Разработка и исследование бездатчикового электропривода на базе машины двойного питания тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Бобров, Максим Андреевич

• Бобров, Максим Андреевич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Бобров, Максим Андреевич

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРУЕМЫХ БЕЗДАТЧИКОВЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

1.1 Бездатчиковые принципы управления электроприводами переменного тока

1.2 Бездатчиковый электропривод на базе асинхронного двигателя

1.3 Бездатчиковый электропривод на базе синхронного двигателя

1.4 Бездатчиковый электропривод на базе машины двойного питания

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

2. СИНТЕЗ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА БАЗЕ МАШИНЫ ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ ПРИ БЕЗДАТЧИКОВОМ ВЕКТОРНОМ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОМ УПРАВЛЕНИИ

2.1 Математическая модель двигателя двойного питания при векторном управлении. Выбор системы координат

2.2 Математические модели наблюдателей потокосцепления

2.3 Математическая модель наблюдателя скорости

2.4 Определение оптимальных по энергетическим критериям задающих воздействий двигателя двойного питания

2.5 Выводы

3. РАЗРАБОТКА БЕЗДАТЧИКОВОЙ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ НА БАЗЕ МАШИНЫ ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ ПРИ ВЕКТОРНОМ УПРАВЛЕНИИ

3.1 Синтез наблюдателей потокосцепления в системе управления электроприводом на базе машины двойного питания

3.2 Разработка имитационной модели наблюдателя скорости электропривода на базе машины двойного питания

3.3 Оценка энергетических характеристик электропривода на базе машины двойного питания при различных способах аппроксимации кривой намагничивания

3.4 Выводы

4. СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА БАЗЕ МАШИНЫ ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ

4.1 Модернизация электропривода высокопроизводительной сепараторной установки цементной мельницы

4.2 Экспериментальные исследования электропривода на базе машины двойного питания

4.3 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Анализ робастности наблюдателя потокосцепления по

напряжению к изменению параметра Яг

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Исследование влияния параметров базовой машины на многоконтурную систему векторного управления электроприводом на базе

машины двойного питания

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Аппроксимация кривой намагничивания асинхронного

двигателя с фазным ротором тремя линейными участками

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Экспериментальный стенд

ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Результаты экспериментальных исследований

ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Акт о внедрении результатов диссертационной

работы

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж. Результаты интеллектуальной деятельности

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование бездатчикового электропривода на базе машины двойного питания»

ВВЕДЕНИЕ

Согласно известным положениям теории электропривода (ЭП) для улучшения качества управления технологическими процессами средствами современного привода необходимо реализовывать замкнутые контуры регулирования путём введения обратных связей по координатам электродвигателя, в большинстве случаев - угловой скорости ротора [14, 15, 35, 36]. Развитие современных микроконтроллерных средств управления даёт возможность разработчикам систем автоматизированного электропривода (АЭП) избежать применения датчиков механических переменных (скорости или момента) и магнитного состояния машины. Тем самым обеспечивается повышение надёжности системы АЭП за счёт снижения количества механических узлов и программной реализации наблюдателей состояний.

Ввиду программной реализации бездатчиковых принципов управления средствами современных микропроцессорных систем и отказа от упомянутых датчиков следует понимать, что проекции вектора потокосцепления и угловая скорость ротора вычисляются по доступным для непосредственного измерения значениям фазных токов и напряжений. При этом возникают широко известные проблемы обеспечения вычислений координат регулируемого привода при параметрических изменениях с приемлемой точностью, решение которых является актуальной задачей при создании систем АЭП [15, 37, 64].

Большой вклад в развитие теории и разработку бездатчиковых систем регулируемого электропривода внесли отечественные и зарубежные ученые - И.Я. Браславский, А.Б. Виноградов, В.Ф. Козаченко, А.Е. Козярук, А.В. Костылев, В.Б. Клепиков, В.Г. Макаров, В.Н. Мещеряков, Г.Б. Онищенко, В.В. Панкратов, В.Н. Поляков, В.В. Рудаков, Ю.А. Сабинин, Ю.С. Усынин, Ю.Г. Шакарян, Р.Т. Шрейнер, F, Blaabjerg, F. Briz, J.D. Gandoy, J. ШИг, К Kubota и др.

Большинство значительных достижений в области теории построения бездатчиковых систем векторного управления ориентированы на

исследования асинхронного электропривода с короткозамкнутым ротором. Однако существует ряд энергоёмких промышленных отраслей, где находят применение АЭП на базе машины двойного питания (МДП), вариантом которого является электропривод на базе асинхронизированного вентильного двигателя (АВД) [16, 17, 19, 20, 39, 40]. Отличительной особенностью данного типа регулируемого ЭП является наличие дополнительных каналов управления. Применение преобразователей частоты (ПЧ) в цепях ротора и статора позволяет измерять и управлять значениями частоты и токов ротора, которые недоступны для конструкции машины с короткозамкнутым ротором или синхронной машины с постоянными магнитами, что позволяет применить при синтезе наблюдателей состояния МДП более простые альтернативные подходы к вычислению скорости и потокосцепления машины. Кроме этого, следует отметить, что появление дополнительных каналов управления обеспечивает данному типу привода высокие энергетические характеристики при двухзонном регулировании частоты вращения ротора и широком диапазоне изменения нагрузок на валу [47].

Объектом исследования служит регулируемый электропривод на основе машины двойного питания с двумя преобразователями частоты.

Предметом исследования являются алгоритмы бездатчикового векторного управления электроприводом на базе МДП.

Цель диссертационной работы - разработка и исследование усовершенствованных систем управления электроприводами на основе машины двойного питания путем создания новых бездатчиковых алгоритмов с реализацией наблюдателей состояний.

Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:

1. Математическое описание и синтез структур наблюдателей координат электропривода на основе МДП.

2. Анализ влияния изменяющихся параметров двигателя при различных режимах работы привода на робастность бездатчиковой системы регулирования координат.

3. Разработка имитационной модели электропривода на основе МДП с наблюдателями координат для исследования предложенных алгоритмов бездатчикового управления и оценки робастности наблюдателей состояний к изменяющимся параметрам двигателя.

4. Оценка влияния способа аппроксимации кривой намагничивания при реализации энергоэффективного управления электроприводом на основе МДП по критериям минимума токов обмоток и минимума суммарных потерь в двигателе на его энергетические характеристики.

5. Экспериментальные исследования разработанной системы бездатчикового управления электроприводом с МДП на лабораторном стенде.

Методы исследования. При решении поставленных задач применялась теория электропривода, теория электрических машин, теория автоматического регулирования, а также методы математического моделирования. Численное решение уравнений математической модели проводилось с помощью пакета Mathcad на ПК. Моделирование режимов работы электропривода проводилось с применением программных пакетов Excel, Matlab-Simulink, Matlab-SimPowerSystem, LabView. Экспериментальные исследования проводились на лабораторном стенде.

Достоверность полученных научных результатов подтверждается сходимостью результатов теоретических исследований с результатами экспериментальной верификации и моделирования, а также обоснованностью полученных результатов согласно положениям теории электропривода.

Научная новизна:

1. Предложены алгоритмы вычисления потокосцепления МДП по измеренным значениям тока и напряжения ротора. Разработанные модели «токового» наблюдателя потокосцепления и наблюдателя потокосцепления по напряжению ротора отличаются от известных тем, что каждая из них инвариантна к одному из параметров асинхронного двигателя.

2. Предложен способ бездатчикового определения магнитного состояния двигателя, основанный на переключении двух моделей наблюдателей потокосцепления в зависимости от текущего значения тока намагничивания и отличающийся от известных тем, что в результате появляется возможность сочетания преимуществ и устранения недостатков предложенных моделей наблюдателей потокосцепления.

3. Разработан алгоритм вычисления частоты вращения ротора МДП в широком диапазоне, отличающийся от известных отсутствием в нем сложных тригонометрических функций и инвариантностью к изменению параметров двигателя.

4. Разработана и апробирована система управления ЭП, работающего в режиме АВД, отличающаяся от известной возможностью непрерывного измерения частоты тока статора для реализации частотно-зависимого управления ЭП и исключающая необходимость определения точки перехода тока через «ноль», что облегчает практическую реализацию.

5. Предложен усовершенствованный алгоритм управления МДП по критерию минимума суммарных потерь в двигателе, отличающийся от известных применением оптимального способа аппроксимации кривой намагничивания.

Научная новизна предложенных в работе технических решений представлена в научных публикациях и защищена свидетельствами об авторских правах.

Практическая ценность работы:

1. Разработанные алгоритмы бездатчикового векторного управления позволяют регулировать скорость и потокосцепление двигателя, при этом дают возможность отказаться от применения датчиков скорости/положения на валу при проектировании регулируемого электропривода на базе МДП с использованием серийного двигателя.

2. Разработанный электропривод с микроконтроллерной системой управления может быть использован как при создании новых систем АЭП на базе МДП, так и при модернизации существующих электроприводов.

Реализация результатов работы. Результаты работы используются:

1. В практической деятельности компании ООО «Симетра-Инжиниринг» (г. Саранск) при внедрениях и реализации перспективных разработок систем автоматизированных электроприводов промышленных установок и механизмов на базе машины двойного питания, а также при модернизации существующих систем электроприводов на промышленных предприятиях Республики Мордовия. Результаты диссертационной работы применялись при выполнении ОКР по теме: «Модернизация электроприводов сепараторов цементных мельниц мощностью 110 кВт на ОАО «Мордовцемент».

2. Результаты диссертационной работы применялись при выполнении исследований по гранту Российского научного фонда «Разработка усовершенствованных алгоритмов управления и способов модуляции ЭП переменного тока» (проект №15-19-20057) и гранту Федеральной целевой программы прикладных исследований при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в соответствии с соглашением о предоставлении субсидии № 14.574.21.0135 (уникальный идентификатор ШМЕЕ157417Х0135), в которых соискатель принимал участие в качестве исполнителя.

Положения, выносимые на защиту:

1. Математические модели наблюдателей состояний в системе векторного управления ЭП на базе МДП, обеспечивающие возможность применения в качестве базовой машины серийного АД с фазным ротором и исключающие датчики скорости/положения на валу двигателя.

2. Способ управления машиной двойного питания с реализацией бездатчиковых векторных принципов регулирования, использующий модели наблюдателя потокосцепления и наблюдатель скорости, которые обеспечивают вычисление координат в широком диапазоне скоростей и нагрузок.

3. Результаты имитационного моделирования и экспериментальных исследований, подтверждающие основные теоретические положения научной работы, адекватность синтезированных математических моделей и работоспособность предложенных алгоритмов бездатчикового управления.

4. Результаты анализа энергетических характеристик МДП при различных способах аппроксимации кривой намагничивания.

Апробация работы. Основные положения и достигнутые результаты исследования были доложены и обсуждены на ряде научно-технических конференций: 13th International scientific-technical conference on actual problems of electronic instrument engineering (APEIE - 2016, Novosiberian),

2016 9th International conference on power drives systems (ICPDS - 2016, Perm),

2017 International Siberian conference on control and communications (SIBCON - 2017, Astana), 2017 15th International Electrical Machines, Drives and Power Systems Conference (ELMA, Sofia), международная научно-практическая конференция «Проблемы и достижения в науке и технике» (Омск, 2017), международная научно-практическая конференция «Актуальные вопросы науки и техники» (Самара, 2017), международная научно-практическая конференция «Новые технологии и проблемы технических наук» (Красноярск, 2017).

Диссертационная работа была выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в соответствии с соглашением о предоставлении субсидии № 14.574.21.0135 по теме: «Разработка и экспериментальная апробация технических решений по созданию отечественных преобразователей частоты высокой эффективности», уникальный идентификатор проекта RFMEFI57417X0135.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 3 статьи в изданиях из перечня ВАК РФ, 9 статей в материалах научных конференций и других изданиях, 1 патент на изобретение, 1 свидетельство о регистрации программ для ЭВМ.

Личный вклад автора. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежат результаты, относящиеся к разработке математических моделей и структур наблюдателей координат электропривода на базе машины двойного питания. Также соискателю принадлежит общая концепция исследования, синтез наблюдателей координат и системы векторного управления, обоснование и разработка алгоритмов управления и анализ полученных результатов. Часть работ выполнена совместно с научным руководителем кандидатской диссертации соискателя Тутаевым Г.М. В работах, выполненных в соавторстве с Гуляевым И.В., Юшковым И.С., Федотовым Ю.Б. автору принадлежит ведущая роль в разработке математических и имитационных моделей, структур и алгоритмов управления, анализе полученных результатов.

Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, четыре главы, заключение, библиографический список, включающий 84 наименования, приложения. Основная часть работы изложена на 131 странице машинописного текста, содержит 64 рисунка.

Во введении обоснована актуальность направления диссертационного исследования, определен объект исследования, определены цели, задачи и научная новизна диссертационной работы, представлены положения, выносимые на защиту, а также результаты апробации и структура работы.

В первой главе проведен анализ современного состояния систем бездатчикового регулируемого электропривода переменного тока и рассмотрены современные подходы к разработкам, тенденции и направления совершенствования методов наблюдения координат электропривода, показаны широко известные проблемы бездатчиковых структур. В этом смысле ЭП на базе МДП имеет существенное преимущество над другими типа ЭП переменного тока - наличие дополнительных каналов управления координатами привода по цепи ротора. Это обусловливает возможность разработки новых, альтернативных и более простых программно-реализованных способов вычисления скорости и потокосцепления машины с

помощью наблюдателей состояния. В связи с этим определены основные направления и задачи исследования, разрешение которых позволит достичь поставленной в работе цели - разработки и исследования усовершенствованных систем управления электроприводами на основе машины двойного питания путем создания новых бездатчиковых алгоритмов с реализацией наблюдателей состояний.

Во второй главе предложены функциональные схемы наблюдателей потокосцепления двигателя, основанные на математической модели двигателя двойного питания при векторном управлении, передаточных функциях и структурных схемах цепей статора и ротора. Анализ этих моделей наблюдателей показывает, что «токовая» модель наблюдателя потокосцепления не содержит операции интегрирования и инвариантна к сопротивлению ротора, а модель наблюдателя потокосцепления по напряжению инвариантна к параметру индуктивности намагничивания. Разработана математическая модель наблюдателя скорости, которая инвариантна к изменяющимся параметрам базовой машины, что является важным преимуществом по сравнению с другими типа ЭП переменного тока.

В третьей главе проведен синтез системы регулирования ЭП на базе МДП с наблюдателями потокосцепления и скорости, также разработана имитационная модель электропривода в пакете МайаЪ-8ти1тк для анализа влияния изменения параметров базовой машины на робастность наблюдателя. С помощью метода О-разбиения были определены границы устойчивости системы регулирования ЭП по сопротивлению ротора Яг для модели наблюдателя потокосцепления по напряжению. Проведено моделирование системы регулирования ЭП с изменяющимся параметром сопротивления ротора, результаты которого подтвердили теоретические расчёты. Также было проведено моделирование системы регулирования ЭП с «токовой» моделью наблюдателя потокосцепления, характерной особенностью которого является способность сохранять устойчивое состояние при изменении параметра индуктивности намагничивания, однако,

как следствие, вариация данного параметра приводит к появлению ошибки в вычислении потокосцепления на линейном участке кривой намагничивания.

В связи с этим целесообразен способ вычисления потокосцепления, основанный на переключении двух моделей указанных наблюдателей потокосцепления по текущему значению тока намагничивания с целью сочетания преимуществ и устранения недостатков этих моделей. В результате теоретических исследований и имитационного моделирования была разработана система управления ЭП, с реализацией режимов работы МДП с частотно-зависимым управлением (АВД), обладающая следующими преимуществами над использовавшейся ранее структурой:

• способность непрерывного вычисления значения частоты вращения вектора тока статора, исключена необходимость определения точки перехода кривой тока через «ноль»;

• отсутствие в алгоритме вычисления скорости ротора сложных математических операций, параметров базовой машины, как следствие, точность данного алгоритма не зависит от режима работы ЭП, что обуславливает работоспособность во всем диапазоне скоростей.

Кроме этого проведены исследования процесса намагничивания электрической машины, показавшие, что применение метода сплайн -аппроксимации кривой намагничивания позволяет наиболее точно учесть суммарные потери в двигателе при реализации законов энергоэффективного управления.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований моделей наблюдателей потокосцепления и угловой скорости ротора, которые показали возможность построения работоспособных наблюдателей координат ЭП на базе МДП согласно изложенным теоретическим положениям в диссертационной работе. Показано, что реализация энергооптимального управления по критерию минимума суммарных потерь и применение аппроксимации кривой намагничивания сплайном позволяет увеличить КПД базовой машины за счёт снижения фазных токов, потребляемых от силовых преобразователей частоты.

1 СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРУЕМЫХ БЕЗДАТЧИКОВЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

1.1 БЕЗДАТЧИКОВЫЕ ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

В настоящее время тенденции улучшения показателей надёжности систем регулируемого электропривода становятся всё более очевидными. Главной особенностью современного регулируемого привода является практическая замена аппаратных технических решений программными с применением микропроцессорной вычислительной техники. Введение обратных связей и реализация замкнутых контуров регулирования обусловливают необходимость получения информации о координатах электропривода. В первую очередь речь идёт о потокосцеплении и угловой скорости ротора двигателя. С точки зрения надёжности систем АЭП применение датчиков механических и магнитных переменных усложняет конструкцию привода и увеличивает его стоимость.

На сегодняшний день наиболее частое практическое применение находят системы векторного управления ЭП переменного тока, в которых необходимая информация о координатах электропривода восстанавливается по измеренным значениям токов и напряжений. Этот подход к определению координат в системах управления ЭП переменного тока получил название «бездатчиковое управление» (англ. «Sensorless control»), а динамическая структура, позволяющая по известным параметрам привода восстанавливать неизвестные величины, получила название «наблюдатель состояния» (англ. «Statement observer»). Во многих электроприводах переменного тока с датчиком скорости на валу двигателя к известным параметрам можно отнести: ток, напряжение и скорость, то есть параметры, доступные для измерения. Для таких приводов наблюдатели могут применяться для оценки, например, потокосцепления и сопротивлений асинхронных двигателей.

При исключении датчика скорости/положения ротора из системы АЭП задача наблюдения координат усложняется, так как величина скорости становится не измеряемым параметром и добавляется к числу наблюдаемых. Исходя из этого, можно сделать вывод о необходимости построения наблюдателей в векторных приводах переменного тока.

При этом необходимо учитывать тот факт, что электрический двигатель является сложным нелинейным объектом. Модели электромагнитных процессов, а также модели самого двигателя, используемые в качестве основы наблюдателей переменных, не обеспечивают точного описания электромеханической системы и, как следствие, приемлемой точности оценки параметров ввиду непрогнозируемой их флуктуации в зависимости от режима работы привода.

Ввиду указанных особенностей построения векторных систем управления с наблюдателями состояний привода, сложилась чёткая тенденция, направленная на обеспечение следующих требований [21, 24]:

• минимальная чувствительность к отклонению параметров;

• максимальная точность оценки параметров при минимальном известном наборе начальных условий;

• простота алгоритма оценки и отсутствие сложных математических операций для обеспечения экономии вычислительных ресурсов микроконтроллера.

К настоящему времени опубликовано большое количество научных работ как отечественных, так и зарубежных коллективов, направленных на создание и разработку различных структур и комбинаций наблюдателей координат в системах векторного управления ЭП переменного тока [2, 7, 8, 12, 13, 23, 31, 32, 52-55, 57-59, 65, 68, 69, 71-73].

Широкое применение нашёл наблюдатель на основе модели с применением адаптивного механизма в своём алгоритме (англ. «MRAS -model reference adaptive system)» [21,24,60,70].

Структура данного наблюдателя представлена на рис. 1.1. Неизвестный параметр наблюдается с применением эталонной (вычисляющей переменную

X по значениям токов и напряжений) и адаптивной (вычисляющей

переменную X в зависимости от наблюдаемого параметра) моделям. Разница сигналов 8 используется для управления адаптивным механизмом и восстанавливает наблюдаемый параметр.

Рисунок 1.1 - Структурная схема наблюдателя на основе адаптивной модели

К преимуществам данной структуры наблюдателя можно отнести простоту алгоритма наблюдения параметра, однако при практической реализации системы векторного управления достаточно сложно определить параметры базового двигателя, изменение которых зависит от многих факторов и трудно прогнозируемо. Например, активное сопротивление обмотки может изменяться до 50% относительно номинального значения, и построение эталонной модели вызывает трудности [14, 21]. Поэтому данный метод из-за высокой параметрической чувствительности не обеспечивает робастность наблюдателя в широком диапазоне параметрических возмущений.

Другим современным решением построения наблюдателя переменных в системе управления электроприводом переменного тока является расширенный фильтр Калмана с расширенной матрицей состояний переменной.

Однако наличие задержки в оценке параметра ограничивает динамику изменения параметра. К тому же, отсутствуют гарантия минимальной дисперсии оценки переменных и методы расчёта сходимости процессов [21, 26, 27]. Для использования фильтра Калмана в качестве наблюдателя переменных в системах управления приводами с высокой динамикой необходимо применять высокопроизводительные сигнальные процессоры ввиду сложности математических операций и сложности практической настройки.

В настоящее время широкое применение находят наблюдатели на основе скользящего режима. Отличительной особенностью данной структуры является возможность получения хороших динамических показателей за счёт предельного быстродействия в оценке параметра. Также к достоинствам данного наблюдателя можно отнести более низкие требования к микропроцессору и простоту алгоритма по сравнению с фильтром Калмана. Следует отметить и нечувствительность наблюдателя к изменению параметров базовой электрической машины, что делает систему устойчивой в широком диапазоне параметрических возмущений [26].

Однако наблюдатель на основе скользящего режима обладает существенным недостатком - невозможностью работы на низких скоростях, что при пуске двигателя заставляет применять альтернативные подходы, т.к. в настоящее время отсутствуют методики определения положения опорного вектора на очень низких и нулевых скоростях вала.

В результате обзора широкого ряда отечественных и зарубежных источников были выявлены основные подходы к созданию цифровых наблюдателей состояний в бездатчиковом векторном электроприводе переменного тока. В настоящее время очевидны проблемы ограниченности ресурсов цифровых сигнальных процессоров, применяемых в системах управления электроприводами переменного тока, при реализации столь сложных и громоздких цифровых наблюдателей для достижения удовлетворительных показателей качества регулирования. В большинстве

случаев построения систем бездатчикового векторного управления с ориентированием по потоку существует необходимость оценке минимум двух переменных: потокосцепления, чтобы по нему ориентироваться и скорости, чтобы её регулировать. Этот факт ещё более значительно усложняет задачу создания наблюдателей состояния в условиях ограниченных ресурсов процессора.

1.2 БЕЗДАТЧИКОВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД НА БАЗЕ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

В асинхронном электроприводе потокосцепление ротора можно определить как по модели статора, так и по модели ротора. В модели статора необходимыми величинами являются ток и напряжение статора, а в модели ротора это ток статора и скорость ротора.

Основным предположением является то, что при одинаковом токе статора, поток, оцененный по упомянутым двум моделям, будет одинаковым при условии, что скорость на входе модели ротора будет равна реальной скорости ротора [13,14,24,68]. На этом предположении основана идея построения адаптивного наблюдателя состояний, позволяющего получить оценку потока и скорости ротора.

Структура адаптивного наблюдателя потокосцепления ротора со сравнением потока для асинхронного электропривода показана на рис. 1.2 [24]:

Принято считать, что модель статора является эталонной, то есть вычисляемый в ней поток является истинным, совпадающим с потоком двигателя. Модель ротора при этом является адаптируемой по потоку под модель статора.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бобров, Максим Андреевич, 2018 год

БИБЛИОГРАФИЧЕКСИЙ СПИСОК

1. А.с. 1610589 СССР, МКИ3 Н 02 Р 07/42. Способ управления двигателем двойного питания, выполненным на базе асинхронного двигателя с фазным ротором и устройство для его осуществления / Ю.П. Сонин, Ю.Г. Шакарян, Ю.И. Прусаков, С.А. Юшков, И.В. Гуляев (СССР). Опубл. 30.11.1990, Бюл. № 44. - 7 с.

2. Афанасьев К.С., Глазырин А.С. Идентификация скорости асинхронного электродвигателя лабораторного стенда с помощью фильтра Калмана и наблюдателя Люенбергера / К.С. Афанасьев, А.С. Глазырин // Электротехнические комплексы и системы управления, 2012, № 4. с. 66-69.

3. Безденежных Д.В. Разработка и исследование электропривода на базе машины двойного питания с подключением обмоток статора и ротора к преобразователям частоты: дис. ... канд. техн. наук / Д.В. Безденежных -Липецк, 2011, 200 с.

4. Бесекерский В.А. Попов Е.П. Теория систем автоматического управления: Учебник. - СПб.: Профессия, 2003, 752 с.

5. Бобров М.А. Исследование влияние параметров базовой машины на многоконтурную систему управления электроприводом на базе асинхронизированного вентильного двигателя / М. А. Бобров / Проблемы и достижения в науке и технике. Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции. - Омск, 2017, с. 78-82.

6. Бобров М.А. Модернизация электропривода высокопроизводительной сепараторной установки цементной мельницы / М. А. Бобров, Г.М. Тутаев, Е.В. Гераськин / Новые технологии и проблемы технических наук. Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции, Красноярск, 2017, с. 88-93.

7. Бобров М.А. Наблюдатели магнитного потока в системе управления электроприводом с двигателем двойного питания / М.А. Бобров, Г.М. Тутаев // Электричество, 2018, №2, с. 44-51.

8. Бобров М.А. Разработка наблюдателя основного магнитного потока для реализации бездатчиковых принципов управления электроприводом на базе асинхронизированного вентильного двигателя / М. А. Бобров, Г.М. Тутаев / Актуальные вопросы науки и техники. Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции, Самара, 2017, с. 42-46.

9. Бобров М.А. Разработка бездатчиковой цифровой системы управления электроприводом на базе асинхронизированного вентильного двигателя / М.А. Бобров, И.С. Юшков, Г.М. Тутаев, И.В. Гуляев // Вестник Южно-Уральского государственного университета . Серия: ЭНЕРГЕТИКА, 2017, Т.13, №3, с. 95-101.

10. Ботвинник М.М. Управляемая машина переменного тока / М.М. Ботвинник, Ю.Г. Шакарян - М.: Наука, 1969, 352 с.

11. Бронов С.А. Прецизионные позиционные электроприводы с двигателями двойного питания: дис. ... докт. техн. наук / С.А. Бронов. -Красноярск, 1999, 328 с.

12. Вдовин В.В. Адаптивный алгоритм вычисления координат для бездатчикового векторног оуправлениямашинами двойного питания / В.В. Вдовин, Д.А. Котин, В.В. Панкратов // Известия высших учебных заведений. Электромеханика, 2013. №6. с. 23-27.

13. Виноградов А.Б. Адаптивно-векторная система управления бездатчикового асинхронного электропривода серии ЭПВ /А.Б. Виноградов, А.Н. Сибирцев, И.Ю. Колодин // Силовая электроника, 2006, №3. с.46-51.

14. Виноградов А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока / А. Б. Виноградов / ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина» - Иваново, 2008, 298 с.

15. Глазырин А.С. Способы и алгоритмы эффективной оценки переменных состояния и параметров асинхронных двигателей регулируемых электроприводов дис. ... докт. техн. наук / А.С. Глазырин - Томск, 2017, 376 с.

16. Гуляев И.В. Асинхронизированный вентильный двигатель с управлением по фазе тока / И.В. Гуляев, И.С. Юшков. - Саарбрюккен, Германия: LAP LAMBERT Academic Publishing Gmbh & Co. KG, 2012. -183 с.

17. Гуляев И.В. Асинхронизированный вентильный двигатель, питаемый от инвертора напряжения / И.В. Гуляев, Г.М. Тутаев, И.С. Юшков // Электротехника. - 2011. - № 2. - С. 20-23.

18. Гуляев И.В., Ильин М.В., Юшков И.С., Бобров М.А. Измерение частоты возбуждения асинхронизированного вентильного двигателя -Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2017617120

19. Гуляев И.В. Обобщенная электромеханическая система на основе асинхронизированного вентильного двигателя / И.В. Гуляев. - Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2004. - 84 с.

20. Гуляев И.В. Системы векторного управления электроприводом на основе асинхронизированного вентильного двигателя / И.В. Гуляев, Г.М. Тутаев - Саранск, 2010. - 198 с.

21. Дроздов А.В. Разработка системы бездатчикового векторного управления вентильно-индукторным двигателем с независимым возбуждением: дис. ... канд. техн. наук / А.В. Дроздов - Москва, 2008, 178 с.

22. Кадочников А.И. Аппроксимация основной кривой намагничивания параболической сплайн-функцией / А.И. Кадочников, Е.Б. Хан // Электромеханика. - 1991. -№. 3. - С.70-73.

23. Калачев Ю.Н. Векторное регулирование (заметки практика) / Ю.Н. Калачёв - ООО «Гамем», 2015. - 72 с.

24. Калачев Ю.Н. Наблюдатели состояния в векторном электроприводе / Ю.Н. Калачёв - ООО «Гамем», 2015. - 80 с.

25. Кацман М.М. Расчет и проектирование электрических машин / М.М. Кацман. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 360 с.

26. Козаченко В.Ф. Перспективная серия микроконтроллеров фирмы Texas Instruments 240x для систем цифрового управления двигателями// В.Ф. Козаченко, С.А. Грибачев // Вестник МЭИ, 1998, с. 73-81.

27. Козаченко В.Ф. Применение DSP- микроконтроллеров фирмы Texas Instruments в преобразователях частоты «Универсал» с системой векторного управления /В.Ф. Козаченко, Н.А. Обухов, С.А. Трофимов, П.В. Чуев// Электронные компоненты. - 2002. - №4 - с. 61- 64.

28. Копылов И.П. Асинхронизированный вентильный двигатель с поддержанием неизменного результирующего магнитного потока/ И. П. Копылов, Ю. П. Сонин, И. В. Гуляев, Г. М. Тутаев//Электротехника, 2000, № 8, с. 59-62.

29. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. М.: Высшая школа, 2001, 327 с.

30. Ломакин А.Н. Разработка и исследование математических моделей электромеханической системы на основе асинхронизированного вентильного двигателя: дис. ... канд. техн. наук / А.Н. Ломакин - Саранск, 2009. - 245 с.

31. Макаров В. Г. Идентификация параметров трехфазного асинхронного двигателя / В. Г. Макаров // Известия вузов. Проблемы энергетики. - 2010. - № 3 - 4. - с. 88 - 101.

32. Макаров В. Г. Идентификация параметров и токов ротора трехфазного асинхронного двигателя / В. Г. Макаров // Известия вузов. Проблемы энергетики. - 2010. - № 7 - 8, с. 101 - 116.

33. Мещеряков В.Н. Наблюдатель потокосцепления для машины двойного питания, управляемой по статорной и роторной цепям / В.Н. Мещеряков, Д.В. Безденежных// - Вестник Воронежского государственного технического университета - 2010, Т. 6, № 11, с. 170-173.

34. Мещеряков В.Н. Электропривод на основе машины двойного питания с минимизацией потерь электроэнергии / В.Н. Мещеряков, Д.В. Безденежных// Электротехника. 2010, № 10, с. 2-8.

35. Онищенко Г.Б. Основные тенденции развития автоматизированного электропривода / Г.Б. Онищенко/ В сборнике: Труды международной (ХХ Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП 2016, с 81-83.

36. Онищенко Г.Б. Электрический привод: учебник для вузов / Г.Б. Онищенко. - М.: РАСХН. 2003. - 320 с.

37. Панкратов В.В. Адаптивные алгоритмы бездатчикового векторного управления асинхронными электроприводами подъемно-транспортных механизмов / В.В. Панкратов, Д.А. Котин - Министерство Образования Российской Федерации, Новосибирский Государственный Технический Университет, Новосибирск, 2012, с. 143.

38. Рудаков В.В. Асинхронный электропривод с векторным управлением / В.В. Рудаков, И.М.Столяров, В.А. Дартау - Л.: Энергоатомиздат, Ленинг. отд., 1992. - 296 с.

39. Сонин Ю.П. Асинхронизированный вентильный двигатель / Ю.П. Сонин, И.В. Гуляев. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 1998. - 68 с.

40. Сонин Ю.П. Бесконтактный асинхронизированный вентильный двигатель / Ю.П. Сонин, С. А.Юшков, Ю.И. Прусаков // Электричество. -1989. - № 11. - С. 41-45.

41. Туровский Я. Техническая электродинамика: пер. с польск. / Я. Туровский. - М.: Энергия, 1974. - 488 с.

42. Тутаев Г.М. Алгоритмы энергоэффективного управления асинхронизированным вентильным двигателем / Г.М. Тутаев. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2014. - 100 с.

43. Тутаев Г.М. Исследование энергоэффективных режимов работы электропривода на базе асинхронизированного вентильного двигателя / Г.М. Тутаев, И.С. Юшков, М.А. Бобров // Актуальные проблемы технических наук в России и за рубежом. Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции № 4. - Новосибирск, 2017. - С. 68-72.

44. Тутаев Г.М. Исследование энергетических характеристик асинхронизированного вентильного двигателя на статической модели / Г.М. Тутаев, И.В. Гуляев, И.В. Маняев // Электротехнические комплексы и системы управления. - 2010. - №4. - С. 2-7.

45. Тутаев Г.М. Оценка энергетических характеристик асинхронизированного вентильного двигателя при различных способах аппроксимации кривой намагничивания. / Г.М. Тутаев, М.А. Бобров, И.В. Гуляев // Электротехника, 2017, № 6, с. 2-6.

46. Тутаев Г.М. , Гуляев И.В., Бобров М.А., Волков А.В. Устройство для управления двигателем двойного питания. - Пат. 2625720 (РФ), зарегистрирован 18.07.17, бюл. № 20.

47. Тутаев Г.М. Широкорегулируемый энергоэффективный электропривод на базе асинхронизированного вентильного двигателя дис. ... докт. техн. наук / Г.М. Тутаев - Нижний Новгород, 2017, 340 с.

48. Тутаев Г.М. Энергоэффективное управление двигателем двойного питания в установившихся режимах / Г.М. Тутаев // Электротехнические комплексы и системы управления. - 2011. - №2. - c.52-58.

49. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты / Р.Т. Шрейнер - Екатеринбург: УрО РАН, 2000. - 654 с.

50. Шрейнер Р.Т. Система векторного управления асинхронным электроприводом/ Р.Т. Шрейнер, А.И. Калыгин, В.К. Кривовяз, С.И. Шилин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2010. № 3-1. С. 101-108.

51. Banerjee A., Tomovich M., Leeb S. B., Kirtley J. L. Control Architecture for a Switched Doubly Fed Machine Propulsion Drive // IEEE Transactions on Industry Applications. - IEEE Journals & Magazines. - Volume: 51, Issue: 2, 2015. - p. 1538 - 1550.

52. Bianchi, N., Bolognani, S. Influence of Rotor Geometry of an IPM Motor on Sensorless Control Feasibility IEEE Trans. Ind. Appl., vol.43, No.1, p. 87-96, Jan.- feb. 2007.

53. Bianchi, N.; Bolognani, S. Ji-Hoon Jang; Seung-Ki Sul. Advantages of Inset PM Machines for Zero-Speed Sensorless Position Detection," IEEE Trans. Ind. Appl., vol.44, No.4, p.1190-1198, July-aug. 2008.

54. Bianchi, N.; Bolognani, S., "Sensorless-Oriented Design of PM Motors,"Industry Applications, IEEE Transactions on, vol.45, No.4, p.1249-1257, July-aug. 2009.

55. Bianchi, N.; Fornasiero, E.; Bolognani, S. Effect of Stator and Rotor Saturation on Sensorless Rotor Position Detection, IEEE Trans. On Ind. Appl., vol.49, No.3, p.1333-1342, May-June 2013.

56. Blaschke F. The principle of field orientation applied to the new transvector closed-loop control system for rotating field machines / F. Blaschke. -Siemens-Rev. - 1972. - 39. - P. 217-220.

57. Briz, F.; Degner, M.W. Rotor Position Estimation, Industrial Electronics Magazine, IEEE, vol.5, No.2, p.24-36, June 2011.

58. Briz, F., Degner, M.W., Garcia, P., Guerrero, J.M. Rotor position estimation of AC machines using the zero-sequence carrier-signal voltage, IEEE Trans. Ind. Appl., vol.41, No.6, p. 1637- 1646, Nov.-Dec. 2005.

59. Briz, F., Degner, M.W., Fernandez, P.G., Diez, A.B. Rotor and flux position estimation in delta-connected AC Machines using the zero sequence carrier-signal current, IEEE Trans. Ind. Appl., vol.42, No.2, p. 495- 503, MarchApril 2006.

60. Carmeli M. S., CastelliDezza F., Iacchetti M.; Perini R. Effects of Mismat ched Parameters in MRAS Sensorless Doubly Fed Induction Machine Drive // IEEE Transactions on Power Electronics. - IEEE Journals & Magazines. -Volume: 25, Issue: 11, 2010. - p. 2842 - 2851.

61. David Diaz Reigosa, Fernando Briz, Cristian Blanco, Juan Manuel Guerrero. Sensorless control of doubly fed induction generators based on stator high-frequency signal injection, IEEE Transaction on industry application, vol. 50, No. 5, September/October 2014, p: 3382-3391.

62. David Diaz Reigosa, Fernando Briz, Cristian Blanco Charro, Antonio Di Gioia, Pablo Garcia, Juan Manuel Guerrero. Sensorless control of doubly fed induction generators based on rotor high-frequency signal injection, IEEE Transaction on industry application, vol. 49, No. 6, November/December 2013, p: 2593-2601.

63. Datta R., Ranganathan V. T. A Simple Position-Sensorless Algorithm for Rotor-Side Field-Oriented Control of Wound-Rotor Induction Machine / IEEE Trans. Ind. Electron. 2001 №48. - p. 786-793.

64. Mustapha D., Gillet J., Tachour T., Pietrzak-David Maria. Control system for Doubly Fed induction machine in electrical Naval propulsion // 15th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE). - IEEE Conference Publications. - 2013. - p. 1 - 10.

65. Diab A.A.Z., Kotin D.A., Pankratov V.V. Speed control of Sensorless induction motor drive based on model predictive control, proc.: International Conference of Young Specialist on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices, EDM "2013 IEEE 14th International Conference of Young Specialist on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices, EDM" 2013, p. 269-274

66. Douglas D. de Oliveira, Rodrigo P. Vieira, Hilton A. Gründling. A quasi-sliding mode speed and position observer with a chattering elimination filter, IEEE 13th Brazilian Power Electronics Conference and 1st Southern Power Electronics Conference (COBEP/SPEC), 2015, p. 1-6.

67. Hofer M., Nikowitz M., Schrodl M. Application of a position sensorless control to a reluctance synchronous drive including flux weakening, PCIM Europe 2017; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, p. 129-135.

68. Holtz, J. Sensorless control of induction motor drives, Proceedings of the IEEE , vol.90, no.8, pp. 1359- 1394, Aug 2002.

69. Holts J. Sensorless Speed and Position Control of Induction Motor Drives, IEEE Electrical Machines and Drives Group, University of Wuppertal 4207 Wuppertal - Germany, IECON Roanoke VA, 2003.

70. Iacchetti M. Adaptive Tuning of the Stator Inductance in a Rotor-Current-Based MRAS Observer for Sensorless Doubly Fed Induction-Machine Drives // IEEE Transactions on Industrial Electronics. - IEEE Journals & Magazines. -Volume: 58, Issue: 10, 2011. - p. 4683 - 4692.

71. Kubota H., Member, ZEEE, Kouki Matsuse, Senior Member, ZEEE, and Takayoshi Nakmo, DSP-Based Speed Adaptive Flux Observer of Induction Motor, IEEE transactions on industry applications, VOL. 29, NO. 2, march/april 1993.

72. Kubota H., Matsuse K., Nakano T. New adaptive flux observer of induction motor for wide speed range motor drives, Industrial Electronics Society, 1990. IECON '90, 16th Annual Conference of IEEE, p. 921-926.

73. Kubota H., Tamura Y. Stator resistance estimation for sensorless induction motor drives under regenerating condition, IEEE 2002 28th Annual Conference of the Industrial Electronics Society, IECON 02, vol.1, p. 426-430.

74. Mengoni M., Zarri L., Tani A., Serra G., Casadei D. Sensorless speed observer based on third-order spatial field harmonic for multiphase induction motor drives, IEEE Symposium on Sensorless Control for Electrical Drives (SLED), 2016, p. 1-6.

75. Ming Yang, Li Niu, Dian-guo Xu. A novel piecewise Anti-Windup design for speed loop PI controller of PMSM servo system, Power Electronics and Motion Control Conference (EPE/PEMC), 2012 15th International, p.31-35.

76. Saihi L., Boutera A. Robust sensorless sliding mode control of PMSM with MRAS and Luenberger extended observer, 2016 8th International Conference on Modelling, Identification and Control (ICMIC), p. 174-179.

77. Sergio A. Diaz, Cesar A. Silva, Jorge Juliet, Hernan M. Delpino. Novel anti-windup scheme for stator flux control in surface permanent magnet machines. Power and Energy Conference (TPEC), IEEE Texas, 2017, p. 1-6.

78. Sobhan Mohamadian. A novel flux observer and switching scheme for LCI-fed synchronous motor drives, 8th Power Electronics, Drive Systems & Technologies Conference (PEDSTC), 2017, р. 425-430.

79. Tutaev G.M., Bobrov M.A. Double inverter-fed induction motor energy performances research at analytical model, 2017 International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON 2017, p. 1-5.

80. Tutaev G., Bobrov M., Fedotov Y. Energy-efficient adjustable speed double inverter-fed wound-rotor induction motor drive, Journal of fundamental and applied sciences, 2017, volume 9(2s), p. 1158-1170.

81. Tutaev G.,Bobrov M., Gulyaev I. Energy-Efficient control of double inverter-fed induction motor, Electrical Machines, Drives and Power Systems (ELMA), 2017 15th International Conference, p. 1-4.

82. Tutaev G.M., Volkov A.V., Bobrov M.A. Energy-efficient control options of electric drive based on asynchronous converter-fed motor - В сборнике: труды XIII международной научно-технической конференции актуальные проблемы электронного приборостроения Proceedings: in 12 volumes . 2016, p. 88-93.

83. Tutaev G., Bobrov M. Rotor speed estimation in control system of electric drive based on induction inverter-fed motor, IX International Conference on Power Drives Systems (ICPDS), 2016, р. 1-4.

84. Zhen Xin; Rende Zhao, Frede Blaabjerg, Longlong Zhang, Poh Chiang Loh. An Improved Flux Observer for Field-Oriented Control of Induction Motors Based on Dual Second-Order Generalized Integrator Frequency-Locked Loop // IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2017, volume: 5, issue: 1, р. 513-525.