Асинхронный электропривод управляемых многодвигательных систем

Актуальность темы

: Научно-технический прогресс невозможен без применения регулируемого электропривода. Поэтому для проектируемых в настоящее время промышленных установок, транспортных средств, механизмов непрерывных технологий и т. д. характерны увеличение количества электродвигателей одной рабочей машины, усложнение функций, выполняемых электроприводом, а также взаимосвязь этих функций в едином цикле работы.

Среди многообразия многодвигательных систем электропривода важнейшее место занимают следящие системы, воспроизводящие заданную траекторию движения рабочего органа в плоскости (двумерные системы) или в пространстве (трехмерные системы). Характерным примером этого класса систем служат следящие системы многодвигательного электропривода копировально-фрезерных станков, сварочных и газорезательных машин, а также системы тягового электропривода (ТЭП) пневмоколесных транспортных средств (ТС) (бортовой разворот, маневрирование, специальные виды перемещений). При этом значительная часть производственных механизмов требует реализации в многодвигательной системе электропривода заданного, постоянного или переменного соотношения частот вращения (скоростей) электродвигателей. К этой группе относятся электроприводы бумагоделательных машин, ряд прокатных станов, электроприводы металлорежущих станков (обработка конических поверхностей), системы ТЭП пневмоколесных" ТС обеспечение устойчивости криволинейного движения) .

Другая часть многодвигательных систем требует обеспечения синхронности частот вращения отдельных электродвигателей с перераспределением моментов (электрический вал). Эта задача актуальна для многодвигательных механизмов шлюзов (исключение перекосов), разводных мостов (обеспечение синхронности движения створок моста), ТЭП пневмоколесных ТС (обеспечение повышенной проходимости ТС) и т. д.

Таким образом, разработка, систем автоматического управления многодвигательным электроприводом с целью формирования требуемых характеристик является важной и актуальной задачей. При этом одной из наиболее сложных систем многодвигательного электропривода является ТЭП пневмоколесных ТС, требования к которому существенно возрастают с увеличением количества ведущих пневмоколес. Поэтому рассмотрение управляемых многодвигательных систем электропривода целесообразно осуществить на примере ТЭП многоопорных ТС (МТС).

Работа выполнена в рамках госбюджетной НИР кафедры автоматизации технологических процессов Воронежского государственного архитектурно-строительного университета «Функционально ориентированные системы управления технологическими процессами и оборудованием строительства и стройинду-стрии».

Цель диссертационной работы: Разработка систем автоматического управления многодвигательными системами с заданными статическими и динамическими свойствами на примере тягового частотно-каскадного электропривода многоопорного транспортного средства.

Поста пленная цель предусматривает решение следуххцрос задач:

— Разработать инженерный подход для исследования процесса электромеханического преобразования энергии в частотно-каскадном электроприводе.

— Уточнить зависимость параметров эквивалентной схемы цепи выпрямленного тока ротора (ЦВТР) от частоты статорного напряжения.

— Получить динамическую модель асинхронного двигателя с фазным ротором (АДФ) при частотно-каскадном управлении, пригодную для синтеза системы автоматического управления.

— Выявить требования, предъявляемые к тяговым характеристикам ТС.

— Обосновать требования, предъявляемые к показателям качества регулирования системы тягового электропривода ТС.

— Разработать способ синтеза системы автоматического управления тяговым электроприводом, реализующий заданные показатели статического и динамического качества регулирования.

Методы исследований.

Экспериментально-аналитические исследования процессов, взаимосвязей и закономерностей в многодвигательной системе электропривода осуществлены с использованием основных положений и методов теории электропривода, линейных и нелинейных электрических цепей, автоматического управления и математического моделирования.

Научная новизна.

В диссертации получены следующие результаты, Ф имеющие научную новизну:

— Установлены аналитические зависимости, определяющие функциональную взаимосвязь между параметрами Т-образной схемы замещения асинхронного двигателя и параметрами эквивалентной схемы цепи выпрямленного тока ротора, отличающуюся от известных учетом перераспределения активных потерь в функции частоты напряжения на статоре.

Предложены зависимости для расчета основных статических характеристик асинхронного двигателя при частотно-каскадном управлении, отличающиеся от известных учетом перераспределения активных потерь в. функции частоты напряжения на статоре.

Предложена динамическая математическая модель асинхронного двигателя в системе управляемого частотно-каскадного электропривода, отличающаяся от известных учетом установленной функциональной взаимосвязи параметров схемы замещения и эквивалентной схемы цепи выпрямленного ока ротора.

Предложена структура управляемого частотно-каскадного электропривода, разработанная в рамках метода синтеза, отличающегося от известного разделением • электромагнитного и электромеханического движений привода.

Впервые установлены аналитические зависимости для непрерывной параметрической идентификации параметров эквивалентной схемы цепи выпрямленного тока ротора при импульсном регулировании скольжения.

Практическая значимость работы.

Результаты работы создают основу для технической реализации многодвигательного электропривода, обеспечивающего требуемое соотношение частот вращения. При этом обеспечивается синхронность и идентичность переходных процессов электродвигателей многодвигательной системы.

Предложен алгоритм управления частотно-каскадным электроприводом обеспечивающий реализацию заданного движения в системе.

Предложен алгоритм непрерывной идентификации эквивалентных параметров цепи выпрямленного тока ротора при импульсном регулировании скольжения.

Разработан и изготовлен действующий макет многодвигательного электропривода и системы микропроцессорного управления.

Основные положения, выносимые на Заидету.

Функциональная взаимосвязь параметров Т-образной схемы замещения АДФ с эквивалентными параметрами ЦВТР.

Уточненные зависимости для расчета основных статических характеристик асинхронного двигателя при частотно-каскадном управлении.

Динамическая математическая модель асинхронного двигателя с фазным ротором при частотно-каскадном управлении.

Структура управляемого частотно-каскадного электропривода.

Функциональная взаимосвязь между измеряемыми координатами асинхронного двигателя и параметрами эквивалентной схемы цепи выпрямленного тока ротора.

Реализация результатов работы.

Результаты диссертационной работы использованы при выполнении грантов и научно технических программ, а именно:

— Грант «Разработка основ теории тяговых электроприводов большегрузных автотранспортных средств» (1996 г.).

— Грант в области энергетики и электромеханики «Энергосберегающий многодвигательный асинхронный электропривод тяговых систем пневмоколесного транспорта» (1998 — 2000 гг.).

— НТП «Научные исследования высшей школы в области транспорта» «Асинхронный электропривод многодвигательных тяговых систем пневмоколесного транспорта» (2000 г.).

— НТП «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» «Разработка объектно-ориентированных систем автоматического управления технологическим оборудованием строительной отрасли» (2003 г.).

По материалам разработанных положений получен патент РФ № 2 187 194 «Устройство для управления скольжением асинхронного двигателя с фазным ротором». Приоритет от 22 января 2001 г.

Полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 210 200 «Автоматизация технологических процессов» в Еоронежском государственном архитектурностроительном университете.

Результаты диссертационной работы использованы АООТ «ВЗПП» при проведении перспективных разработок в области моделирования и оптимизации интегральных схем управления электроприводом на базе интеллектуальной силовой электроники для современных систем управления многодвигательными электроприводами технологического назначения.

Апробация результатов работы.

Основные положения диссертационной работы были доложены, обсуждались и получили одобрение на международной конференции «100 лет Российскому автомобилю. Промышленность и высшая школа» (Москва 1996 г) — на международном симпозиуме «Проблемы развития отечественного автотракторостроения и подготовки кадров» (Москва 2000г) — на межвузовской научно-технической конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (г. Воронеж, 2001 г.) — на ежегодных научных конференциях и семинарах кафедры автоматизации технологических процессов Воронежского государственного архитектурно-строительного университета (Воронеж 1996 — 2003);

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов по работе, изложенных на 160 страницах машинописного текста, иллюстрированного 5 таблицами и 53 рисунками, списка литературы, включающего 77 наименований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

В теоретических и экспериментальных исследованиях, проведенных в диссертационной работе, получены следующие основные результаты:

Установлены аналитические зависимости, определяющие функциональную взаимосвязь между параметрами Т-образной схемы замещения асинхронного двигателя и параметрами эквивалентной схемы цепи выпрямленного тока ротора, отличающуюся от известных учетом перераспределения активных потерь в функции частоты напряжения на статоре.

Предложены зависимости для расчета основных статических характеристик асинхронного двигателя при частотно-каскадном управлении, отличающиеся от известных учетом перераспределения активных потерь в функции частоты напряжения на статоре.

Предложена динамическая математическая модель асинхронного двигателя в системе управляемого частотно-каскадного электропривода, отличающаяся ст известных учетом установленной функциональной взаимосвязи параметров схемы замещения и эквивалентной схемы цепи выпрямленного тока ротора.

Предложена структура управляемого частотно-каскадного электропривода, разработанная в рамках метода синтеза, отличающегося от известного разделением электромагнитного и электромеханического движений.

Получены аналитические зависимости для непрерывной параметрической идентификации параметров эквивалентной схемы цепи выпрямленного тока ротора.

Экспериментально подтверждена правомерность полученных результатов.