Исследование законов управления асинхронным электроприводом с частотным управлением на компьютерных моделях

Развитие точного машиностроения, транспорта, коммунального хозяйства добычи и переработки нефти и газа, тепловых сетей выдвинуло ряд принципиально новых задач, связанных с необходимостью достижения максимальной надежности приводов для необслуживаемого функционирования технических комплексов при широком диапазоне регулирования скорости. При этом предъявляются все более жесткие требования к минимизации массы и габаритов устанавливаемых на механизмах электродвигателей при минимальных энергозатратах для воспроизведения движения. Многие изобретения, научные публикации и промышленные разработки за последние годы, направлены на решение этих задач.

Предпочтительным по надежности, стоимости и технологической доступности рассматривается асинхронный электропривод с частотным регулированием. Однако, многие ограничения по точности и диапазонам регулирования, быстродействию и удельным энергетическим показателям сдерживают его применение в ряде областей техники и производства.

Актуальной проблемой управления электроприводами, где широко применяются, в качестве исполнительных двигателей, асинхронные двигатели, является повышение точности и достижение предельных динамических и энергетических возможностей при регулировании момента и скорости. Современные электроприводы переменного тока с частотным и частотно-токовым и векторным управлением являются конкурентоспособными по точности, быстродействию и диапазонам регулирования скорости по отношению к высокоточным электроприводам постоянного тока. Это стало возможным благодаря новым принципам управления, и в частности векторного управления.

Последнее врет разработчики и исследователи асинхронных электроприводов сосредоточились на развитии векторного управления.

Однако, по признанию самих ведущих специалистов этого направления, завершенным можно обоснованно признать лишь этап становления векторного управления как самостоятельного крупного наученного направления, дальнейшее развитие которого на длительную перспективу относится к одной из наиболее актуальных проблем электромеханики, теории электропривода, электротехнических комплексов и систем.

В настоящее время имеет место быстрое развитие двух тенденций электронной техники. Во-первых, наблюдается стремительное улучшение характеристик, как микропроцессорных устройств, так и силовых полупроводниковых приборов. Во-вторых, постоянное совершенствование технических систем управления, повышение требований к стабильности, надежности и точности характеристик, снижению энергопотребления, массы и размеров. Обе эти тенденции стали предпосылками перехода от аналоговых систем управления к цифровым. В 80−90-х годах появились работы, посвященные цифровому управлению АД, в том числе микропроцессорной реализации широтно-импульсного метода управления АД. К этой группе принадлежат следующие работы:

— Работа [17] О. В. Горячева посвящена проблеме выбора алгоритмов коммутации КЭ, силовых ключей, цепей управления и векторного управления при широтно-импульсном управлении асинхронным двигателем.

— В работах [72, 73, 74] С. А. Сандлер рассмотрел вопросы проектирования преобразователей код — широтно-импульсная модуляция (ПКШИМ) для управления асинхронным двигателем.

— С.Г. Герман-Галкин посвятил работы [14, 15] цифровым приводам с транзисторными преобразователями. В работе можно выделить два принципиально различных способа управления АД: амплитудно-фазовое и амплитудно-частотное. Для различных способов управления автор представил функциональную схему, временную диаграмму напряжений на двигателе и алгоритм работы (соответствующие выражения напряжений).

— В работе [39] Б. Н. Попов разработал алгоритм амплитудного способа управления АД с помощью микропроцессоров и получил аналитические зависимости управляющих логических функций для случая несимметричной коммутации КЭ, реверсом по обмотке управления и центрированной ШИМ.

— В. А. Полковников [38] исследовал схемы прямого цифрового управления асинхронного двигателя, состоящие из управляющей и силовой частей. Основным назначением управляющей части является преобразование заданного в цифровом коде сигнала регулирования в сигнал управления силовой частью. Для управления силовой частью исполнительного асинхронного двигателя предлагается устройство на основе микропроцессора.

Таким образом, проблемой управляемого асинхронного привода занимались и занимаются исследователи с разных сторон, однако, так как построение законов управления и регуляторов на их основе по-прежнему содержит нерешенные вопросы, она остается актуальной, что и определило цель и задачи работы.

Цель работы: разработка законов управления асинхронным приводом и методики их построения, способа их реализации в виде программы и исследование рабочих характеристик на компьютерной модели электропривода.

Задачи работы:

— провести анализ законов управления асинхронным двигателем в зависимости от режимов работы и нагрузки привода;

— разработать математическую модель электропривода с векторным управлением на базе асинхронного двигателя, учитывающую эффект вытеснения тока ротора и сложный характер нагрузки;

— получить обобщенный закон управления, учитывающий все типы механической нагрузки;

— обосновать выбор программной среды для компьютерной реализации модели асинхронного привода;

— выполнить компьютерную реализацию модели в выбранной программной среде;

— продемонстрировать работоспособность и эффективность методики, выполнить расчет характеристик на конкретных моделях приводов при различных режимах питания и нагрузки;

— выполнить расчет коэффициентов закона управления, улучшающих энергетические показатели привода.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников и приложений. Объем работы составляет 145 печатных страниц, включая 87 рисунков, 14 таблиц, список источников и приложения. Библиография содержит 81 наименование.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Построена имитационная модель регулируемого асинхронного привода в моделирующей среде CASPOC, позволяющая производить расчеты динамических и переходных характеристик при различном характере нагрузки.

2. Построены модели блоков амплитудно-частотного управления электроприводом, позволяющие реализовать заданные законы управления (векторное управление).

3. Построены модели схем ШИМ управления для различных способов формирования ШИМ.

4. Исследованы влияния различных коэффициентов закона ю = ю (t), характеризующих скорость регулирования частоты и напряжения (при соблюдении пропорциональности между ними согласно закону Костенко) на характер динамических характеристик.

5. Выполнены расчеты динамических и переходных характеристик различных законов управления приводов U = U (f). Исследовано влияния законов регулирования на пусковые характеристики.

6. Выполнен расчет интегральных параметров динамических характеристик при различных законах управления. Даны оценки динамических характеристик по интегральным энергетическим показателям регулируемого асинхронного электропривода.

7. Выполнен анализ динамических характеристик при питании асинхронного двигателя импульсным и гармоническим напряжением. Даны оценки влияния формы напряжения на рабочие процессы и выбор коэффициентов законов управления.

8. Предложена методика, позволяющая построить закон управления по частоте fi (t) и амплитуде U (t) питающего АД напряжения при заданных ограничениях (по пусковому току, броскам электромагнитного момента). Построенный таким образом закон управления обеспечивает улучшенное качество регулирования, оцениваемое по интегральным динамическим параметрам переходных характеристик.

9. Исследовано влияние различных типов ШИМ при формировании питающих АД напряжений на характеристики АП и его регулировочные свойства.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе решена задача построения закона управления привода при пуске, обеспечивающего требуемый пусковой момент, ограничение величины пускового тока, снижение потерь, обусловленных реактивными токами. Помимо этого, было сделан выбор способа ШИМ управления и параметров закона управления с целью улучшения гармонического состава питающих АД токов в стационарном режиме и снижения перегрева двигателя.

Для решения этих задач в работе выполнены исследования динамических режимов работы управляемого асинхронного привода и расчет переходных характеристик методом имитационного моделирования. Модель построена в моделирующей системе CASPOC. Эффективность использования модели продемонстрирована при проведении исследований конкретного варианта привода пневмокомпрессора электропоезда пригородного сообщения.

В работе выполнено исследование регулирования с пропорциональным изменением амплитуды и частоты питающего напряжения. Исследованы различные законы управления при разгоне двигателя и их влияние на динамические характеристики. Сопоставлены динамические процессы при питании асинхронного двигателя импульсным и гармоническим напряжениями при одинаковых законах управления. Подбором законов управления в соответствии с режимами работы привода удается снизить предельные механические и токовые нагрузки. Используемые интегральные оценки переходных характеристик позволяют выбрать соответствующие законы управления. Предлагается методика построения законов управления, улучшающих динамические и энергетические характеристики привода.

На примере конкретных типов АД для режима пуска с использованием предлагаемой методики были построены законы управления при импульсном питании двигателей с улучшенными (по сравнению с нерегулируемым пуском и регулируемым по закону Костенко) характеристиками приводов, а именно: увеличенным пусковым моментом двигателя в 2−3 разаменьшим в 1,5−2 раза временем пускаменьшей в 1,21,5 раза кратностью пусковых токов статора и ротора.

При этом в качестве начального варианта был рассмотрен линейный закон регулирования частоты и амплитуды с нулевых значений. Такой закон оказывается неэффективен, особенно при большом активном моменте нагрузки или моменте сухого трения. В нагрузочном моменте присутствовали все три компоненты: активный момент, моменты вязкого и сухого трения. Хотя в этом случае нарастание электромагнитного момента происходит плавно (без пульсаций), но среднее значение его оказывается небольшим по сравнению с суммарным моментом нагрузки и недостаточным для запуска двигателя на начальной фазе. Процесс движения ротора начинается с опозданием. Более эффективный пуск можно обеспечить, если использовать закон с начальным значением частоты и напряжения. Хороший результат был получен при 10%-ой величине начальных значений частоты и напряжения относительно номиналов двигателя.

Было таюке исследовано влияние различных коэффициентов, характеризующих скорость регулирования частоты и напряжения (при соблюдении пропорциональности между ними согласно закону Костенко) на характер динамических характеристик электромагнитного момента и токов. Получены предельные значения этих коэффициентов при различном соотношении составляющих нагрузочного момента. В ряде случаев при линейном законе регулирования частоты питающего напряжения динамическая характеристика электромагнитного момента имела провал в средней стадии разгона, из чего можно заключить, что для более эффективного управления должен быть использован нелинейный закон.

На основании сопоставления расчетов для режимов управления по одному и тому же выбранному закону при питании гармоническими напряжениями с импульсным питанием АД при регулировании по способу ШИМ даны количественные оценки влияния формы питающего напряжения на качество регулирования. Оценка эффективности управления производилась по нескольким показателям, таким как время переходного процесса, пульсации электромагнитного момента, величинам активных и реактивных токов и мощностей в процессе регулирования. Расчет эффективности управления автоматизирован и производится специальной программой обработки характеристик двигателя встроенной в блок управления имитационной модели и совмещенной с оптимизационным модулем.

Результаты обобщены и распространены на более широкий класс систем регулирования, включающий как схему управления по структуре системы автоматического управления в случае, если частотная характеристика механической нагрузки известна априорно, так и на случай системы автоматического регулирования с векторным управлением, когда частотный характер нагрузки неизвестен. Показано, что разработанная модель может быть использована при разработке регулятора системы векторного управления асинхронным приводом.