Geum.ru

Електромеханічні системи та автоматизація

Вид материалаДокументы

Содержание


Целью работы
Материал и результаты исследований.
Подобный материал:


ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ



УДК 621.318

ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ АСИНХРОННЫХ, УПРАВЛЯЕМЫХ ПО РОТОРУ,
ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С ВЕКТОРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Зеленов А.Б., Полилов Е.В., Шевченко И.С., Морозов Д.И.

Донбасский государственный технический университет


Введение. Развитие силовой преобразовательной техники и средств вычисления позволяет создавать электроприводы переменного тока практически любой сложности. Интерес к электроприводам (ЭП) с асинхронными двигателями с фазным ротором и синхронными двигателями вызван, прежде всего, универсальностью этих машин, как преобразователей электромеханической энергии. Применение релейных управлений в ЭП переменного тока используется ввиду свойств квазиинвариантности этих систем к координатным и параметрическим возмущениям. Многочисленные работы в этом направлении выполнены под руководством проф. Садового А.В. Разработка элементов практической реализации систем векторного управления (СВУ) необходима для создания промышленных приводов, альтернативных приводам, активно поставляемым зарубежными производителями. Особенностью рынка ЭП переменного тока является ориентация на частотное управление по статору. Электроприводы, управляемые по ротору, производятся лишь некоторыми крупными зарубежными концернами. Необходимость в создании высококачественных ЭП, управляемых по ротору, продиктована актуальными проблемами электроэнергетики в плане энергосбережения и повышения качества потребления энергии.

^ Целью работы является отражение практических результатов построения энергоэффективных, управляемых по ротору электроприводов с релейным управлением.

^ Материал и результаты исследований. В современных публикациях в направлении применения релейных управлений в асинхронном ЭП, управляемого по ротору [1,2], авторы уделяют внимание точности полеориентированных систем и способности поддержания единичного коэффициента мощности в статорных цепях. В статье рассмотрена система векторного управления, управляемой по ротору, машины двойного питания, ориентированная по вектору напряжения статора. Реактивную составляющую тока статора предложено регулировать путем обеспечения соответствующего уровня реактивной составляющей тока намагничивания машины. Справедливость данного утверждения может быть доказана, исходя из выражения для тока статора асинхронной машины (АМ) в векторной форме:

, .

Откуда в проекциях на ортогональную систему координат, действительная ось которой связана с вектором напряжения статора, можно получить зависимость реактивной (в данной интерпретации – мнимой) составляющей тока статора от реактивной составляющей тока намагничивания

,

.

Как видно, данная зависимость имеет вид прямой линии, считая .

Математическое описание АМ как объекта управления можно получить, рассматривая координаты состояния АМ в проекциях на ортогональную систему координат (u,v), связанную с вектором напряжения статора (рис.1):




Несмотря на сложность объекта, большинство связей между уравнениями можно считать возмущающими. Релейное управление в контуре стабилизации тока намагничивания имеет простейший вид:

.

Релейное управление в канале регулирования скорости найдем на основе метода релейного модального управления, разработанного на кафедре АЭМС Донбасского государственного технического университета [3]. Объект управления в этом случае имеет второй порядок. Это, в соответствии с [3], означает, что желаемый характеристический полином системы должен быть первого порядка: , где – требуемое значение среднегеометрического корня, задаваемое при оптимизации. Управление скоростью в пространстве естественных координат будет иметь вид:

,

где ;

– коэффициенты матрицы состояния объекта в проекциях на ось u.

Рисунок 1 - Расположение осей (u, v) в
системе, ориентированной по Us



В работах, посвященных практической реализации СВУ с релейными управлениями, авторы рассматривают построение управляющей части систем аппаратно. Такой подход имеет преимущества в плане обеспечения быстродействия и точности систем, однако при этом исключаются гибкость системы и возможность изменения ее структуры. Аппаратная реализация управляющей части САР в любом случае является конечной задачей при реализации СВУ и необходимой при промышленном исполнении ЭП.

В настоящей работе отражен способ реализации СВУ, управляемого по ротору ЭП, с применением ПЭВМ в управляющей части, работающей в режиме реального времени. Такое построение САР имеет преимущества в плане возможности расширения алгоритмов и способов управления, а также полезно с исследовательской точки зрения, т.к. позволяет создать универсальный лабораторный стенд для исследования управлений АД с ФР.

Лабораторная установка, функциональная схема которой приведена на рис. 2, содержит:

– исполнительный микродвигатель (М1);

– два дифференциальных сельсина НЭД 501 (М2);

– тахогенератор 2,5 ТГП-4 (BR);

– двигатель постоянного тока СЛ-369 (М3);

– преобразователь частоты, построенный на IGBT-транзисторах, содержащий драйвер формирования управления транзисторов, конденсатор напряжения промежуточного контура и систему силового питания постоянного тока;

– управляющую ПЭВМ на базе IBM PC – совместимого офисного компьютера с процессором AMD Athlon XP 1800+, оперативной памятью DDR объемом 256 Мбайт, жестким диском емкостью 40 Гбайт;

– встраиваемую в ПЭВМ многофункциональную плату сбора, обработки данных и управления PCI-1711;

– буферные схемы и схемы согласования, в состав которых входят модули нормализации аналоговых и дискретных сигналов с гальванической развязкой;

– блоки питания с номинальными выходными напряжениями ±5В, ±15В;

– лабораторный автотрансформатор и неуправляемый выпрямитель для получения напряжения промежуточного контура постоянного тока.

Механическая часть лабораторной установки представляет собой четырехмашинный агрегат, имеющий общий вал, т.е. коэффициент механической передачи, равный единице. Один из дифференциальных сельсинов (М1) используется в качестве основного двигателя. Обмотки статора этого сельсина подключаются к трехфазной сети переменного тока номинального напряжения сельсина (57В), а роторные обмотки получают питание от преобразователя частоты.

Второй сельсин (М2) используется в качестве датчика положения ротора двигателя (общего вала установки). Угловое положение ротора по отношению к положению обобщенного вектора напряжения, точнее – синус и косинус разности углов положения вектора и угла поворота вала ротора, определяется расчетным путем на основании сигналов э.д.с., наводимых в обмотках ротора при возбуждении статора трехфазной системой напряжений. Недостатками такого датчика положения ротора являются его работоспособность лишь при несинхронной скорости вращения ротора и неточность показаний, вызванная зубцовыми гармониками. Однако, т.к. будут исследоваться процессы приема нагрузки, то нет необходимости разгонять сельсин до синхронной скорости, поэтому этот недостаток не является ограничивающим.

Сигнал с якоря тахогенератора (BR) передается на плату сбора через датчик напряжения с гальванической развязкой BU5. Скачкообразное приложение нагрузки формируется переводом универсального двигателя (М3) в режим динамического торможения подключением сопротивления RT к якорю ключом К1.

Датчики напряжений и токов осуществляют гальваническую развязку и согласование уровней следующих сигналов:

– BU1,2 – линейных напряжений и статора;




– BU3,4 – линейных э.д.с. ротора датчика положения и ;

– BА1,2 – токов фаз А и В статора основного двигателя;

– BА1,2 – токов фаз X и Y ротора основного двигателя.

Преобразователь частоты U2 содержит мост IGBT-транзисторов типа IRG4BC20UD, драйвер формирования управлений транзисторами типа IR2136 и систему гальванической развязки управляющих сигналов, построенную на оптопарах. Сигналами управления являются три дискретных сигнала, получаемых с платы управления, согласно которым производится формирование шести сигналов включения транзисторов «верхнего» и «нижнего» плеча, подаваемых соответственно на входы драйвера. Драйвером в соответствии с диаграммами его работы формируются сигналы управления транзисторами «верхнего» и «нижнего» плеча. Входным напряжением преобразователя является напряжение промежуточного контура, получаемое как выпрямленное посредством U1 выходное напряжение ЛАТРа, сглаженное конденсатором емкостью 21600 мкФ (на схеме получение напряжения постоянного тока не показано). Преобразователь получает две гальванически развязанные системы низковольтного питания, одна из которых (+12К, +5К, 0К) используется для питания усилителей входных управляющих сигналов, а вторая (+12В, +5В, 0V) – для питания драйвера. Драйвер, помимо формирования сигналов управления транзисторами, выполняет следующие дополнительные функции: контроль питающего оперативного напряжения; защиту от токов короткого замыкания и сигнализацию аварийного состояния; фильтрацию «дребезга» сигналов управления; автоматическое формирование задержки между сигналом управления транзисторами одного «плеча» (в среднем 290 нс). Таким образом, для управления парой транзисторов используется один логический сигнал.

Имеется возможность внешней блокировки передачи импульсов управления, которая производится программно (сигнал «раб.»). Выходными сигналами преобразователя являются силовые сигналы X, Y и Z, подключаемые к роторным обмоткам двигателя.

Для сбора информации с датчиков и передачи импульсов управления ключами преобразователя используется многофункциональная плата АЦП фирмы Advantech (12 бит, 100 кГц) с шиной PCI (в дальнейшем – плата PCI-1711). Плата имеет 16 каналов ввода аналоговой информации (AI0-AI15), два канала аналогового вывода (АО1 и АО2) и по шестнадцать дискретных каналов ввода-вывода (DI0-DI15, DO0-DO15). Плата подключается непосредственно к шине PCI персональной ЭВМ типа IBM PC на базе процессора AMD Athlon XP 1800+. Современные схемные решения обеспечивают высокое качество и выполнение пяти основных функций для измерений и контроля: АЦП с разрешением 12 бит, ЦАП, дискретного ввода и вывода и функции счетчика-таймера. Плата PCI-1711 имеет устройство для автоматического сканирования каналов. Это устройство независимо от программного обеспечения управляет мультиплексором во время выборки. Это обеспечивает возможность быстрого (до 100 кГц) опроса каналов с различными способами подключения входного сигнала (дифференциального или с общим проводом).

Расчет управляющих воздействий производился в пакете MATLAB со входящими в его состав приложением структурного моделирования Simulink и мастерской реального времени Real Time Workshop (RTW). Пакет MATLAB в данном случае удобно применять, т.к. его разработчиками уже предусмотрена возможность работы с платами сбора данных, в том числе и с PCI-1711 [4, 5].

Программное обеспечение, разработанное в среде MATLAB, выполняет основные функции по расчету управляющих воздействий и дополнительные функции сервисного характера. К основным функциям относятся:

– интерактивный ввод параметров системы и задающих воздействий;

– считывание состояния аналоговых датчиков и демасштабирование полученных данных;

– расчет и выдача управляющих воздействий в преобразователь частоты в виде трех дискретных сигналов.




Работа системы требует следующих дополнительных процедур:
  • предпусковая настройка работы реализующей ПЭВМ;
  • контроль срабатывания защит от максимального тока, от потери управляемости, от выхода скорости за рамки установленного диапазона и др.

Сбор данных при работе системы электропровода производится такой же платой (PCI-1711), установленной на другой ПЭВМ, т.к. при одновременном расчете управляющих воздействий и регистрации данных на одной ПЭВМ будет иметь место значительное запаздывание в работе. Сбор и обработка данных производились на виртуальном измерительном комплексе, разработанном в среде LabVIEW сотрудниками кафедры АЭМС ДонГТУ [6]. Используемое программное обеспечение выполняет следующие функции:

– опрос аналоговых датчиков и отображение полученной информации в режиме реального времени;

– запись данных в файл для их дальнейшей обработки.

Экспериментальные графики процессов в исследуемой СВУ приведены на рис. 3.

На рис. 3 показаны процессы разгона работы под нагрузкой и торможения двигателя при различных характерах реактивной энергии в цепях статора при одинаковом СГК СРС (равном 100 с-1). Разгон двигателя производился до скорости 210 с-1, так как разгон до синхронной скорости (314 с-1) при анализе работоспособности системы нежелателен в связи с ухудшением работы датчика положения ротора. Значения проекций токов статора (, ) получены расчетным путем на основании измеренных напряжений и токов статора.

Данные процессы подтверждают возможность регулирования реактивной энергии независимо от процессов отработки нагрузки. Максимальная частота переключения силовых ключей составляет 1,3кГц. Пульсации токов ротора (и статора) имеют относительно высокие значения (1,5-2А) в связи с малой мощностью исследуемых машин. «Неидеальность» вида активной составляющей тока статора вызвана неточностью датчика положения ротора, в виде сельсина, в связи с наличием зубцовых гармонических составляющих. Также имеет место и ошибка координатных преобразований при вычислении проекций и . Для подтверждения работоспособности системы, полученные процессы можно считать удовлетворительными.

Выводы. Применение релейных управлений в системе векторного управления, ориентированной по вектору напряжения статора, реактивная составляющая статорного тока в которой производится в результате обеспечения соответствующего уровня реактивной составляющей тока статора, обеспечивает работу привода с заданной динамикой и энергетикой. Система с рассмотренной структурой может быть использована для практической реализации на механизмах большой мощности с возможностью регулирования реактивной мощности.


ЛИТЕРАТУРА

1. Клименко Ю.М., Садовой А.В. Техническая реализация транзисторных асинхронных электроприводов с векторным полеориентированным управлением // Проблемы создания новых машин и технологий. Научные труды КГПУ. – Кременчуг: КГПУ, 2000. – Вып. 1(8). – С. 18-23.

2. Клименко Ю.М., Садовой А.В., Клименко Ю.Ю. Практическая реализация асинхронных электроприводов с векторным полеориентированным управлением // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. Наукові праці КДПУ. – Кременчук: КДПУ, 2002. – Вип. 1(12). – С. 85-89.

3. Марченко В.И., Мотченко А.И. Синтез электропривода постоянного тока методом обратной задачи динамики с использованием функции Ляпунова // Изв. ВУЗов. Электромеханика. – 1987. – №12. – С. 84-91.

4. Гультяев А. Визуальное моделирование в среде MATLAB: учебный курс. – СПб: Питер, 2000. – 432 с.

5. Дьяконов В., Круглов В. MATLAB. Анализ, идентификация и моделирование систем. Специальный справочник. – СПб.: Питер, 2002. – 448 с.

6. Полилов Е.В., Зеленов А.Б. Опыт разработки и внедрения систем регистрации электрических процессов и событий электроприводов линии стана // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. – Кременчук: КДПУ, 2005. – Вип. 4/2005 (33). – С. 9-11.


Стаття надійшла 20.04.2006 р.

Рекомендована до друку

д.т.н., проф. Родькіним Д.Й.

Вісник КДПУ. Випуск 3/2006 (38). Частина 2