Экспериментальная идентификация электропривода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Экспериментальная идентификация электропривода

Колоколов Ю.В.,

Введение

Как правило, для оценки адекватности результатов, полученных при математическом моделировании электроприводов, проводят экспериментальные исследования на физических объектах. При этом возникает проблема определения значений параметров этих объектов в соответствии с используемой при моделировании схемой замещения [1].

При проведении экспериментальных исследований асинхронного электропривода (АЭП) наибольшее распространение получила структура экспериментальной установки, приведенная на рисунке 1 [2, 3]. Входящий в состав установки нагрузочный электропривод (ЭП) используется для формирования нагрузочных диаграмм, определяемых задачами эксперимента. При этом задачи управления экспериментом дополняются регулированием координат нагрузочного ЭП. Известно, что точность определения параметров объекта управления ограничивает достижимое качество управления этим объектом. Поэтому для повышения эффективности проведения экспериментальных исследований АЭП требуется провести идентификацию параметров нагрузочного ЭП.

Рисунок 1 - Структура экспериментальной установки

Созданная в совместной лаборатории кафедры ПТЭиВС ОрелГТУ и ЗАО «Электротекс» экспериментальная установка (рисунок 2) использует в качестве нагрузочного привод постоянного тока с двигателем 4ПО112М2 (Pном = 5,5 кВт; Nном = 3000 об./мин; Uном = 220 В; Iном = 29 А), оснащенным компенсационной обмоткой [5]. Этот же привод используется и для проведения идентификации механических параметров установки. При создании установки было принято решение отказаться от использования датчика вращающего момента, ввиду высокой стоимости последнего. Поэтому при проведении экспериментальных исследований требуется оценивать значение результирующего вращающего момента, причем указанную оценку предлагается осуществлять на основании измеряемых переменных состояния двигателя постоянного тока (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 [4].

Рисунок 2 - Общий вид экспериментальной установки

Идентификация механических параметров

Реализация эффективных алгоритмов идентификации механических параметров привода подразумевает формирование электромагнитного момента на валу привода с высокой точностью [4].

Распространенным подходом при моделировании электропривода является использование в качестве базового элемента механической части системы «электропривод - приводимый механизм» механической массы, характеризуемой суммарным моментом инерции JУ, к которой приложено два воздействия: известное управляющее (электромагнитный момент двигателя - МД) и неизвестное возмущающее (момент сопротивления нагрузки МС) [4]. Случаю жесткой механической системы соответствует следующее уравнение движения:

идентификация электропривод обмотка вал

(1)

причем частота вращения щ является измеряемой или оцениваемой (вычисляемой) переменной. Таким образом задачей идентификации механической части экспериментальной установки является определение зависимости МС = f(щ) и оценка значения момента инерции JУ.

Экспериментально полученная в режиме холостого хода в соответствии с (1) зависимость МС(щ) (рисунок 3а) линейно интерполировалась методом наименьших квадратов: МС(щ)=F·щ+ МС0 (F=7,56·10-3, МС0=1,018).

Идентификация суммарного момента инерции JУ проводилась по кривым разгона в режимах самовыбега (рисунок 3б) и неуправляемого пуска (рисунок 3в) на основании выражения (1) и ранее полученной зависимости МС(щ):

(2)

При численном вычислении интегралов, входящих в (2), для режимов самовыбега и неуправляемого пуска оцененное значение JУ составило 0,172 кг·м2 и 0,178 кг·м2 соответственно.

а) б) в)

Рисунок 3 - Графики зависимости МС(щ) (а) и кривых разгона в режимах неуправляемого пуска (б) и самовыбега (в)

Если нет возможности определить зависимость МС(щ), то оценка значений параметров F, МС0 и JУ может быть осуществлена методом наименьших квадратов:

(3)

причем в режиме самовыбега возможно оценить лишь значения отношений F и МС0 к JУ. Для режима неуправляемого пуска оценки параметров составили: F=8,08·10-3 Н·м·с, МС0=0,864 Н·м, JУ = 0,182 кг·м2.

Идентификация электрических параметров

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]. 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) полученная экспериментально в режиме холостого хода (рисунок 4а). 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 осуществлялась 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 магнитного потока под влиянием реакции якоря достигает 20%.

Использование предложенной в [5] структуры системы автоматического управления позволяет за счет использования префильтра для команд (эквивалентного упреждающему управлению) повысить показатели качества переходных процессов в контуре регулирования момента ДПТ. При этом повышаются требования к точности определения параметров используемой схемы замещения ДПТ.

а) б)

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

Якорная цепь нагрузочного ЭП состоит из следующих последовательно включенных элементов: батареи конденсаторов звена постоянного тока, силовых полупроводниковых ключей, коллекторного узла ДПТ, компенсационной обмотки и обмотки якоря ДПТ. Задавшись двумя переменными состояния такой цепи - силой тока i(t) и напряжением на батарее конденсаторов u(t), а также аппроксимируя нелинейные зависимости ВАХ силовых ключей и коллекторного узла линейными: Дu(t)=R·i(t)+E (рисунок 5: R=0,63 Ом; E= 1,8 В), получим следующую математическую модель:

(4)

где: L - суммарная индуктивность якорной и компенсационной обмоток, значение которой зависит от протекающего тока ввиду насыщения стали; R и Е - соответственно эквивалентные сопротивление и напряжение всей якорной цепи, учитывающие падение напряжения на силовых ключах, коллекторном узле, а также активное сопротивление обмоток и соединительных проводов.

Рисунок 5 - Аппроксимация нелинейных ВАХ якорной цепи

Для экспериментального получения зависимости L(i) использовались временные ряды, характеризующие отклик системы i(t) на действие входного сигнала u(t) (рисунок 6а). В качестве входного сигнала используется напряжение на батареи конденсаторов звена постоянного тока инвертора (емкость батареи 3300 мкФ, номинальное напряжение звена 310 В), причем полярность u(t) определяется коммутацией силовых ключей соответствующей диагонали инвертора [5]. При этом, ввиду ограниченной частоты дискретизации используемого АЦП, регистрация временных диаграмм i(t) и u(t) затруднена высокой скоростью протекания переходных процессов в якорной цепи (частота дискретизации 300 кГц; время нарастания тока до номинального значения под действием номинального напряжения менее 0,6 мс). По этой причине оценка зависимости L(i) проводилась многократно на различных участках временных диаграмм, с последующим усреднением результатов. Для этого формировались повторяющиеся переходные процессы за счет работы ШИМ-генератора при единичном коэффициенте заполнения и чередовании полярности выходного напряжения через период. При этом, синхронно с переключением силовых ключей, контроллером нагрузочного ЭП осуществлялся сбор и передача в персональный компьютер информации, поступающей от установленных в якорной цепи датчиков тока и напряжения.

Далее полученные временные ряды i(t) и u(t) разбивались на интервалы, на каждом из которых оценивалось значение индуктивности в соответствии с выражением:

(5)

Полученная в соответствии с (5) зависимость L(i) приведена на рисунке 6б (по оси абсцисс откладывается среднее на интервале оценки значение тока).

a) б)

Рисунок 6 - Графики тока якорной цепи, напряжения звена постоянного тока (а) и график зависимости L(i) (б)

Заключение

Эффективность предложенной в статье реализации алгоритмов идентификации электрических 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. Кроме того, полученные в результате идентификации значения параметров якорной цепи позволяют настроить префильтр контура регулирования тока с целью улучшения параметров переходных процессов.

Полученные в результате предварительной идентификации оценки механических параметров установки позволяют повысить эффективность экспериментальных исследований контуров регулирования скорости АЭП. Также предложенный алгоритм идентификации может быть использован в серийно выпускаемых системах управления электроприводами для осуществления первоначальной настройки на параметры привода в специальном тестовом режиме работы.

Литература

Kolokolov Yu.V., Koschinsky S.L., Bagrov V.V. Experimental Dynamics of Electromechanical Pulse Energy Conversion Systems. //IEEE Trans. Instrum. Meas.Vol.55. No.1. 2006. PP.35-43.

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

Адрианов, М.В. Экспериментальные исследования частотно-регулируемых асинхронных двигателей для атомных станций в специальных режимах работы [Текст] / М.В. Адрианов, Э.Е. Малышев, Р.В. Родионов/ Электротехника. 2005. №5. С.37-41.

Bellini A., Bifaretti S., Costantini S. Identification of the mechanical parameters in high performances drives. 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%3Fcurrent=40. - Загл. с экрана.

Колоколов, Ю.В. Автоматизация экспериментальных исследований асинхронного электропривода [Текст] /Ю.В. Колоколов, Е.В. Шульгин/ Известия ОрелГТУ. Cерия «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии: информационные системы и технологии». Т.1. -2007. - №4/268(535). -C. 24-28.

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

Размещено на Allbest.ru