Синтез алгоритмов управления частотно-регулируемым электроприводом в условиях информационной неопределенности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Исаков, Алексей Сергеевич

• Исаков, Алексей Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Исаков, Алексей Сергеевич

Введение. Постановка задачи.

Принятые сокращения и обозначения.

Глава 1. Сравнительный анализ систем управления четырехквадрантными асинхронными электроприводами.

1.1. Четырехквадрантный асинхронный электропривод.

1.2. Системы управления асинхронного электропривода в двигательном режиме.

1.3. Системы управления асинхронного электропривода в генераторном режиме.

1.4. Структура разрабатываемой системы управления.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Синтез системы управления асинхронным двигателем, обеспечивающей двигательный режим работы.

2.1. Математическое описание объекта управления.

2.2. Базовый алгоритм синтеза динамического цифрового управления непрерывным техническим объектом на основе его дискретного модельного представления.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Синтез системы управления асинхронным двигателем, обеспечивающей двигательный режим работы в условиях информационной неопределенности.

3.1. Построение наблюдателя.

3.2. Построение динамического цифрового управления непрерывным техническим объектом в условиях информационной неопределенности.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Синтез системы управления асинхронным двигателем, обеспечивающей генераторный режим работы.^

4.1. Математическое описание объекта управления.

4.2. Базовый алгоритм синтеза динамического цифрового управления непрерывным техническим объектом на основе его модельного представления.

4.3. Система управления активным кондиционером силовой электросети.

Выводы по главе 4.

Глава 5. Система управления четырехквадрантным асинхронным электроприводом и описание макетного образца.

5.1. Система управления четырехквадрантным асинхронным электроприводом.

5.2. Описание макетного образца.

5.3. Описание программного обеспечения.

5.4. Результаты экспериментов на макетном образце.

Выводы по главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Синтез алгоритмов управления частотно-регулируемым электроприводом в условиях информационной неопределенности»

В настоящее время частотно-регулируемые электроприводы переменного тока, по единому мнению специалистов, не уступают электроприводам постоянного тока практически по всем основным технико-экономическим показателям, а по некоторым показателям статических и динамических характеристик и превосходят его. Такое положение стало возможным благодаря успехам, достигнутым в последние десятилетия в области создания мощных запираемых силовых полупроводниковых приборов с высокими динамическими параметрами и быстродействующих микропроцессорных средств управления. Поскольку среди широко используемых в промышленности электродвигателей наибольшей простотой и надежностью при минимальных массогабаритных показателях и стоимости характеризуется асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, именно частотно-регулируемый асинхронный электропривод стал главным типом регулируемого промышленного электропривода, серийно выпускаемого всеми ведущими электротехническими фирмами мира.

Исследования в электроприводе, являющемся силовой основой современной промышленности, определяют перспективу дальнейшего развития практически всех отраслей хозяйственной деятельности человечества. Общеизвестен факт, что электропривод перерабатывает порядка двух третей вырабатываемой электроэнергии, а его доля в приводе механизмов превышает девяносто процентов. Особенно роль электропривода проявилась в последние десятилетия, когда в полный рост встала проблема энергосбережения [4,33]. Это привело к тому, что наряду с традиционными отраслями промышленности, где применялся регулируемый электропривод в силу требований технологического процесса (металлорежущие станки, робототехнические комплексы, металлургическое производство и т.п.), составляющим порядка десяти процентов, стал внедряться регулируемый электропривод в те сферы производства, где применялся нерегулируемый асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Тема диссертационных исследований под названием "Синтез алгоритмов управления частотно-регулируемым электроприводом в условиях информационной неопределенности" подсказана необходимостью соединения в едином проблемном модуле возможностей нынешнего состояния теории и практики разработки систем управления четырехквадрантными асинхронными электроприводами с достижениями современной теории управления в области цифровых динамических систем.

Диссертационные исследования проводились в рамках договора ОАО "НИИ Точной механики" с ГУЛ "Петербургский метрополитен", направленного на решение важной народнохозяйственной задачи: "Разработка комплексной микропроцессорной системы управления эскалаторным наклоном метрополитена с асинхронными тяговыми приводами". На соискателя возлагалась задача разработки алгоритмов цифрового управления асинхронным двигателем в условиях невозможности измерения механических величин и устройством рекуперации при компенсации помех в силовой электросети от нелинейных потребителей. Результаты проведенных диссертационных исследований позволили научной группе сектора управляемого электропривода разработать опытный макетный образец четырехквадрантного асинхронного электропривода с векторными частотно-токовыми системами управления и автономными инверторами напряжения с синусоидальной широтно-импульсной модуляцией на базе IGBT модулей мощностью 200 кВт.

При получении теоретических результатов использовались метод пространства состояний применительно к задачам цифрового управления, метод векторного управления, построение нелинейных стохастических наблюдателей, подчиненное регулирование, линеаризация в малом в окрестности точки номинального режима, настройка стандартных регуляторов. Математический аппарат поддерживается программной и модельной оболочкой Matlab последних версий.

Соискатель при построении текста диссертации структурировал его с помощью рубрик: концепция, модельное представление, алгоритм синтеза системы управления, проверка, результаты. Структурно диссертация состоит из введения, перечня используемых сокращений и обозначений, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Исаков, Алексей Сергеевич

Выводы по главе 5

1. Произведено совместное моделирование систем управления асинхронным двигателем и активным выпрямителем и показаны возможности их взаимодействия в составе системы управления четырехквадрантным электроприводом с целью расширения ее возможностей.

2. Разработанное программное и аппаратное обеспечение соответствует разработанной системе управления и требованиям, предъявленным к ее физической реализации.

3. Экспериментальные испытания макетного образца подтвердили результаты моделирования и показали полное соответствие схемотехнических решений и выбранных алгоритмов управления поставленной задаче.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Поставленные задачи диссертационных исследований в основном диссертантом решены, при этом:

1. На основе составленного математического описания АД и синтезированного динамического наблюдателя разработаны и проанализированы системы управления АД при наличии и отсутствии датчика положения ротора двигателя, получены показатели качества и ограничения использования данных систем.

2. Синтезирован динамический наблюдатель на основе расширенного фильтра Калмана, позволяющий оценить вектор состояния АД в условиях информационной неопределенности стохастической природы.

3. На основе составленного математического описания системы "инвертор рекуперации - силовой фильтр - силовая сеть" и проведенного анализа спектра гармонических составляющих силовой сети во ВСК, синхронизированной с основной гармоникой, разработана и исследована система управления АВ в режимах рекуперации и компенсации токовых гармонических искажений в силовой сети

4. Получен блок синхронизации с сетью, работающий в условиях искажений и отклонений параметров силовой сети от номинальных.

5. На основе сравнительного анализа установлено сходство основных принципов построения систем управления АД и устройства рекуперации.

6. Получены уравнения для согласования систем управления АД и АВ с целью оптимизации их функционирования.

7. Разработана методика расчета регуляторов и наблюдателя для полученной структуры системы управление ЧЭП мощностью до 200кВт.

8. Экспериментальные испытания опытного образца подтвердили результаты моделирования и показали полное соответствие разработанных схемотехнических решений и сформированных алгоритмов управления поставленной задаче.

К сожалению, автор констатирует, что в процессе написания диссертационной работы ряд вопросов остались без должного внимания, а также ряд проблем требует дальнейшего исследования. К таким вопросам и проблемам можно отнести:

1. Идентификация параметров асинхронного двигателя на этапе обучения системы управления.

2. Температурная компенсация изменяющихся во времени параметров асинхронного двигателя.

3. Повышение точности и расширение диапазонов регулирования скорости вращения ротора двигателя.

4. Улучшение устойчивости наблюдателя в диапазоне скоростей, близких к нулю.

5. Разработка алгоритмов коммутации ключей силового инвертора, приводящие к меньшим искажениям формируемых сигналов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Исаков, Алексей Сергеевич, 2009 год

1.В. Теория фильтрации Калмана Текст. / А.В. Бала-кришнан; пер. с англ. под ред. А.А.Новикова - М.: Мир, 1988. - 168 с.

2. Башарин А.В. Управление электроприводами Текст.: учебное пособие для вузов / А.В. Башарин, В.А. Новиков, Г.Г. Соколовский -JL: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1982. 392 с.

3. Бесекерский В.А. Теория систем автоматического управления Текст. / В.А. Бесекерский, Е.П. Попов Изд. 4-е. — СПб.: Изд-во «Профессия», 2003. - 752 с.

4. Браславский И.Я. О возможностях энергосбережения при использовании регулируемых асинхронных электроприводов Текст. / И .Я. Браславский // Электротехника. 1998. - №8. - С.2-6.

5. Власенко В.А. Динамическая настройка стандартных регуляторов Текст. / В.А. Власенко, O.K. Мансурова СПб: СПб ГИТМО(ТУ), 2002. - 35 с.

6. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MatLab 6.0 Текст.: Учебное пособие / С.Г. Герман-Галкин СПб.: КОРОНА принт, 2001. - 320 с.

7. Герман-Галкин С.Г. Силовая электроника Текст.: Лабораторные работы на ПК / С.Г. Герман-Галкин СПб.: Учитель и ученик, КОРОНА принт, 2002. - 304 с.

8. Гончаренко М.Р. Электромагнитные процессы в силовой цепи быстродействующего асинхронного электропривода Текст.: автореф. дис. . канд. техн. наук / Гончаренко Михаил Робертович. Ленинград, Ротапринт ЛИТМО 1989. - 17 с.

9. Гончаренко Р.Б. Пути повышения эффективности электромашинных систем преобразования энергии возобновляемых источников Текст. / Р.Б. Гончаренко, М.Р. Гончаренко, И.А. Рудомазина // Известия Академии наук. Энергетика. 1998. - №2. - С.36-45.

10. Синтез дискретных регуляторов при помощи ЭВМ Текст. / В.В. Григорьев [ и др.]. JL: Машиностроение, 1983. - 245 с.

11. Современное состояние и тенденции в частотно-регулируемом электроприводе Текст. / JI.X. Дацковский [и др.]. // Электротехника. — 1996. -№10,- С.18-28.

12. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроникиТекст.: Учебник / Г.С. Зиновьев Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000. - 4.2 - 197 с.

13. Зиффлинг Г. Стохастические основы фильтра Калмана-Бьюси Текст. / Г. Зиффлинг, К. Брамер; пер. с нем. -М.: Наука, 1982. 196 с.

14. Изерман Р. Цифровые системы управления Текст. / Р. Изерман; пер. с англ. под ред. И.М. Макарова М.: Мир, 1884. - 541 с.

15. Исаков А.С. Современные системы управления асинхронным электроприводом Текст. / А.С. Исаков, А.П. Баев // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Технология управления. 2006. -Вып.ЗЗ. - С.30-34.

16. Исаков А.С. Динамический наблюдатель вектора состояний асинхронного электропривода в составе бездатчиковой системы векторного управления Текст. / А.С. Исаков, М.Р. Гончаренко // Изв. вузов. Приборостроение. 2007. - №11.- С.68-72.

17. Исаков А.С. Система управления активным кондиционером электросети Текст. / А.С. Исаков, М.Р. Гончаренко // Изв. вузов. Приборостроение. 2008. - № 3. - С.26-31.

18. Калашников В.И. Глубоко регулируемые системы векторного управления Текст. / В.И. Калашников, В.В. Булахов // Вестник ХГПУ. Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика. -2000. Вып.113. - С.85-86.

19. Климов В.П. Проблемы высших гармоник в современных системах электропитания Текст. / В.П. Климов, А.Д. Москалев // Науч.-техн.сб. Практическая силовая электроника, /под ред. Г.М. Малышкова М.: АОЗТ «ММП-Ирбис», 2002. - Вып 5. - С.24-26.

20. Климов В.П. Способы подавления гармоник тока в системах электропитания Текст. / В.П. Климов, А.Д. Москалев // Науч.-техн.сб. Практическая силовая электроника. / под ред. Г.М. Малышкова М.: АОЗТ «ММП-Ирбис», 2002. - Вып 6. - С.38-40.

21. Ключев В.И. Теория электропривода Текст.: Учеб для вузов / В.И. Юпочев М.: Энергоатомиздат, 2001. - 697 с.

22. Ковач К.П. Переходные процессы в машинах переменного тока Текст. / К.П. Ковач, И. Рац; пер. с нем. под ред. А.И. Воль Дека M.JL: Госэнергоиздат, 1963. - 735 с.

23. Нейман JI.P. Теоретические основы электротехники Текст. / Л.Р. Нейман, П.Л. Калантаров Л.: Госэнергоиздат, 1959 - 4.2. - 444 с.

24. Рудаков В.В. Асинхронные электроприводы с векторным управлением Текст. / В.В. Рудаков, И.М.Столяров, В.А. Дартау Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 136 с.

25. Рудаков В.В. Современное и перспективное алгоритмическое обеспечение частотно-регулируемых электроприводов Текст. / В.В. Рудаков, А.Е. Козярук СПб.: Санкт-Петербургская Электротехническая компания, 2004. - 127 с.

26. Основы цифровой обработки сигналов Текст.: Курс лекций / А.И. Солонина [и др.]. Изд. 2-е. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 768 с.

27. Усольцев А.А. Векторное управление асинхронными двигателями Текст.: Учебное пособие / А.А. Усольцев СПб: СПб ГИТМО(ТУ), 2002.-43 с.

28. Усольцев А.А. Частотное управление асинхронными двигателями Текст.: Учебное пособие / А.А. Усольцев СПб: СПбГУ ИТМО, 2006 -94 с.

29. Хашимов А.А. Энергосберегающие системы автоматизированного электропривода переменного тока Текст. / А.А. Хашимов // Электротехника. 1995. - №11. - С.34-39.

30. Abrahamsen F. Adjustable Speed Drive with Active Filtering Capability for Harmonic Current Compensation Text. / F. Abrahamsen, A. David // PESC.-1995.-vol.2.- P.1137-1143.

31. Allmeling J.H. A control structure for fast harmonics compensation in active Text. / J.H. Allmeling // PESC. 2002. - vol. 1. - P.376 -381.

32. Barrass P. PWM rectifier using indirect voltage sensing Text. / P. Barrass, M. Cade // IEE Proceedings Electric Power Applications. 1999. - vol. 146. - P.539-544.

33. Bhattacharya S. Active filter system implementation Text./ S. Bhattacharya [and other] // Industry Applications Magazine. 1998. - vol.4. - P.47-63.

34. Clarke & Park Transforms on the TMS320C2xx Electronic resource. -1997 URL: http://www.ti.com

35. Depenbrock M. Direct Self Control (DSC) of Inverter-Fed Induction Machine Text. / M. Depenbrock // Power Electronics. 1988. - vol.3. -P.420-429.

36. EN 61800-3. Adjustable Speed Electrical Power Drive Systems Text. -publ. 04.02.05. CENELEC, Brussels, Belgium and National Standards organizations in EU member countries. - 122 p.

37. Jezernik K. Robust Direct Torque and Flux Vector Control of Induction motor Text. / K. Jezernik // IECON. 1998. - vol.2. - P.667-672.

38. Hansen S. Control strategies for PWM rectifiers without line voltage sensors Text. / S. Hansen [and other] // APEC. 2000. - vol.2. - P.832-839.

39. Hisao K. Speed Sensorless Field Oriented Control of Induction Machines using Flux Observer Text. / K. Hisao, K. Matsuse // IECON. 1994. -vol.3.-P.1611-1615.

40. Holtz J. Methods for Speed Sensorless Control of AC Drives Electronic resource. / J. Holtz // IEEE Press Book, 1996. URL: http://www.ema.uni-wuppertal.de/paper/sensles.pdf

41. Has C. Comparison of Different Schemes without Shaft Sensors for Field Oriented Control Drives Text. / C. lias [and other] // IECON. 1994. -vol.3.-P.1579-1588.

42. Isakov A.S. Four-quadrant asynchronous electric drive with three-phase PWM rectifiers Text. / A.S. Isakov // Proceedings Of The 11th International Student Olympiad On Automatic Control. SPb.: Spbsuitmo, 2006. -P.148-152.

43. Kang JK New Direct Torque Control of Induction Motor for Minimum Torque Ripple and Constant Switching Frequency Text. / Jun-Koo Kang, Seung-Ki Sul // Industry Applications. 1999. - vol.35. - P.1076-1082.

44. Kataoka Т. A three-phase voltage-type PWM rectifier with the function of an active power filter Text. / T. Kataoka [and other] // Power Electronics and Variable Speed Drives. 2000. - P.386-391.

45. Loron L. Application of an Extended Kalman Filter to the estimation of the parameters of a solid rotor asynchronous drive with two degrees of freedom Text. / L. Loron, G. H. L. Peterson // Power Electronics and Applications. -1991.- vol.5. -P.85-90.

46. Mora J.L. ASIC-Based Tachometer Without Mechanical Transducer for Induction Machines Text. / J. L. Mora [and other] // IECON. 1999. -vol.3.-P.1039-1044.

47. Ohnuki T. A three-phase PWM rectifier without voltage sensors Text. / T. Ohnuki [and other] // IEE Proceedings Electric Power Applications. 1999 - vol.146.-P.632-636.

48. Perelmuter V. A Simplified Modeling of Induction Motor Drives with Direct Torque Control Text. / V. Perelmuter // IECON. 1999. - vol.2. -P.486-491.

49. Rusong W. PWM AC to DC converter with fixed switching frequency Text. / W. Rusong, S.B. Dewan, G.R. Slemon // Industry Applications. -1990.-vol.26.-P.880-885.

50. Schroder D. Neural-Net Based Observes for Sensorless Drives Text. / D. Schroder, C. Schaffner, U. Lenz. // IECON. 1994. - vol.3. - P.1599-1610.

51. Sul S.K. A Novel Technique for Optimal Efficiency Control of a Current-Source Inverter-Fed Induction Motor Text. / S.K. Sul, M.H. Park // Power Electronics. 1988. - vol.3. - P. 192-198.

52. Takahashi I. A New Quick-Response and High-Efficiency Control Strategy of an Induction Motor Text. / I. Takahashi, T. Noguchi // Industry Application. 1986. - vol.IA-22. - P.820-827.

53. The release of IEEE Std 519-1992. Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems Text. -publ. 01.05.91. Institute of Electrical and Electronics Engineers. - 112 p.

54. Thomas Т. Design and performance of active power filters Text. / T. Thomas [and other] // Industry Applications. 1998. - vol.4. - P.38-46.

55. Tung-Hai Chin Approaches for Vector Control of Induction Motor without Speed Sensor Text. / Chin Tung-Hai // IECON. 1994. - vol.3. - P. 16161620.

56. Walczyna A.M. Problems of Application of Direct Flux and Torque Control Methods to High Power VSI-Fed Drives Operating at Low Speed Text. / A.M. Walczyna // IECON. 1994. - vol.1. - P.293-298.

57. Zhou D. Regulation and design issues of a PWM three-phase rectifier Text. / D. Zhou, D. Rouaud // IECON. 1999. - vol.1. - P.485-489.