по оценкам частоты вращения и модуля ^ ^ потокосцепления ротора АД ( r и r ), продольной и поперечной составляю щим тока статора АД ( isd и isq ) при действии на ЭП номинальной нагрузки На рис. 6 в качестве примера представлены переходные процессы при предварительном намагничивании и последующем пуске асинхронного двига теля на номинальную частоту вращения ротора, набросе и сбросе номинальной двигательной нагрузки и торможении.
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы и даны рекомендации по их применению.
В приложениях представлены справочные данные модельных АД;
син тез системы векторного управления скоростью электропривода с датчиком час тоты вращения (или положения ротора);
параметры и структурные схемы мо дели бездатчиковой системы управления скоростью электропривода;
результа ты моделирования системы управления электроприводом;
акты внедрения и использования результатов диссертации.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Проведенные в рамках диссертационной работы исследования позволили получить следующие результаты.
1. Получены оценки влияния продолжительности алгоритмов активной предварительной идентификации параметров схемы замещения АД на относи тельную погрешность вычисления оценки соответствующих величин. Предло жен алгоритм предварительной идентификации постоянной времени ротора АД с использованием в качестве тестового воздействия гармонического напряже ния.
2. Предложена методика анализа корректности постановки задач текущей идентификации неизмеряемых координат и изменяющихся параметров АД в системах частотно-регулируемого ЭП по основным рабочим гармоникам элек трических переменных. Методика позволяет получить условия, при выполне нии которых искомые величины могут быть определены однозначно. Выявлены режимы работы ЭП, в которых однозначное вычисление требуемых величин в процессе их текущей идентификации невозможно.
3. Предложена методика совместного структурно-параметрического син теза регулятора и идентификатора частоты вращения ротора бездатчикового асинхронного электропривода. В основу методики положены результаты ана лиза процессов, протекающих в моделях двигателя и адаптивной системы с эталонной моделью, представленных в разных вращающихся системах коорди нат. Сформулированы результаты анализа устойчивости системы управления частотой вращения асинхронного двигателя с учетом возможных ошибок ори ентирования управляющих воздействий по вектору потокосцеплений ротора.
4. Синтезирован «медленно» адаптивный к изменениям активного сопро тивления статора идентификатор частоты вращения и вектора потокосцеплений ротора асинхронного двигателя структуры АСЭМ, а также разработана методи ка параметрического синтеза адаптора и корректора нулей.
5. Синтезирован «быстрый» алгоритм текущей идентификации активного сопротивления обмотки статора, применяемый лишь при предварительном на магничивании машины. Начальные условия по оценке активного сопротивле ния статора для поочередного использования «быстрого» и «медленного» алго ритмов формируются в процессе его активной текущей идентификации.
6. Исследованы границы устойчивости разработанных алгоритмов адап тации системы ЭП к изменениям активного сопротивления статора, результаты приведены в виде областей устойчивости в длительных двигательном и генера торном режимах работы для АД мощностью 37 кВт: диапазон регулирования частоты вращения ротора в двигательном режиме не менее 1:100, в генератор ном – 1:8, при бльших диапазонах адаптация системы должны временно «от ключаться», а предыдущие оценки параметров – «замораживаться» При крат ковременных генераторных режимах в этом случае достигнут диапазон регули рования не менее 1:100.
7. Корректность работы синтезированных алгоритмов бездатчикового век торного управления АД подтверждена на экспериментальном стенде. Иденти фикаторы обеспечивают указанный выше диапазон регулирования посредством адаптации к изменениям параметров АД.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.
Статьи, опубликованные в рецензируемых научных журналах и изданиях:
1. Кучер Е. С., Панкратов В. В. Исследование условий текущей иденти фицируемости координат и параметров асинхронного электропривода // Элек тричество. 2011. № 5. С. 48 – 52.
2. Кучер Е. С., Панкратов В. В. Активная предварительная идентифика ция постоянной времени ротора асинхронного двигателя // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. Новосибирск:
Изд-во НГТУ, 2012. №1 (46). С. 127 – 3. Кучер Е. С., Панкратов В. В. Анализ условий идентифицируемости координат и параметров асинхронных электроприводов по основным гармони кам электрических величин // Электротехника. 2012. №9. С. 14 – 17.
4. Панкратов В. В., Зима Е. А., Котин Д. А., Кучер Е. С. Электроприводы с магнитоэлектрическими двигателями – перспективные системы для электри ческого и гибридного транспорта // Транспорт: наука, техника, управление. На учный информационный сборник ВИНИТИ. 2010. № 8. С. 10 – 14.
5. Панкратов В. В., Волков В. Ю., Волкова Е. А., Котин Д. А., Тетюшева Е. С., Хныкова Т. А. Многодвигательные асинхронные электроприводы с авто матическим выравниванием нагрузок // Транспорт: наука, техника, управление.
Научный информационный сборник ВИНИТИ. 2008. №6. С. 32 – 37.
Прочие опубликованные работы:
6. Кучер Е. С., Панкратов В. В. Условия идентифицируемости координат и параметров асинхронных электроприводов по основным гармоникам элек трических величин // Электроприводы переменного тока: Труды международ ной 14-й конференции. Екатеринбург: УрФУ, 2012. С. 63 – 66.
7. Кучер Е. С., Панкратов В. В. О корректности задач текущей иденти фикации координат и параметров асинхронного электропривода по основным гармоникам электрических величин // Электромеханические преобразователи энергии: Материалы V Юбилейной международной науч.-техн. конф.;
12 – октября 2011 г., Томский политехнический университет. Томск: Изд-во ТПУ, 2011. С. 191 – 195.
8. Панкратов В. В., Кучер Е. С. Методика совместного синтеза регулято ра и идентификатора скорости «бездатчикового» асинхронного электропривода с векторным управлением ер // Материалы четвертой научно-технической кон ференции с международным участием «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» ЭЭЭ-2009 (Новосибирск, 23 – 24 октября 2009 г.). Новоси бирск: Изд-во НГТУ, 2009. С. 153 – 159.
9. Кучер Е. С. Анализ устойчивости систем управления скоростью асин хронного электропривода // Автоматизированные электромеханические систе мы: сб. науч. тр. Новосибирск, НГТУ, 2011. С. 32–39.
10. Кучер Е. С. Методика синтеза подсистем регулирования и идентифи кации скорости «бездатчикового» асинхронного электропривода с векторным управлением // Международной школе-конференции «Информационно телекоммуникационные системы и управление» ИТКСУ-2009. Новосибирск:
Изд-во НГТУ, 2009. С. 58 – 59.
11. Кучер Е. С. Методика совместного синтеза регулятора и идентифика тора скорости «бездатчикового» асинхронного электропривода с векторным управлением // Материалы Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» НТИ-2009. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2009. Часть 3. С. 258 – 260.
12. Кучер Е. С. Исследование устойчивости системы управления скоро стью асинхронного электропривода // Материалы Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» НТИ-2010.
Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2010. Часть 3. С. 193 – 194.
13. Панкратов В. В., Кучер Е. С. Анализ задач текущей идентификации координат и параметров асинхронного электропривода // Труды X Междуна родной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронно го приборостроения» АПЭП – 2010. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2010.С. 24 – 27.
14. Тетюшева Е. С. Идентификация активного сопротивления статора «бездатчикового» асинхронного электропривода с векторным управлением // Материалы Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука.
Технологии. Инновации» НТИ-2007. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007. Часть 3. С. 88 – 89.
Подписано в печать «_29_» октября 2012 г. Формат 60х84х1/ Бумага офсетная. Тираж 110 экз. Печ. л. 1.25.