Система импульсно-векторного управления асинхронным электродвигателем с фазным ротором и косвенным определением углового положения ротора
На правах рукописи
Козина Татьяна Андреевна СИСТЕМА ИМПУЛЬСНО-ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ С ФАЗНЫМ РОТОРОМ И КОСВЕННЫМ ОПРЕДЕЛЕНИЕМ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ РОТОРА Специальность 05.09.03 – «Электротехнические комплексы и системы»
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Челябинск – 2012
Работа выполнена на кафедре «Электропривод и автоматизация промышленных установок» Южно-Уральского государственного университета.
Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Усынин Юрий Семенович.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, доцент Зюзев Анатолий Михайлович, профессор кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных уста новок» Уральского энергетического института ФГАОУ ВПО «Уральский фе деральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», г. Екатеринбург;
доктор технических наук, профессор Сарваров Анвар Сабулханович, заведующий кафедрой «Автоматизированный электропривод и мехатроника» ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», г. Магнитогорск.
Ведущая организация – ФГБОУ ВПО национальный исследовательский уни верситет «Московский энергетический институт (технический универси тет)».
Защита состоится 13 декабря 2012 г. в 12:00 в аудитории 1001 главного учеб ного корпуса на заседании диссертационного совета Д212.298.05 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет) ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ» (НИУ) по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет) ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ» (НИУ).
Автореферат разослан « 06 » ноября 2012 г.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76, гл. корпус, Ученый совет ЮУрГУ, тел./факс: (351) 267-91-23, E-mail: [email protected].
Ученый секретарь диссертационного совета Ю.С. Усынин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Электроприводы механизмов с одно- и двухсмен ными графиками работы с целью энерго- и ресурсосбережения при снятии технологических нагрузок целесообразно переводит на пониженную ско рость (ленточные транспортеры, промышленные вентиляторы и т.д.), хотя в настоящее время они остаются нерегулируемыми. В условиях роста цен на электроэнергию и другие виды энергоресурсов появилась необходимость в их модернизации. Эти механизмы потребляют около 25–30% от всей элек троэнергии. Из-за отсутствия регулирования производительности изменени ем частоты вращения для них характерно завышенное электропотребление.
Переход к регулированию частоты вращения приводит к заметной экономии электроэнергии, во многих случаях до 30–40%.
Рассматриваемые электроприводы изначально были спроектированы как нерегулируемые, и к ним обычно не предъявляют жесткие требования по точности регулирования. Для названного класса механизмов необходимо до биться улучшения показателей энергосбережения при минимальных ресурс ных затратах.
Существует вариант импульсно-векторного управления асинхронным двигателем с фазным ротором и тиристорным коммутатором в цепи статора, имеющий различные схемные варианты, хорошо подходящий для рассматриваемых механизмов, поскольку он достаточно недорогой, не содержит избыточных регулировочных способностей, и обладает малым энергопотреблением в режимах пониженных скоростей. Серьезным недостатком данного электропривода является наличие датчика положения на валу двигателя, обусловленное принципом работы электропривода, что значительно затрудняет установку и эксплуатацию, увеличивает стоимость электропривода. По этой причине работа, посвященная изучению возможностей электропривода с векторно-импульсным управлением и косвенным определением углового положения ротора, является актуальной.
Целью диссертационной работы является улучшение показателей энергосбережения в массовом электроприводе при минимальных ресурсных затратах.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
– уточнение требований к электроприводам механизмов с нагрузкой вентиляторного типа;
– разработка системы импульсно-векторного управления асинхронным двигателем с фазным ротором и косвенным определением углового положения ротора, использующей типовое оборудование и современные законы управления;
– систематизация сведений по существующим методам косвенного определения вектора состояния системы;
– разработка математического описания системы импульсно-векторного управления асинхронным двигателем с фазным ротором и косвенным определением углового положения ротора;
– синтез алгоритма косвенного определения положения ротора;
– исследование системы импульсно-векторного управления с косвенным определением углового положения ротора на модели и экспериментальной установке.
Методы исследования. При решении поставленных задач использова лись основные положения теории электромеханического преобразования энергии, общей теории электротехники, практические аспекты промышлен ной электроники, методы экспериментального исследования, методы матема тического моделирования систем на ЭВМ, метод физического эксперимента.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и ре комендаций подтверждается удовлетворительным для инженерной методи ки совпадением основных теоретических результатов и экспериментальных данных, проверенных на макете, аргументированностью исходных посылок, вытекающих из основ электротехники, корректным использованием теории.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
– принцип действия импульсно-векторного электропривода с косвенным определением углового положения ротора;
– зависимости переменных состояний электропривода в функции поло жения ротора для многофазной, несимметричной, нелинейной, импульсной системы, теоретически обоснованные и экспериментально подтвержденные;
– алгоритм косвенного определения углового положения ротора, заклю чающийся в двухэтапном определении положения (на первом этапе опреде ляется начальное положение, на втором – отслеживается текущее), отличаю щийся надежностью и простотой;
– модель электропривода, позволяющая рассчитывать режимы работы импульсной системы управления асинхронным двигателем, используя метод конечных элементов;
– результаты расчетных и экспериментальных исследований на макете, подтверждающие адекватность принятой модели, а также возможность реа лизации предложенных структур и алгоритмов управления.
Научная новизна работы:
– предложена, теоретически обоснована и экспериментально подтвер ждена система электропривода с импульсно-векторным управлением асин хронным двигателем с фазным ротором, отличающаяся отсутствием механи ческого датчика положения на валу двигателя и косвенным определением уг лового положения ротора, обеспечивающая устойчивую работу электропри вода в области низких частот вращения и характеризующаяся пониженным энергопотреблением;
– разработана математическая модель системы импульсно-векторного управления асинхронным двигателем с фазным ротором как многофазной, несимметричной, нелинейной, импульсной системы с целью выделения функциональных зависимостей переменных состояний электропривода в функции положения ротора. Показано, что при решении этих задач целесо образно совмещение традиционных методов анализа электрических цепей с методом конечных элементов, что существенно упрощает процедуру обра ботки и анализа результатов моделирования;
– предложен способ косвенного определения углового положения ротора в импульсно-векторной системе управления асинхронным двигателем с фаз ным ротором, заключающийся в двухэтапном определении положения рото ра, отличающийся тем, что вместо измерения токов и напряжений на обмот ках двигателя, сопровождающихся непрерывной математической обработ кой, производится только сопоставление их величин, что существенно сни жает необходимую мощность средств вычисления системы управления.
Научное значение работы заключается в следующем:
– систематизированы сведения по косвенным способам определения век тора состояния системы электропривода, дана их классификация и области применения;
– предложены обобщённые расчётные математические модели электро привода с импульсно-векторным управлением с датчиком на валу двигателя и без механического датчика, позволяющие решать задачи оптимального вы бора элементов, синтеза систем автоматического управления, анализа дина мики систем управления;
– предложены и обоснованы алгоритмы косвенного определения положе ния ротора в импульсно-векторном электроприводе;
– разработаны перспективные структуры электропривода, имеющие вы сокие регулировочные и энергетические показатели.
Научная новизна работы подтверждена патентом на изобретение РФ.
Практическое значение работы заключается в следующем:
– разработаны структурные, функциональные и принципиальные схемы импульсно-векторной системы управления электроприводом с косвенным определением углового положения ротора;
– предложена методика расчёта установившихся и динамических процес сов в асинхронном электроприводе с импульсно-векторным управлением, рассчитывающая электродвигатель методом конечных элементов и опреде ляющая положение ротора косвенным способом;
– разработаны рекомендации по проектированию электропривода;
– разработан и реализован лабораторный стенд установки, позволяющий снимать и оценивать напряжения на обмотках двигателя при работе в им пульсном режиме.
Внедрение. В учебном процессе материалы диссертации используются в курсах «Теория электропривода», «Системы управления электроприводов», «Экспериментальное исследование электроприводов» на кафедре электро привода Южно-Уральского государственного университета.
В производственном процессе электропривод с импульсно-векторным управлением применяет ООО НТЦ “Приводная техника” при модернизации электроприводов шахтных вентиляторов и ленточных транспортеров.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Разработанные струк турные и функциональные схемы электропривода с импульсно-векторным управлением и косвенным определением углового положения ротора, мето дики их расчёта приняты для использования:
– Южно-Уральским государственным университетом в учебном процессе на кафедре “Электропривод и автоматизация промышленных установок”.
Апробация работы. В полном объёме работа докладывалась на расши ренном заседании кафедры “Электропривод и автоматизация промышленных установок” Южно-Уральского государственного университета.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладыва лись и обсуждались на конференциях и семинарах, в том числе на:
– XII и XIII международных конференциях «Электромеханика, электро технологии, электротехнические материалы и компоненты» МКЭЭЭ-2008, Алушта, 2008 и 2010 гг.;
– Международных научно-технических конференциях «Состояние и пер спективы развития электротехнологии» (XV Бернардосовские чтения), Ива ново, 2009 и 2011 гг.;
– XXХVIII и XXXIX Уральских семинарах «Механика и процессы управ ления», Екатеринбург: УрО РАН, 2008 и 2009 гг.;
– Международной научно-технической конференции, посвященной 40 летию Казанского государственного энергетического университета: секция «Электроэнергетика и электроника», Казань: КГЭУ, 2008 г.;
– II Всероссийской научно-технической конференции «Электротехноло гии, электропривод и электрооборудование предприятий», Уфа: УГНТУ, 2009 г.;
– I международном симпозиуме по фундаментальным и прикладным про блемам науки, Миасс, 2010 г.;
– II научной конференции аспирантов и докторантов, Челябинск: ЮУр ГУ, 2010 г.;
– ежегодных научных конференциях Южно-Уральского государственного университета, Челябинск: ЮУрГУ, 2008–2012 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 1 патент РФ. Три печатных работы опубликованы в изданиях, ре комендованных ВАК.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 192 страницах машино писного текста, содержит 97 рисунков, 15 таблиц, список используемой ли тературы из 233 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, определены цели, методы исследования, научная новизна и практическая значимость, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе проведен анализ состояния электроприводов массовых механизмов, уточнены особенности работы рассматриваемых электроприво дов и требования к ним, выявлена необходимость улучшения показателей энергосбережения в массовом электроприводе при минимальных ресурсных затратах.
В промышленности существует большой класс рабочих механизмов, у которых по условиям технологического процесса желательно и позволитель но относительно длительное снижение скорости, сопровождающееся, как правило, малыми моментами статической нагрузки при умеренных требова ниях к точности регулирования скорости. Это вентиляторы на предприятиях с одно или двухсменными графиками работы, уличные транспортеры в хо лодное время года, насосы гидравлических прессов и др. В данных механиз мах нежелательна полная остановка электропривода, предпочтителен пере вод на пониженную скорость, позволяющий экономить электроэнергию и ре сурсы технологического оборудования. Для рассматриваемых электроприво дов время пуска не лимитировано, желательным является пуск при разгру женном механизме с ограничением динамических нагрузок. Чтобы не услож нять эксплуатацию оборудования, на электроприводы этих механизмов не следует устанавливать дополнительные механические датчики (например, скорости или положения).
Проведенный анализ возможных вариантов регулирования скорости дан ных механизмов, использующих преобразователи частоты, позволил выявить существенные недостатки таких вариантов: высокую стоимость, сложность эксплуатации, большие потери из-за скольжения.
Существует вариант импульсно-векторного управления асинхронным двигателем с фазным ротором и коммутатором в цепи статора. Импульсно векторный способ управления обеспечивает все необходимые технологические режимы рассматриваемых механизмов, имеет простую схему силовых цепей, характеризуется малым энергопотреблением при пониженных скоростях вращения. Известные схемы импульсно-векторного электропривода требуют установки датчика положения на вал двигателя, что в ряде случаев нежелательно по условиям эксплуатации. Между тем, в регулируемых электроприводах переменного тока с непрерывным управлением имеются технические решения с косвенной оценкой вектора состояния системы. Таким образом, для рассматриваемого класса механизмов целесообразно рассмотреть возможности и особенности реализации электропривода с косвенным измерением положения ротора с учетом специфики импульсно-векторного регулирования.
Для решения поставленной задачи в качестве исходной схемы, позволяющей наиболее ясно и наглядно представить особенности работы импульсно-векторных систем, была выбрана схема, приведенная на рис. 1.
В ней статорные обмотки AX, BY, CZ через тиристорный коммутатор подключены к питающей многофазной сети переменного тока А, В, С, а на выход коммутатора включены обмотки ротора асинхронного двигателя ax, by. Обмотка cz остается свободной.
Чтобы создать ABC электромагнитный момент двигателя, в зависимости от Статор Тиристорный сигнала с датчика коммутатор положения ротора ДПР на У Z X два тиристора двух фаз статора асинхронного UЗТ VD VD двигателя, фазную зону РТ которых пересекает VD VD магнитная ось обмотки VD2 ротора, подаются VD управляющие импульсы.
Вектор МДС обмоток ДТ статора перемещается в расточке статора двигателя b a дискретно с шагом 600. Эти xy переключения производят Ротор таким образом, чтобы ДПР z ориентация векторов МДС обмоток статора и ротора соответствовала c двигательному моменту.
Рис. 1. Функциональная схема электропривода:
ДТ – датчик тока, РТ – регулятор тока, ДПР – датчик В рамках решения положения ротора, Uзт – источник задающего поставленной задачи напряжения, пропорционального желаемому току статора информацию о положении ротора необходимо получать косвенным способом. Учитывая, что косвенные методы оценки вектора состояния системы в силу своей природы зависят от топологии схемы, параметров двигателя, режимов работы, целесообразно, провести обзор и анализ существующих косвенных методов применительно к исследуемой схеме (см. рис. 1).
Вторая глава диссертации посвящена поиску способа косвенного опре деления положения ротора для импульсно-векторной системы управления.
Был проведен обзор и анализ существующих систем с косвенной оценкой вектора состояния системы, включающий более 150 русскоязычных и англоязычных источников, на основании которого была составлена классификация известных косвенных методов по используемому принципу вычисления:
1. Системы, вычисляющие вектор состояния системы по моделям двигателя на основе информации о токах и напряжениях статора:
1.1 Адаптивные системы с эталонной моделью (Model Reference Adaptive System MRAS);
1.2 Адаптивные наблюдатели полного порядка;
1.3 Адаптивные наблюдатели пониженного порядка (наблюдатель Люен бергера);
1.4 Расширенный фильтр Кальмана;
1.5 Наблюдатели, использующие скользящие режимы;
1.6 Нейронные наблюдатели.
2. Системы идентификации на основе статической функциональной зависи мости:
2.1 Модуля полного сопротивления двигателя;
2.2 Угла нагрузки;
2.3 ЭДС, наводимой в статоре полем ротора.
3. Прочие методы.
Систематизация сведений позволила провести сопоставление косвенных методов по требованиям к вычислительным ресурсам, чувствительности к шумам в измерениях, восприимчивости к изменению параметров двигателя, быстродействию, точности и минимальной скорости работы системы min в долях от номинальной синхронной скорости вращения 0Н.
Поскольку сама идея импульсно-векторного регулирования скорости требует знания положения ротора в любой момент времени, включая и периоды отключенного состояния электропривода, то этому требованию могут удовлетворить далеко не все известные и просмотренные способы косвенного определения состояния.
Проведенный анализ позволил заключить, что существующие методы косвенной оценки не подходят для определения положения ротора в исследуемой системе импульсно-векторного управления, так как, во-первых, модели наблюдателей созданы для стандартного короткозамкнутого двигателя и не могут описывать поведение системы импульсно-векторного электропривода с фазным ротором с нетрадиционными вариантами соединения обмоток статора и ротора;
во-вторых, большинство косвенных методов оценивают скорость вращения, а не угловое положение ротора при повышенных требованиях к правильности оценки, в-третьих, точные методы идентификации положения сопряжены с большим количеством вычислений, что приводит к удорожанию системы и задержке получения результата;
в четвертых, большинство косвенных методов неработоспособны на малых скоростях, на которых необходимо вращаться рассматриваемым механизмам.
Тем не менее, проведенный обзор методов позволил определить возможные пути решения задачи косвенного определения положения и выработать логику синтеза вычислителя положения, включающую разрешение ряда вопросов: какие величины, доступные для прямого измерения, использовать в качестве входных сигналов вычислителя положения, какой принцип идентификации положения ротора использовать, в каком виде представлять выходной сигнал идентификатора и определить требуемую точность идентификации положения.
Было обнаружено, что удобнее определять положение ротора в два этапа:
на первом этапе определять начальное угловое положение ротора в условиях полной неопределенности, на втором – отслеживать текущее состояние углового положения, используя информацию предыдущих состояний системы. Таким образом, вторая глава определила ход и направление дальнейших исследований.
В третьей главе диссертации описана математическая модель электропривода с импульсно-векторным управлением и разработан алгоритм косвенного определения начального углового положения ротора.
В рассматриваемом электроприводе возможно шесть вариантов включения обмоток статора и ротора, следовательно, и схем замещения силовых цепей тоже шесть. Например, если к сети подключены обмотки статора AX и BY, обмотка СZ остается обесточенной, а ток протекает по цепи AX-ab-YB, то схема замещения цепи будет выглядеть так, как показано на рис.
2. Для приведенной схемы замещения записаны уравнения состояния электропривода. Принадлежность величин к конкретной обмотке обозначены буквенными индексами, которые для различных обмоток следующие: для фазных обмоток статора – AX, BY, CZ;
для напряжений на кольцах ротора – ab, bc, ca.
На схеме замещения и в уравнениях приняты следующие обозначения: – угол поворота ротора;
r1 и r2 – активные сопротивления фазных обмоток статора и ротора;
LM – взаимная индуктивность обмоток при совмещении их осей;
L1 и Рис. 2. Схема замещения цепи AX-ab-YB L2 – индуктивности рассеяния обмоток статора и ротора;
Е20 – напряжение на кольцах ротора;
U1Н – номинальное линейное напряжение статора;
iЦ – мгновенное значение тока силовой цепи.
Напряжения на обмотках двигателя в уравнениях Кирхгофа с учетом угла поворота ротора для мгновенных значений имеют вид:
di E LM cos( 600 ) Ц ;
uСZ U1Н dt di diЦ diЦ E LM 1 3 20 cos( ) Ц ;
u АX r1 iЦ L1 0,5 LM dt dt dt U1Н di di di E uВY r1 iЦ L1 Ц 0,5 LM Ц LM 1 3 20 cos( 600 ) Ц ;
dt dt dt U1Н di di E uab 3 r2 iЦ 3 L2 Ц LM 3 20 cos( ) cos( 600 ) Ц ;
dt dt U1Н 3 E20 di di 3 cos( 600 ) cos( ) Ц ;
ubc r2 iЦ L2 Ц LM 2 2 dt 2 U1Н dt 3 E20 di di 3 cos( 600 ) cos( 1200 ) Ц.
uca r2 iЦ L2 Ц LM 2 2 dt 2 U1Н dt Значение производной тока цепи:
u A uB 2 iЦ (r1 r2 ) diЦ E E dt 2 L1 L2 LM 3 3 20 LM 1 3 20 cos( ) cos( 60) U1 Н U1 Н Электромагнитный момент двигателя:
d 2 dL 2 dL M 2 ( LAP iЦ LBP iЦ ) 2 iЦ AP 2 iЦ BP 2 d d d 2 LM iЦ (sin( ) sin( 60)) M A M B.
Математическая модель, основанная на приведенных уравнениях, учитывает следующие особенности рассматриваемого электропривода:
дискретный режим работы электропривода (эта особенность учитывается тем, что математическая модель содержит набор уравнений состояний для всех шести вариантов включения обмоток двигателя);
последовательное соединение обмоток статора и ротора, одна из обмоток статора остается обесточенной. Схема исследовалась при всех вариантах включения обмоток и разных напряжениях U, прикладываемых к обмоткам двигателя:
постоянном;
идеальном синусоидальном;
прерывистых напряжениях, соответствующих мгновенным значениям на выходе тиристорного коммутатора при разных углах управления.
Решение названных уравнений позволяет определить функциональные зависимости переменных состояния электропривода от углового положения ротора и использовать данные зависимости для решения задачи косвенного вычисления начального углового положения ротора.
Так, зависимости действующих значений тока цепи IЦ, электромагнитного момента М и напряжений на обмотках двигателя от углового положения ротора для переменных напряжений U приведены на рис. 3. Расчетные зависимости были получены в среде Matlab и проверены на экспериментальной установке.
4 I, А а), эл. град 50 0 150 200 250 М, Нм б), эл. град 0 50 100 150 200 250 U, В UBY UAX Uab в) Uca Ubc UCZ, эл. град 0 50 100 150 200 250 Рис. 3. Действующие значения при изменении от 0 до 360 эл. град:
а) тока цепи;
б) электромагнитного момента;
в) напряжений на обмотках статора и кольцах ротора Автором был предложен алгоритм однозначного определения начального углового положения ротора, основанный на сопоставлении действующих напряжений на обмотках статора и кольцах ротора (рис. 4).
Вычислитель, использующий разработанный алгоритм, прост в реализации, использует минимальную элементную базу и несложные математические вычисления. Начальное угловое положение определяется при неподвижном роторе и подаче на обмотки двигателя тестового напряжения пониженного значения. На входе вычислителя фиксируются мгновенные значения напряжений на обмотках статора и кольцах ротора. По ним рассчитываются действующие значения, определяется сектор, и на статорные обмотки, создающие максимальный двигательный момент, подается питающее напряжение.
UAX, UBY, UCX, Uab, Ubc, Uca Да U U Нет AX BY Нет Нет Да Да Uab UAX Uab UAX 0 в диапазоне 0 в диапазоне от 2700 до 3300 от 3300 до 1 сектор 2 сектор Да Нет Да Нет Uca Ubc Uca Ubc Комб. вкл. Комб. вкл.
AX-ZC (BY) BY-ZC (AX) 0 в диапазоне 0 в диапазоне 0 в диапазоне 0 в диапазоне 0 от 900 до от 1500 до 2100 от 300 до от 210 до 6 сектор 4 сектор 5 сектор 3 сектор Комб. вкл. Комб. вкл. Комб. вкл. Комб. вкл.
CZ-YB (AX) AX-YB (CZ) BY-XA (CZ) CZ-XA (YB) Рис. 4. Алгоритм определения начального углового положения ротора Четвертая глава посвящена вычислению текущего угла поворота ротора и анализу системы импульсно-векторного управления с косвенным определением углового положения ротора.
Для моделирования и анализа системы импульсно-векторного управления с датчиком положения на валу и без механического датчика использовалось программное обеспечение ANSYS, применение которого позволило исследовать работу системы управления в установившихся и переходных режимах и выработать требуемые законы управления в системе импульсно-векторного управления с косвенным определением углового положения ротора.
Программное обеспечение позволяет исследовать ANSYS электромагнитные процессы в тесной взаимосвязи с механическими перемещениями, тем самым обеспечивается возможность анализа изменения напряжений на обмотках двигателя в зависимости от взаимного расположения обмоток статора и ротора.
Моделирование рассматриваемой системы происходило в три этапа. На Рис. 5. Фрагмент расчета, первом этапе была создана модель иллюстрирующий распределение потока асинхронного двигателя с фазным двигателя и плотности тока в ротором как звена системы управления поперечном разрезе машины и проведено исследование его работы в установившихся и переходных режимах методом конечных элементов.
Фрагмент расчета, иллюстрирующий распределение потока двигателя и плотности тока в поперечном разрезе машины, приведен на рис. 5.
Второй этап моделирования посвящен синтезу и исследованию системы импульсно-векторного управления с механическим датчиком положения ротора. Принцип работы системы электропривода потребовал от автора нетрадиционного исполнения системы импульсно-фазового управления СИФУ с шестью каналами синхронизации и создания специфического блока определения сектора. Функциональная схема системы электропривода приведена на рис. 6.
На третьем этапе моделирования была разработана модель системы им пульсно-векторного управления асинхронным двигателем с косвенным опре делением углового положения ротора и проведено исследование этой систе мы электропривода в установившихся и переходных режимах.
БОС ОС № сектора UЗА UЗТ UРТ АД ТК ДПР РТ СИФУ Д – UОС ДТ UЗАД – напряжение задание, UОС – напряжение обратной связи, пропорциональное току в цепи, РТ – регулятор тока, UРТ – напряжение на выходе регулятора тока, СИФУ – система импульсно-фазового управления, UЗТ – напряжение задания на ток, ТК – тиристорный коммутатор, АД – асинхронный двигатель, ДПР – датчик положения ротора, ДТ – датчик тока, БОС – блок определения сектора, ОС – угловое положение ротора Рис. 6. Функциональная схема системы импульсно-векторного управления Система с косвенным определением положения, как и система с датчиком положения ротора, содержит блоки АД, РТ, СИФУ, ТК, ДТ, а функции датчика положения ротора и блока определения сектора в системе выполняет блок косвенного определения положения ротора БКОП. Он включает в себя вычислитель начального углового положения ротора, принцип действия которого описан в главе 3, и вычислитель текущего значения положения Т, позволяющий своевременно совершать переключения тиристоров при работе системы в переходных и установившихся режимах.
Косвенный вычислитель Т содержит три датчика напряжений ДН на обмотках статора и блоки СКЗ расчета среднеквадратичных значений напряжений. Функциональная схема БКОП Т приведена на рис. 7. На вход блока поступают мгновенные значения напряжений на обмотках статора uAX, uBY, uCZ, на выходе формируются сигналы управления тиристорами. БКОП содержит шесть каналов определения сектора. Каналы поочередно формируют управляющие импульсы тиристоров в случае выполнения соответствующего условия при сравнении напряжений на обмотках статора.
На рис. 8 приведен фрагмент процесса формирования отпирающих импульсов тиристоров по усредненным за три расчетных шага значениям напряжений UAX, UBY, UCZ. На отрезке времени t1-t2 UAX UBY, на выходе шестого канала формируется значение «1», отпирающие импульсы подаются на тиристоры VD3 и VD2. В момент времени t2 напряжение UAX становится меньше UBY, сигнал U6 исчезает, начинает работать первый канал. На участке времени t2-t3 выполняется условие UСZ UAX, и на выходе первого канала формируется сигнал U1 = 1, отпирающие импульсы подаются на тиристоры VD2 и VD5.
БКОП Т UЗТ VD U Канал 1 (UCZ UAX) UЗТ2 VD uAX U UAX Канал 2 (UBY UCZ) СКЗAX ДНAX UЗТ3 VD U Канал 3 (UAX UBY) uBY UBY СКЗBY VD UЗТ ДНBY Канал 4 (UCZ UAX) U UЗТ5 VD U Канал 5 (UBY UCZ) UCZ uCZ СКЗCZ ДНCZ VD UЗТ U Канал 6 (UAX UBY) Рис. 7. Функциональная схема блока косвенного определения текущего положения ротора БКОП Т U, В UСZ UAX UBY t UAX UBY, UCZ UBY UAX UBY U1 = 1;
U2, U3…U6 = U6 = 1;
U1, U2…U5 = Проводят тиристоры VD2 и VD Проводят тиристоры VD3 и VD t1 t2 t Рис. 8. Фрагмент процесса формирования отпирающих импульсов по усредненным значениям напряжений Механизмы, на которые позиционируется система импульсно-векторного управления с косвенным определением углового положения ротора, требуют обеспечения плавного пуска и вспомогательных режимов работы на пони женных скоростях при малых статических моментах. В качестве примера в таблице приведены показатели качества систем импульсно-векторного управления с косвенным определением положения ротора (СИВУ с КОП) и с датчиком положения ротора (СИВУ с ДПР) для скорости вращения 0,2 от номинальной синхронной скорости 0Н. Таблица содержит следующие по казатели качества процессов: максимальное и среднеквадратичное значения тока силовой цепи в долях от номинального тока статора Imax/I1Н и IСРКВ/I1Н;
максимальный и средний электромагнитные моменты двигателя в долях от номинального момента Мmax/MН и МСР/МН;
колебания скорости /0Н, вы званные импульсным режимом работы. При этом вычислитель положения позволяет корректно определять угловое положение ротора с точностью до сектора при сколь угодно малых скоростях вращения, включая нулевую ско рость.
Показатели качества процессов Показатель Imax/I1Н IСРКВ/I1Н Мmax/MН МСР/МН /0Н СИВУ с ДПР 2,2 0,6 3,2 0,4 0, СИВУ с КОП 2,5 0,6 3,3 0,5 0, Вычислитель углового положения ротора, реализованный на предложенном алгоритме двухэтапного косвенного вычисления, имеет простую структуру и требует не более шести датчиков напряжений и программируемый контроллер, обладающий малыми вычислительными ресурсами по сравнению с известными способами косвенного определения вектора состояния. Вычислитель характеризуется низкой чувствительностью к изменениям параметров двигателя, в том числе и к изменению активного сопротивления (изменение активного сопротивления статора более чем в два раза не сказывалось на работе вычислителя) и к шумам в измерениях за счет усреднения значений напряжений. Характеристики СИВУ с КОП и показатели качества процессов позволяют заключить, что задачи диссертационного исследования были успешно решены и цель работы достигнута.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача – разработка и исследование импульсно-векторной системы управле ния асинхронным двигателем с фазным ротором и косвенным определением углового положения ротора с целью улучшения показателей энергосбереже ния в массовом электроприводе при минимальных ресурсных затратах. Вы полненные теоретические и экспериментальные исследования позволяют от метить следующие основные результаты и сделать выводы:
1. Автором был предложен новый способ косвенного определения угло вого положения ротора в импульсно-векторной системе управления асин хронным двигателем с фазным ротором, отличающийся от известных кос венных способов низкими требованиями к вычислительным ресурсам систе мы управления, устойчивой работой на пониженных скоростях, слабой чув ствительностью к помехам и к изменениям параметров системы.
2. Разработано математическое описание импульсно-векторной системы управления асинхронным двигателем с фазным ротором как многофазной, несимметричной, нелинейной, импульсной системы, ориентированной на по лучение функциональных зависимостей электрических переменных системы от углового положения ротора.
3. Показано, что определение положения ротора в импульсно-векторной системе управления удобнее выполнять в два этапа: рассчитывать начальное угловое положение ротора, сопоставляя действующие напряжения на обмот ках двигателя, и отслеживать текущее положение ротора, сопоставляя сред неквадратичные значения напряжений на обмотках статора, используя ин формацию о предыдущих состояниях системы.
4. Предложена нетрадиционная система импульсно-фазового управления, синхронизирующая отпирающие импульсы тиристоров с сетью в импульсно векторной системе управления, что позволило увеличить развиваемый двига телем электромагнитным момент.
5. Показано, что при моделировании многофазной, несимметричной, не линейной, импульсной системы целесообразно совмещать традиционные ме тоды анализа электрических цепей с методом конечных элементов, что суще ственно упрощает процедуру обработки и анализа результатов моделирова ния;
6. Предложены, разработаны и проверены на модели и лабораторном ма кете функциональные схемы системы импульсно-векторного управления асинхронным двигателем с фазным ротором и косвенным определением уг лового положения ротора, не уступающие по качеству процессов электро приводам, имеющим датчики непосредственного измерения углового поло жения ротора.
7. Система импульсно-векторного управления асинхронным двигателем с фазным ротором и косвенным определением углового положения ротора мо жет быть рекомендована для приводов тех механизмов, в которых полную остановку привода при снятии технологических нагрузок целесообразно за менять работой на пониженных скоростях вращения. Такая необходимость возникает, например, при одно- и двухсменных графиках работы ленточных транспортеров при отрицательных температурах для предотвращения смер зания смазки, в приводах вытяжных вентиляторов для исключения обратного потока воздуха или газа.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах Статьи, входящие в издания, рекомендованные ВАК 1. Усынин, Ю.С. Асинхронный электропривод с импульсно-векторным управлением / Ю.С. Усынин, А.В. Валов, Т.А. Козина // Электротехника, 2011. – №3. – М.: ЗАО «Знак». – С. 15–19.
2. Усынин, Ю.С. Импульсные регуляторы тока в электроприводах пере менного тока с импульсно-векторным управлением / Ю.С. Усынин, А.В. Ва лов, Т.А. Козина // Вестник ЮУрГУ. Серия “Энергетика”. – 2011. – Выпуск 16. – №34(251). – С. 42–45.
3. Усынин, Ю.С. Определение начального углового положения ротора в бездатчиковой системе импульсно-векторного управления асинхронным двигателем с фазным ротором / Ю.С. Усынин, А.В. Валов, Т.А. Козина, С.П.
Лохов // Вестник ЮУрГУ. Серия “Энергетика”. – 2012. – Выпуск 17. – №16(275). – C. 111–115.
Статьи и труды научных конференций 4. Козина, Т.А. Бездатчиковые системы определения скорости и поло жения ротора в асинхронном электроприводе / Т.А. Козина // Электротехни ческие системы и комплексы: межвуз. сб. науч. тр. – Магнитогорск: Изд-во МГТУ им. Г.И. Носова. – 2011. – Выпуск 19. С. 43–55.
5. Козина, Т.А. Асинхронный электропривод с импульсно-векторным управлением / Т.А. Козина // Материалы II научной конференции аспирантов и докторантов. Технические науки. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2010. – Т2. – С. 158–161.
6. Усынин, Ю.С. Асинхронный электропривод с бездатчиковой схемой импульсно-векторного управления / Ю.С. Усынин, А.В. Валов, Т.А. Козина // Межвузовский сборник научных трудов. Выпуск 18. – Магнитогорск:
МГТУ, 2010. – С. 229–233.
7. Saprunova, N.М. Spectral measurements by the digital oscillograph GDS 806c / N.M. Saprunova, T.A. Kozina // 13th International Conference on Electromechanics, Electrotechnology, Electromaterials and Components. – Alushta, 2010. – C. 137.
8. Сапрунова, Н.М. Исследование вольтамперных характеристик циф ровым осциллографом GDS-806 C / Н.М Сапрунова, Т.А. Козина // Вестник ЮУрГУ. Серия “Энергетика”. – 2010. – Выпуск 14. –№32(208). – С. 76–78.
9. Сапрунова, Н.М. Проблемы электромагнитной совместимости преоб разователя частоты с сетью / Н.М Сапрунова, Т.А. Козина // Труды XXХVIII Уральского семинара «Механика и процессы управления». – Екатеринбург:
УрО РАН, 2008. – Том 2. – С. 71–74.
10. Сапрунова, Н.М. Исследование преобразователя частоты средней мощности / Н.М Сапрунова, Т.А. Козина // Межвузовский сборник научных трудов. Выпуск 18. – Магнитогорск: МГТУ, 2010. – С. 55–58.
Патент РФ 11. Патент РФ № 2408973 МПК H 02Р 27/05. Асинхронный электро привод с фазным ротором / Ю.С. Усынин, А.В. Валов, Т.А. Козина, М.А. Григорьев, К.М. Виноградов, А.Н. Горожанкин, А.Н. Шишков, А.Е.
Бычков – №2009148035/07(070970) заявл. 23.12.2009.;
опубл. 10.01.2011, Бюл. № 1.