Пристрої спостереження у асинхронному електроприводі з векторним керуванням

Размещено на http://allbest.ru

Міністерство освіти і науки України

Національна гірнича академія України

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність: 05.09.03 - Електротехнічні комплекси і системи

ПРИСТРОЇ СПОСТЕРЕЖЕННЯ У АСИНХРОННОМУ ЕЛЕКТРОПРИВОДІ З ВЕКТОРНИМ КЕРУВАННЯМ

Виконав: Ципленков Дмитро Володимирович

Дніпропетровськ - 2002

АНОТАЦІЯ

Ципленков Д.В. Пристрої спостереження у асинхронному електроприводі з векторним керуванням. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - Електротехнічні комплекси та системи. - Національна гірнича академія України, Дніпропетровськ, 2002.

Дисертацію присвячено питанням ідентифікації координат та параметрів асинхронного двигуна і підвищення якості електромеханічних перехідних процесів асинхронного електроприводу з векторним керуванням при непрямому вимірюванні значення потокозчеплення ротора асинхронного двигуна. Для асинхронного електропривода з векторною системою керуванням без прямого вимірювання потокозчеплення при нестаціонарності параметрів об'єкта керування запропоновано одночасно використовувати спостерігаючі пристрої двох типів - повного порядку і параметричного.

Для параметричного пристрою спостереження, який є суттєво нелінійним об'єктом, отримано залежності налагоджувальних коефіцієнтів від динамічних параметрів асинхронних двигунів, що дозволяє при проектуванні та налагоджуванні асинхронних електроприводів з векторним керуванням без прямого вимірювання потокозчеплення розраховувати значення коефіцієнтів передачі та сталих часу спостерігача для придання йому необхідних динамічних властивостей.

Отримані вираження та обґрунтована доцільність застосування розподілу коренів характеристичного рівняння замкненого контуру регулювання потокоутворюючої складової струму статора в асинхронному електроприводі з векторним керуванням та пристроями спостереження за формою Грехем-Літропа при використанні еталонної моделі в даному контурі.

Ключові слова: ідентифікація, пристрій спостереження, налагоджувальні коефіцієнти, еталонна модель, асинхронний електропривод, векторне керування.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Головний напрямок розвитку частотно-регульованого електропривода змінного струму полягає в створенні високодинамічного широкорегульованого асинхронного електропривода, виконаного на основі інверторних перетворювачів частоти без датчиків усередині та на валу асинхронного двигуна. Виконання асинхронного двигуна без датчиків усередині його, виключає необхідність виготовлення спеціального або переробки серійного двигуна.

Внаслідок цього зберігаються високі експлуатаційні властивості приводу (без додаткових пристроїв усередині двигуна) і підвищується ступінь експлуатаційної готовності електропривода. Останнє пояснюється широким застосуванням для таких електроприводів загальнопромислових асинхронних електродвигунів широкого призначення, що на практиці особливо ефективно у випадку реконструкції нерегульованих асинхронних приводів на частотно-регульовані, оскільки при цьому зберігаються раніше встановлені на приводах серійні асинхронні двигуни.

Найбільшої точності, діапазону регулювання та швидкодії високодинамічних широкорегульованих асинхронних електроприводів можна досягти, лише використовуючи векторні закони частотного керування. Асинхронний двигун є нелінійною, багатозв'язаною системою. При використанні принципів векторного керування вихідними координатами асинхронного двигуна є потокозчеплення ротора та кутова швидкість обертання валу. Точність регулювання кутової швидкості обертання валу в першу чергу залежить від точності визначення потокозчеплення. Прямі способи вимірювання потокозчеплення ротора пов'язані зі втручанням у конструкцію електричної машини та недостатньо надійні.

Для непрямого визначення потокозчеплення ротора АД застосовують методи засновані на використанні математичних моделей. Головним недоліком їх є неінваріантність отриманої інформації від температури двигуна, насичення сталі та інших факторів. Для врахування різних факторів, що впливають на значення потокозчеплення асинхронного двигуна актуально застосовувати пристрої спостереження, що дозволяють непрямим шляхом визначити потокозчеплення та параметри двигуна. Введення у систему керування асинхронним двигуном додаткових пристроїв приводить до деякого погіршення якості електромеханічних перехідних процесів, що негативно впливає на якість продукції, тому також актуально застосовувати методи для покращення цих перехідних процесів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами Дослідження за темою дисертаційної роботи знаходяться у відповідності з тематикою науково-дослідних робіт Національної гірничої академії України в межах програми «Наука 2000» - фундаментальні, пошукові і прикладні дослідження зі створення перспективних зразків машинобудівної продукції і прогресивних технологій» (затверджена Наказом Міністра Машинобудівної промисловості України від 30.03.94 №470).

Метою роботи є ідентифікація координат та параметрів асинхронного двигуна і підвищення якості перехідних процесів асинхронного електроприводу з векторним керуванням при непрямому вимірюванні значення потокозчеплення ротора асинхронного двигуна шляхом адаптації системи керування до зміни параметрів двигуна, як об'єкта керування.

Об'єктом дослідження є процес ідентифікації координат та параметрів асинхронного електроприводу з векторним керуванням.

Предметом дослідження є визначення координат та параметрів асинхронного двигуна для покращання якості електромеханічних перехідних процесів асинхронного електроприводу з векторним керуванням при непрямому вимірюванні значення потокозчеплення ротора асинхронного двигуна.

Основні задачі дослідження:

синтезування пристроїв спостереження для непрямого визначення потокозчеплення, електричних параметрів асинхронного двигуна та кута між нерухомою системою відліку та системою відліку, що обертається синхронно з просторовим вектором потокозчеплення ротора асинхронного двигуна;

отримання виражень для налагоджувальних коефіцієнтів параметричного пристрою спостереження, виходячи з номінальних параметрів асинхронних двигунів широкого діапазону потужностей;

врахування зміни параметрів двигуна, що виникає під впливом насичення сталі за допомогою пристрою спостереження;

підвищення якості електромеханічних перехідних процесів асинхронного електроприводу з векторним керуванням при непрямому визначенні координат та параметрів асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором;

проведення математичного моделювання й експериментальних досліджень, які підтверджували або спростовували отримані результати і ефективність використання розроблених способів ідентифікації і підвищення якості електромеханічних перехідних процесів асинхронного електроприводу з векторним керуванням.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених задач в роботі використані методи математичного моделювання, методи теорії електричних машин і автоматизованого електропривода для побудови структурних схем електропривода з векторним керуванням, теорія автоматичного керування для синтезу регуляторів та еталонної моделі, метод планування експерименту для визначення налагоджувальних коефіцієнтів параметричного пристрою спостереження, методи синтезу програмного та інформаційного забезпечення. Експериментальна перевірка основних положень та результатів виконана за допомогою комп'ютерного моделювання та лабораторно-стендових випробувань.

Наукові положення та їх новизна:

В системах асинхронного електропривода з векторною системою керуванням та непрямим вимірюванням потокозчеплення ротора при нестаціонарності параметрів об'єкта керування одночасне використання спостерігаючих пристроїв двох типів - повного порядку і параметричного, в яких, на відміну від відомих способів ідентифікації, інформація про відновлені миттєві значення активного опору та сталих часу обмоток статора і ротора використовується для одночасної адаптації як регуляторів системи керування, так і спостерігача повного порядку, забезпечує підвищення точності відновлення потокозчеплення і покращання динамічних властивостей електропривода.

Встановлено, що точність відновлення потокозчеплення короткозамкненого ротора асинхронного двигуна електромеханічної системи з векторним керуванням не залежить від жорсткості пружного зв'язку при відношенні моменту інерції механізму до моменту інерції двигуна не більше восьми.

Достовірність наукових положень та результатів підтверджується застосуванням сучасних способів математичного опису асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором, що базуються на використанні сучасних положень теорії електричних машин, автоматизованого електропривода та автоматичного керування, коректністю вихідних положень і прийнятих допущень, збігом теоретичних розробок з результатами комп'ютерного моделювання і даними експериментальних досліджень, а також позитивним досвідом упровадження результатів роботи.

Практичне значення отриманих результатів:

розроблено пристрої спостереження, що дозволяють непрямим способом визначати потокозчеплення короткозамкненого ротора, а також параметри асинхронного двигуна, які дозволяють враховувати зміну параметрів двигуна, що виникають під впливом зовнішніх факторів;

отримано залежності для налагоджувальних коефіцієнтів параметричного пристрою спостереження, що дозволяють визначити ці коефіцієнти в електроприводах потужністю до 90 кВт виходячи з номінальних параметрів двигуна;

розроблено коригувальний пристрій зі змінною структурою для урахування зміни параметрів асинхронного двигуна, що виникають при насиченні сталі машини, у якому керування між каналами здійснюється у функції потокозчеплення ротора асинхронного двигуна.

запропоновано використовувати еталонну модель в контурі регулювання потокоутворюючої складової струму статора для зменшення тривалості коливань кутової швидкості обертання валу двигуна при застосуванні розподілу коренів характеристичного рівняння контуру регулювання потокоутворюючої складової струму статора за формою Грехем-Літропа.

Особистий внесок здобувача Автор самостійно сформулював задачі дослідження, наукові положення і результати, виконав теоретичну частину роботи, брав безпосередню участь у проведенні лабораторних і виробничих випробувань. Особистий внесок дисертанта в роботи, опубліковані в співавторстві: [6] - дослідження використання пристроїв спостереження у електроприводі регулювання положення.

Апробація результатів дисертації.

Основні наукові положення і результати оприлюднені на чотирьох міжнародних конференціях: П'ята Українська конференція з автоматичного управління «Автоматика-98» (м. Київ, НТУУ КПІ, 13-16 травня 1998 р.), «ХХI століття - проблеми та перспективи освоєння родовищ корисних копалин» (м. Дніпропетровськ, НГАУ, 12-14 жовтня 1998 р.), «Комп'ютерні технології в навчанні, наукових дослідженнях та промисловості» (м. Дніпропетровськ, НГАУ, 15-16 жовтня 1998 р.), 3-тя міжнародна науково-технічна конференція «Математичне моделювання в електротехніці, електроніці та електроенергетиці» (м. Львів, ДУ «Львівська політехніка», 25-30 жовтня 1999 р.).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи викладені в 7 наукових працях. Шість наукових праць написані без співавторів.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність проблеми і показано її зв'язок із науковими програмами і темами, сформульовані мета та основні наукові і практичні задачі дослідження, викладені наукові положення, що захищаються, показані наукова новизна і практична цінність отриманих результатів, а також показаний рівень апробації результатів роботи, кількість публікацій по темі й особистий внесок автора.

У першому розділі дана характеристика існуючих методів прямого визначення потокозчеплення асинхронного двигуна (за допомогою датчиків Холу та вимірювальної обмотки, що розташовується на статорі двигуна), вказані недоліки цих методів. Проведено аналіз можливих способів непрямого визначення потокозчеплення за допомогою математичних моделей - визначення значення потокозчеплення по струмах фаз статора і кутової швидкості обертання ротора, визначення значення потокозчеплення ротора по струму статора, застосування пристроїв спостереження. Відзначено, що багато проблем керування асинхронним двигуном можуть бути усунені, якщо в процесі керування знати миттєві значення змінних стану та параметрів двигуна. Проте, оскільки не всі змінні стану можуть бути визначені безпосередньо, то доцільно організувати ідентифікатор стану (пристрій спостереження) на основі якого можливо легко визначити координати та параметри системи, що не підлягають прямому вимірюванню. Інформація, отримана за допомогою пристроїв спостереження дозволить адаптувати систему керування до зміни параметрів двигуна. Показано принципи побудови пристрою спостереження повного порядку та параметричного пристрою спостереження.

Проведено аналіз існуючих систем автоматичного керування асинхронним електроприводом. В результаті аналізу встановлено, що автоматичні системи частотного регулювання при використанні принципів векторного керування з вбудованими датчиками потоку усередині двигуна не знайшли широкого практичного застосування через необхідність переробки серійних електродвигунів, що приводить до зниження в цілому надійності електропривода при установці додаткових датчиків. Серед загальнопромислових електроприводів та глубокорегульованих електроприводів для станків з ЧПК найбільше поширення отримують електроприводи, що не містять датчиків усередині двигуна. Вони забезпечують роботу в умовах запиленого, агресивного та вибухонебезпечного середовищ при високій експлуатаційній надійності. Основні принципи побудови автоматичних систем частотного регулювання без датчиків усередині двигуна полягають у використанні непрямих засобів виміру регульованих координат двигуна заснованих на застосуванні математичних або фізичних моделей об'єкта ? асинхронного двигуна (у системах з векторним принципом регулювання).

В асинхронному двигуні з короткозамкненим ротором при векторному керуванні регулюванню підлягають моментоутворююча , потокоутворююча складові струму статора, кутова швидкість обертання валу двигуна , а також потокозчеплення ротора . Асинхронний двигун з короткозамкненим ротором, як об'єкт керування, у системі відліку орієнтованій за вектором потокозчеплення ротора, описується системою рівнянь:

спостереження асинхронний електропривод векторний

,

де ? коефіцієнт електромагнітного зв'язку ротора;

? еквівалентна індуктивність розсіювання двигуна;

- еквівалентний активний опір двигуна;

- еквівалентна електромагнітна стала часу обмотки статора;

- електромагнітна стала часу обмотки ротора.

У другому розділі запропоновано використання різних типів пристроїв спостереження для відновлення потокозчеплення ротора та параметрів асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором. Отримано вираження для налагоджувальних коефіцієнтів параметричного пристрою спостереження для електроприводів з потужністю до 90 кВт. Вони визначаються виходячи з номінальних параметрів двигунів.

Для синтезу пристрою спостереження повного порядку в якості об'єкта спостереження прийнято об'єкт, утворений по третьому, п'ятому і шостому рівняннях системи. Для обраного об'єкта спостереження синтезовано пристрій спостереження повного порядку.

При відновленні моменту опору та врахуванні його у пристрої спостереження амплітуда коливань електромагнітного моменту зменшується у 10-15 разів, а точність відновлення потокозчеплення ротора підвищується (до 98 - 99 % при регулюванні швидкості униз від номінальної та до 96 % при регулюванні швидкості угору від номінальної).

Для синтезу пристрою спостереження для електромеханічної системи з пружним зв'язком між валом двигуна та механізмом об'єкт спостереження доповниться рівняннями, що описують механічну передачу. Синтезований пристрій спостереження має четвертий порядок.

У роботі розглядалися випадки співвідношення моментів інерції валу двигуна і механізму : 1 - ; 2 - . Для другого випадку відхилення відновленого значення потокозчеплення від реального під час пуску значно перевищує відхилення відновленого значення потокозчеплення для випадку, коли . При неврахуванні коефіцієнтів внутрішнього та грузлого тертя похибка відновлення потокозчеплення підвищується на 2-3 відсотка. Це не здійснює істотного впливу на якість регулювання кутової швидкості обертання валу двигуна. Встановлено що точність відновлення потокозчеплення ротора залежить від жорсткості пружного зв'язку між двигуном та механізмом. Найбільша похибка відновлення виникає, коли момент інерції механізму перевищує момент інерції двигуна більш, ніж у 8 разів.

Повний пристрій спостереження змінних стану володіє надмірністю, яка виражається у тому, що даний пристрій оцінює увесь вектор стану об'єкта , хоча деяку частину цього вектора можна визначити і за результатами безпосереднього виміру вихідного сигналу. Ця надмірність усувається при використанні пристрою спостереження, порядок якого менше порядку об'єкта спостереження - редуцированого пристрою спостереження.

Об'єкт спостереження утворюється першим, третім, четвертим та п'ятим рівняннями системи. Перехресний зв'язок , узятий із спрощенням, яке зводиться до того, що у четвертому рівнянні системи зневажається складовою . Запропоновані значення налагоджувальних коефіцієнтів пристрою спостереження та , які надають системі певне значення похибки відновлення потокозчеплення ротора, що впливає на динамічні властивості електропривода.

Системи векторного керування є досить складними і чутливі до зміни параметрів двигуна. Внаслідок насичення і нагрівання параметри асинхронного двигуна змінюються. Так зміна сталої часу ланцюга ротора досягає 100% і призводить до розладжування системи. Несталість цього параметра, а також опору ротора і статора та еквівалентної електромагнітної сталої часу обмотки статора призводить до необхідності побудови грубого керування. Для зменшення залежності між точністю регулювання кутової швидкості обертання валу двигуна та зміною параметрів двигуна використано параметричний пристрій спостереження. Синтезований пристрій спостереження дозволяє відновлювати як параметри асинхронного двигуна - сталу часу ротора, еквівалентну сталу часу статора, еквівалентний опір статора та індуктивність від головного потоку, так і координату - потокозчеплення ротора асинхронного двигуна.

Параметричний пристрій спостереження є суттєво нелінійним об'єктом, для якого неможливо отримати аналітичним шляхом залежності, які б зв'язували налагоджувальні коефіцієнти пристрою спостереження , , та з параметрами двигуна: індуктивністю , еквівалентним опором , сталими часу ротора та статора . Тому ці залежності було отримано шляхом використання методу планування експерименту:

Проте зміна параметрів двигуна при сталих значеннях , , та викликає погіршення якості регулювання у випадку, коли параметри двигуна при зміні виходять за прийняті межі: стала часу ротора ? ; еквівалентна стала часу обмоток статора ; еквівалентний опір статора ; індуктивність від основного потоку . , , , ? величини, які визначені за паспортними даними двигуна. Отримані вираження для налагоджувальних коефіцієнтів призначені для визначення цих коефіцієнтів у електроприводах з потужністю від 1.1 до 90 кВт.

Пристрої спостереження, що були розглянуті вище у порівнянні з безпосереднім визначенням потокозчеплення ротора володіють своїми перевагами та недоліками. При регулюванні кутової швидкості униз від номінальної точність відновлення потокозчеплення ротора для кожного з пристроїв спостереження, що розглядаються, майже незмінна, а при роботі електроприводу у другій зоні точність відновлення потокозчеплення ротора зменшується. Для редуцированого пристрою спостереження характерне різке зменшення точності відновлення потокозчеплення ротора при регулюванні кутової швидкості угору від номінальної значення.

Поєднавши переваги пристрою спостереження повного порядку (високу точність відновлення потокозчеплення ротора) та параметричного пристрою спостереження (можливість відновлення параметрів асинхронного двигуна) отримаємо комбінований пристрій спостереження. Загальна структурна схема такого пристрою спостереження наведена на рисунку 4. Інформація, про відновлені значення параметрів асинхронного двигуна вводиться до системи керування (відновлені значення індуктивності від головного потоку, еквівалентного опору , сталих часу ротора та статора ) та пристрою спостереження повного порядку (відновлене значення індуктивності та сталої часу ротора ). Зворотний зв'язок по вектору потокозчеплення ротора формується завдяки пристрою спостереження повного порядку. У цьому випадку, як пристрій спостереження повного порядку, так і система керування двигуном будуть адаптуватися до зміни параметрів двигуна.

Використання комбінованого пристрою спостереження (рис. 4), який адаптується до зміни параметрів двигуна, при одночасній адаптації системи керування до зміни параметрів асинхронного двигуна приводить до підвищення якості перехідних процесів та зменшенню похибки відновлення потокозчеплення ротора асинхронного двигуна. Похибка відновлення потокозчеплення ротора, при регулюванні кутової швидкості униз від номінальної, менше 0,5 %, а при регулюванні кутової швидкості угору від номінальної не перевищує 3 %.

При розгляді пристроїв спостереження припускалося, що відомі складові струму статора та асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором. Проте, оскільки асинхронний двигун, як об'єкт керування, описано у системі відліку, що обертається та орієнтується на вектор потокозчеплення ротора, то ці складові прямим вимірюванням визначити неможливо. Перехід від струму статора, визначеному у нерухомій системі координат () до потоко- та моментоутворюючих складових струму статора у системі координат, що обертається синхронно з вектором потокозчеплення ротора виконуються згідно з рівняннями:

де , ? миттєве значення відповідно потоко- та моментоутворюючої складової струму статора; , ? миттєві значення струму статора у нерухомій системі координат; ? кут між миттєвими значеннями струму статора у нерухомій системі координат та струмом статора асинхронного двигуна у системі координат, що обертається з частотою обертання просторового вектора потокозчеплення ротора. Визначення кута полягає у використанні виразу

Поточне значення кута між системами координат можна записати у вигляді , де ? значення початкового кута між системами координат, ? миттєве значення кута між системою координат, що обертається, та нерухомою системою координат, яке визначається з системи.

Для визначення початкової фази на обмотку двигуна необхідно подати на короткий час тестову напругу та струм , які не приведуть до обертання валу двигуна, тобто повинна виконуватися умова . При таких умовах значення початкової фази між системами координат можна прийняти

Вираз знаходить своє застосування при використанні пристроїв спостереження. Структурна схема пристрою спостереження для відновлення кута виконаного на основі пристрою спостереження повного порядку наведена на рисунку 5. На рис. 6 наведені залежності які відображають точність відновлення кута між системами координат в залежності від завдання на кутову швидкість обертання валу двигуна. Розглянуто регулювання кутової швидкості обертання валу двигуна у двох зонах: у першій зоні - від 0 до , у другій - від до . Найбільша похибка відновлення кута між системами координат не перевищує 5 відсотків (при регулюванні кутової швидкості угору від номінальної).

У третьому розділі розглядається питання покращання електромеханічних

перехідних процесів асинхронного електроприводу з векторним керуванням та використанням пристроїв спостереження.

Асинхронний двигун є складною, багатозв'язаною системою з внутрішніми перехресними і зворотними зв'язками. Основними перехресними зворотними зв'язками об'єкта регулювання є сигнали:

,

,

Зворотні зв'язки, що компенсують перехресні зв'язки (відповідно , , та ) вводяться на виходи регуляторів складових струму статора. На рисунку 7 наведено залежності рівня компенсуючих сигналів від потужності електроприводу. Рівень компенсуючих сигналів розраховано у відсотках від номінальної напруги у системі керування електроприводом.

При розгляді асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором було прийнято припущення про лінійність магнітних властивостей матеріалів. Це має місце у тому випадку, коли система керування забезпечує точну стабілізацію потокозчеплення, тобто електропривод працює в околицях однієї точки на кривій намагнічення магнітного ланцюгу асинхронного двигуна. При роботі у перехідних режимах потокозчеплення ротора відхиляється від заданого значення, і магнітний ланцюг машини попадає у зону насиченості сталі. В такому випадку лінійна модель асинхронного двигуна не повністю відображає процеси, які відбуваються в машині. При врахуванні впливу насичення магнітних матеріалів, нестаціонарними стають такі параметри двигуна, як індуктивність від головного потоку, стала часу ротора, еквівалентний опір статора. Нестаціонарність параметрів асинхронного двигуна, їх нелінійність від часу ускладнюють керування двигуном, зменшують точність регулювання кутової швидкості обертання валу двигуна. Зміну параметрів двигуна, що виникає під впливом насиченості магнітних матеріалів можна враховувати шляхом використання у системі керування коригуючих сигналів та шляхом відновлення значення параметрів двигуна за допомогою параметричного пристрою спостереження.

Побудова коригуючого пристрою, як системи з змінною структурою, дозволяє врахувати повним чином зміну параметрів. Керування здійснюється у функції потокозчеплення ротора: при невеликому відхиленні угору від номінального значення (до 5 %) використовуються коригуючі ланки, при більшому відхиленні - параметричний пристрій спостереження.

Наявність пристрою спостереження у системі регулювання призводить до деякого погіршення якості перехідних процесів в порівнянні з випадком, коли здійснюється безпосереднє вимірювання потокозчеплення ротора. Для покращання якості електромеханічних перехідних процесів можливе використання еталонної моделі. В якості еталонної моделі використано ланку з передатною функцією типу

,

де , - відповідно коефіцієнт підсилення та стала часу еталонної моделі. Аналіз електроприводу показує, що еталонну модель можливо використовувати у контурі регулювання потокоутворюючої складової струму статора, контурі потокозчеплення ротора та контурі моментоутворюючої складової струму статора асинхронного двигуна. Крім того можливо одночасно використовувати еталонну модель як у контурі регулювання потокоутворюючої складової струму статора, так і у контурі регулювання потокозчеплення ротора. Для налагодження еталонної моделі було використано стандартна форма Баттерворта третього порядку. Окрім цієї форми запису розподілу коренів характеристичного рівняння можна використовувати інші форми. В роботі, для випадку використання еталонної моделі в контурі регулювання потокоутворюючої складової струму статора , розглядалися п'яте та десяте розподілення коренів за Яворським, розподілення коренів за формою Соколова та за формою Грехем-Літропа виду

де , - відповідно коефіцієнти при доданках та . Були отримані залежності для коефіцієнта підсилення еталонної моделі та коефіцієнта контуру потокоутворюючої складової струму статора в залежності від коефіцієнтів та :

,

Рівняння можна використовувати для визначення коефіцієнту підсилення еталонної моделі та коефіцієнта контуру у випадках, коли передатна функція замкненого контуру без використання еталонної моделі описується аперіодичною ланкою. Таким чином, отримані вирази справедливі для контуру моментоутворюючої складової струму статора каналу регулювання кутової швидкості, для контуру потокозчеплення, коли еталонна модель використовується тільки в ньому, а також для випадку коли еталонна модель використовується як у контурі потокоутворюючої складової струму статора так і у контурі регулювання потокозчеплення. Найбільш кращі електромеханічні перехідні процеси були отримані при використанні еталонної моделі у контурі регулювання потокоутворюючої складової струму статора при використанні розподілу коренів характеристичного рівняння за формою Грехем-Літропа третього порядку.

У четвертому розділі наведено результати розробки і дослідження пристрою спостереження повного порядку за допомогою лабораторно-дослідного стенду. Розроблений лабораторно-дослідний стенд складається з асинхронного двигуна на якому встановлено датчики Холу типу ДХ-200 та схеми обробки сигналів, яка дозволяє відновлювати значення потокозчеплення за допомогою пристрою спостереження повного порядку. Схема обробки сигналів, за деяким винятком (датчики, перетворювач координат - перехід від трифазної системи координат до двофазної), виконана на мікросхемах ПЛІС фірми ALTERA.

За допомогою датчиків визначається значення потоку, який створюється кожною фазою двигуна, і завдяки схемі переходу від трифазної системи координат до двофазної отримується сигнал у нерухомій системі координат. Відновлене значення потокозчеплення також перераховується з системи відліку, яка обертається синхронно з вектором потокозчеплення ротора асинхронного двигуна, до нерухомої системи координат.

Виконані експериментальні дослідження показали, що застосування пристрою спостереження дозволяє відновити значення потокозчеплення ротора асинхронного двигуна, його параметри з точністю не гіршою за 95 відсотків. Використання синтезованих пристроїв спостереження для відновлення потокозчеплення та параметрів двигуна не впливає на якість регулювання кутової швидкості обертання валу двигуна.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вперше поставлена і вирішена актуальна наукова задача розробки систем ідентифікації координат та параметрів двигуна і підвищення якості перехідних процесів асинхронного електроприводу з векторним керуванням при непрямому вимірюванні значення потокозчеплення ротора асинхронного двигуна.

Наукові і практичні результати роботи полягають у наступному:

Обґрунтована можливість і розроблено структурну схему пристрою спостереження для покращання динамічних властивостей асинхронного електропривода з векторною системою керуванням без прямого вимірювання потокозчеплення при нестаціонарності параметрів об'єкта керування. Запропоновано одночасно використовувати спостерігаючи пристрої двох типів - повного порядку і параметричний, в яких на відміну від відомих способів ідентифікації, інформація про відновлені миттєві значення активного опору та сталих часу обмоток статора і ротора використовується для одночасної адаптації як регуляторів системи керування, так і спостерігача повного порядку, на виході якого отримується інформація про амплітуду та просторове положення вектора потокозчеплення, яка необхідна для побудови системи векторного керування. Це забезпечує підвищення точності відновлення потокозчеплення і покращання динамічних властивостей електропривода.

Для параметричного пристрою спостереження, який є суттєво нелінійним об'єктом, вперше отримано залежності налагоджувальних коефіцієнтів від динамічних параметрів асинхронних двигунів з діапазоном потужностей до 90 кВт. Це дозволяє при проектуванні та налагоджуванні асинхронних електроприводів з векторним керуванням без прямого вимірювання потокозчеплення розраховувати значення коефіцієнтів передачі та сталих часу спостерігача для придання йому необхідних динамічних властивостей. Встановлено зв'язок між налагоджувальними коефіцієнтами і основними динамічними параметрами асинхронного двигуна, що дозволяє синтезувати замкнену систему векторного керування швидкістю електропривода.

Запропоновано визначати кут між нерухомою системою координат та системою координат, що обертається синхронно з вектором потокозчеплення ротора за допомогою пристроїв спостереження. При застосуванні цього методу точність відновлення кута майже не залежить від потужності електроприводу та визначається точністю відновлення параметрів та координат електропривода при використанні комбінованого пристрою спостереження.

Запропоновано використовувати коригувальний пристрій зі змінною структурою для урахування зміни параметрів асинхронного двигуна, що виникають при насиченні сталі асинхронної машини. Керування між каналами здійснюється у функції амплітуди потокозчеплення ротора. При малих відхиленнях потокозчеплення використовуються коригувальні ланки, при великих відхиленнях (більш ніж на 5 %) - інформація про параметри об'єкта отримується за допомогою параметричного пристрою спостереження.

Для двомасової електромеханічної системи встановлено, що точність відновлення потокозчеплення ротора залежить від жорсткості пружного зв'язку між валом двигуна та механізмом. Визначені межи () зміни моменту інерції механізму по відношенню до моменту інерції двигуна , в яких точність відновлення потокозчеплення ротора не залежить від жорсткості пружного зв'язку між валом двигуна та механізмом. Найбільш несприятливі умови (збільшення похибки відновлення потокозчеплення ротора) виникають у випадку, коли момент інерції механізму перевищує момент інерції двигуна більше ніж у 8 разів.

Для покращення якості електромеханічних процесів у широкорегульованому асинхронному електроприводі з векторним керуванням запропоновано використовувати у замкненому контурі регулювання потокоутворюючої складової струму статора еталонну модель. Обґрунтована доцільність застосування розподілу коренів характеристичного рівняння даному контурі за формою Грехем-Літропа.

Виконані лабораторні й експериментальні дослідження за допомогою ЕОМ і на стендовому устаткуванні підтвердили основні теоретичні положення, сформульовані в роботі, показали працездатність і ефективність запропонованого способу відновлення потокозчеплення та параметрів асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором.

ПУБЛІКАЦІЇ

Ципленков Д.В. Пристрої спостереження в електроприводі змінного струму. Гірнича електромеханіка та автоматика. Наук.-техн. зб. - 1998. Вип. 60. С. 62 - 68.

Ципленков Д.В. Наблюдение сигнала потокосцепления в электроприводе переменного тока с учетом упругих связей в механической передаче. Гірнича електромеханіка та автоматика. Наук.-техн. зб. - 1998. Вип. 62. С. 36 - 44.

Ципленков Д.В. Врахування насиченості сталі у векторній системі керування асинхронним двигуном. Сборник научных трудов Национальной горной академии Украины. Науч.-техн. сб. - 2000. № 9. т. 2. С. 167 - 173.

Ципленков Д.В. Відновлення потокозчеплення ротора за допомогою редуцированого пристрою спостереження. Сборник научных трудов Национальной горной академии Украины. Науч. - техн. сб. - 2000. № 10. С. 201 - 208.

Довгань С.М., Ципленков Д.В., Кривошапка М.Ю. Регулювання положення на основі асинхронного електроприводу з векторним керуванням. Гірнича електромеханіка та автоматика. Наук.-техн. зб. - 2000. Вип. 65. С. 3 - 7.

Ципленков Д.В. Параметричний пристрій спостереження в електроприводі змінного струму. Електроенергетичні та електромеханічні системи. Вісник Національного університету «Львівська політехніка». - 2000. № 403. С.180 - 185.

Ципленков Д.В. Дослідження методом математичного моделювання системи векторного регулювання швидкості асинхронного двигуна з використанням пристрою спостереження. Сборник научных трудов Национальной горной академии Украины. Науч.-техн. сб. - 1998. № 4. С. 49 - 53.

Размещено на Allbest.ru