Синтез канала управления возбуждением в двухзонном электроприводе постоянного тока тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Камара Амара

• Камара Амара
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Камара Амара

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА. 1. ИССЛЕДОВАНИЯ НА ЛИНЕЙНОЙ МОДЕЛИ.

1.1 .Краткая характеристика объекта исследования и его математическая модель.

1.2. Линеаризация модели и анализ работы контура ЭДС.

1.3. Исследования на линеаризованной модели.

1.4. Выводы по первой главе.

ГЛАВА. 2. ИССЛЕДОВАНИЯ НА НЕЛИНЕЙНОЙ МОДЕЛИ ПРИ

ОСЛАБЛЕНИИ МАГНИТНОГО ПОТОКА.

2.1. Параметрический синтез системы управления и построение математической модели электропривода в пакете MATLAB.

2.2. Моделирование работы электропривода при скачкообразном изменении задания по скорости.

2.3. Моделирование работы электропривода при использовании задатчика интенсивности.

2.4. Сравнительная оценка различных настроек и правомерности сделанных допущений.

2.5. Выводы по второй главе.

ГЛАВА. 3. ИССЛЕДОВАНИЯ НА НЕЛИНЕЙНОЙ МОДЕЛИ ПРИ УСИЛЕНИИ МАГНИТНОГО ПОТОКА.

3.1. Оценка влияния начальной скорости электропривод на точности регулирования ЭДС.

3.2. Оценка влияния параметров настройки регуляторов ЭДС и тока возбуждения без учета ограничений на выходе преобразователей ТП1 и

3.3. Оценка влияния ограничений по напряжению на выходе преобразователей.

3.4. Выводы по третьей главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Синтез канала управления возбуждением в двухзонном электроприводе постоянного тока»

Современное производство характеризуется высокой интенсификацией технологических процессов и возрастающими требованиями к качеству выпускаемой продукции, что заставляет применять все более совершенное механическое и электротехническое оборудование для промышленных установок и агрегатов. Большую роль в решении задач комплексной автоматизации производства играет регулируемый электропривод постоянного и переменного тока, наиболее полно отвечающий предъявляемым требованиям при сравнительно невысокой стоимости электрооборудования.

Электропривод постоянного тока способен дать все требуемые характеристики, но двигатели имеют коммутационные ограничения по максимальной частоте вращения, зависимой от мощности и питаются от сети через тиристорные преобразователи. Кроме того, этот электропривод потребляет из сети реактивную мощность, что портит сеть, вызывает искажение синусоидальной формы напряжения системы электроснабжения. Поэтому эти факторы начинают сдерживать развитие таких электроприводов.

Электропривод с двигателями переменного тока не имеет недостатков по максимальной частоте вращения и некоторые режимы обеспечивает даже лучше, чем электропривод постоянного ток^. Известно также, что двигатели переменного тока обладают существенными экономическими достоинствами как более дешевые, надежные и не требующие дорогих с относительно низким к. п. д. преобразовательных установок.

В технике наиболее широко используют асинхронные двигатели. Однако в регулируемом электроприводе до недавнего времени эти двигатели не находили широкого применения из-за сложного алгоритма управления ими и отсутствия элементной базы для создания полупроводниковых преобразователей большой мощности. В настоящее время эти трудности преодолены. Разработан частотно-токовый способ управления с достаточно простой реализацией и созданы мощные полупроводниковые элементы.

Благодаря этому электроприводы на базе асинхронного двигателя находят все более широкое применение.

Особое место в электроприводах постоянного тока занимают электроприводы с двухзонным регулированием скорости. Двухзонные электроприводы применяются в промышленных установках, где требуется регулирование скорости как вниз, так и вверх от основной скорости. В системах двухзонного регулирования используются два канала воздействия на электродвигатель - по цепи якоря и по цепи возбуждения. То есть регулирование скорости электропривода производится как изменением напряжения на якоре, так и изменением магнитного потока. За счет этого обеспечивается экономичное регулирование скорости. Для обеспечения хороших энергетических показателей электропривода регулирование скорости в пределах от нуля до основной производится при номинальном потоке возбуждения только за счет изменения напряжения на якоре, а в диапазоне изменения скорости выше основной регулирование осуществляется изменением тока возбуждения при номинальном напряжении или ЭДС якоря.

Двухзонные электроприводы традиционно широко применялись и применяются в прокатном производстве для вращения валков станов и моталок, а также в станкостроении для главного движения металлорежущих станков. Решение вопросов автоматизации и совершенствования названных производственных процессов неразрывно связано с развитием и постоянным совершенствованием таких электроприводов. Усложнение задач, стоящих перед автоматизированным производством, повышает и требования к динамическим свойствам двухзонных электроприводов, что придает большое значение выбору их рациональных структур, расчету параметров и настроек регуляторов.

Существуют два способа управления полем двигателя: независимое и зависимое от напряжения на якоре или ЭДС двигателя. В настоящее время, в основном, применяются электроприводы с?" зависимым управлением полем двигателя и таким электроприводам посвящено большое количество публикаций [1 -36].

Преимущество систем зависимого управления по сравнению с системами независимого управления напряжением и потоком двигателя, состоит в том, что такие системы обеспечивают непрерывное регулирование скорости во всем диапазоне. Здесь не требуется узлов разделения режимов, а управление электроприводом осуществляется лишь изменением одного сигнала - задания по скорости. Однако это преимущество сочетается с известным недостатком таких систем, заключающимся в сложности их структур, так как во второй зоне одновременно участвуют в переходных режимах контуры регулирования как скорости, так и ЭДС двигателя, связанные между собой общим объектом -двигателем.

Зависимое управление магнитным потоком двигателя может быть осуществлено как в функции напряжения на якоре, так и в функции ЭДС двигателя. Для реализации принципа зависимого управления в функции ЭДС и создания соответствующего контура регулирования необходим датчик, основой работы которого является косвенноегвычисление ЭДС двигателя. Из-за трудностей, связанных с измерением ЭДС, иногда двухзонные электроприводы выполняют с управлением магнитным потоком в функции напряжения на якоре. Но, как показано в [3, 5], динамические и энергетические показатели таких электроприводов ниже, чем при управлении в функции ЭДС.

Работа электропривода при неизменном магнитном потоке (1 - зона) описывается системой линейных дифференциальных уравнений и поэтому вопросы анализа и синтеза его системы управления для этих условий проработаны достаточно полно и глубоко, что и отражено в многочисленной научной и учебной литературе, например, в [1 - 3, 6 - 17].

Работа электропривода при изменении магнитного потока (2 - зона) описывается системой нелинейных дифференциальных уравнений, что затрудняет получение аналитических решений для всех координат электропривода, и поэтому вопросы анализа и синтеза канала управления возбуждением не решены до конца и по настоящее время, несмотря и на имеющиеся публикации в этом направлении.

Наибольшее внимание вопросам динамики двухзонных электроприводов нашло отражение в [1 - 3, 17 - 25]. В работах [12, 20, 25], посвященных электроприводам прокатного производства, рассмотрены вопросы предельного г1 быстродействия, определены оптимальные законы изменения магнитного потока и ЭДС возбудителя, показана их связь с электромагнитной постоянной времени цепи возбуждения и получены аналитические временные зависимости для магнитного потока и скорости для некоторых частных случаев.

Вопросам оптимальных переходных процессов при изменении магнитного потока и построения соответствующих рациональных структур систем управления для электроприводов реверсивных прокатных станов уделена значительная часть работ [1 - 4, 11, 18, 22, 25, 32]. В работе [14] обращено внимание на необходимость учета влияния вихревых токов и показано на возможность полной компенсации этого влияния с помощью соответствующих настроек контура тока возбуждения.

Особо следует отметить сравнительно недавно опубликованные работы [27 - 30]. В [27] проведено обобщение известных аналитических решений в отношении скорости и магнитного потока двигателя и в результате предложены универсальные временные зависимости, описывающие динамику электропривода при его работе во второй зоне и оптимальном по быстродействию управлении. В [28] рассматриваются вопросы расчета необходимых форсировок в двухзонном электроприводе постоянного тока. Авторы, на основе анализа процессов изменения магнитного потока при оптимальном управлении получили простое аналитическое условие для расчета необходимых коэффициентов форсировки возбудителя в зависимости от двух обобщенных параметров: отношения электромагнитной и базовой постоянных времени, а также эквивалентного момента сопротивления.

В [29, 30] при анализе динамических свойств двухзонного электропривода с контуром ЭДС были даны некоторые рекомендации по синтезу такого контура, исходя из требуемой точности регулирования. В [30] при рассмотрении двухзонного электропривода с контуром напряжения, f полученная математическая модель контура скорости с учетом влияния контура напряжения позволяет определить области устойчивой и неустойчивой работы электропривода в зависимости от основных параметров и координат электропривода.

Проведенный обзор литературы, посвященный динамике двухзонных электроприводов постоянного тока, показывает, что, несмотря на значительное количество этих работ, многие из вопросов названной проблемы либо только затронуты и рассмотрены на качественном уровне, либо носят все-таки частный характер, либо не рассмотрены совсем. Поэтому проблему синтеза двухзонных электроприводов можно считать до конца нерешенной и по настоящее время. Особенно это касается канала управления возбуждением двигателя, что объясняется сложностью математических моделей электропривода с блоками перемножения, кривой намагничивания, влиянием вихревых токов и взаимным влиянием контуров скорости и ЭДС. Актуальность проблемы подчеркивает и тот факт, что, несмотря на бурный рост электроприводов переменного тока, иностранные и российские фирмы продолжают выпуск электроприводов постоянного тока, закладывая в них возможность для регулирования скорости во второй зоне.

Целью настоящей диссертации является разработка методики синтеза канала управления возбуждением в двухзонном электроприводе с контуром ЭДС в зависимости от требуемой точности регулирования ЭДС.

Для достижения этой цели в диссертации решались следующие задачи: • анализ процессов ослабления и усиления магнитного потока при работе двухзонного электропривода во второй зоне с целью разработки методики синтеза канала управления возбуждения двигателем;

• оценка влияния механической постоянной времени привода и параметров настройки для регуляторов тока возбуждения и ЭДС двигателя на точность регулирования ЭДС;

• проверка предлагаемой методики синтеза канала управления возбуждением на нелинейной модели двухзонного электропривода, как при ослаблении, так и при усилении магнитного потока;

• оценка влияния ограничений на выходе якорного преобразователя и возбудителя на точность регулирования ЭДС и быстродействие электропривода; f

• сравнительная оценка предлагаемой методики с другими существующими методиками.

Методы исследований. Для решения поставленных задач были проведены теоретические исследования на линеаризованной модели с использованием методов линейной теории регулирования для синтеза систем с взаимосвязанными контурами. Экспериментальные исследования выполнены методами математического моделирования в программном пакете Matlab / Simulink на ЭВМ. При решении вычислительных задач также применялись Microsoft Word, Microsoft Paint, пакет Smartdraw, Snaglt 5, пакет MathCAD.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов. Справедливость теоретических выводов ''подтверждена очень хорошим совпадением результатов линейного и нелинейного моделирования, а также результатами сравнения с другими методиками синтеза.

Научная новизна. Разработанная методика синтеза канала управления возбуждением существенно отличается от применяемых на практике методик, позволяет обеспечить требуемую точность регулирования ЭДС и определить необходимый коэффициент форсировки по напряжению возбудителя.

Практическая ценность работы состоит в создании методики синтеза канала управления возбуждением в двухзонном электроприводе в зависимости от требуемой точности регулирования ЭДС двигателя, что позволяет повысить ю динамические свойства таких электроприводов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на XI Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (Москва 2005), на заседании кафедры "Автоматизированный электропривод" Московского энергетического института (Технического университета).

Публикации. По теме диссертации опубликовано три печатные работы. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и библиографического списка использованных источников из 50 наименований. Она содержит 121 страниц основного текста, 45 таблиц и 33 рисунка.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Камара Амара

3.4. Выводы по третьей главе

1. При торможении электропривода с любой скорости во второй зоне (как при отсутствии, так и наличии фильтра на входе контура скорости) в кривой ошибки по ЭДС Ae{t) имеют место два экстремума: минимум ошибки Aemjn, который происходит в конце процесса усиления магнитного потока, и максимум ошибки Aemax, который имеет место после выхода регулятора скорости из насыщения и изменения направления тока якоря. Оба экстремума по значению соизмеримы и меньше принятой пятипроцентной оценки ошибки, что также дает возможность введение поправочного коэффициента при синтезе контуров регулирования с целью снижения требуемой полосы пропускания в контуре регулирования ЭДС.

2. При уменьшении значения начальной скорости, сначала модули ошибок Aemin, Aemax не изменяются, а затем, начиная с некоторой скорости, эти ошибки начинают изменяться. Ошибка Ает\п изменяется как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения, а ошибка Aemax уменьшается.

3. Изменение механической (базовой) постоянной времени (ГБ), постоянной времени регулятора ЭДС (Грэ) и эквивалентной постоянной времени контура тока возбуждения (Тв) неоднозначно влияет на значения ошибок Aemjn, Aemax, но несмотря на это все значения ошибок находятся вблизи принятой пятипроцентной оценки.

4. Полученные максимальные значения ЭДС возбудителя Е"пи очень близки к расчетным значениям Е'тм, что подтверждает правомерность использованной методики расчета необходимого коэффициента.

5. Уменьшение ограничения на выходе преобразователя ТП1 практически не влияет на модуль ошибки Aemjn и значение Е"тм, но заметно изменяет ошибку Aemax, в основном, в сторону увеличения.

6. Уменьшение ограничения на выходе преобразователя ТП2, существенно увеличивает модуль ошибки Ает\п и ошибку Детах, так как во всех опытах имел место недостаток форсировки по напряжению (при этом чем больше этот недостаток, тем больше указанные ошибки). При отсутствии этой форсировки модуль ошибки A<?min существенно увеличивается, а ошибка Детах равна нулю (точнее идет длительный процесс дотягивания до нулевой ошибки).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе анализа процессов ослабления и усиления магнитного потока, а также линеаризации модели двухзонного электропривода с ПИ-регулятором р

ЭДС предложена методика синтеза канала управления возбуждением в зависимости от требуемой точности регулирования ЭДС двигателя и механической постоянной времени привода.

2. Проверка предлагаемой методики синтеза на линеаризованной модели при варьировании механической постоянной времени и параметров настройки регуляторов полностью подтвердила правомерность ее применения.

3. Сравнение результатов исследований на нелинейной модели, как при ослаблении, так и при усилении магнитного потока, без учета ограничений на выходе тиристорных преобразователей, с результатами линейного моделирования показала на достаточно хорошее их совпадение.

4. Проведена оценка влияния ограничений на выходе якорного преобразователя и возбудителя на точность регулирования ЭДС и быстродействие электропривода. При недостаточных форсировках по напряжению на выходе возбудителя происходит существенное увеличение максимальных ошибок и снижение быстродействия.

5. Показано, что применение задатчика интенсивности на входе контура скорости позволяет обеспечить требуемую точность регулирования ЭДС при любой полосе пропускания тиристорного возбудителя.

6. Сравнительная оценка различных методик показала, что предлагаемая методика синтеза обеспечивает требуемую точность регулирования ЭДС, как при учете вихревых токов, так и без их учета, а также при наличии или отсутствии положительной связи по ЭДС. При использовании других методик ошибка регулирования в 3 - 4 раза превышал^ требуемое значение.

7. Таким образом, проверка предлагаемой методики синтеза канала управления возбуждением на линеаризованной и нелинейных моделях электропривода, как при ослаблении, так и при усилении магнитного потока полностью подтвердила правомерность ее применения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Камара Амара, 2006 год

1. Слежановский О.В. Реверсивный электропривод постоянного тока. М., Металлургия , 1967, 423 с.

2. Шипилло В. П. Автоматизированный вентильный электропривод М.: Энергия, 1969.

3. Шапиро Ф. С. Выбор варианта двухзонной системы регулирования скорости двигателей постоянного тока с зависимым управлением полем — В кн.: Инструктивные указания по проектированию электротехнических промышленных установок. М.: Энергия, 1971, № 5.

4. Фишбейн В.Г. Расчет систем подчиненного регулирования вентильного электропривода постоянного тока. М.: Энергия, 1972.

5. Бесекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического регулирования -М.: Наука, 1975. -768с.

6. Лебедев Е. Д., Неймарк В. Е., Пистрак М. Я., Слежановский О. В. Управление вентильными электроприводами постоянного тока. М.: Энергия, 1970.

7. Зимин Е. Н., Кацевич В. Л., Козырев С. К. Электроприводы постоянного тока с вентильными преобразователями. М.: Энергоиздат, 1981, 192 с.

8. Петров 10. П. Оптимальное управление электроприводами. М.: Госэнергоиздат, 1961.

9. Динамика вентильного электропривода постоянного тока. Под ред. А.Д. Поздеева. М.: Энергия, 1975.

10. П.Чистов В. П., Бондаренко В. И., Святославский В.А. Оптимальноеуправление электрическими приводами постоянного тока. М.: Энергия, 1968.

11. Комплектные системы управления электроприводами тяжелыхметаллорежущих станков. Под ред. А.Д. Поздеева. М/. Энергия, 1980.

12. Шрейнер Р.Т. Системы подчиненного регулирования электроприводов. Часть 1. Электроприводы постоянного тока с подчиненным регулированием координат. Екатеринбург 1997. с 5-22.

13. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами. Уч. пос. для вузов. Л.: Энергоиздат, 1982, -391 с.

14. Ключев В. И. Теория электропривода. М.:Энергоатомиздат,1985. -560 с.

15. Ковчин С.А., Сабинин Ю.А. Основы электропривода. С.-П.: Энергоатомиздат, 1994, 496 с.

16. Анхимюк В. Л., Опейко О. Ф., Михеев Н. Н. Теория автоматического управления. Мн.: Дизайн ПРО, 2002, 352 с.

17. Куницкий Н.П. Получение оптимальной кривой тока двигатель при ослаблении потока. Электричество, 1953, № 1, с. 26-30.

18. Бычков В. П. Электропривод и автоматизация металлургическогопроизводства. М.: Высшая школа, 1977.»

19. Андреев Г.И., Босинзон М.А., Кондриков А.И. Электроприводы главного движения металлообрабатывающих станков с ЧПУ. М.: Машиностроение, 1979.

20. Малюк Н. Т., Омельяненко Н. М., Поздеев А. Д. Некоторые особенности синтеза систем вентильных электроприводов с двухзонным регулированием скорости. Электротехническая промышленность, сер. Электропривод, 1979, №4(75), с. 14- 17.

21. Борцов 10. А., Суворов Г. В. Методы исследования динамики сложных систем электропривода. Энергия, 1979.

22. Лапидус М. И., Пистрак М. Я. Рациональное управление полем двигателя в системе двухзонного регулирования частоты вращения. В кн.: Электротехническая промышленность. ' Сер. Электропривод. М.: Информэлектро, 1980, вып. 1 (81), с. 7.

23. Б.Н. Дралюк, А.Е. Тикоцкий. Управление полем двигателя придвухзонном регулировании в функции сигнала управления вентильным преобразователем. Электротехника, 1982, №7, с 25 27.

24. Козырев С. К. Исследование переходных процессов в электроприводе постоянного тока при изменении магнитного потока двигателя. Электричество, 1983, №5, с 34-37.

25. Карандаев А. С. Разработка тиристорных электроприводов с двухзонным регулированием скорости и улучшенными энергетическим показателями, канд. дисс. М.: МЭИ. 1986.

26. Лебедев А.С. Динамика двухзонного электропривода постоянного тока при оптимальном управлении. Электричество, 1990, №12, с. 57-60.

27. Лебедев А.С., Ходер Иса. Расчет форсировок в двухзонном электроприводе постоянного тока. Электричество. 1994. № 2. С. 57 60.

28. Лебедев А.С., Ходер Иса., Анализ и синтез ЭДС в двухзонном электроприводе постоянного тока. Электропривод и системы управления, 1996, №674, с 42-55.

29. Лебедев А. С, Ходер Иса., Исследование динамики двухзонных электроприводе постоянного тока. Электротехника, 1996, № 7, с 23-26.

30. Гемская X. В., Коганов А. В., Стефанович В. Л., Флейшман М. Я. Оптимальные скоростные режимы двигателя валков реверсивного обжимного стана при работе с ослаблением потока возбуждения. Изв. вузов. Электромеханика, 1977, № 3.

31. Бандекела Казади, Бадиела Менжи. Оптимизация переходных процессов в электроприводах постоянного тока при изменении потока двигателя, канд. дисс., М.: МЭИ. 1986.1984.

32. Симаков Г. М. , Гринкевич Д.Я. Способ согласования зон регулирования скорости в двухзонном транзисторном электроприводе постоянного тока. Электротехника, 2000, №11, с 25-29.

33. Перельмутер В. М., Сидоренко В. А. Системы управления тиристорными электроприводами постоянного тока. М.: Энергоатомиздат,1988.-304 с.

34. Лебедев А.С., Остриров В. Н., Садовский JI. А. Электроприводы для станков и промышленных роботов. М.: Изд-во МЭИ, 1991, -100с.

35. Егоров, Шестаков. Динамика систем электропривода. JL: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1983, -216 с.

36. Вешеневский С.Н. Характеристики двигателей в электроприводе. М.: Энергия, 1977, 432 с.

37. Комплектные тиристорные электроприводы. Справочник. Под. ред. В. М. Перельмутера. М.: Энергоатомиздат, 1988, 319 с.

38. Справочник по автоматизированному электроприводу. Под ред. Елисеева В.А., Шинянского А.В. М.: Энергоатомиздат, 1983. 616 с

39. Копылов И.П., Клоков Б.К. Справочник по электрическим машинам. T.l, М.: Энергоатомиздат, 1988, 456 с.

40. Гультяев А. К. MATLAB 5.3. Имитационное моделирование в среде windows. Санкт- Петербург, 2001.

41. Герман Галкин С. Г. , Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0. Санкт-Петербург, 2001.

42. Филлпс Ч., Харбор Р. Системы управления с обратной связью, М.: Лаборатория Базовых Знаний , 2001 616 с.

43. Дорф Р., Бишоп Р. Современные системы управления, Пер. с англ. Б. И. Копылова. М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2002. 832 с.

44. В. И. Карлащук. Электронная лаборатория на IBM PC (Лабораторный практикум на базе Electronics Workbench и MATLAB). Москва СОЛОН-Пресс, 2004.

45. Дьяконов В.П. MATLAB 6/6.1/6.5 + Simulink 4/5 в математике и моделировании. Полное руководство пользователя. М.: СОЛОН-Пресс. 2003. - 576 с.

46. Дьяконов В. П. MATLAB 6. СПб.: Питер, 2001, 592 с.

47. Говорухин В. Н., Цибулин В. Г. Компьютер в математическомА

48. Ануфриев И. Е. Самоучитель MATLAB 5.3/ 6.x. СПб.: БХВ -Петербург, 2003, 736 с.

49. Дьяконов В. П. Simulink 4. Специальный справочник. СПб.: ПИТЕР. 2001.У