Разработка системы векторного бездатчикового управления асинхронным двигателем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Шеломкова, Любовь Вячеславовна

• Шеломкова, Любовь Вячеславовна
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шеломкова, Любовь Вячеславовна

Введение.

1. Состояние вопроса и задачи исследования.

1.1. Системы векторного управления. Цель и задачи.

1.2. Обзор наблюдателей.

1.3. Выводы по главе 1.

2. Обоснование структуры векторного бездатчикового управления асинхронным двигателем.

2.1. Математическое описание асинхронного двигателя в относительных единицах.

2.1.1. Обоснование применения относительного представления переменных и параметров.

2.1.2. Выбор системы базовых величин.

2.1.3. Переход от математического описания в физических единицах к математическому описанию в о.е.

2.2. Выбор базовой структуры для бездатчиковой системы управления.

2.2.1. Система векторного управления.

2.2.2. Система прямого управления моментом.

2.2.3. Обоснование базовой структуры.

2.3.Обоснование структуры наблюдателя.

2.3.1. Наблюдатель на основе адаптивной модели. Результаты моделирования.

2.3.2. Фильтр Калмана. Результаты моделирования.

2.3.3. Наблюдатель на основе скользящего режима. Результаты моделирования.

2.4. Система векторного бездатчикового управления с переключающейся структурой.

2.4.1. Структура СВБУ АД с КЗ ротором.

2.4.2. Скалярная система управления. Математическое описание. Структурная схема. Механические характеристики.

2.4.3. Алгоритм переключения структур.

2.4.4. Диапазон регулирования структуры: система векторного бездатчикового управления - скалярная система управления.

2.5. Выводы по главе 2.

3.Оценка чувствительности СВБУ к. изменению параметров схемы замещения двигателя.

3.1. Общие положения теории проведения полнофакторного эксперимента.

3.2. Оценка зоны нечувствительности СВБУ к изменению параметров АД.

3.3. Выводы по главе 3.

4. Алгоритмическое описание программного обеспечения (ПО).

4.1. Общее представление разработанного программного обеспечения (ПО) СВБУ для АД с КЗ ротором.

4.2. Описание модуля наблюдателя на основе скользящего режима SMO.

4.3. Описание модуля синусно-косинусного фильтра Калмана.

4.4. Описание модуля частотно-токового управления.

4.5. Описание модуля переключения структур.

4.6. Выводы по главе 4.

5. Экспериментальные результаты.

5.1. Описание экспериментального стенда.

5.2. Пусковые характеристики СВБУ.

5.3. Статические характеристики СВБУ.

5.4. Динамические характеристики СВБУ.

5.5. Выводы по главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка системы векторного бездатчикового управления асинхронным двигателем»

В настоящее время существует тенденция массового перехода от использования приводов постоянного тока к частотно-управляемому приводу переменного тока. Это связано бурным развитием силовой электроники и микропроцессорной техники, резким снижением стоимости электронных компонент. Данное направление весьма перспективно, благодаря отработанной технологии изготовления машин переменного тока, их невысокой стоимости, меньшим массогабаритным показателям, по сравнению с двигателями постоянного тока (ДПТ), отсутствию щеточного узла, экономичности, возможности эксплуатации во взрывоопасных средах и пр.

Для большинства (более 80%) промышленных применений частотно-регулируемого асинхронного электропривода, в частности, для регулирования скорости насосов и вентиляторов в диапазоне до 10:1, вполне достаточным является применение классической системы скалярного управления. Для станочных и робототехнических применений (10% рынка), где требуемый диапазон регулирования скорости может достигать 10 000:1" и выше, применяются исключительно системы векторного датчикового управления, в основном с ориентацией по потокосцеплению ротора. При этом, например, в сервоприводах станков, используются специальные конструкции асинхронных двигателей со встроенными датчиками положения высокого разрешения - инкрементальными, резольверами, абсолютными кодовыми и т.п. Относительно небольшой (менее 10%), но исключительно важный и постоянно расширяющийся сектор применения частотно-регулируемого привода, требует применения более сложных бездатчиковых систем векторного управления асинхронными двигателями. Прежде всего -это атомная энергетика, в частности, перегрузочные роботы, где необходим более высокий (до 50:1) диапазон регулирования скорости и по условиям технологии исключается возможность установки датчика положения на вал ротора двигателя. К подобным системам управления предъявляются также повышенные требования по диапазону регулирования электромагнитного момента - до 20:1.

Большинство ведущих мировых производителей преобразователей частоты для управления асинхронными двигателями Siemens, ABB, Schneider Electric, Hitachi, Danhfos и др. поддерживают в своих изделиях все три современные структуры управления АД: скалярного, векторного датчикового и векторного бездатчикового. Причем, для последней структуры указывается диапазон регулирования скорости до 50:1. Опыт промышленной эксплуатации таких электроприводов в России, а также специально проведенные на кафедре АЭП МЭИ исследования показывают, что в зоне низких скоростей в системах бездатчикового векторного управления часто возникают колебания скорости, устранить которые настройками привода не удается и реальный диапазон регулирования скорости заметно ниже. Один из вариантов решения этой актуальной проблемы рассмотрен в рамках настоящей диссертации.

Исследованиям систем датчикового векторного управления АД посвящено множество работ (Ключев В.И., Сандлер А.С., Поздеев А.Д., Онищенко Г.Б., Чу ев П.В., Резвин С.Б. и др.). Эти исследования и за рубежом и в России уже доведены до промышленных серий преобразователей частоты. В области бездатчикового векторного управления АД положение значительно сложнее: продолжаются активные теоретические исследования по выбору оптимальной структуры наблюдателей, нечувствительных к изменению параметров двигателей и нагрузки (Пенг Ф.З., Фукао Т., Шаудер С., Парк С.-В., Квон В.-Х., Лаббате М., Петрела Р., Турсини М., Райсон Б., Салваторе Л., Стаей С., Купертино Ф., Чирикоззи Э., Ким С.-М., Хан В.-Е., Ким С.-Дж.), обеспечению гарантированной устойчивости привода при низких скоростях. Например, в России подобные исследования ведутся фирмами НПП ВНИИЭМ (г. Москва), «Инвертор» (г.Истра), «АСК» (г. Екатеринбург), «Вектор» (г. Иваново), «НПФ Вектор» (г. Москва), рядом университетов. Эти исследования пока находятся на стадии создания опытно-промышленных образцов ПЧ:

Таким образом, создание систем векторного бездатчикового управления с диапазоном регулирования 50:1 для внедрения в серийные ПЧ является насущной и актуальной проблемой.

Целью диссертационной работы является- математическое, алгоритмическое обоснование и разработка системы векторного бездатчикового управления (СВБУ) асинхронным двигателем (АД) с короткозамкнутым (КЗ) ротором.

Для достижения намеченной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Проанализированы существующие структуры бездатчиковых систем управления (СУ) и синтезирован наблюдатель для построения СВБУ;

2. Предложена комбинированная бездатчиковая СУ, с переключаемой структурой, обеспечивающая диапазон регулирования скорости до 50:1;

3. Выполнено исследование чувствительности комбинированной бездатчиковой СУ АД к изменению, параметров асинхронного двигателя;

4. Создан экспериментальный стенд, на котором исследованы статические и динамические характеристики предложенной системы управления;

5. Разработанное модульное алгоритмическое и программное обеспечение поддержки СВБУ включено- в библиотеку- базовых алгоритмов для отечественных преобразователей частоты «Универсал» и «Конвир».

Исследования проводились в среде моделирования Simulink MatLab. Экспериментальные исследования основывались на частных экспериментах на лабораторном стенде, в состав которого входила система ПЧ-АД и двигатель постоянного тока с независимым возбуждением ДПТ НВ, связанный механически с АД, в качестве нагрузочной машины, и экспериментальной проверки адекватности модели СВБУ АД.

Достижение поставленной цели и решение задач диссертационной работы обеспечено на основе ряда теоретических и практических работ. Использованы, материалы работ, выполненных научной группой В.Ф. Козаченко на кафедре автоматизированного электропривода МЭИ, в том числе и с участием автора.

Объектом исследования является СВБУ АД, заложенная в ПЧ. Новизна полученных результатов работы при решении вышеуказанных научных задач заключается в том, что в ней:

1. На основе анализа существующих структур систем бездатчикового управления была разработана оригинальная структура наблюдателя: наблюдатель на основе скользящего режима, который отличается наличием релейного элемента, реального дифференцирующего звена и синусно-косинусного наблюдателя Калмана для фильтрации составляющих сигналов потокосцепления ротора.

2. Для обеспечения общего диапазона регулирования скорости 50:1 предложена система управления АД, с переключаемой структурой: в зоне низких скоростей работает система скалярного, частотно-токового управления, а начиная с частоты 4-5 Гц - система бездатчикового векторного управления.

3. Разработана оригинальная модель системы ПЧ-АД в среде MatLab, позволяющая производить синтез регуляторов СВБУ и коэффициентов наблюдателя.

4. Получены допустимые значения отклонений параметров схемы замещения АД с КЗ ротором, при которых созданная комбинированная СВБУ работоспособна.

Эти результаты и выносятся на защиту.

В первой главе изложено состояние вопроса решаемой научной задачи. Рассмотрены основные датчиковые системы управления АД. Проведен анализ существующих структур векторного бездатчикового управления АД и выделено три типа наблюдателей состояния, использующихся при их построении, выявлены их преимущества и недостатки. В результате были поставлены цель и задачи, сформулированные выше.

Вторая глава посвящена обоснованию структуры векторного бездатчикового управления асинхронным двигателем. Приведено и обосновано математическое описание АД в относительных единицах, произведен выбор базовой структуры для СВБУ, по результатам анализа и моделирования в среде MatLab, определен основной наблюдатель для построения СВБУ. Представлен алгоритм переключения структур со скалярной СУ на СВБУ с целью расширения диапазона регулирования.

Третья глава содержит теоретическую оценку чувствительности СВБУ к изменению параметров схемы замещения АД. Выявлены диапазоны отклонения параметров схемы замещения АД.

В четвертой главе представлено алгоритмическое описание разработанного программного обеспечения. Подробно рассмотрены основные модули ПО.

В пятой главе приводятся экспериментальные результаты, полученные в ходе исследовательских испытаний системы ПЧ-АД с СВБУ. Дается описание лабораторного стенда, нагрузочного устройства и контрольно-измерительного комплекса. По результатам представленных экспериментов сравниваются датчиковая и разработанная бездатчиковая система управления (СУ), дается оценка адекватности математической модели и подтверждается ожидаемый диапазон регулирования.

В заключении даются общие выводы и рекомендации по работе.

Основные результаты исследований реализованы в следующих направлениях: диссертационная работа выполнена на кафедре автоматизированного электропривода МЭИ. В основу диссертации положены результаты исследований, полученные автором лично и в соавторстве в ходе выполнения заказа по договору с ВГУП ВНИИЭМ с 2005 г. по 2007 г. в качестве исполнителя разделов этапов темы.

Разработанная СВБУ внедрена в ПЧ «Универсал», разработанный и выпускаемый в ООО «НПП Цикл+».

На технические отчеты по выполненной работе даны положительные заключения Заказчика.

Результаты диссертации опубликованы в четырех статьях и изложены в трех отчетах по НИР.

Основные положения работы обсуждались на:

- XII ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" в 2006 г. (г. Москва);

- XIV ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" в 2008 г. (г. Москва); заседании кафедры «Автоматизированного электропривода» Московского энергетического института (Технического Университета).

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованных источников. Работа изложена на 175 страницах машинописного текста, содержит 133 рисунка, 26 таблиц. Библиография работы содержит 48 наименований.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Шеломкова, Любовь Вячеславовна

5.5. Выводы по главе 5

В данной, заключительной главе представлены экспериментальные результаты, подтверждающие теоретическую основу предыдущих глав. Произведено описание экспериментального стенда.

Показано, что СВБУ в зоне высоких частот от 5 до 50 Гц обеспечивает качество регулирования сопоставимое с датчиковой векторной системой.

Робастность, то есть нечувствительность системы к изменению параметров схемы замещения АД с КЗ ротором, подтверждена серией экспериментов, в которых изменялись основные параметры двигателя -сопротивление статора, индуктивности статора, ротора, взаимоиндуктивности. При этом 25% отклонение параметра от расчетного не приводило к каким-либо значительным изменениям относительно оптимально настроенной системы.

Предложенный алгоритм работы в зоне низких частот (ниже 5Гц) способен обеспечивать диапазон регулирования 50:1. При этом при переходе в зону выше 5Гц включается бездатчиковая векторная система, обеспечивающая астатическое регулирование скорости с заданным ограничением момента.

Система испытана на устойчивость, как в статических, так и в динамических режимах, и показала хорошую работу.

Заключение

В диссертационной работе были получены следующие научные и практические результаты:

1. Разработана бездатчиковая СУ АД с КЗ ротором, обеспечивающая диапазон регулирования 50:1 и отличающаяся: а) оригинальной комбинированной структурой наблюдателя на основе скользящего режима, содержащего релейный элемент, реальное дифференцирующее звено и синусно-косинусный наблюдатель Калмана для фильтрации выходных составляющих сигнала потокосцепления ротора; б) переключающейся структурой, построенной на основе системы частотно-токового управления на околонулевых скоростях и СВБУ на базе разработанного наблюдателя в остальном диапазоне;

2. Создана математическая модель ПЧ-АД, позволяющая синтезировать регуляторы СВБУ и коэффициенты наблюдателя на основе скользящего режима и фильтра Калмана;

3. Экспериментально доказано, что для двигателей мощностью выше 1,5 кВт в диапазоне отклонений +/- 25% индуктивности статора, активных сопротивлений цепи статора и ротора разработанная бездатчиковая СУ сохраняет устойчивость;

4. Создан экспериментальный стенд, на котором подтвержден расчетный диапазон регулирования скорости бездатчиковой СУ 50:1, и диапазон регулирования момента 10:1.

5. Разработанный алгоритм управления и программное обеспечение включены в библиотеку базовых алгоритмов при проектировании серийных ПЧ «Универсал» и «Конвир».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шеломкова, Любовь Вячеславовна, 2008 год

1. Алямкин Д.И., Дроздов А.В., Шеломкова JI.B. Цифровые наблюдатели для систем бездатчикового векторного управления асинхронными двигателями // Труды МЭИ. Электропривод и системы управления 2006. -Вып.682. - с. 27-33.

2. Бродовский В.Н., Иванов Е.С. Приводы с частотно-токовым управлением/ Под ред. В.Н. Бродовского. М.: Энергия, 1974.

3. Виноградов А., Сибирцев А., Колодин И. Адаптивно-векторная система управления бездатчикового асинхронного электропривода серии ЭПВ // Силовая электроника. 2006. -№3.-С. 50-55.

4. Дроздов А.В. Система бездатчикового векторного управления синхронными двигателями с постоянными магнитами: магистерская дисс. М., 2005. - 57 с.

5. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. — М.: Энергия, 1980. 928 с.

6. Ивоботенко Б.А., Ильинский Н.Ф., Копылов И.П. Планирование эксперимента в электромеханике. М.: Издательство «Энергия», 1975. — 185 с.

7. Ильинский Н.Ф. Модели электромеханических устройств и систем в задачах синтеза. «Электричество», 1973, № 3, С. 36-39.

8. Ильинский Н.Ф. Моделирование в технике: Учеб. пособие для вузов. -М.: Издательство МЭИ, 2004. 84 с.

9. Ключев В.И. Теория электропривода. М.: Энергоатомиздат, 1998. -704 с.

10. Ковбаса С. Описание асинхронного электропривода EPA-IM-Drive. Технические характеристики. НИПФ «ЭПА», Киев, 2004. -12с.

11. Козярук А.Е. Системы прямого управления моментом в частотно-регулируемых электроприводах переменного тока. СПб. Издательство Санкт-Петербургской Электротехнической компании, 2005.

12. Копылов И.П. Электромеханические преобразователи энергии. М.: «Энергия», 1973, 400 с.

13. Ляпунов А.М. Собрание сочинений. Т.1. М.: Изд-во АН СССР, 1954г.- 447 с.

14. Масандилов Л.Б., Соколов М.М. Метод экспериментального определения параметров асинхронного двигателя // Электричество. —1968.1. С.26-29.

15. Международные конференции IEEE 1999, 2000, 2001.

16. Налимов В.В. Теория эксперимента. М.: «Наука», 1971, 208 с.

17. Осипов О.И. Частотно-регулируемый асинхронный электропривод. — М. Издательство МЭИ, 2004.

18. Поздеев А.Д. Электромагнитные и электромеханические процессы в частотно-регулируемых асинхронных приводах Чебоксары: 1998.

19. Проблемы планирования эксперимента/ под ред. Г.К, Круга. М.: «Наука», 1969, 396 с.

20. Ташлицкий М. М. Разработка способов экспериментального определения параметров и механических характеристик асинхронных двигателей: — дис. на соискание учёной степени канд. тех. наук. М., 2005. -167 с.

21. Терехов В.М., Осипов О.И. Системы управления электроприводов, 2-е издание. М.: издательство «Академия», 2006г, 300 с.

22. Тюкин В.Н. Теория управления: Часть 2. Особые линейные и нелинейные системы: Конспект лекций. Вологда: ВоГТУ, 2000. - 128 с.

23. Уткин В.И. Скользящие режимы в задачах оптимизации и управления. -М.: 1981.

24. Финни Д. Введение в теорию планирования экспериментов. М.: «Наука», 1971, 212 с.

25. Чу ев П. В. Разработка систем векторного управления асинхронными приводами на базе специализированных сигнальных микроконтроллеров: дис. на соискание учёной степени канд. тех. наук. — М., 2002. 254 с.

26. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. — Екатеринбург: УРО РАН, 2000. 654 с.

27. Эпштейн И.И. Автоматизированный электропривод переменного тока. -М.: Энергоиздат, 1982. 192 с.

28. Bejerke S. Digital Signal Processing Solutions for Motor Control Using the TMS320F240DSP-Controller // Paris, 1996.

29. Blasco-Gimenez R., Asher G.M., Sumner M., Bradley KJ. Dynamic performance limitations of MRAS based sensorless induction motor drives. Part 1. Stability analysis for the closed loop drive // IEE Proc. Electr. Power Appl. 1996. № 143 (2). P. 113-122.

30. Box G.E.P., Tidwell P.W. Transformation of the independent variables. -"Technometrics", 1962, v 4, № 4, P. 631 550.

31. Chao K.H., Liaw C.M. Speed sensorless control performance improvement of induction motor drive using uncertainty cancellation // IEE Proc. Electr. Power Appl. 2000. № 147 (4). P. 251-262.

32. Chiricozzi Enzo, Parasiliti Francesco, Petrella Roberto, Tursini Marco. Sensorless Permanent Magnet Synchronous Motor Drive Solutions for Compressor Application//Universita di L'Aquila, 1998.

33. Digital Control Systems (DCS) Group 12, Sliding-Mode Rotor Position Observer of PMSM // Texas Instruments, 2000.35. http://www.cs.unc.edu/~welch/kalman/ сайт, посвященный фильтру Калмана.

34. International power electronics and motion control conference, EPE-PEMC, 2004.

35. Kim Sang-Min, Han Woo-Yong, Kim Sung-Joong. Design of a new adaptive sliding mode observer for sensorless induction motor drive // Electric Power Systems Research. 2004. № 70. P. 16-22.

36. Labbate Massimiliano, Petrella Roberto, Tursini Marco. Fixed point implementation of Kalman filtering for AC drives: a case study using TMS320F24x DSP // University of L'Aquila, Italy.

37. Marwali M.N., Keyhani A. A comparative study of rotor flux based MRAS and back EMF based MRAS speed estimators for speed sensorless vector control of induction machines // Proceedings of the IEEE-IAS Annual Meeting. 1997, P. 160-166.

38. Maybeck Peter. Stochastic Models, Estimation, and Control // Volume 1.

39. Park C. -W., Kwon W. -H. Simple and robust speed sensorless vector control of induction motor using stator current based MRAC // Electric Power Systems Research. 2004. № 71. - P. 257-266.

40. Peng F.Z., Fukao T. Robust speed identification for speed-sensorless vector control of induction motors // IEEE Trans. Ind. Appl. 1994. № 30 (5). - P. 12341240.

41. Peter Vas. Sensorless Vector and Direct Torque Control // Oxford University Press. 1998.

42. Pujol Antoni Arias. Improvements in direct torque control of induction motors Tesi doctoral presentada per a Fobtencio del titol de doctor. Terrassa,

43. Raison В., Arza J., Rostaing G., Rognon J.P. Comparison of two extended observers for the resistance estimation of an induction machine // Laboratoire d'Electrotechnique de Grenoble, IEEE, 2001.

44. Salvatore L., Stasi S., Cupertino F. Improved Rotor Speed Estimation Using Two Kalman Filter-Based Algorithms // Chicago, Illinois USA, IEEE Industry Applications Society 36th Annual Meeting 2001.

45. Schauder C. Adaptive speed identification for vector control of induction motor without rotational transducers // IEEE Trans. Ind. Appl. 1992. № 28 (5). -P. 1054—1061.

46. Sensorless Control with Kalman Filter on TMS320 Fixed-Point DSP // Texas Instruments Europe, July 1997.