Замкнутые системы формирования требуемых нагрузочных режимов в системах динамического нагружения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кременчугский государственный политехнический университет

Институт электромеханики, энергосбережения и компьютерных технологий

Замкнутые системы формирования требуемых нагрузочных режимов в системах динамического нагружения

УДК 621.314

Сергиенко С.А., Герда А.А., Скворцов И.В.

Рекомендована к печати д.т.н., проф. Родькиным Д.Й.

25.04.2006

Введение

В последнее время во всех областях техники большое внимание уделяется вопросам мониторинга и диагностики электрических машин, как находящихся в эксплуатации, так и прошедших ремонт. Рост количества повторных отказов электрических машин, возвращенных после ремонта в прежний технологический процесс, объективно указывает не только на необходимость определения нового паспорта отремонтированной машины, но и на составление рекомендаций по дальнейшему ее использованию, а также - определение фактического ресурса работоспособности. Данные рекомендации могут быть выработаны в ходе послеремонтных испытаний при формировании нагрузочных режимов и отработке тахограмм, полностью соответствующих требуемому технологическому режиму [1,2].

Системы статического нагружения характеризуются рядом существенных недостатков, что объективно обуславливает применение систем динамического нагружения, позволяющих испытывать на унифицированном оборудовании электрические машины различных типов и мощностей [3,4].

Однако получение заданных нагрузочных режимов в разомкнутых системах динамического нагружения осуществимо только при известных фактических параметрах отремонтированной машины, что не всегда возможно. Изменение, по отношению к паспортным, параметров электрической машины и, как следствие, неправильное определение законов управления приводят к неточностям при формировании требуемых характеристик нагружения.

Цель работы. Целью работы является разработка замкнутой системы формирования физически реализуемых допустимых нагрузочных режимов при неполной информации о параметрах объекта.

Материал и результаты исследований

При динамическом нагружении формирование момента, обеспечивающего необходимую токовую нагрузку, осуществляется за счет периодически изменяющегося питающего напряжения. Так, при управлении по цепи якоря закон динамического нагружения будет иметь вид [3]:

,(1)

где - постоянная составляющая напряжения питания двигателя;

- частота нагружения;

- амплитуда переменная составляющая напряжения питани.

Исследования проводились для ряда ДПТ независимого возбуждения в диапазоне мощностей 5-110 кВт с различными значениями электромагнитных и электромеханических постоянных времени и их соотношением между собой. Результаты исследований покажем на примере ДПТ НВ с параметрами силовой части: Р_н=5кВт, n_н=1500об/мин, U_н=220В, І_н=25А, J=0,041кг^.м², R_е=0,78Ом, L_е=9,516.мГн, кФ_н=1,277.Вб. Эффективное значение тока, среднее значение скорости принимаются равными номинальным. Ток холостого хода составляет .

На рис. 1 приведены переходные характеристики для случая полного соответствия закона нагружения и параметров исследуемого двигателя.

Рисунок 1 - Переходные процессы при расчетных законах нагружения

Проведенный анализ влияния изменения параметров электрической машины на процессы динамического нагружения (рис. 2, 3) позволил сделать следующие выводы.

Увеличение электромагнитной постоянной времени Т_е (при изменении индуктивности) приводит к снижению амплитуды колебаний тока и, как следствие, к уменьшению эффективного значения тока якорной цепи. Также снижается амплитуда колебаний скорости (рис. 2, кривая 3), однако среднее ее значение остается неизменным. Так для рассматриваемого двигателя, при увеличении Т_е в 3 раза значение эффективного тока I_e уменьшилось на 6 А (рис. 2, кривая 1), что составляет ? 24%, а амплитуда тока якорной цепи I_m - на 25 А (? 36%). Уменьшение Т_е также приводит к снижению эффективного значения тока (рис. 2, кривая 2), но в меньшей степени (при уменьшении Т_е в 3 раза - на 10%).

Рисунок 2 - Переходные процессы при изменении постоянных времени двигателя

Влияние на токовые процессы изменения Т_м (вследствие изменения момента инерции) обратнопропорционально изменению Т_е. Изменение амплитуды колебаний скорости обратно изменению Т_м - меньшему значению Т_м соответствуют большие колебания скорости (рис. 2, кривая 4). Среднее значение скорости остается практически неизменным.

Изменение постоянных времени приводит к изменению соотношения и, следовательно, к изменению степени влияния противо-э.д.с. на процессы, протекающие в двигателе при динамическом нагружении. Необходимо отметить, что при прочих равных условиях влияние изменения постоянных времени тем меньше, чем меньше базовое соотношение .

Изменение сопротивления якорной цепи обратнопропорционально амплитуде колебаний и эффективному значению тока якорной цепи (рис. 3). Следствием этого является обратнопропорциональный рост амплитуды скорости, среднее значение скорости практически не изменяется (рис. 3, кривая 3). Так при уменьшении R_e в 2 раза амплитуда колебаний тока якорной цепи и эффективное значение возрастают в 2 раза (рис. 3, кривые 1,2).

Изменение магнитного потока оказывает влияние только на среднее значение скорости вращения двигателя. Процессы в токовом контуре остаются неизменными.

Изменение тока (момента) холостого хода приводит к аналогичному изменению эффективного значения тока и обратному изменению среднего значения скорости. Однако даже при 3-х кратном увеличении I₀ эффективный ток I_e изменяется только на 6%.

Таким образом, наибольшее влияние на формирование требуемых нагрузочных режимов оказывают постоянные времени и сопротивление якорной цепи двигателя. Изменение именно этих параметров будет рассматриваться при анализе замкнутых систем нагружения.

Рисунок 3 - Переходные процессы при изменении сопротивления якорной цепи

Поскольку основным при динамическом нагружении является формирование требуемого эффективного тока, целесообразно рассмотреть систему, содержащую оптимизированный контур тока с обратной связью по мгновенному его значению.

Контурный регулятор может быть рассчитан из условия обеспечения модульного оптимума (МО) [5] или минимизации интегрального квадратичного функционала качества путем решения задачи аналитического конструирования регуляторов (АКР) на основе модифицированного принципа симметрии [6,7]. Расчет регуляторов в данной работе не приводится. Для удобства изложения материала обозначим системы соответственно S1 и S2.

Управляющее воздействие представляет приведенное значение тока:

(2)

где - амплитуда переменная составляющая тока якорной цепи.

Контур регулирования тока должен быть дополнен прямым управляющим каналом, обеспечивающим компенсацию противо-э.д.с. двигателя.

Необходимо отметить, что замыкание системы S1 приводит к изменению ее резонансной частоты. Поэтому переменная составляющая задания должна быть скорректирована с учетом амплитудного коэффициента передачи А(). В противном случае даже при расчетных параметрах значение эффективного тока отличается от заданного на 12%. Для системы S2 коррекцию производить не нужно.

Результаты математического моделирования показали, что система S1 позволяет более чем в 5 раз по сравнению с разомкнутой системой повысить соответствие нагрузочного режима заданному при изменении сопротивления якорной цепи (рис. 4). Причем система лучше компенсирует уменьшение сопротивления (рис. 4, кривая 1) чем его увеличение (рис. 4, кривая 2).

Рисунок 4 - Система S1, изменение сопротивления якорной цепи

Система S1 характеризуется практически единичным коэффициентом усиления прямого канала, что объясняет высокую ее чувствительность к изменению постоянных времени двигателя (рис. 5). Причем влияние Т_е, так как якорная цепь охвачена обратной связью, меньше (рис. 5, кривая 2), чем влияние Т_м. (рис. 5, кривая 3). Увеличение Т_е, в отличии от разомкнутой системы, приводит к увеличению значения эффективного тока (рис. 5, кривая 1).

Рисунок 5 - Система S1, изменение постоянных времени двигателя

Токовый контур системы S2 практически не чувствителен к изменению рассматриваемых параметров (отклонения менее 0,5%). Однако, при использовании только оптимизированного контура тока среднее значение скорости будет значительно отличаться от заданного. Так для системы S2 скорость составляет 20% от заданной (рис. 6).

Вследствие снижения скорости в двигателе изменяются тепловые процессы, что не позволяет в полной мере реализовать режим, соответствующий заданному технологическому процессу.

Рисунок 6 - Система S2, переходные процессы при динамическом нагружении

Рассмотрим возможность применения для формирования заданных режимов динамического нагружения двухконтурных систем оптимального управления с контурами тока и скорости. Критерии оптимальности приняты аналогично с контуром тока. Обозначим системы соответственно S3 и S4.

Управляющее воздействие для таких систем представляет приведенное значение скорости:

(3)

где - амплитуда переменная составляющая скорости;

- коэффициент холостого хода.

При использовании двухконтурных систем главной координатой, подлежащей управлению, является скорость. Необходимо отметить, что для системы S3 даже с расчетными параметрами (рис. 7) характерно значительное (до 30%) падение эффективного тока якорной цепи (рис. 7, кривая 1) и среднего значения скорости (рис. 7, кривая 2). Частичная компенсация может быть достигнута, если использовать настройку контура скорости на симметричный оптимум (рис. 7, кривые 3,4). В дальнейшем будем рассматривать такую систему.

Исследование синтезированных систем показало, что ошибка регулирования скорости при рассматриваемых изменениях параметров двигателя не превышает 2% для системы S3 и 0,2% для системы S4. Процессы в токовом контуре систем S3, S4 при изменении R_e и T_e аналогичны процессам в системах S1, S2. Для системы S4 увеличение Т_м приводит к необходимости компенсации дополнительной инерционности двигателя за счет роста тока якорной цепи (рис. 8, кривые 3,4). Снижение Т_м приводит к обратному результату (рис. 8, кривые 1,2). Система S3 менее чувствительна к изменению Т_м. нагрузочный двигатель якорный

Необходимо отметить, что в двухконтурных системах нагружения изменение магнитного потока обратно-пропорционально изменению эффективного тока якорной цепи.

Рисунок 7 - Система S3, переходные процессы при динамическом нагружении

Рисунок 8 - Система S4, изменение Т_м

Таким образом, анализ замкнутых систем управлений показал, что при правильно определенных параметрах электрической машины и соответственно рассчитанном законе динамического нагружения, испытание двигателей проводится при номинальном значении эффективного тока якорной цепи и угловой скорости вращения. В случае неверного определения параметров испытуемых двигателей, использование замкнутых систем управления позволяет получить режимы динамического нагружения точнее, чем в разомкнутой системе, но полностью ликвидировать ошибку не удается.

Управляющее воздействие для разомкнутой системы нагружения (1) можно условно разделить на три составляющих: постоянная U_o, переменная U_m и частота Щ переменной составляющей.

Анализ влияния на процессы динамического нагружения изменения составляющих закона управления показал, что U_o определяет только среднее значение скорости, а составляющая U_m - амплитуду колебаний тока якорной цепи и его действующее значение. Изменение амплитуды колебаний тока приводит к изменению амплитуды колебаний скорости двигателя.

Таким образом, система управления может содержать два канала управления с обратными связями по току якорной цепи и скорости вращения двигателя для изменения переменной и постоянной составляющих закона управления соответственно. Функциональная схема такой системы приведена на рис.9.

Рисунок 9 - Функциональная схема двухканальной системы управления: Д - двигатель; УП - управляемый силовой преобразователь; Д_I - датчик тока; Д_щ - датчик скорости; R_I - регулятор тока; R_щ - регулятор скорости

Синтез структуры и параметров регуляторов может быть выполнен любым из известных методов с учетом требуемых показателей качества.

При моделировании рассматривался режим динамического нагружения в разомкнутой системе с измененными параметрами двигателя (увеличено в 2 раза R_e, в 3 раза L_е, уменьшен в 3 раза J) с последующим подключением на 2 с. регуляторов (рис.10), а также пуск при нулевых значениях постоянной U₀ и переменной U_m составляющих задающего напряжения (рис. 11). Как видно из рисунков, переходные характеристики двухканальной системы управления полностью соответствуют номинальным значениям амплитуды мгновенного и эффективного значения тока якоря и угловой скорости двигателя. Проблема ограничения максимально допустимого тока якорной цепи может быть решена, например, путем дополнения системы нелинейной отрицательной обратной связью по току.

Необходимо отметить, что компенсация параметрических возмущений в предложенной системе достигается за счет изменения напряжения на якоре двигателя, что при определенных условиях (например, значительное снижение сопротивления якорной цепи) может привести к существенному его превышению допустимого уровня (более 30 %).

Известно, что частота динамического нагружения должна соответствовать резонансной частоте системы [3]. В этом случае при прочих равных условиях обеспечивается наибольшее значение тока якорной цепи.

Рисунок 10 - Двухканальная система управления, динамическое нагружение при измененных параметрах двигателя

Рисунок 11 - Двухканальная система управления, динамическое нагружение при нулевых значениях напряжения задания

Любое параметрическое возмущение приводит к изменению резонансной частоты системы. Поэтому целесообразным является ее предварительное определение, что может быть реализовано, например, в поисковой системе путем ее изменения вверх от минимального значения с фиксацией тока якорной цепи в ручном или автоматическом режиме.

Выводы

Проведенные исследования позволили сделать следующие выводы.

1. Изменения параметров в разомкнутых системах динамического нагружения могут привести к значительным отклонениям реальных нагрузочных режимов от требуемых.

2. Применение систем управления, синтезированных на основе решения задачи аналитического конструирования оптимальных регуляторов является более эффективным, чем применение систем с классическими настройками контурных регуляторов на модульный и симметричный оптимумы.

3. Одноконтурная система позволяет с достаточной точностью (до 0,5%) стабилизировать токовую нагрузку, однако скорость вращения двигателя недопустимо снижается.

4. Двухконтурная система обеспечивает точность регулирования скорости вращения, однако ток якорной цепи при параметрических возмущениях отличается от заданного.

5. Поисковая замкнутая двухканальная система управления с обратными связями по току якорной цепи и скорости вращения двигателя, обеспечивающая компенсацию параметрических и координатных возмущений, позволяет получить заданные режимы нагружения при минимальной информации об электрической машине.

Необходимо отметить, что двухканальная система характеризуется некоторой инерционностью при регулировании, что может вызвать ряд проблем при формировании сложных нагрузочных диаграмм и тахограмм, соответствующих конкретному технологическому процессу. Этот вопрос является темой дальнейших исследований.

Литература

1. Сергиенко С.А., Черный А.П. О необходимости испытаний электрических машин с учетом технологической нагрузки // Збірник наук. праць Кіровоградського національного технічного університету. - Кіровоград, 2004. - Вип. 15. -С. 136-141.

2. Скворцов И.В., Зачепа Ю.В., Сергиенко С.А. Формирование технологической нагрузки при послеремонтных испытаниях двигателей постоянного тока //Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Наукові праці КДПУ. - Кременчук: КДПУ, 2004. - Вип. 2(25). - С.50-52.

3. Родькин Д.И. Системы динамического нагружения и диагностики электродвигателей при послеремонтных испытаниях. - М.: Недра, 1992. - 242 с.

4. Кривонос С.А., Бялобржеский А.В., Ломонос А.И. Параметры и режимы работы оборудования станций динамического нагружения //Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Наукові праці КДПУ. - Кременчук: КДПУ, 2002. - Вип. 2(13). - С.139-143.

5. Гарнов В.К., Рабинович В.Б., Вишневецкий Л.М. Унифицированные системы автоуправления электроприводами в металлургии. - М.: Металлургия, 1971. - 216с.

6. Системы оптимального управления прецизионными электроприводами /А.В.Садовой, Б.В.Сухинин, Ю.В.Сохина.: Под ред. А.В.Садового. - К.: ИСИМО, 1996. - 298с.

7. Сергиенко С.А. Повышение качественных показателей систем подчиненного регулирования электроприводов на основе модифицированного принципа симметрии: Дис…канд. тех. наук: 05.09.03. - Кременчуг, 2004. - 221с.

Размещено на Allbest.ru