На правах рукописи

ДРОЗДОВ АНДРЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ БЕЗДАТЧИКОВОГО ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ С НЕЗАВИСИМЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2008

Работа выполнена на кафедре Автоматизированного электропривода Московского энергетического института (Технического Университета).

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Козаченко Владимир Филиппович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Онищенко Георгий Борисович

кандидат технических наук,

Докукин Александр Львович

Ведущая организация: ФГУП Научно-производственное предприятие Всероссийский научно-исследовательский институт электромеханики с заводом имени А.Г. Иосифьяна (НПП ВНИИИЭМ), г. Москва

Защита диссертации состоится 16 мая 2008 года в 16 час. 00 мин. в аудитории М-611 на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.13, корп. М.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (Технического Университета).

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим отправлять по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д.14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан л ________________ 200__г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.02

к.т.н., доцент Цырук С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Данная работа посвящена созданию системы управления одним из наиболее перспективных двигателей - вентильно-индукторным двигателем с независимым электромагнитным возбуждением (ВИД с НВ). Особенность данного двигателя в том, что он не может быть просто включен в силовую сеть - он получает питание от статического преобразователя частоты (ПЧ), который отличается от классического ПЧ для управления асинхронным двигателем лишь дополнительным каналом управления возбуждением.

Современные ВИД могут быть трех типов: с самовозбуждением, за счет постоянной составляющей тока в обмотке якоря; с независимым возбуждением, т.е. со специальной обмоткой возбуждения, расположенной на статоре; с магнитоэлектрическим возбуждением.

В мире наибольшее внимание из-за простоты конструкции и технологичности их изготовления уделяется индукторным машинам (ИМ) с самовозбуждением, более известным как SRD. Значительный вклад в развитие теории и практики этого типа привода внесли Ильинский Н.Ф., Бычков М.Г., Кузнецов В.А., Фисенко В.Г. (Москва), Темирев А.П., Лозицкий О.Е., Коломийцев Л.Ф. (Новочеркасск), Miller T., Lawrenson P..

ВИП на базе ИМ с постоянными магнитами развиваются, главным образом, для прецизионной техники и следящих систем (Балковой А.П., Луценко В.Е.). Это направление перспективно для малых мощностей (меньше 1 кВт).

Работы по созданию комплектных ЭП на базе вентильно-индукторных двигателей (ВИД) с независимым возбуждением (НВ) для энерго- и ресурсосберегающих технологий на протяжении ряда последних лет ведутся при кооперации нескольких кафедр МЭИ, - АЭП (Остриров В.Н., Козаченко В.Ф.), ЭКАО (Русаков А.М.), ЭМ (Фисенко В.Г.), а также малых предприятий - ООО Цикл +, ООО НПФ Вектор, ООО ЦентрТехКомплект, при участии Сафоновского и Ярославского электромашиностроительных заводов. Эти работы, особенно в части обеспечения повышенной надежности и резервирования за счет использования многосекционной машины и использования двух фидеров не имеют аналогов в мире.

Технологически ВИД с НВ сложнее других конструкций ВИД, однако, привода на их основе, имеют следующие преимущества:

• возможность использования стандартной силовой элементной базы, в том числе мостовых инверторов, как для асинхронных 3-х фазных двигателей;
• возможность реализации современных методов управления, таких, как векторное, с качественным формированием момента;

Особенно перспективны для использования в промышленности 3х фазные ВИП с НВ допускающие реализацию преобразователя частоты на базе 6-и ключевого мостового инвертора напряжения. Такой подход позволяет сконструировать ПЧ для управления ВИД с НВ по цене и габаритам ПЧ для частотно-регулируемых асинхронных приводов.

Уникальной особенностью ВИД с НВ является его приближение по технологии управления и энергетическим показателям к СД с магнитоэлектрическим возбуждением, что позволяет развивать для него самые перспективные алгоритмы управления, в том числе векторного и бездатчикового векторного, чему и посвящена данная работа.

Настоящая работа строится на базе исследований выполненных Корпусовым Д.Е. и Жарковым А.А. в области оптимальных структур силовой части ВИП с НВ и оптимальных структур датчикового векторного управления. В данной работе обосновывается возможность создания многосекционного ВИД с НВ с мультимикропроцессорной системой бездатчикового векторного управления (БВУ).

Актуальность работы состоит в ориентации на создание нового, отечественного конкурентоспособного электропривода для энергосберегающих технологий, станкостроения и электрической тяги с реализацией векторного управления и поддержкой бездатчикового режима.

Цель диссертационной работы: Разработка системы бездатчикового векторного управления и техническая реализация комплекса программно-аппаратных средств для управления многосекционным вентильно-индукторным двигателем с независимым возбуждением.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Исследование различных методов синтеза наблюдающих систем для бездатчикового векторного управления ВИД с НВ и обоснование перспективных методов путем численного моделирования;
2. Разработка специальных структур наблюдателей, адаптированных к методам прямого токового управления инвертором, для расширения диапазона устойчивой работы системы БВУ ВИД с НВ вверх в 1.5 - 2 раза;
3. Разработка единой технологии пуска и подхвата вращающегося ВИД с НВ в режиме БВУ, в том числе для многосекционных ВИП;
4. Разработка элементов модульной аппаратной части для реализации предложенных алгоритмов управления;
5. Разработка концепции построения модульной структуры программного обеспечения для систем бездатчикового векторного управления многосекционным ВИД с НВ;
6. Экспериментальные исследования разработанной системы управления на опытно-промышленных образцах маломощных односекционных (менее 2 кВт) ВИД в составе лабораторного стенда и мощных многосекционных (630 кВт - 4 секции) ВИП на базе 4-х секций ПЧ Универсал ВИП 220 кВт;
7. Разработка и запуск в опытно-промышленную эксплуатацию комплекса аппаратно-программных средств, с реализацией векторного управления многосекционным ВИП, в том числе с поддержкой бездатчикового управления.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовались:

• теория электропривода и цифрового управления;
• методы численного моделирования (Simulink MATLAB);
• математические методы исследования устойчивости наблюдающих систем;
• компьютерные методы интерактивной отладки и исследования микропроцессорных систем управления с использованием интегрированной среды разработки Code Composer Studio;

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждена как на этапе экспериментальных исследований на лабораторном стенде, так и внедрением разработанных систем управления в опытно-промышленную эксплуатацию.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• Математическое описание ВИД с НВ, разработанное ранее (Козаченко В.Ф., Жарков А.А.), адаптировано к задаче бездатчикового векторного управления;
• Разработаны оригинальные структуры бездатчикового управления, основанные на комбинации наблюдателя на основе скользящего режима и фильтра Калмана;
• Реализован метод прямого токового управления инвертором ВИП для расширения допустимого скоростного диапазона вверх по скорости в два раза в режиме бездатчикового векторного управления;
• Разработана единая технология пуска и подхвата вращающегося ВИД с НВ в режиме БВУ, в том числе для многосекционных ВИП;
• Разработана концепция построения распределенных систем управления и соответствующая модульная структура программного обеспечения для управления многосекционными ВИД с НВ.

Основные практические результаты диссертации состоят из экспериментальных исследованиях опытно-промышленных образцов ВИП малой мощности; во внедрении разработанной системы управления в промышленность, в частности, для районных тепловых станций г. Москвы установлены 3 мощных многосекционных ВИП (315 кВт - 2 секции на дутьевом вентиляторе, 400 кВт - 4 секции на дымососе, 630 кВт - 4 секции на сетевом насосе горячего водоснабжения).

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на заседании кафедры Автоматизированного электропривода Московского энергетического института (Технического Университета).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 6 печатных работ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения; количество страниц 181, иллюстраций 93, число наименований использованной литературы 45 на 5 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы и показаны преимущества использования ВИД с НВ с векторной системой управления, а так же преимущества в использовании многосекционных ВИД при создании электроприводов повышенной надежности большой мощности на низковольтной элементной базе. Показано, что отказ от датчика положения значительно увеличивает надежность разрабатываемой системы и дается обоснование для разработки бездатчикового варианта векторной системы управления. Поставлены цели и задачи исследования.

Для решения поставленных задач в первой главе рассмотрены вопросы, касающиеся математического обоснования структуры ВИП с НВ применительно к задаче бездатчикового векторного управления. В первой главе приведены необходимые сведения, которые имеют определяющее значение при разработке системы бездатчикового векторного управления. В частности, работа базируется на уравнениях электрического равновесия ВИД с НВ (1), которые справедливы для скомпенсированной машины с постоянной собственной индуктивностью фазы, постоянной взаимной индуктивностью между фазой и обмоткой возбуждения и постоянной собственной индуктивностью обмотки возбуждения. В этом случае уравнения двигателя оказываются идентичными уравнениям синхронной машины с возбуждением со стороны ротора.

(1), где.

Приведенное математическое описание ВИД с НВ (1) обосновывает возможность применения векторного управления в d,q координатах. Для удобства расчета на микропроцессоре системы управления для широкого ряда мощностей, приведенные уравнения преобразованы к уравнениям в относительных величинах. Дано обоснование применению относительных единиц при описании ВИД с НВ. Приведены результаты разработки модели системы в среде MATLAB с использованием специализированных блоков с прямым программированием на языке С (рис. 1).

Рис. 1 Структурная схема системы бездатчикового векторного управления ВИД в осях d,q (PTf - регулятор тока возбуждения; PTd,PTq - регуляторы тока оси d и q)

Для исследования модели бездатчикового векторного управления средствами численного моделирования в среде MATLAB Simulink разработаны специальные блоки. Для обеспечения высокой точности описания процессов происходящих в системе линвертор - двигатель, создана модель инвертора, на языке С. Модуль представляет собой *.dll файл в котором содержится функция расчета поведения силового инвертора для возможных состояний ключей. Для реализации системы прямого токового управления на языке С разработан модуль релейного регулятора тока. Остальные модули системы векторного управления - модель ВИД с НВ, ПИ-регуляторы тока и скорости, координатные и фазные преобразования - созданы с использованием стандартных блоков Simulink. Выбрана система базовых величин, являющаяся непротиворечивой по уравнениям электрического равновесия, имеющая физический смысл и позволяющая получить простое по форме математическое описание в относительных единицах.

По результатам сравнительных экспериментов сделан вывод об адекватности математического представления всей моделируемой системы, а именно: соответствие расчетного и промоделированного тока, момента, напряжения, скорости, граничных характеристик ВИД с НВ как в реальных величинах, так и при использовании описания в относительных единицах.

Результатом работы, описываемой в первой главе, является подготовленная математическая модель ВИД с НВ, удобная как для синтеза улучшенных методов управления инвертором, так и для синтеза оптимальных структур наблюдателей.

Одно из наиболее перспективных применений ВИД с НВ связано с высокоскоростными (до 3000 об/мин) мощными (до 1.25 МВт) регулируемыми электроприводами (D=(5:10):1) насосов районных тепловых станций. Они выполняются многосекционными со значительным числом пар полюсов (7,13 и более). При этом в системах векторного управления возникают серьезные проблемы на высоких скоростях за счет значительной частоты фазных токов (более 400 - 500 Гц).

Во второй главе систематизируются и развиваются известные методы управления инверторами напряжений в режиме ШИМн базовых векторов и предлагаются методы прямого токового управления, максимально адаптированные к задаче бездатчикового векторного управления мощными ВИД с НВ.

Выявлены предельные возможности классической ШИМ базовых векторов для векторного управления ВИД с НВ - частота тока статора на максимальной скорости должна быть на порядок меньше, чем частота широтно-импульсной модуляции инвертора напряжения (2):

(2)

Например, при проектировании ВИД на 10 полюсов и частоте ШИМ 10кГц, максимальная выходная частота напряжения инвертора, при которой возможна стабильная работа контура тока будет составлять 500Гц.