Автоматизация экспериментальных исследований асинхронного электропривода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автоматизация экспериментальных исследований асинхронного электропривода

Колоколов Ю.В., Шульгин Е.В.

ANNOTATION

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.

Введение

Выбор асинхронного электропривода (АЭП) при создании многих АСУ ТП является предпочтительным ввиду общеизвестных преимуществ асинхронного двигателя (АД) [1], но при этом проектирование высококачественных систем управления АЭП затрудняет сложная внутренняя структура АД как объекта управления [2]. Поэтому при исследовании и проектировании АЭП применяют упрощенные и линеаризованные модели АД [2, 3]. Данное обстоятельство обуславливает необходимость проведения экспериментов на специализированном оборудовании для подтверждения адекватности результатов исследований упрощенных моделей процессам в реальных системах АЭП.

Наиболее общими экспериментальными исследованиями является 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. скорости или ускорения [1, 3]. Поэтому для исследования взаимодействия АЭП и ТП требуется воспроизводить (имитировать) нагрузки, характерные для типовых ТП [1].

Наиболее сложным в реализации является алгоритм повторного пуска АД, работающего на активную нагрузку, поскольку под действием момента нагрузки возможен переход рабочей точки в квадрант с противоположным знаком скорости. Такой режим может возникнуть в ТП, использующих турбомеханизмы: вентиляторы, работающие против сильного встречного ветра; насосы, работающие на противонапор, и др. [1]. Поэтому при экспериментальной отладке такого режима требуется формировать нагрузочные диаграммы, воспроизводящие подобные условия функционирования АЭП.

Типовым тестом, характеризующим динамические характеристики электропривода (ЭП), является отработка скачкообразного изменения нагрузки на валу. Поэтому для исследований регуляторов скорости АЭП требуется реализовывать ступенчатое изменение момента нагрузки на валу АД [4].

Для оценки адекватности результатов математического моделирования АЭП необходимо определение параметров объекта управления. При этом для реализации эффективных алгоритмов идентификации механических параметров АЭП требуется формировать электромагнитный момент на валу привода с высокой точностью [5].

1.РЕАЛИЗАЦИЯ УПРАВЛЯЕМОЙ НАГРУЗКИ

Перечисленные выше экспериментальные исследования 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, 6]. При этом исследователи 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 [6]. Для реализации задач формирования и управления нагрузкой на валу АД предлагается использование электромеханической системы на основе четырехквадрантного регулируемого ЭП, состоящего из двигателя постоянного тока (ДПТ) с независимой системой возбуждения и контроллера ЭП, состоящего из силового преобразователя с микропроцессорной системой управления, причем контроллер разрабатывается самостоятельно с учетом специфики его использования. При этом валы исследуемого ЭП и нагрузочной машины жестко соединяются при помощи полумуфт. Такая структура позволяет в широком диапазоне изменения скоростей формировать управляемый электромагнитный момент нагрузки за счет гибкого непосредственного воздействия на моментообразующие переменные ДПТ [3]. Таким образом задача формирования момента нагрузки на валу АЭП сводится к формированию соответствующих токовых диаграмм ДПТ в режимах динамического торможения или противовключения [3, 7]. При этом следует учитывать влияние реакции якоря, которая искажает магнитный поток, следовательно, влияет на электромагнитный момент ДПТ. Поэтому выбор конкретного ДПТ возможен только из серийно выпускаемых ДПТ, оснащенных эффективными компенсационными обмотками [8].

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 САУ нагрузочным ЭП должна быть реализована в соответствии с требованием максимального быстродействия с приемлемым перерегулированием.

Формирование нагрузочных диаграмм, необходимых для всех перечисленных видов экспериментальных исследований, возможно реализовать при номинальном магнитном потоке статора, т.е. без использования режима ослабления поля [7]. Такой подход позволяет получить предельное быстродействие при управлении электромагнитным моментом на валу ДПТ, поскольку обмотка возбуждения ДПТ имеет значение постоянной времени на порядок большее, чем обмотка якорной цепи.

По мнению авторов, наиболее подходящими для реализации нагрузочного ЭП являются ДПТ новой серии 4П с независимой системой возбуждения, поскольку производители гарантируют полную компенсацию МДС реакции якоря, а также номинальные значения напряжения и тока ДПТ этой серии хорошо согласуются с существующей номенклатурой силовых полупроводниковых ключей, необходимых для реализации контроллера нагрузочного ЭП [9]. Поскольку планировалось проводить экспериментальные исследования АЭП номинальной мощностью 5,5кВт и скоростью вращения 3000 об./мин, то для формирования момента нагрузки на валу такого АЭП используется ДПТ 4ПО112М2УХЛ4 (P_ном = 5,5 кВт; N_ном = 3000 об./мин; U_ном = 220 В; I_ном = 29 А) [8].

Функциональная схема контроллера нагрузочного ЭП приведена на рисунке 1. Для осуществления четырехквадрантного управления ДПТ силовая часть контроллера выполнена по топологии автономного инвертора напряжения (транзисторы VT1-VT4) [9]. 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 излишнего напряжения, состоящий из тормозного резистора R и транзистора VT6.

Рисунок 1 - Структурная схема контроллера нагрузочного ЭП

Наиболее общим случаем нагрузочной диаграммы 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 в экспериментальном комплексе используется структура САУ, приведенная на рисунке 2.

Рисунок 2 - Структурная схема САУ нагрузочного ЭП

Приведенная САУ реализует принцип подчиненного регулирования [7]. При этом значение сФ принимается постоянной величиной, поскольку осуществляется стабилизация тока обмотки возбуждения в соответствии с кривой намагничивания сФ(i_в) (на структурной схеме не показан). Внешний контур управления замкнут по скорости и реализует следящее управление с нулевой командой (щ_cmd =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 подавление возмущения по каналу скорости, т.е. обеспечивает неподвижность вала. При превышении асинхронным электроприводом пускового момента выход регулятора скорости РС насыщается, причем уровень насыщения M_огр определяется заданной нагрузочной диаграммой М(щ).

Внутренний токовый контур реализует стабилизирующее управление в соответствии с командой I_cmd, формируемой регулятором скорости/момента. Корректор контура выполнен комбинированным с управлением по отклонению (FBC) и передачей команды вперед (FFC). За счет внутренней обратной связи в ДПТ при ускорении вала на токовый контур действует возмущение 2-го порядка (противо-ЭДС Е), для подавления которого в модуле ШИМ используется коррекция коэффициента заполнения г.

В случае, если требуется воспроизвести активную (потенциальную) нагрузку (имитация подъема груза, отладка режима «подхват») функцией САУ нагрузочного ЭП становится регулирование момента нагрузки на валу АД с ограничением скорости. Соответственно, изменяется команда регулятора скорости - ее значение принимается равным желаемому уровню ограничения скорости. При отключении системы управления АЭП рабочая точка на нагрузочной характеристике начинает перемещаться в соответствии с заданной нагрузочной диаграммой под действием активного момента нагрузки, и САУ нагрузочным ЭП ожидает начала выполнения АЭП алгоритма «подхвата». Для предотвращения аварийной ситуации превышения допустимого значения скорости вращения валов электрических машин перемещение рабочей точки ограничивается значением команды регулятора скорости.

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 10кГц.

Рисунок 3 - Структурная схема экспериментального комплекса

Структурная схема созданного в совместной лаборатории кафедры ПТЭиВС ОрелГТУ и ЗАО «Электротекс» экспериментального комплекса приведена на рисунке 3. Экспериментальный комплекс реализован как двухуровневая АСУ на базе персонального компьютера и локальных контроллеров. На нижнем уровне применяются локальные контроллеры: контроллер нагрузочного ЭП (управление нагрузкой) и преобразователь частоты (управление АД), 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 исследователем задачей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

асинхронный электродвигатель управляемый нагрузка автоматизация

Описанная в статье реализация регулируемой нагрузки позволяет эффективно решать следующие задачи экспериментальных исследований АЭП: имитировать взаимодействие с различными ТП, формировать тестовые сигналы (возмущающие воздействия) для оценки эффективности регулятора скорости АЭП, реализовывать алгоритмы идентификации механических параметров ЭП.

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

3. Ключев, В. И. Теория электропривода [Текст] \ В.И. Ключев - М.: Энергоатомиздат, 2001.-704 с.

4. Ковбаса, С. Описание асинхронного электропривода EPA-IM-Drive. [Текст]: Технические характеристики// http://www.el-drive.com.ua/pdf-unit/EpaID.pdf

5. Armando Bellini. Identification of the mechanical parameters in high performances drives. EPE 2001.

6. 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.

7. Терехов, В.М. Системы управления электроприводов [Текст] / В.М. Терехов, О.И. Осипов - М., Академия, 2005.-300 с.

8. Копылова, И.П. Справочник по электрическим машинам [Текст]: в 2 т./ Под общ. ред. И.П. Копылова, Б.К. Клокова. Т.1. М.: Энергоатомиздат, 1988.- 456 c.

9. Розанов, Ю.К. Электронные устройства электромеханических систем. [Текст] / Ю.К. Розанов - М.: Академия, 2004.-272 с.

Колоколов Юрий Васильевич

Зав. кафедрой ПТЭиВС, д.т.н., проф.

Орловский государственный технический университет, г. Орел.

Шульгин Евгений Владимирович

Аспирант кафедры ПТЭиВС.

Размещено на Allbest.ru