В настоящий момент все большую популярность приобретает относительно новый тип электропривода — вентильно-индукторный привод (ВИП). Этот электропривод имеет большое количество, как сторонников, так и противников.
Вентильно-индукторные двигатели (ВИД) разделяют на три типа с самовозбуждением, с независимым возбуждением и магнитоэлектрические. В данной работе будет рассмотрен только ВИД с самовозбуждением.
В качестве основных преимуществ ВИП упоминают: высокую надежность двигателя, высокую удельную мощность, высокий КПД. В качестве недостатков: высокие шумы, отсутствие адаптированной мелкосерийной силовой элементной базы.
Высокая надежность ВИП относится скорее к двигателю, имеющему простую конструкцию (отсутствие обмоток на роторе, щеточных узлов). Наличие обязательного электрического преобразователя уменьшает надежность привода в целом. То есть ВИД не может работать с неисправным электрическим преобразователем. Однако следует заметить, что при выходе из строя единичного силового элемента, ВИП может функционировать с пониженной относительно номинальной мощностью, работая на исправных фазах. Это относится только к многофазным двигателям с числом фаз 5 и более.
Говорить о преимуществе высокой удельной мощности бессмысленно, не рассматривая удельную мощность силового преобразователя. Из-за отсутствия готовых решений в области силовой полупроводниковой техники (исключение могут составлять привода, разработанные крупными фирмами, например, для стиральных машин), электронный коммутатор выполняется на стандартной элементной базе. Это приводит к двойному резервированию элементов, так как стандартным силовым элементом является одна стойка — два последовательных транзистора с обратными диодами и выведенной средней точкой, а питание фазы двигателя необходимо производить от несимметричного моста. Также следует учесть, что двигатель, работающий в режиме одиночной коммутации, требует повышенных вольтамперных показателей ключей. Фактически вся мощность за интервал коммутации передается на вал через одну фазу, поэтому традиционные двигатели, требующие синусоидальное питание лучше используют возможности электронных коммутаторов [13].
Высокий КПД ВИЛ обычно рассматривается в номинальном режиме при отсутствии токоограничения в фазах. На пониженных скоростях ток в фазе ограничивается с помощью релейного или широтно-импульсного регулирования, что вызывает дополнительные потери на гистерезис и вихревые токи.
Присущий ВИП высокий шум возникает из-за повышенных пульсаций момента, достигающих 100% в зависимости от способа управления. Понизить шум можно, добившись постоянного момента [4, 12, 14, 24, 25]. Так как момент является функцией тока и положения, то обеспечить постоянство момента можно за счет управления токами фаз, тем более что и силовой коммутатор, и микропроцессорная система управления, способная выполнять эти задачи, присутствуют в системе.
В настоящее время появился необходимый спектр силовой электроники ориентированной для использования в ВИП, однако пока еще в области интеллектуальных самозащищенных ключей царит вакуум.
Автор сознательно не упоминает в качестве недостатков необходимость в датчике положения ротора, так как в настоящее время существуют наблюдатели положения, реализуемые на микропроцессорном уровне [4].
Таким образом, можно заключить, что ВИП является динамично-развивающимся типом электропривода. Его нельзя рассматривать как панацею. Поэтому необходимо проводить комплексный анализ всего привода или даже всей энергоустановки в целом для принятия решения об использовании того или иного типа привода.
В работе, представляемой автором, рассмотрен один из вариантов реализации ВИЛ с большим числом фаз. Реализация большого числа фаз позволяет снизить пульсации момента и получить хорошие вибро-шумовые и вибро-акустические характеристики.
В работе рассмотрены электропривода диапазона мощностей от 1,1 до 32,5 кВт, имеющие 5 или 6 фаз и КПД до 96% при отсутствии токоограничения в фазах. Питание приводов осуществляется от бортовой нестабилизированной сети постоянного тока, напряжение которой может изменяться в широких пределах.
Помимо управления ВИД система управления должна решать задачи защиты и диагностики привода, вырабатывать и принимать сигналы управления внешней автоматики.
Актуальность задачи состоит в том, что подобный тип источника питания используется в мобильных объектах (транспорт, надводный и подводный флот), где импортозамещение невозможно, и необходимо иметь отечественный привод, способный работать с высоким КПД, низким уровнем шумов и вибраций.
Цель данной работы:
Создание унифицированной системы управления для серии пятии шестифаз-ных ВИП с промежуточным регулируемым звеном постоянного тока для ряда мощностей 1.1,3, 5.5,17.5, 21, 25, 32.5 кВт.
Для достижения цели в диссертации поставлены следующие основные задачи:
1. Обоснование и разработка структуры системы управления вентильно-индукторным приводом с промежуточным регулируемым звеном постоянного тока.
2. Разработка математического обеспечения, алгоритмов и программного обеспечения узлов системы управления: регулятора ОСОС-преобразователя напряженияизмерителя скорости и положения.
3. Разработка методов повышения надежности привода за счет: средств автоматизированного тестирования контроллеров системы управленияавтоматизации процесса настройки приводасредств диагностики состояния привода в процессе эксплуатацииспециальных мер борьбы с электромагнитными помехами.
Для решения поставленных задач в первой главе произведен анализ характеристик ВИП при регулировании напряжения питания. Рассмотрены вопросы построения силового преобразователя и обоснован выбор контроллера системы управления. Выбрана система базовых величин для реализации структуры системы управления в относительных единицах. Проанализированы существующие структуры и предложена оригинальная структура регулятора скорости системы управления. Произведено распределение программных и аппаратных ресурсов микроконтроллера системы управления.
Во второй главе разработана математическая имитационная модель ОСОС-преобразователя напряжения. Произведено моделирование одноконтурных регуляторов напряжения. Произведен синтез двухконтурной системы управления ОСИС-преобразователем методом последовательной и параллельной коррекции и вводится адаптивный регулятор коррекции измерений, осуществляющий подстройку системы управления под параметры объекта. Выполнена разработка измерителя скорости и экстраполятора положения вала двигателя. Предложен способ перевода измерений, получаемых с АЦП, в относительные единицы системы управления. Разработаны алгоритмы фильтрации данных с устройств внешней автоматики и оперативного управления, подключенных через последовательный периферийный интерфейс. Разработана структура ПИ-регулятора скорости, оптимизированная для микроконтроллера системы управления.
В третьей главе рассмотрен вопрос влияния на измерительные каналы системы управления коммутационных помех силовых ключей преобразователя.
Предложен алгоритм отстройки момента запуска АЦП от момента возникновения помехи.
В четвертой главе предложены методики тестирования системы управления, преобразователя в составе двигателя и организация программных защит привода.
В заключении обобщены основные результаты работы. В приложениях приведены:
S алгоритм программной реализации имитационной модели DCDC-преобразователя;
•S осциллограммы работы DCDC-преобразователя в одноконтурной и двухкон-турной системах регулирования;
S программная реализация алгоритмов измерителя скорости и положения;
•S реализация ПИ-регулятора;
S синтез схемотехнического решения стенда тестирования контроллеров системы управления;
S экспериментальные кривые фазных токов для различных скоростей вращения.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Анучин A.C. Реализация на микроконтроллере TMS320×24xx ПИ-регулятора повышенной точности для электропривода//Труды МЭИ. Электропривод и системы управления — 2002. — Вып.678. — С.42−48.
2. Анучин A.C., Арискина JI.B. Синтез двухконтурной системы управления DCDC-преобразователя напряжения в режиме непрерывного тока для приводов с регулируемым промежуточным звеном постоянного тока/Пруды МЭИ. Электропривод и системы управления — 2002. — Вып.679. — С.52−65.
3. Козаченко В. Ф., Дианов А. Н., Анучин A.C., Кайо Ю. Стенд для автоматизированного тестирования контроллеров МК 11, Х//Труды МЭИ. Электропривод и системы управления — 2002. — Вып.678. — С.33−41.
4. Темирев А., Козаченко В., Обухов Н., Анучин А., Трофимов С., Никифоров Б., Байков В. Контроллеры МК11.3 для высокопроизводительных систем прямого цифрового управления двигателями//СН1Р NEWS. — 2002. — № 4(67). — С.24−30.
Состав диссертации: введение, четыре главы, заключение, список литературы, приложения, количество страниц 194, рисунков 97, число наименований используемой литературы 25 на 3 стр., приложения 6 на 45 стр.
Результаты работы переносимы на любой класс приводов, питание которых осуществляется от бортовой нестабилизированной сети постоянного тока.
В рамках преподавательской деятельности автора результаты работы уже используются в учебном процессе в курсе «Микропроцессорные системы в электроприводе».
Заключение
.
В работе получены следующие основные результаты:
1. Произведен анализ существующих структур систем управления ВИП с регулируемым промежуточным звеном постоянного тока, проанализированы их достоинства и недостатки и предложена оригинальная структура системы управления с адаптивным регулятором скорости привода и отсечкой по моменту.
2. Для ОСОС-преобразователя напряжения разработаны алгоритмы управления с предельным быстродействием и соответствующее ПО. Система управления является адаптивной и функционирует как в режиме непрерывного, так и прерывистого тока дросселя. Полученные решения распространены на привода с другими типами двигателей (в том числе асинхронные и вентильные).
3. Реализован измеритель скорости и положения, позволяющий производить экстраполяцию угла положения ротора двигателя с высокой точностью и производить коммутацию фаз инвертора в соответствии с оптимальным управлением, близким к векторному.
4. Разработан программно-аппаратный комплекс обеспечения высокой надежности привода, включающий в себя средства автоматизированного тестирования системы управления, силовой части и датчиков, настройки привода при вводе в эксплуатацию, защиты от электромагнитных помех и аварийных ситуаций.
