Построение АСУ нагрузочными испытаниями асинхронного электропривода

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПОСТРОЕНИЕ АСУ НАГРУЗОЧНЫМИ ИСПЫТАНИЯМИ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

электродвигатель асинхронный автоматизация

ШУЛЬГИН Е.В.

This paper focuses on the one of the stages of experimental researches automation of the induction motor drive. It is a controllable load implementation. This stage includes: the formulation of the requirements to the controllable load; the analysis of the means of load diagrams forming. The paper also presents the block diagram load automatic control system and describes integration of load drive into the structure of the automatized experimental plant

При создании новых и модернизации существующих АСУ ТП предпочтительным является использование асинхронного электропривода (АЭП) ввиду общеизвестных преимуществ асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (АД) [1]. При этом при проектировании систем управления АЭП применяют упрощенные и линеаризованные модели АЭП ввиду сложной внутренней структуры АД как объекта управления [2]. Данное обстоятельство обуславливает необходимость проведения экспериментов на специализированном оборудовании для подтверждения адекватности результатов исследований упрощенных моделей процессам в реальных системах АЭП. При этом эффективное решение задач сбора, обработки, представления больших потоков информации и управления ходом эксперимента в реальном времени возможно только при высокой степени автоматизации этих процессов.

Эффективным подходом при автоматизации нагрузочных испытаний является создание автоматизированного экспериментального комплекса, представляющего собой систему подчиненного регулирования с внутренним замкнутым контуром регулирования координат нагрузочного устройства и внешним разомкнутым контром, задающим режим проведения испытаний [1]. При этом показатели качества внутренего контура выступают в качестве ограничений и определяют эффективность воспроизведения заданного режима испытаний.

Наиболее общими экспериментальными исследованиями являются комплексное тестирование разработанного привода как части АСУ ТП, которое заключается в реализации алгоритмов управления АЭП и воспроизведение в лабораторных условиях взаимодействия АЭП и ТП, причем целью эксперимента является получение данных о технологической переменной и контроль за общей работоспособностью АЭП. В практических приложениях АЭП работает на нагрузку, которая создает момент сопротивления, являющийся функцией времени и (или) параметров движения, т.е. углового положения вала или скорости его изменения. Поэтому для исследования взаимодействия АЭП и ТП требуется воспроизводить нагрузки, характерные для типовых ТП [1]. Другим направлением экспериментальных исследований является проверка эффективности алгоритмов идентификации механических параметров привода и исполнительного механизма ТП. При этом для реализации алгоритмов идентификации требуется формировать момент на валу привода с высокой точностью [3].

РЕАЛИЗАЦИЯ УПРАВЛЯЕМОЙ НАГРУЗКИ

Перечисленные выше экспериментальные исследования АЭП подразумевают использование регулируемой нагрузки на валу АД с возможностью ее увеличения или сброса при вращающемся двигателе. Известны реализации управляемой нагрузки с использованием различных типов электрических машин, причем для управления этими машинами используются серийно выпускаемые промышленные контроллеры ЭП [4, 5]. При этом авторы отмечают, что такие контроллеры имеют закрытую структуру системы управления, ориентированную на регулирование скорости, что затрудняет реализацию на их основе гибкого управления электромагнитным моментом привода и их интеграцию в экспериментальный комплекс [5].

Созданная в совместной лаборатории кафедры ПТЭиВС ОрелГТУ и ЗАО «Электротекс» экспериментальная установка (рисунок 1) использует в качестве нагрузочного электропривод (ЭП) с двигателем постоянного тока (ДПТ) 4ПО112М2 (Pном=5,5кВт; Nном=3000 об./мин; Uном=220В; Iном=29А). Двигатель имеет независимую систему возбуждения и оснащен компенсационной обмоткой. Для формирования электромагнитного момента двигателя используется силовой преобразователь с микропроцессорной системой управления, функциональная схема которого приведена на рисунке 2. Для осуществления четырехквадрантного регулирования силовая часть преобразователя выполнена по топологии автономного инвертора напряжения (транзисторы VT1-VT4). Контур регулирования тока в обмотке возбуждения реализован по топологии одноквадрантного прерывателя и выполнен на транзисторе VT5 и разрядном диоде. При функционировании в тормозных режимах для ограничения напряжения на фильтрующем конденсаторе С, звена постоянного тока инвертора, реализован контур сброса напряжения, состоящий из тормозного резистора R и транзистора VT6.

Рисунок 1 - Общий вид экспериментальной установки

Рисунок 2 - Функциональная схема преобразователя нагрузочного ЭП

При создании установки было принято решение отказаться от использования датчика вращающего момента, ввиду высокой стоимости последнего. Значение результирующего вращающего момента оценивается на основании измеряемых переменных состояния используемого ДПТ. Эффективность такого подхода определяется структурой используемой схемы замещения ДПТ, а также точностью оценки значений частоты вращения и ускорения привода в соответствии с показаниями датчика углового положения вала [3].

Поскольку конструкция ДПТ обеспечивает ортогональную ориентацию магнитного потока статора и тока якорной цепи, то электромагнитный момент ДПТ определяется скалярным произведением указанных переменных: фДПТ = кФ·iОЯ [6]. Поэтому приведенная структура нагрузочного ЭП позволяет в широком диапазоне изменения скоростей формировать управляемый электромагнитный момент нагрузки за счет гибкого непосредственного воздействия на моментообразующие переменные ДПТ. Таким образом задача формирования момента нагрузки на валу АЭП сводится к формированию соответствующих токовых диаграмм ДПТ в режимах динамического торможения или противовключения [6]. Токи якорной цепи и обмотки возбуждения доступны для непосредственного измерения (используются компенсационные датчики на эффекте Холла LA 55-P и LTS 6-NP соответственно). Для оценки значения магнитного потока используется табличная зависимость кФ(iОВ).

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ НАГРУЗОЧНЫМ ЭП

Задача имитации взаимодействия АЭП с приводимым в движение исполнительным органом технологического оборудования в общем случае сводится к формированию нагрузочного момента в функции угловой скорости вала АД. При этом задача формирования регулируемого момента нагрузки на валу АД подразумевает, что для исключения влияния переходных процессов при формировании этого момента на процессы, протекающие в АЭП, быстродействие системы управления нагрузочным ЭП должно на порядок превышать быстродействие системы управления АЭП. Поэтому формирование требуемых нагрузочных диаграмм осуществляется регулированием тока якорной цепи ДПТ при номинальном значении магнитного потока. Такой подход позволяет получить высокое быстродействие при управлении электромагнитным моментом на валу ДПТ, поскольку обмотка возбуждения ДПТ имеет значение постоянной времени на порядок большее, чем обмотка якорной цепи.

Наиболее общим случаем нагрузочной диаграммы для АЭП является реактивная зависимость статического момента сопротивления от угловой скорости, имеющая падающий участок на низких скоростях с высоким пусковым моментом. Такие диаграммы свойственны ТП, использующим различные виды мельниц, дробилок [1]. Для имитации подобных ТП используется структура САУ, приведенная на рисунке 3.

Рисунок 3 - Структурная схема САУ нагрузочного ЭП

Приведенная САУ реализует принцип подчиненного регулирования. Внешний контур управления замкнут по скорости и предназначен для компенсации вращающего момента АД. Для этого на вход регулятора подается нулевое значение команды (щcmd =0), что позволяет получить реактивный характер момента сопротивления. Таким образом, пока АЭП не сформирует момент, превышающий пусковой, САУ нагрузочного ЭП работает в линейном режиме и обеспечивает неподвижность вала (т.н. следящий режим с нулевым заданием). При превышении АЭП пускового момента выход регулятора скорости насыщается и привода начинают движение, причем уровень насыщения Mогр определяется заданной нагрузочной диаграммой М(щ). В последнем случае используется режим регулирования момента с аварийным ограничением скорости [1].

Внутренний токовый контур выполнен комбинированным с управлением по отклонению (FBC) и передачей команды вперед (FFC). Использование передачи команды вперед позволяет повысить показатели качества переходных процессов, но при этом повышаются требования к точности определения параметров используемой схемы замещения ДПТ. Также, за счет внутренней обратной связи, в ДПТ при ускорении вала на токовый контур действует возмущение 2-го порядка (противо-ЭДС Е), для компенсации которого в модуле ШИМ используется коррекция коэффициента заполнения г.

Цифровая реализация САУ обеспечивает возможность быстрого изменения структуры и параметров как регуляторов, так и системы управления в целом. При этом микроконтроллер системы управления должен обладать значительной вычислительной мощностью для выполнения большого объема вычислений, требуемых для реализации алгоритмов управления нагрузкой и сбора данных. Разработанная система управления базируется на специализированном цифровом сигнальном процессоре фирмы Motorolla 56F8345 и реализует импульсный алгоритм регулирования токов якорной цепи и обмотки возбуждения (формирование требуемых нагрузочных диаграмм) на основании информации о скорости вращения вала АД, получаемой от квадратурного датчика перемещения. Управление ключами силовой схемы осуществляется с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с несущей частотой 20кГц.

ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ НАГРУЗОЧНОГО ЭП

При оценки адекватности результатов математического моделирования ЭП возникает проблема определения значений параметров выбранной схемы замещения ЭП.

Для оценки степени влияния реакции якоря на значение магнитного потока системы возбуждения ДПТ экспериментально получена зависимость кФ(iОВ) в режиме фиксированного тока якорной цепи IОЯ = 25А (рисунок 4а). Стабилизация тока IОЯ осуществлялось за счет регулирования генерируемого напряжения изменением частоты вращения вала ДПТ (в качестве источника скорости использовался АД с собственной системой управления). В режиме регулирования момента с номинальным значением кФ для компенсации влияния реакции якоря используется экспериментально полученная зависимость кФ(iОЯ), приведенная на рисунке 4б. Из анализа полученных характеристик следует, что несмотря на применение в ДПТ компенсационной обмотки, изменение потока под влиянием реакции якоря достигает 20%.

Рисунок 4 - Графики зависимостей кФ(iОВ) (а) и кФ(iОЯ) (б)

АСУ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМИ ИССЛЕДОВАНИЯМИ АЭП

Рассмотренный нагрузочный ЭП входит в состав экспериментального комплекса для исследования АЭП. Комплекс реализован, как двухуровневая АСУ на базе персонального компьютера и локальных контроллеров (рисунок 5). На нижнем уровне применяются локальные контроллеры: контроллер нагрузочного ЭП, преобразователь частоты, а также плата сбора данных, реализующая многоканальный синхронный сбор данных, характеризующих протекающие в системе процессы. На верхнем уровне используется персональный компьютер, синхронизирующий во времени и координирующий по функциям работу устройств нижнего уровня. Такая структура экспериментального комплекса позволяет в режиме реального времени на основании анализа собранной информации корректировать условия эксперимента и процесс сбора данных в соответствии с поставленной задачей исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приведенная реализация регулируемой нагрузки позволяет эффективно решать следующие задачи экспериментальных исследований АЭП: имитировать взаимодействие с различными ТП, формировать тестовые сигналы для оценки эффективности регуляторов скорости АЭП, реализовывать алгоритмы идентификации механических параметров ЭП.

Эффективность предложенной реализации алгоритмов идентификации параметров ДПТ позволяет повысить качество воспроизведения нагрузочных диаграмм при проведении экспериментальных исследований АЭП без использования датчика вращающего момента. Так, использование коррекции уставки тока якорной цепи, в соответствии с полученной зависимостью размагничивающего действия реакции якоря, позволяет повысить точность при регулировании момента ДПТ.

Рисунок 5 - Структурная схема экспериментального комплекса

ЛИТЕРАТУРА

1. Белов, М.П. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов [Текст]: учебник для вузов. / М.П. Белов , В.А. Новиков , Л.Н. Рассудов. - М.: Академия, 2004.-576 с.

2. Novotny, D.W. Vector control and dynamics of AC drives [Text] / D.W. Novotny, T.A. Lipo. Oxford University Press. 1996. - 440 c.

3. Bellini, A. Identification of the mechanical parameters in high performances drives [Электронный ресурс] / A. Bellini, S. Bifaretti // Proceedings of the 9th European Conference on Power Electronics and Applications, August 2001, Graz, Austria. (EPE'2001). - Электрон. дан. - Режим доступа: http://www.epe-association.org/epe/index.php?main=/epe/docu-ments.php%3Fcur rent=40 - Загл. с экрана.

4. Ковбаса, С. Описание асинхронного электропривода EPA-IM-Drive. Технические характеристики [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://www.el-drive.com.ua/-pdf-unit/EpaID.pdf- Загл. с экрана.

5. Барыльник, Д.В. Проблемы и перспективы применения асинхронных электроприводов в системах регулирования усилий исполнительных механизмов [Текст] / Д.В. Барыльник, О.А. Кравченко // Известия вузов. Электромеханика. 2005. №6. - С.33-36.

6. Вольдек, А.И. Электрические машины [Текст] / А.И. Вольдек. - Л.: Энергия, 1974. - 840 с.

Размещено на Allbest.ru