Адаптивные алгоритмы бездатчикового векторного управления асинхронными электроприводами подъёмно-транспортных механизмов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Котин, Денис Алексеевич

• Котин, Денис Алексеевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Котин, Денис Алексеевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ "АД - ПЧ С ШИМ" КАК ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ, БЕЗДАТЧИКОВОЕ ВЕКТОРНОЕ УПРАВЛЕНИЕ И АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ.

1.1. Математическая модель АД.

1.1 Л. Фазные преобразования электромагнитных переменных МДП.

1.1.2. Баланс мощностей и электромагнитный момент МДП.

1.1.3. Математическая модель АДКЗР как объекта векторного управления.

1.1.4. Математическая модель управляемой по ротору МДП как объекта векторного управления.

1.2. Векторное управление асинхронной машиной на основе идеализированного ПЧ.

1.2.1. Принцип векторного управления АДКЗР.

1.2.2. Принцип векторного управления АДФР.

1.2.3. Способы полеориентирования.

1.3. Проблема текущей идентификации неизмеряемых координат состояния асинхронной машины в бездатчиковых СВУ.

1.3.1. Методы текущей идентификации неизмеряемых координат состояния асинхронной машины.

1.3.2. Адаптивное управление с идентификацией в бездатчиковых СВУ.

1.4. Выводы.

ГЛАВА 2. СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПОДСИСТЕМЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ И ОПОРНОГО ВЕКТОРА

ПОТОКОСЦЕПЛЕНИЙ РОТОРА АДКЗР.

2.1. Адаптивные системы с задающей моделью в задачах вычисления частоты вращения АДКЗР.

2.1.1. Структурный синтез идентификатора частоты вращения с задающей моделью.

2.1.2. Исследование процессов в бездатчиковой СВУ АДКЗР с идентификатором типа АСЗМ методом цифрового моделирования.

2.1.3. Анализ ошибок реализации АСЗМ на процессы вычисления оценок неизмеряемых координат.

2.2. Выводы.

ГЛАВА 3. СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПОДСИСТЕМЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ И ОПОРНОГО ВЕКТОРА

ПОТОКОСЦЕПЛЕНИЙ СТАТОРА АСМ.

3.1. Структуры идентификаторов с измерениями статорных токов и (или) напряжений АСМ.

3.1.1. Ориентация вращающейся системы координат при прямом измерении углового положения ротора АСМ.

3.1.2. Идентификация углового положения вектора потокосцеплений статора и частоты вращения ротора методом АСЗМ.

3.1.3. Структура АСЗМ без измерения напряжений статора.

3.1.4. Структура АСЗМ с адаптацией по ЭДС статора.

3.1.5. Идентификация углового положения вектора потокосцеплений статора и частоты вращения ротора методом АНПП.

3.2. Идентификация углового положения вектора потокосцеплений статора и частоты вращения ротора АСМ при измерениях только переменных на выходе ПЧ.

3.3. Исследование процессов в бездатчиковой СВУ АДФР методом цифрового моделирования.

3.4. Выводы.

ГЛАВА 4. АЛГОРИТМЫ ТЕКУЩЕЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПАРАМЕТРОВ

АД В АДАПТИВНЫХ БЕЗДАТЧИКОВЫХ СУЭП.

4.1. Текущая идентификация активного сопротивления статора АДКЗР на основе наблюдателя полного порядка.

4.1.1. Методика структурно-параметрического синтеза адаптивного идентификатора скорости, на основе структуры Hi ill.

4.1.2. Исследование адаптивного алгоритма идентификации частоты вращения ротора АДКЗР.

4.2. Выводы.

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АДАПТИВНЫХ

АЛГОРИТМОВ БЕЗДАТЧИКОВОГО ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ.

5.1. Экспериментальное исследование адаптивной системы бездатчикового векторного управления АДКЗР.

5.1.1. Описание экспериментальной установки.

5.1.2. Результаты экспериментального исследования.

5.2. Экспериментальное исследования адаптивной системы бездатчикового векторного управления ACM.

5.2.1. Описание экспериментальной установки.

5.2.2. Описание режимов работы шахтной подъемной машины.

5.2.3. Результаты экспериментального исследования.

5.3. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Адаптивные алгоритмы бездатчикового векторного управления асинхронными электроприводами подъёмно-транспортных механизмов»

Известно, что более 60% всей вырабатываемой в мире электроэнергии потребляется электроприводами (ЭП), причём большинство из них это электроприводы общепромышленных механизмов (насосы, вентиляторы, компрессоры, транспортёры, подъемно-транспортные механизмы и т.п.), построенные на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Еще недавно (в России - в конце 70-х - начале 80-х гг.) примерно 80% электромеханического преобразования энергии осуществлялось ЭП с двигателями постоянного тока (ДПТ) и асинхронными двигателями с коротко-замкнутым ротором (АДКЗР). Причем ДПТ применялся для регулируемых ЭП, АДКЗР - в основном, для нерегулируемых ЭП. Это объясняется, с одной стороны, хорошими регулировочными характеристиками и простотой построения систем управления ДПТ, но обладающего невысокой надежностью, ограниченного по мощности, требующего обеспечения щадящих условий работы (невозможность эксплуатации во взрывоопасных и агрессивных средах). С другой стороны, простотой конструкции, высокой надежностью, дешевизной, но сложными в реализации регулировочными характеристиками АДКЗР.

Однако большинство технологических процессов требует регулирования координат исполнительного механизма, иначе говоря, процесса электромеханического преобразования энергии. При нерегулируемом ЭП оно обычно осуществляется путем управляемого изменения в самом технологическом процессе. В частности, в насосах, компрессорах, вентиляторах - путем открытия и закрытия заслонок. Практика показала, что если отказаться от регулирования заслонками и перейти к регулированию АДКЗР можно сэкономить электроэнергию до (30.60)% по сравнению с нерегулируемыми АДКЗР.

На сегодняшний день можно утверждать, что Россия, как и весь мир, активно переходит на использование регулируемого по скорости ЭП переменного тока и, в частности, систем на базе АДКЗР во всех отраслях про6 мышленности и на транспорте. Это связано, прежде всего, с развитием соответствующей элементной базы: силовых полностью управляемых полупроводниковых приборов, микроэлектроники и микропроцессорной техники, а также становлением теоретической базы — теории ЭП переменного тока и теории автоматического управления многосвязными нелинейными объектами. Все это позволяет получить реально эффективные способы управления ЭП переменного тока. Поэтому сегодня частотно-регулируемый ЭП на базе АДКЗР находит новые "для себя" области применения - станки, мехатрон-ные системы машиностроения, активно внедряется в области электрического транспорта в качестве тягового ЭП. В настоящее время с уверенностью можно утверждать, что частотно-регулируемый асинхронный ЭП является наиболее успешно прогрессирующим техническим решением в сфере автоматизации общепромышленных механизмов и энергосберегающих технологий.

Исследования в области действующего электрооборудования отечественных промышленных предприятий показали довольно широкое применение асинхронных двигателей с фазным ротором (АДФР) для мощных (более 300кВт) механизмов с тяжелыми условиями пуска (ЭП подъемно-транспортных механизмов, ЭП главного движения вращающихся цементных печей и пр.). Применение в подобных механизмах ЭП на базе АДФР с рези-сторными релейно-контакторными системами управления объясняется высокой перегрузочной способностью АДФР (коэффициент перегрузки - 2,5, как и у ДПТ), простота регулирования путем введения в цепь ротора добавочных активных сопротивлений. Однако на сегодняшний день, такой способ управления АДФР себя исчерпал, поскольку не снимает главных проблем данной электромеханической системы (ЭМС) — ненадежность релейно-контакторной аппаратуры, необходимость отвода тепла от резисторной станции, низкая энергоэффективность. Современная реальность требует глобальной модернизации ЭП на базе АДФР — перехода к частотно-регулируемому ЭП.

Несмотря на сделанное выше заявление, отечественные предприятия -производители регулируемого ЭП неохотно берутся за модернизацию таких 7

ЭМС. Причина кроется в том, что большинство АДФР высоковольтные - как правило, 6.10 кВ напряжение статора и 1. 1,5 кВ напряжение ротора, что, несомненно, обуславливает определенные сложности при проектировании силовой части преобразователей частоты (ПЧ).

Выходом из сложившейся ситуации может стать разработка систем управления высоковольтными АДФР по схеме асинхронизированной синхронной машины (АСМ) с векторным управлением по цепям ротора. Поскольку силовая часть асинхронизированного синхронного ЭП (АСЭП) предполагает установку в инверторе напряжения малого числа низковольтных транзисторов, следовательно, ПЧ будет иметь намного меньшую стоимость, чем высоковольтные преобразователи частоты для управления АДФР с закороченным ротором по цепям статора. Наличие активного выпрямителя напряжения (АВН) на входе позволяет энергию скольжения двигателя рекуперировать в питающую сеть, а не рассеивать ее на пусковых сопротивлениях.

Согласно ГОСТ 27471-87 асинхронизированной синхронной машиной (АСМ) называется неявнополюсная синхронная машина с продольно-поперечным возбуждением, у которой обмотки индуктора присоединяются к регулируемому преобразователю частоты, то есть АСМ является частным случаем неявнополюсной электрической машины двойного питания (МДП). Большинство известных отечественных и зарубежных работ по автоматическому управлению АСМ ориентированы на их использование в системах генерирования электрической энергии - турбогенераторы и компенсаторы реактивной мощности, а в автономных генераторных комплексах малой и средней мощности и ветроэнергетике - регулируемые генераторы с переменной частотой вращения вала. Этими вопросами занимались и основоположники теории и практики АСМ [5, 6, 34]. Исключение составляют лишь те немногочисленные публикации, в которых обсуждаются отдельные аспекты применения АСМ в системах регулируемого электропривода, например [10, 20].

Проведем обзор современных систем автоматического управления асинхронными ЭП на примере ЭП с АДКЗР. Современный ЭП переменного тока, как правило, содержит двухзвенный преобразователь частоты (ПЧ), выпрямитель которого нагружен на автономный инвертор напряжения (АИН), работающий в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Зачастую это либо синусоидальная ШИМ, со всякого рода модификациями, которые за счёт более рационального расположения потенциальной зоны нагрузки в потенциальной зоне источника питания увеличивают запас преобразователя по напряжению, либо векторная ШИМ. Указанная структура преобразователя частоты позволяет независимо от режимов работы ЭП обеспечить высокий коэффициент мощности силовой цепи. При невысоких требованиях к диапазону регулирования частоты вращения двигателя и стабильности поддержания заданных параметров, целесообразно реализовывать скалярное управление АДКЗР. Для быстродействующих приводов с широким диапазоном регулирования, требуется векторное управление.

В 1971 г. Ф. Блашке предложил новый принцип управления АДКЗР. В соответствии с этим принципом уравнения электрического равновесия АДКЗР рассматриваются не в стационарной (кларковской) системе координат, а во вращающейся полеориентированной системе координат Парка-Горева. Ориентация системы координат осуществлялась по вектору потокос-цеплений ротора. При построении систем векторного управления асинхронными ЭП используются два принципиально различных подхода, называемые непосредственным и косвенным ориентированием вектора управляющих воздействий по направлению магнитного поля двигателя (непосредственное и косвенное полеориентирование).

При таком математическом описании процессов в АДКЗР все основные переменные электрической машины изменяются не по гармоническому закону, а по стационарному (как в ДПТ). Такой подход к управлению АДКЗР получил название Field Oriented Control (FOC) (векторное управление), что позволило строить системы управления АДКЗР по тем же принципам, что и 9 системы управления двигателями постоянного тока, в частности, по подчиненному принципу. Теоретически это позволяет достичь в АДКЗР тех же регулировочных характеристик, что и в ДПТ.

Согласно [22] для реализации систем векторного управления необходимо иметь информацию о всем векторе координат состояния АД. Соответственно возникает проблема получения информации об опорном векторе по-токосцеплений ротора. В разное время эту проблему решали путем измерения индукции магнитного поля в расточке статора двигателя датчиками Холла, или же на основании косвенной информации о потоках, получаемой по ЭДС, наводимой в специально уложенной в статор измерительной обмотке. Для измерения угловой скорости ротора использовались тахогенераторы или импульсные датчики. Однако все это требовало замены или доработки огромного парка общепромышленных АДКЗР, которые не предназначались для регулирования и не были снабжены этими датчиками. Нецелесообразность применения датчиков Холла и измерительных обмоток подтверждается тем фактом, что вследствие несинусоидальности распределения магнитного поля по воздушному зазору машины, зубцовых пульсаций магнитного потока и погрешностей установки датчиков Холла на геометрических осях фазных обмоток, получаемые с их помощью оценки, лишь приближенно пропорциональны по мгновенным значениям компонентам интегрального вектора главных потокосцеплений двигателя. Использование же измерительных обмоток основано на интегрировании наведенных в них ЭДС, что связано с известными трудностями и накладывает весьма жесткие ограничения на диапазон рабочих частот по статорным переменным. В целом, все описанные выше способы получения информации о координатах состояния АДКЗР значительно снижают надежность асинхронного электропривода.

К началу 80-х годов были достигнуты большие успехи в области современной теории автоматического управления, что позволило оценивать не-измеряемые составляющие вектора состояния АДКЗР. Наиболее перспективным способом получения информации о недоступных прямому измерению

10 координатах АДКЗР является построение быстродействующих устройств идентификации.

Идентификатор — это специальная динамическая подсистема, выходные сигналы которой служат в качестве оценок неизмеряемых координат состояния объекта управления. Идентификатор должен быть устойчивым по начальным условиям и внешним воздействиям, использовать сигналы датчиков только заранее определенных и доступных непосредственным измерениям физических величин, быть малочувствительным к ошибкам в априорной информации о параметрах объекта управления.

Именно такие способы построения систем управления ЭП переменного тока, становятся предпосылками для появления к середине 80-х годов первых ЭП, не оснащенных датчиками магнитного состояния и координат механического движения (скорости, положения ротора) АДКЗР. Такие ЭП получили название бездатчиковые (sensorless). Основным требованием, предъявляемым к современным общепромышленным ЭП, является обеспечение диапазонов регулирования скорости: в бездатчиковом варианте - не менее 100, при наличии датчика скорости - не менее 10000.

Построение алгоритмов бездатчикового управления [14] осуществляется путем использования систем идентификации (наблюдения), с помощью которых вычисляются оценки необходимых величин. На сегодняшний день наиболее популярными, как в теоретических, так и в инженерных приложениях, системами идентификации частоты вращения ротора АДКЗР являются алгоритмы типа MRAS - Model Reference Adaptive System (адаптивная система с задающей или эталонной моделью - АСЗМ), FOO - Full Order Observer (наблюдатель полного порядка - НПП), EKF — Extended Kaiman Filter (расширенный фильтр Калмана). Выходным сигналом всех этих алгоритмов являются оценки вектора потокосцеплений и электрической частоты вращения ротора асинхронной машины.

Все приведенные выше недостатки "датчиковых" ЭП с АДКЗР можно отнести и к АСЭП — проблемы определения углового положения вектора по

11 токосцеплений статора и частоты вращения ротора. Как следствие необходимость построения подсистем идентификации указанных неизмеряемых величин. Другим важным аспектом при построении бездатчиковых АСЭП является целесообразность отказа от датчиков "статорных" переменных при управлении АДФР по ротору. Их главный недостаток - удаленность объекта измерений от ПЧ и, как следствие, снижение надежности ЭМС. К тому же высоковольтные датчики тока и напряжения имеют довольно высокую стоимость. Вследствие этого преимуществом при реализации будут обладать алгоритмы бездатчикового векторного управления АСЭП не требующие информации о фазных токах и напряжениях статора АДФР.

На сегодняшний день все наиболее известные структуры алгоритмов идентификации компонентов и углового положения вектора потокосцепле-ний ротора и частоты вращения ротора, в том или ином виде используют математическую модель электромагнитных процессов в АДКЗР. В нее входят неточно известные и переменные параметры, такие как сопротивления ротора и статора. Собственные индуктивности ротора и статора, а также их взаимная индуктивность вследствие эффекта магнитного насыщения имеют сложную зависимость от тока намагничивания.

В связи с этим возникают следующие проблемы. Во-первых, необходимые для построения идентификаторов потокосцепления и скорости параметры электрической машины являются существенно переменными величинами в зависимости от режимов работы ЭП. Во-вторых, в настоящий момент широко доступными являются справочники по АДКЗР серии 4А, но в последнее время все более широкое распространение приобретают модернизированные серии АДКЗР. Как для них определять параметры схемы замещения? Все эти проблемы можно решить с помощью алгоритмов идентификации существенно переменных параметров АДКЗР. Их можно разделить по назначению на алгоритмы предварительной и текущей идентификации, а по принципу работы на алгоритмы активной и пассивной идентификации.

Алгоритмы предварительной ("Off-line") идентификации обеспечивают вычисление параметров АДКЗР непосредственно перед запуском ЭП. Это, прежде всего, значения активного сопротивления статора, индуктивные параметры двигателя, постоянная времени роторной цепи. Оценки этих величин являются начальными приближениями для алгоритмов текущей идентификации.

Алгоритмы текущей ("On-line") идентификации используются в ходе работы ЭП для слежения за дрейфом параметров АДКЗР вследствие изменения температуры двигателя и рабочей точки на кривой намагничивания.

Активная идентификация предполагает использование специальных тестовых воздействий, предназначенных для определения необходимого параметра АДКЗР. Пассивная идентификация опирается на характерные особенности переходных процессов (например, "перелом" кривой тока в переходном процессе предварительного намагничивания АДКЗР) и не вмешивается в ход технологического процесса. Применение активных алгоритмов целесообразно на этапе предварительной идентификации. В ходе текущей идентификации предпочтительнее применять пассивные алгоритмы, так как использование тестового воздействия будет неизбежно проявляться в магнитном потоке и электромагнитном моменте машины, а вследствие этого и в частоте вращения ротора.

Требования к ЭП подъемно-транспортных механизмов. Проектирование систем автоматизированного ЭП подъемно-транспортных механизмов довольно существенно отличается от систем управления механизмами насосов, конвейеров, мельниц, прессов и пр. Это объясняется тем, что подъемно-транспортные механизмы предъявляют к автоматизированному ЭП ряд специфических требований [8, 23]:

1. Способность развивать более чем номинальный вращающий момент во всем динамическом диапазоне изменения скоростей, начиная с нулевой, и во всех четырех квадрантах плоскости механических характеристик как при использовании датчика частоты вращения (положения) ротора двигателя, так и в бездатчиковом варианте.

2. Высокое быстродействие в процессах при отработке возмущений, позволяющее "подхватывать" висящий груз при его растормаживании без значительной интегральной ошибки по положению. Вследствие этого синтез контура регулирования скорости рекомендуется производить по возмущающему воздействию [4].

3. Наличие S-образного задатчика интенсивности, обеспечивающего плавное движение при разгоне и торможении ЭП за счет сглаживания начальных и конечных участков траектории разгона и торможения.

4. Функция управления тормозом и возможность гибкого интегрирования ЭП в систему управления краном, подъемником, лифтом.

5. Возможность торможения с рекуперацией энергии в питающую сеть.

6. Предварительная автоматическая самонастройка системы управления на параметры двигателя и коррекция настройки (адаптация системы) в процессе работы ЭП.

7. Необходимый набор защит от перегрузок, способных привести к аварии.

В связи с этим на сегодняшний день актуальной является задача построения отечественных современных импортозамещающих систем управления частотно-регулируемым асинхронным ЭП, поскольку в различных отраслях российской промышленности широко применяются ПЧ зарубежного производства (Siemens, ABB, AEG и др.), что обуславливает неоправданно завышенные эксплуатационные затраты на их ремонт и обслуживание. Кроме того, проблемы принятых в этих преобразователях алгоритмических решений приводят к необходимости необоснованного завышения установленной мощности ПЧ и, соответственно, увеличению капитальных затрат в таких применениях, как механизмы подъема кранов, а также увеличивают энергопотребление и токовую загрузку исполнительных двигателей, снижают их ресурс.

Таким образом, можно сформулировать следующие цель и задачи диссертационного исследования.

Целью диссертационной работы является построение на единой методической основе и исследование адаптивных алгоритмов идентификации неизмеряемых координат для систем векторного управления электроприводами на базе АДКЗР и АДФР, имеющих расширенную рабочую область и удовлетворяющих основным требованиям к ЭП подъемно-транспортных механизмов.

Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи:

1. Обосновать математическую модель управляемой по ротору асин-хронизированной синхронной машины, адекватную задаче построения системы регулируемого ЭП, определить управляющие воздействия и соответствующие им регулируемые координаты.

2. Разработать и исследовать структуры наблюдателя опорного вектора потокосцеплений АСМ, не содержащие "открытых" (разомкнутых) интегрирующих звеньев, и синтезировать идентификатор частоты вращения ротора АДФР, не имеющий статической ошибки вычисления скорости.

3. Разработать и исследовать алгоритм адаптации идентификатора вектора потокосцеплений и частоты вращения ротора АДКЗР к изменениям величины активного сопротивления статора, не требующий инжекции тестовых воздействий и имеющий расширенную область устойчивости. Дать рекомендации по его применению.

4. Экспериментально подтвердить на примерах ЭП подъема работоспособность разработанных бездатчиковых алгоритмов векторного управления АДКЗР и АДФР.

Для решения поставленных задач используются методы современной теории автоматического управления, положения теории электропривода, аналитические методы расчета, основанные на применении аппарата дифференциальных уравнений и передаточных функций. Проверка работоспособ

15 ности разработанных алгоритмов осуществляется методом цифрового моделирования в пакете программ Matlab 6.5 — Simulink 4.0, и путем физического эксперимента с использованием преобразователей частоты (ПЧ), разрабатываемых предприятием ЗАО "ЭРАСИБ" (г. Новосибирск).

Научная новизна основных результатов диссертации заключается в следующем.

1. Предложен комплекс структурно отличных друг от друга вариантов построения идентификатора вектора потокосцеплений статора и частоты вращения ротора АСМ для бездатчиковых систем регулируемого электропривода. Проанализированы их преимущества и недостатки, даны рекомендации по практическому применению.

2. Разработана методика структурно-параметрического синтеза адаптивного к изменениям активного сопротивления статора идентификатора частоты вращения ротора АДКЗР, построенного на основе наблюдателя полного порядка (НПП). При разработке алгоритма были решены проблемы, присущие существующим аналогам, а также расширена область устойчивости. Полученный алгоритм работоспособен во всех четырех квадрантах плоскости механических характеристик ЭП без инжекции в двигатель дополнительных тестовых воздействий. Предложенная методика может послужить основой для синтеза других типов идентификаторов частоты вращения, нечувствительных к изменениям параметров.

Практическая ценность результатов диссертации состоит в следующем.

Разработанные алгоритмы текущей идентификации относятся к классу пассивных, поскольку не вносят искажений в спектр напряжения, формируемого на выходе ПЧ, и не требуют дополнительных энергетических затрат. Оценки вектора потокосцеплений, частоты вращения ротора, активного сопротивления статора, являющиеся результатом работы предложенных алгоритмов, предполагают прямое измерение только электрических величин, фигурирующих в структуре полупроводникового преобразователя частоты.

16

Синтезированные алгоритмы проверены экспериментально, внедрены в производство и используются для построения на их основе систем частотно-регулируемого общепромышленного асинхронного ЭП, не содержащего датчиков магнитного состояния и координат механического движения электрической машины, а также ЭП подъема, специфика работы которых обязывает выделять их из класса общепромышленных.

На защиту выносятся следующие основные результаты:

1. Алгоритмы текущей идентификации вектора потокосцеплений статора и частоты вращения ротора АДФР.

2. Алгоритм адаптации идентификатора частоты вращения ротора АДКЗР к изменениям величины активного сопротивления статора, имеющий расширенную область устойчивости без инжекции в двигатель тестовых воздействий.

3. Результаты экспериментальных исследований и внедрения разработанных алгоритмов управления асинхронными ЭП в изделия предприятия ЗАО "ЭРАСИБ" (г. Новосибирск).

Реализация результатов работы. Результаты, полученные в диссертационной работе, внедрены в системах управления асинхронными электроприводами подъемно-транспортных механизмов производства ЗАО "ЭРАСИБ" (г. Новосибирск), а также используются в учебном процессе Новосибирского государственного технического университета (НГТУ).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских научных конференциях молодых ученых "Наука. Технологии. Инновации" НТИ-2007, НГИ-2008 (г. Новосибирск, 2007, 2008 гг.); международных научно-технических конференциях "Электромеханические преобразователи энергии" ЭПЭ-2007, ЭПЭ-2009 (г. Томск, 2007, 2009 гг.); на третьей научно-технической конференции с международным участием "Электротехника, электромеханика, электротехнологии" ЭЭЭ-2007 (г. Новосибирск, 2007 г.); на IX международной конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" АПЭП-2008

17 г. Новосибирск, 2008 г.); на четвертой научно-технической конференции с международным участием "Электротехника, электромеханика, электротехнологии" ЭЭЭ-2009 (г. Новосибирск, 2009 г.); на VI международной (XVII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу (г. Тула, 2010 г.).

Работа была удостоена гранта на конкурсе инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направлению "Энергетика и энергосбережение" в г. Томск, 2006 г.; а также гранта администрации Новосибирской области для выполнения инновационной научной разработки по направлению "Электротехнические комплексы и системы", г. Новосибирск, 2007 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 16 печатных работ, 4 из которых - в центральных журналах, рекомендованных списком ВАК, 1 - в сборнике научных трудов, 11- материалы научных конференций.

Личный вклад автора в научные работы, опубликованные в соавторстве с научным руководителем, заключается в постановке частных задач исследования, выполнении расчетов, разработке методик структурно-параметрического синтеза алгоритмов управления и идентификации, исследовании синтезированных алгоритмов методом численного моделирования, анализе полученных результатов. В остальных работах, опубликованных в соавторстве, автором осуществлены постановка задач исследования, выбор методов их решения и анализ результатов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и 4 приложений. Содержит 135 стр. основного текста, включая 62 рисунка, 6 таблиц и библиографический список из 71 наименования.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Котин, Денис Алексеевич

5.3. Выводы

Экспериментальные исследования разработанных алгоритмов идентификации неизмеряемых координат для систем частотно-регулируемого ЭП на базе АДКЗР и АСМ на лабораторных установках и действующем электрооборудовании подтвердили их работоспособность в диапазонах, соответствующих требованиям к электроприводам подъема подъемно-транспортных механизмов. Адаптивные идентификаторы частоты вращения и опорного вектора потокосцеплений позволили получить четырехквадрантное регулирование скорости с диапазоном не менее 50. Алгоритмы внедрены в серийных преобразователях частоты производства ЗАО "ЭРАСИБ" (г. Новосибирск), применяемых в ЭП главного и вспомогательного подъемов ОАО "Братский алюминиевый завод" и шахтных подъемных машинах ОАО "Приморский ГОК".

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные в диссертационной работе исследования позволили получить следующие основные результаты.

1. Составлено математическое описание управляемой по ротору АСМ в координатах ток ротора - потокосцепление статора, определены управляющие воздействия и соответствующие им регулируемые координаты. Сформулированы принципы векторного управления управляемой по ротору АСМ.

2. На основе принципа АСЗМ синтезированы наблюдатель вектора потокосцеплений ротора, не содержащий в своей структуре "открытых интеграторов", и идентификатор частоты вращения ротора АДКЗР, не имеющий статической ошибки вычисления скорости. Стабилизация МЦС осуществлялась путем охвата интегратора ООС с введением в нее ПИ - регулятора. Проведено исследование влияния параметров математической модели идентификатора на работоспособность системы ЭП.

3. Предложены структуры алгоритмов идентификации вектора потокосцеплений статора и частоты вращения ротора АДФР, даны рекомендации к их практическому применению. Разработана методика структурно-параметрического синтеза идентификатора при измерениях только переменных на выходе ПЧ, не содержащего в своей структуре "открытых интеграторов", и не имеющего статической ошибки вычисления скорости. Стабилизация МЦР осуществлялась путем охвата интегратора ООС с введением в нее ПИ - регулятора.

4. Разработан и исследован алгоритм адаптации идентификатора частоты вращения ротора АДКЗР к изменениям активного сопротивления статора, построенный на основе структуры HI 111. При разработке алгоритма решены проблемы, присущие существующим аналогам, а также расширена область устойчивости. Предложенный алгоритм является четырехквадрант-ным, работающий в двигательном режиме с диапазоном регулирования скорости не ниже 100:1, а в генераторном -не ниже 50:1. Предложенная мето

125 дика может быть основой для синтеза других типов идентификаторов частоты вращения, нечувствительных к изменениям параметров.

5. Работоспособность разработанных алгоритмов подтверждена экспериментально. Выносимые на защиту алгоритмы управления асинхронными ЭП получили реализацию в ПЧ "ЭРАТОН-М5" и "ЭРАТОН-ФР" серийно выпускаемых предприятием ЗАО "Эрасиб" (г. Новосибирск) и активно эксплуатируются на механизмах главного и вспомогательного подъемов ОАО "Братский алюминиевый завод" и ОАО "Приморский ГОК".

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Котин, Денис Алексеевич, 2010 год

1. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник / А.Э. Кравчик, М.М. Шлаф, В.И. Афонин, Е.А. Соболенская. -М.: Энергоиздат, 1982.-504 с.

2. Барбашин Е.А. Функции Ляпунова / Е.А.Барбашин. — Главная редакция физико-математической литературы изд-ва "Наука", 1970. — 240 с.

3. Берестов В.М. Параметрический синтез. контура регулирования скорости транзисторного электропривода по возмущающему воздействию / В.М. Берестов, В.В. Панкратов // Электричество. 2006. - №12. - С. 32 - 35.

4. Ботвинник М.М. Асинхронизированная синхронная машина. Москва, Ленинград: Госэнегоиздат, 1960. — 69 с.

5. Ботвинник М.М. Управляемая машина переменного тока / М.М. Ботвинник, Ю.Г. Шакарян. М.: "Наука", 1969. - 142 с.

6. Булгаков A.A. Частотное управление асинхронными двигателями. -М.: Энергоиздат, 1982. 216 с.

7. Виноградов А. ' Бездатчиковый электропривод подъемно-транспортных механизмов / А. Виноградов, А. Сибирцев, С. Журавлев // Силовая электроника. 2007. - №1. - С. 46 - 52.

8. Глазырин М.В. Построение систем векторного управления электроприводов на базе машины двойного питания: Дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук.: 05.09.03 / М.В. Глазырин; науч. рук. A.C. Востриков Новосибирск: НГТУ, 1997. - 148 с.

9. Иванов-Смоленский A.B. Электрические машины. М.: Энергия, 1980.-928 с.

10. ХЪ.Ключев В.И. Теория электропривода. — М.: Энергоатомиздат, 1985. -560 с.

11. Никитин Н.Э. Асинхронизированный синхронный электропривод цементной мельницы // Электричество. — 1978. № 3. - С. 87 - 89.

12. Панкратов В.В. Электромагнитный момент многофазной асинхронной машины с учетом нелинейности кривой намагничивания // Автоматизированные электромеханические системы: Новосиб. Гос. Академия водного транспорта. Новосибирск, 1998. — С. 25 — 33.

13. Панкратов В.В. Векторное управление асинхронными электроприводами: Учеб. пособие. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1999. - 66 с.

14. Панкратов В.В. Энергооптимальное векторное управление асинхронными электроприводами: Учеб.пособие / В.В. Панкратов, Е.А. Зима. — Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2005. 120 с.129

15. Панкратов В.В. Специальные разделы современной теории автоматического управления: учеб. пособие / В.В. Панкратов, Е.А. Зима, О.В. Нос. -Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007. 220 с.

16. Панкратов В.В. Синтез адаптивных алгоритмов вычисления скорости асинхронного электропривода на основе второго метода Ляпунова /В.В. Панкратов, Д.А. Котин // Электричество. 2007. - № 8. - С. 48-53.

17. Панкратов В.В. Бездатчиковый асинхронизированный синхронный электропривод с векторным управлением / В.В. Панкратов, Д.А. Котин // Электротехника. 2009. - № 12. - С. 13 - 19.

18. Панкратов В.В. Принципы векторного управления и алгоритмы ориентирования по полю в асинхронизированном синхронном электроприводе / В.В. Панкратов, Д.А. Котин // Мехатроника. Автоматизация. Управление. -2010. -№4. С. 46-51.

19. Рудаков В.В. Асинхронные электроприводы с векторным управлением / В.В. Рудаков, И.М. Столяров, В.А. Дартау. Л.: Энергоатомиздат. Ле-нингр. отд., 1987. - 136 с.

20. Сабинин Ю.А. Частотно-регулируемые асинхронные электроприводы / Ю.А. Сабинин , В.Л. Грузов. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд., 1985. - 128 с.

21. Системы подчиненного регулирования электроприводов переменного тока с вентильными преобразователями / О.В. Слежановский, JI.X. Дац-ковский, И.С. Кузнецов u др. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 256 с.

22. Уайт Д. Электромеханическое преобразование энергии / Д. Уайт, Г. Вудсон. М. - Л.: Энергия, 1964. - 528 с.130

23. Шакарян Ю. Г. Асинхронизированные синхронные машины. — М.: Энергоатомиздат, 1984. 192 с.

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

25. Шрейнер Р.Т. Оптимальное частотное управление асинхронными электроприводами / Р.Т. Шрейнер, Ю.А. Дмитриенко. Кишинев: Штиинца, 1982.-224 с.

26. A Topology for Multiple Generation System With Doubly Fed Induction Machines and Indirect Matrix Converter / R. Peña, R. Cárdenas, E. Reyes, J. Clare, P. Wheeler!/ IEEE Trans. Indus. Electr. October 2009. - vol. 56, no. 10. -pp.4181 -4193.

27. Bae B.-H. Improvement of Low Speed Characteristics of Railway Vehicle by Sensorless Control Using High Frequency Injection / B.-H. Bae, G.-B. Kim, S.-K. Sul // IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, Rome/Italy, October 2000, on CD-ROM.

28. Blashke F. Das Prinzip der Feldorientierung die Grundalage fur die Transvektor Regelung von Drehfeldmaschinen. - Siemens Zeitschrift, 1971. -Bd. 45,-H. 10.-S. 757-760.

29. Brahim L.B. Identification of Induction Motor Speed Using Neural Networks / L.B. Brahim, R. Kurosawa // IEEE PCC. Yokohama, 1993. - pp. 689 -694.

30. Briz F. Dynamic Operation of Carrier-Signal-Injection-Based Sensorless Direct Field-Oriented AC Drives / F. Briz, A. Diez, M. W. Degner // IEEE Trans. Ind. Applicat. September/October 2000. - vol. 36, no. 5. - pp. 1360 - 1368.

31. Da F. Fuzzy Neural Networks for Direct Adaptive Control / F. Da, W. Song // IEEE Trans. Indus. Electr. June 2003. - vol. 50, no. 3. - pp. 507 - 513.

32. Datta R. A Simple Position-Sensorless Algorithm for Rotor-Side Field-Oriented Control of Wound-Rotor Induction Machine / R. Datta, V. T. Rangana-than // IEEE Trans. Indus. Electr. August 2001. - vol. 48, no. 4. - pp. 786 - 793.131

33. Direct Virtual Torque Control for Doubly Fed Induction Generator Grid Connection / J. Arbi, M. J.-B. Ghorbal, I. Slama-Belkhodja, L. Charaabi I I IEEE Trans. Indus. Electr. October 2009. - vol. 56, no. 10. - pp. 4163 - 4173.

34. Forchetti D. G. Adaptive Observer for Sensorless Control of StandAlone Doubly Fed Induction Generator / D. G. Forchetti, G. O. García, M. I. Valla // IEEE Trans. Indus. Electr. October 2009. - vol. 56, no. 10. - pp. 4174 - 4180.

35. Ha J.-I. Sensorless Field-Oriented Control of an Induction Machine by High-Frequency Signal-Injection / J.-I. Ha, S.-K. Sul // IEEE Trans. Ind. Applicat.- January/February 1999. vol. 35, no. 1. - pp. 45 - 51.

36. Holtz J. Sensorless Control of Induction Motor Drives // Proceedings of the IEEE August 2002. vol. 90, no. 8. - 50 p.

37. Hu J. Predictive Current Control of Doubly Fed Induction Generators / J. Hu, D. Zhi, B. W. Williams // IEEE Trans. Indus. Electr. October 2009. - vol. 56, no. 10.-pp. 4143-4153.

38. Improved Control of DFIG Systems During Network Unbalance Using PI-R Current Regulators / J. Hu, Y. He, L. Xu, B. W. Williams II IEEE Trans. Indus. Electr. February 2009. - vol. 56, no. 2. - pp. 439 - 451.

39. Iwanski G. DFIG-Based Power Generation System With UPS Function for Variable-Speed Applications / G. Iwanski, W. Koczara // IEEE Trans. Indus. Electr. August 2008. - vol. 55, no. 8. - pp. 3047 - 3054.

40. Kiani M. Effects of Voltage Unbalance and System Harmonics on the Performance of Doubly Fed Induction Wind Generators / M. Kiani, W.-J. Lee // IEEE Trans. Ind. Applicat. March/April 2010. - vol. 46, no. 2. - pp. 562 - 568.

41. H. Kubota. Closure to Discussion of "Regenerating-Mode Low-Speed Operation of Sensorless Induction Motor Drive with Adaptive Observer" // IEEE Trans. Ind. Applicat. January/February 2003. - vol. 39, no. 1. - p. 20.

42. Kubota H. Speed Sensorless Field-Oriented Control of Induction Motor with Rotor Resistance Adaptation / H. Kubota, K. Matsuse I I IEEE Trans. Ind. Applicat. September/October 1994. - vol. 30, no. 5. - pp. 1219 - 1224.

43. Kubota H. DSP-Based Speed Adaptive Flux Observer of Induction Motor / H. Kubota, K. Matsuse, T. Nakano // IEEE Trans. Ind. Applicat. -March/April 1993. vol. 29, no. 2. - pp. 344 - 348.

44. Optimal and Stable Fuzzy Controllers for Nonlinear Systems Based on an Improved Genetic Algorithm / Frank H. F. Leung, H.K. Lam, S. H. Ling, Peter K. S. Tarn i! IEEE Trans. Indus. Electr. Februaiy 2004. - vol. 51, no. 1. - pp. 172 -182.

45. Patin N. Modeling and Control of a Cascaded Doubly Fed Induction Generator Dedicated to Isolated Grids / N. Patin, E. Monmasson, J.-P. Louis // IEEE Trans. Indus. Electr. October 2009. - vol. 56, no. 10. - pp. 4207 - 4219.

46. Peng F.Z. Robust Speed Identification for Speed-Sensorless Vector Control of Induction Motors / F.Z. Peng, T. Fukao // IEEE Trans. Indus. Appli. -September/October 1994. vol. 30, no. 5. - pp. 1234 - 1240.

47. Poddar G. Sensorless Double-Inverter-Fed Wound-Rotor Induction-Machine Drive / G. Poddar, V. T. Ranganathan // IEEE Trans. Indus. Electr. — February 2006. vol. 53, no. 1. - pp. 86 - 95.

48. Reactive Power Control Design in Doubly Fed Induction Generators for Wind Turbines / B. C. Rabelo, W. Hofmann, J. Lucas da Silva, R. Gaiba de Olivet-ra, S. R. Silva II IEEE Trans. Indus. Electr. October 2009. - vol. 56, no. 10. - pp. 4154 - 4162.

49. Ride Through of Wind Turbines With Doubly Fed Induction Generator Under Symmetrical Voltage Dips / J. López, E. Gubia, E. Olea, J. Ruiz, L. Mar-royo II IEEE Trans. Indus. Electr. October 2009. - vol. 56, no. 10. - pp. 4246 -4254.

50. Rothenhagen K. Current Sensor Fault Detection, Isolation, and Reconfiguration for Doubly Fed Induction Generators / K. Rothenhagen, F. W. Fuchs // IEEE Trans. Indus. Electr. October 2009. - vol. 56, no. 10. - pp. 4239 - 4245.

51. Rothenhagen K. Doubly Fed Induction Generator Model-Based Sensor Fault Detection and Control Loop Reconfiguration / K. Rothenhagen, F. W. Fuchs // IEEE Trans. Indus. Electr. October 2009. - vol. 56, no. 10. - pp. 4229 - 4238.

52. Schauder C. Adaptive Speed Identification for Vector Control of Induction Motors without Rotational Transducers // IEEE Trans. Ind. Applicat. September/October 1992. - vol. 28, no. 5. - pp. 1054 - 1061.

53. Sensorless Control of Doubly-Fed Induction Generators Using a Rotor-Current-Based MRAS Observer / R. Peña, R. Cárdenas, J. Proboste, G. Asher, J. Clare II IEEE Trans. Indus. Electr. January 2008. - vol. 55, no. 1. - pp. 330 -339.

54. Simoes G. Neural Network Based Estimation of Feedback Signals for a Vector Controlled Induction Motor Drive / G. Simoes, B. K. Bose // IEEE Trans. Ind. Applicat. May/June 1995. - vol. 31, no. 3. - pp. 620 - 629.

55. Wai R.-J. Adaptive Enhanced Fuzzy Sliding-Mode Control for Electrical Servo Drive / R.-J. Wai, K.-H. Su // IEEE Trans. Indus. Electr. April 2006. - vol. 53, no. 2.-pp. 569-580.

56. Интернет-ресурс. Режим доступа: http://www.erasib.ru/eratonfr/. — Загл. с экрана.