Современная промышленность основывается на широком применении электрического привода (ЭП). Показатель, характеризирующий относительное внедрение электропривода, т. е. коэффициент электрификации силовых процессов, в передовых отраслях промышленности близок в настоящее время к 100%. Важной особенностью современного электропривода и характеристикой перспектив его развития является все более глубокое проникновение в автоматизацию технологических процессов производства.
Электропривод, зародившийся впервой трети XIX в., непрерывно развиваясь, к середине 1930;х годов перестал быть лишь средством приведения в движение рабочих машин. 1930;е годы знаменуются превращением электропривода в промышленном масштабе в устройство, управляющее рабочей машиной [12].
Вытеснение механических систем привода электроприводами происходит благодаря следующим его преимуществам, обнаруживавшимся постепенно в ходе исторического развития: экономичности, меньших затрат, высокой управляемости, возможности на его основе интенсификации и концентрации производства, комплексной механизации и, наконец, автоматизации с применением управляющих средств.
Индивидуальный автоматизированный электропривод в настоящее время получил широкое применение во всех сферах жизни и деятельности общества — от сферы промышленного производства до сферы быта. Благодаря особенностям совершенствования технических показателей электроприводы во всех областях применения является основой технического прогресса.
Современный автоматизированный электропривод — это высоконадежная и экономичная электромеханическая система, способная полностью обеспечить автоматизацию любого технологического процесса, достигать высокого быстродействия и точности в работе, улучшить условия труда обслуживающего персонала [29].
Широта применения определяет исключительно большой диапазон мощностей электроприводов (от долей ватта до десятков тысяч киловатт) и значительное разнообразие их исполнения. Уникальные по производительности промышленные установки — прокатные станы в металлургической промышленности, шахтные подъемные машины и экскаваторы в горнодобывающей промышленности, мощные строительные и монтажные краны, протяжные высокоскоростные конвейерные установки, мощные металлорежущие станки и многие другие — оборудуются электрическими приводами, мощность которых составляет сотни и тысячи киловатт.
В настоящее время в России, как и за рубежом, широко внедряются системы регулируемого по скорости электропривода (ЭП) переменного тока, большинство которых построено на базе асинхронных двигателей с коротко-замкнутым ротором (АД). Причиной тому является высокая надежность и низкая стоимость АД в сравнении с другими типами электрических машин, при этом реализация векторного управления АД обеспечивает регулировочные характеристики ЭП, не уступающие характеристикам ЭП постоянного тока. Как правило, электроприводами на базе АД оснащаются общепромышленные механизмы, не требующие глубокого (свыше 1:100) регулирования частоты вращения. Это насосы, компрессоры, вентиляторы, мельницы, прессы, конвейеры и подъемно-транспортные механизмы.
Двигатели с короткозамкнутым ротором проще и надежнее в эксплуатации, а также значительно дешевле, чем двигатели с фазным ротором. В настоящее время асинхронные двигатели выполняют преимущественно с короткозамкнутым ротором и лишь при больших мощностях и в специальных случаях используют фазную обмотку ротора.
С развитием силовой полупроводниковой и микропроцессорной техники в последние 20−25 лет стало возможным массовое создание устройств частотного регулирования электроприводов с асинхронными двигателями. Эти устройства позволили экономично и точно управлять скоростью и моментом двигателя, избавиться от дросселирования производительности насосов и вентиляторов при помощи вентилей и заслонок, а также сложных и дорогостоящих приводов постоянного тока.
Частотно-регулируемый электропривод на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в настоящее время является самым распространенным и, вместе с тем, наиболее практически целесообразным видом регулируемого электропривода массового применения. Также он обеспечивает удовлетворительные динамические и энергетические характеристики во всем диапазоне скоростей, которые не уступают показателям регулируемого ЭП постоянного тока [32, 34, 42].
Частотно-регулируемый электропривод состоит из АД, обмотка статора которого подключена к преобразователю частоты (ПЧ). Наиболее распространенным типом преобразователей частоты является двухступенчатое преобразовательное устройство на основе силового выпрямителя трёхфазного переменного напряжения сети и автономного инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией (АИН с ШИМ), преобразующего выпрямленное напряжение в переменное трёхфазное с регулируемой частотой и амплитудой.
Большой вклад в исследование и построение систем управления ЭП переменного тока внесли выдающиеся отечественные и зарубежные ученыеМ.М. Ботвинник, И. Я. Браславский, A.A. Булгаков, A.M. Вейнгер, А. Б. Виноградов, JI.X. Дацковский, Д. Б. Изосимов, Л. Ф. Ильинский, В. И. Ключев, С. А. Ковчин, А. Е. Козярук, В. А. Мищенко, Г. Б. Онищенко, В. В. Рудаков, Ю. А. Сабинин, О. В. Слежановский, Ю. Г. Шакарян, Р. Т. Шрейнер, В. А. Шубенко, И. И. Эпштейн, F. Blaabjerg, F. Blaschke, B.K. Bose, W. Floter, J. Holtz, W. Leonhard, R.D. Lorenz, M.P. Kazmierkowski, T.A. Lipo, K. Matsuse, D.W. Novotny и др. [18, 32, 52, 53, 59].
В последнее время особый интерес вызывает проблема создания глубоко регулируемых приводов на базе трехфазных асинхронных двигателей, но их разработка встречает целый ряд затруднений. Наибольших успехов удается достичь, используя векторное управление двигателями. Этот метод требует знания точных значений многих параметров схемы замещения асинхронных двигателей, например, активных и реактивных сопротивлений статора, ротора и намагничивающей цепи. Эти параметры в большинстве справочников не приводятся, приводятся не полностью или являются недостаточно точными. Кроме того, из-за нарушения технологического процесса, а также различных технологий на разных заводах-изготовителях, паспортные параметры машины могут отличаться от справочных данных на 10.20%. Следовательно, при проектировании высококачественного привода у разработчика возникает необходимость знания точных параметров двигателя. Эта же задача стоит и у изготовителей двигателей, так как коммерческая ценность двигателя снабженного индивидуальным паспортом гораздо выше [11].
Метод управления частотными электроприводами, получивший название метода векторного управления (Field Oriented Control), разрабатывался в конце 70-х и начале 80-х годов.
Математический аппарат преобразования координат с использованием вращающихся ортогональных систем позволил представить векторы синусоидально изменяющихся во времени переменных АД векторами постоянных величин, в результате чего упростился анализ и синтез систем управления асинхронным ЭП. Кроме того, за счет привязки системы координат к опорному (ориентирующему) вектору удается исключить из дальнейшего рассмотрения поперечную составляющую опорного вектора [32, 34, 36, 42].
Принцип векторного управления основан на математической модели АД, которая позволяет представить двигатель как двухканальный объект в ориентированной по вектору потокосцепления ортогональной (полеориентирован-ной) системе координат. Это дает возможность независимо управлять выходными переменными объекта, т. е. магнитным состоянием и электромагнитным моментом машины.
На сегодняшний день наиболее распространенными системами векторного управления являются системы, использующие в качестве опорного вектор главного потокосцепления машины или потокосцепления ротора. В рамках диссертации рассматривается второй вариант.
В современном асинхронном ЭП с векторным управлением присутствует тенденция исключения из его структуры датчиков координат механического движения и магнитного состояния за счет привлечения идентификации и организации подсистемы оценки выходных переменных [1, 8, 21, 22, 32, 33, 36, 40, 43, 44, 56, 57, 59, 63, 64, 65, 67, 69].
Задача наблюдения опорного вектора потокосцеплений и текущей идентификации изменяющихся параметров АД значительно усложняется в так называемых «бездатчиковых» ЭП, не имеющих сенсоров координат механического движения электропривода — скорости и положения ротора. В таких системах приходится опираться исключительно на результаты прямых измерений электрических величин, доступных во внутренней структуре и на выходных клеммах управляемого преобразователя электрической энергиипреобразователя частоты (ПЧ).
Обычно для получения информации о текущем значении частоты вращения двигателя вместо датчиков используются специальные алгоритмы идентификации (наблюдатели и идентификаторы), точность которых зависит от точности определения параметров схемы замещения.
Большинство методов бездатчикового векторного управления основаны на косвенном определении электрического положения ротора двигателя по направлению изображающего вектора магнитного потокосцепления. Для вычисления вектора потокосцепления двигателя или непосредственно связанного с ним через интеграл частоты скольжения электрического положения ротора двигателя, на практике наиболее часто используются классические методы оценивания [11, 38], например, такие как адаптивные наблюдатели состояния полного или пониженного порядка (Full Order and Reduced Order State Observers) [65, 66]- специальные наблюдатели, функционирующие в реальных скользящих режимах [61]- расширенный фильтр Калмана (Extended Kaiman Filter (EKF)) [62]- адаптивные системы с задающей (эталонной) моделью (Model Reference Adaptive System (MRAS)) [69], а также многие специальные алгоритмы идентификации частоты вращения ротора АД, например, описанные Ohtani Т. и Xu X. [67, 70].
Одной из главных проблем построения высококачественных систем векторного управления электроприводами на базе АД является необходимость вычисления в реальном масштабе времени (наблюдение) координат опорного вектора 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 функционирования ЭП в довольно широких диапазонах, что не позволяет постоянно пользоваться их номинальными значениями, приведенными в справочной литературе или определенными по результатам опытов в лабораторных условиях. Поэтому в адаптивных системах управления электроприводами реализуются автоматические процедуры активной предварительной идентификации начальных значений интервально неопределенных параметров машины, которые затем уточняются путем их текущей идентификации.
Алгоритмы текущей идентификации используются в ходе работы электропривода. Как правило, они применяются для слежения за изменениями параметров обмоток вследствие изменения температуры двигателя.
Алгоритмы предварительной идентификации функционируют на этапе подготовки электропривода к работе и вычисляют начальные значения оценок активных сопротивлений, а также значения индуктивностей схемы замещения и постоянную времени ротора АД.
Активная идентификация предполагает использование специальных тестовых воздействий, направленных на выделение того или иного параметра. Пассивная идентификация не вмешивается в ход технологического процесса, а для выделения интересующего параметра использует характерные особенности переходных процессов, чаще всего, по току статора. Применение активных алгоритмов целесообразно на этапе предварительной идентификации. В ходе текущей идентификации предпочтительнее применять пассивные алгоритмы, так как использование тестового воздействия будет неизбежно проявляться как в магнитном потоке, так и в частоте вращения ротора [48], а также вызывать дополнительные потери энергии.
Известны три основных подхода к вычислению координат и параметров электрических машин в процессе работы ЭП.
1. Пассивная текущая идентификация на основе анализа информации об основных рабочих гармониках электрических величин.
2. Пассивная текущая идентификация параметров на основе информации о неосновных (относительно высокочастотных) составляющих электрических величин, генерируемых зубцовыми пульсациями магнитного поля или импульсным 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 продольной оси магнитного поля ротора).
В большинстве практических разработок предпочтение отдается первому подходу, не связанному с ухудшением энергетических характеристик ЭП, завышением установленной мощности элементов ПЧ, сложными вычислениями и использованием измерительных цепей высокой точности. Однако, вследствие изменений параметров диапазоны регулирования скорости в таких ЭП на практике редко достигают значений 1:50 (1:100 — в лабораторных условиях), а в режимах генераторного торможения значительно сужаются.
Перед началом разработки алгоритмов адаптивных систем управления электроприводами необходимо проанализировать принципиальную возможность решения (корректность постановки) некоторых имеющих реальный технический смысл задач совместной текущей идентификации координат и параметров двигателя в системе частотно-регулируемого электропривода на основе традиционной для задач векторного управления АД математической модели статики двигателя [25, 46].
Таким образом, исследования, направленные на разработку методов и способов, способствующих достаточно точной оценке величин и регулируемых координат, недоступных для непосредственного регулирования, являются важными и актуальными.
Следовательно, можно сформулировать цель и задачи данной диссертационной работы.
Целью диссертационной работы является исследование алгоритмов активной предварительной и пассивной текущей идентификации параметров и наблюдения координат асинхронного бездатчикового ЭП, а также построение адаптивных законов векторного управления, расширяющих диапазон регулирования 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 параметры и неизмеряемые координаты АД принципиально возможно совместно вычислить 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 двигателя с адаптацией ЭП к изменениям активного сопротивления статора.
4. Экспериментально исследовать характеристики разработанных алгоритмов в бездатчиковом асинхронном ЭП.
Поставленные задачи решаются с помощью методов современной теории автоматического управления и теории электропривода с использованием математического аппарата дифференциальных уравнений и передаточных функций. Экспериментальное исследование выполнено путем численного моделирования в пакете программ МАТЪАВ — 81шиНпк и физического макетирования.
Работа выполнена при поддержке Правительства Российской Федерации по государственному контракту № 13.036.31.0010 от 22.10.2010 г.
Научная новизна основных результатов диссертации заключается в следующем.
1. Впервые предложена методика анализа корректности задач текущей идентификации неизмеряемых координат и изменяющихся параметров АД в системах частотно-регулируемого ЭП по основным рабочим гармоникам электрических переменных, позволяющая получить условия, при выполнении которых 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 подсистем регулирования и идентификации частоты вращения бездатчикового асинхронного электропривода с векторным управлением, отличающаяся возможностью совместного нахождения передаточных функций регулятора и идентификатора скорости. В процессе определения параметров контуров можно задавать и варьировать желаемые динамические характеристики системы управления ЭП, а также обеспечить астатизм системы регулирования скорости по задающему и возмущающему воздействиям.
Практическая ценность результатов диссертационной работы состоит в следующем.
Предложены два подхода (векторно-матричный и символический) к анализу принципиальной возможности решения (корректности постановки) некоторых имеющих реальный технический смысл задач совместной текущей идентификации параметров и наблюдения координат двигателя в системах частотно-регулируемого электропривода. В результате проведенного исследования выявлены режимы работы ЭП, в которых однозначное вычисление технически целесообразных пар режимных параметров АД в процессе их текущей идентификации невозможно, также даны рекомендации по их применению в частотно-регулируемом ЭП.
Разработаны и экспериментально апробированы инженерная методика расчета параметров адаптивного идентификатора частоты вращения АД, способного 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 времени 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 ротора с текущей коррекцией активного сопротивления обмотки статора АД.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной школе-конференции «Информационно-телекоммуникационные системы и управление» ИТКСУ-2009 (г. Новосибирск, 2009 г.) — на Всероссийских научных конференциях молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» НТИ-2007, НТИ-2009, НТИ-2010 (г. Новосибирск, 2007, 2009, 2010 гг.) — на четвертой научно-технической конференции с международным участием «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» ЭЭЭ-2009 (г. Новосибирск, 2009 г) — на X Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электрон—ного приборостроения» АПЭП — 2010 (г. Новосибирск, 2010 г.) — на V Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии» ЭПЭ-2011 (г. Томск, 2011 г.) — на XV международной конференции «Электроприводы переменного тока» ЭППТ-2012 (г. Екатеринбург, 2012 г.).
В июне 2012 г. было подано заявление о выдаче патента Российской Федерации на полезную модель.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы используются при создании систем управления асинхронными электроприводами в ЗАО «ЭРАСИБ» (г. Новосибирск), а также в учебном процессе Новосибирского государственного технического университета.
Экспериментальные исследования поддержаны грантом по проекту «Исследование предельных точностей оптических методов измерения параметров движения и мехатронных методов управления движением и разработка новых робототехнических и электромеханических систем», темплан, заявка № 7.559.2011.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 работ, 5 из которых — в рецензируемых научных журналах и изданиях для опубликования основных научных результатов диссертаций, 1 — в сборнике научных трудов, 8 — в материалах научных конференций.
Личный вклад автора в работы, опубликованные в соавторстве с научным руководителем, заключается в участии в постановке задач исследований, синтезе алгоритма активной предварительной идентификации постоянной времени ротора АД, выполнении выкладок при определении условий идентифицируемости 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 введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 70 наименований и 6 приложений. Она содержит 149 страницы основного текста, включая 65 рисунков и 3 таблицы.
5.6 Выводы по главе.
Исследование синтезированных алгоритмов бездатчикового векторного управления АД с короткозамкнутым ротором на экспериментальном лабораторном стенде подтвердило результаты цифрового моделирования проведенное в рамках диссертационной работы. Идентификаторы обеспечивающие процесс адаптации по параметрам асинхронного ЭП, таким как вектора потокосцепления, частота вращения ротора и величина активного сопротивления обмотки ротора АД, обеспечивает управление ЭП во всех четырех квадрантах. Разработанные алгоритмы управления асинхронными ЭП частично реализованы в ПЧ «ЭРАТОН-М5» и «ЭРАТОН-ФР» серийно выпускаемых предприятием ЗАО «ЭРАСИБ» (г. Новосибирск). оor hd.
— — —.
— Hl— 1 1111 .i, 1, i, 1. .1 1, 1.!,. lili lili lili lili |i i i ¦ Iii i ¦ i i.
— 1.
1 1 1 1 1 I 1 1 1 lili lili 1 1 1 1 lili lili i i i? Iii i i i i i r, T г f * ~ n.
I i r.
— 1 lili .1 I 1 1 lili lili lili 1 1 lili i Jr f’i. мм i. i i 1 1.
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13.
Time fsec].
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 отно.
— сительную погрешность вычисления оценки соответствующих величин. Предложен алгоритм предварительной идентификации постоянной времени ротора АД с использованием в качестве тестового воздействия гармонического напряжения.
2. Предложена методика анализа корректности постановки задач текущей идентификации неизмеряемых координат и изменяющихся параметров АД в системах частотно-регулируемого ЭП по основным рабочим гармоникам электрических переменных. Методика позволяет получить условия, при выполнении 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 синтеза регулятора и идентификатора частоты вращения ротора бездатчико-вого асинхронного электропривода. В основу методики положены результаты анализа процессов, протекающих в моделях двигателя и адаптивной системы с эталонной моделью, представленных в разных вращающихся системах координат. Представлены результаты анализа устойчивости системы управления частотой вращения асинхронного двигателя с учетом возможных ошибок ориентирования управляющих воздействий по вектору потокосцеплений ротора.
4. Синтезирован «медленно» адаптивный к изменениям активного сопротивления статора идентификатор частоты вращения и вектора потокосцеплений ротора асинхронного двигателя структуры МЯАЭ, а также разработана методика параметрического синтеза адаптора и корректора нулей.
5. Синтезирован «быстрый» алгоритм текущей идентификации активного сопротивления обмотки статора, применяемый лишь при предварительном намагничивании машины. Начальные условия по оценке активного сопротивления статора для поочередного использования «быстрого» и «медленного» алгоритмов формируются в процессе его активной текущей идентификации.
6. Исследованы границы устойчивости разработанных алгоритмов адаптации системы ЭП к изменениям активного сопротивления статора, результаты приведены в виде областей устойчивости в длительных двигательном и генераторном режимах работы для АД мощностью 37 кВт: диапазон регулирования частоты вращения ротора в двигательном режиме не менее 1:100, в генераторном — 1:8, при больших диапазонах адаптация системы должны временно «отключаться», а предыдущие оценки параметров -«замораживаться» При кратковременных генераторных режимах в этом случае достигнут диапазон регулирования не менее 1:100.
7. Корректность работы синтезированных алгоритмов бездатчикового векторного управления АД подтверждена на экспериментальном стенде. Идентификаторы обеспечивают указанный выше диапазон регулирования посредством адаптации к изменениям параметров АД.
