Система векторного управления тяговым электроприводом рудничных электровозов с использованием аппарата нечеткой логики тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Жеребкин, Богдан Васильевич

• Жеребкин, Богдан Васильевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Жеребкин, Богдан Васильевич

Введение.

Глава 1. Краткий критический анализ современного состояния тяговых электроприводов.

1.1. Общая характеристика условий работы тяговых электроприводов рудничных электровозов.

1.2. Выбор типа тягового электропривода рудничных электровозов.

1.2.1. Машины постоянного тока.И

1.2.2. Вентильные машины.

1.2.3. Вентильно-индукторные машины.

1.2.4. Асинхронные машины с короткозамкнутым ротором.

1.3. Выбор закона управления асинхронными тяговыми двигателями с короткозамкнутым ротором.

1.4. Алгоритмы управления асинхронными частотно-регулируемыми электроприводами.

1.4.1. Классическая система векторного управления.

1.4.2. Система прямого управления моментом.

1.5. Системы управления реализующиеся на теории нечетких множеств и нечеткой логики.

1.6. Выводы.

Глава 2. Математическая модель многодвигательного асинхронного частотно-регулируемого электропривода с классической системой векторного управления.

2.1. Структура многодвигательных асинхронных частотно-регулируемых тяговых электроприводов рудничных электровозов.

2.2. Математическое описание асинхронного двигателя.

2.3. Математическая модель блока ШИМ.

2.4. Математическая модель преобразователя координат системы векторного управления преобразователя частоты.

2.5. Синтез структуры и расчет регуляторов системы векторного управления.

2.6. Математическая модель многодвигательного асинхронного частотно-регулируемого электропривода с классической системой векторного управления.

2.7. Исследование работы многодвигательного асинхронного частотно-регулируемого электропривода с системой векторного управления на математической модели.

2.8. Выводы.

Глава 3. Система векторного управления многодвигательным асинхронным частотно-регулируемым тяговым электроприводом рудничных электровозов с использованием аппарата нечеткой логики.

3.1. Обоснование обращения к экспертным оценкам, теории нечетких множеств и нечеткой логики.

3.2 Структура много двигательного асинхронного частотно-регулируемого тягового электропривода рудничных электровозов с векторным управлением и системой формирования сигналов задания.

3.3. Алгоритм формирования сигналов задания системы векторного управления многодвигательным асинхронным электроприводом с использованием аппарата нечеткой логики.

3.3.1. Фаззификация входных переменных системы нечеткого вывода.

3.3.2. Таблица логических правил системы нечеткого вывода.

3.3.3. Дефаззификация выходных лингвистических переменных системы нечеткого вывода.

3.4. Математическая модель многодвигательного асинхронного электропривода с векторным управлением и системой формирования сигналов задания с использованием аппарата нечеткой логики.

3.5. Выводы.

Глава 4. Экспериментальные исследования на лабораторном макете многодвигательного асинхронного частотно-регулируемого электропривода рудничных электровозов с нечетким векторным управлением.

4.1. Цель и задачи лабораторных экспериментальных исследований.

4.2. Макет многодвигательного асинхронного частотно-регулируемого тягового электропривода рудничных электровозов с микропроцессорной системой нечеткого векторного управления.

4.2.1. Состав электромеханической части лабораторного экспериментального макета.

4.2.2. Состав силовой части лабораторного экспериментального макета.

4.2.3. Система управления лабораторным экспериментальным макетом тягового электропривода рудничных электровозов.

4.2.4. Состав контрольно-измерительной системы лабораторного экспериментального макета.

4.3. Работа лабораторного экспериментального макета много двигательного асинхронного частотно-регулируемого тягового электропривода рудничных электровозов с микропроцессорной системой нечеткого векторного управления.

4.4. Экспериментальные исследования на лабораторном макете многодвигательного асинхронного частотно-регулируемого тягового электропривода рудничных электровозов с микропроцессорной системой нечеткого векторного управления.

4.5. Оценка адекватности результатов полученных теоретическим и лабораторно-экспериментальным способами.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Система векторного управления тяговым электроприводом рудничных электровозов с использованием аппарата нечеткой логики»

В настоящее время тяговые электроприводы рудничных электровозов -это, как правило, электроприводы постоянного тока, которые уступают по ряду показателей электроприводам переменного тока на основе асинхронных, вентильных и вентильно-индукторных машин.

Условия эксплуатации тяговых электроприводов имеют специфические особенности, а именно:

- тяговый двигатель должен обладать большой перегрузочной способностью и развивать значительную силу тяги во время пуска, а также в пути при преодолении больших подъемов;

- подводимое к тяговому электроприводу напряжение нестабильно и допускает отклонения до 20% от номинального значения.

Асинхронный частотно-регулируемый электропривод с системой векторного управления, благодаря своим преимуществам перед другими системами, получает все большее распространение в различных отраслях промышленности, в том числе и в электрической тяге, однако реализация системы управления многодвигательным тяговым электроприводом переменного тока встречает ряд проблем, а именно:

- известные модели работы тягового электропривода не дают достаточной информации для построения и реализации требуемого алгоритма управления и настройки регуляторов системы управления;

- большой объем вычислений в реальном масштабе времени для отыскания ненаблюдаемых параметров управления с помощью математической модели объекта управления затрудняет практическую реализацию микропроцессорного управления;

- наличие ошибки вычисляемых параметров в математической модели работы тягового электропривода, способной вызвать сбой работы системы управления.

- коррекция вычисленных параметров асинхронного тягового двигателя дополнительно требует значительного объема вычислительных операций.

Совершенствованию тяговых электроприводов в разные годы уделяли большое внимание видные Российские ученые. Среди известных работ можно выделить работы А.Т. Буркова, С.А. Волотковского, A.A. Западинского, В.Н. Кордакова, В.В. Литовченко, Г.П. Оата, А.О. Спиваковского, Г.Г. Пивняка, A.B. Рысьева, В.Д. Тулупова, В.Г.Шорина, П.С. Шахтаря,. М.У. Энеева. и др. Интерес к ТЭП проявляют ведущие электротехнические фирмы мира такие как: «OMRON» (Япония) , «Siemens» (Германия), «ABB» (Швеция), «Schneider Electric» (Франция), «General Electric» (США) и др.

Однако, к настоящему времени не решен ряд вопросов, связанных с реализацией системы управления многодвигательным асинхронным частотно-регулируемым тяговым электроприводом. Решению задач разработки системы управления инвариантной к внешним возмущениям с учетом значительного числа параметров, изменяющихся случайным образом, посвящена данная работа.

Целью диссертационной работы является повышение тяговых характеристик и уровня взрывобезопасности рудничных электровозов путем замены тягового электропривода постоянного тока на асинхронный тяговый электропривод.

Идея работы состоит в разработке системы управления многодвигательным тяговым электроприводом переменного тока нечувствительной к внешним возмущениям, позволяющей автоматически перераспределять нагрузку между тяговыми двигателями так, что практически исключено буксование и обеспечена синхронизация скоростей вращения колесных пар рудничных электровозов, за счет использования алгоритмов управления, построенных на основе аппарата нечеткой логики.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

• Разработки расчетной модели тягового электропривода;

• Построения математической модели многодвигательного асинхронного частотно-регулируемого тягового электропривода с системой векторного управления;

• Разработки алгоритма формирования сигналов задания системы векторного управления многодвигательным тяговым электроприводом с использованием аппарата нечеткой логики;

• Создания таблицы логических правил формирования сигналов управления Fuzzy-регулятора на основе экспертных оценок;

• Построения математической модели многодвигательного асинхронного частотно-регулируемого электропривода с системой формирования сигналов задания с использованием аппарата нечеткой логики и векторным управлением;

• Разработки лабораторного экспериментального макета многодвигательного асинхронного частотно-регулируемого тягового электропривода рудничных электровозов с микропроцессорной системой нечеткого формирования сигналов задания системы векторного управления;

• Разработки программы для модуля нечеткой логики и модуля центрального процессора программируемого логического контроллера (PLC) фирмы «OMRON» серии CS1H;

На основании результатов исследований сформулированы следующие научные положения выносимые на защиту:

1. Математическая модель многодвигательного асинхронного электропривода с векторным регулированием, в которой сигналы задания формируются с использованием аппарата нечеткой логики, показала удовлетворительное для инженерных расчетов совпадение результатов с данными эксперимента, и может быть использована для синтеза алгоритмов нечеткого вывода формирования корректирующих сигналов задания.

2. Алгоритм формирования сигналов задания по контурам регулирования электромагнитного момента и частоты вращения системы векторного управления многодвигательным асинхронным электроприводом, построенный с использованием аппарата нечеткой логики позволяет перераспределять нагрузку между тяговыми двигателями для исключения буксования при изменении условий работы рудничного электровоза.

При проведении теоретических исследований использовались методы теории нечетких множеств и нечеткой логики, методы классической теории автоматического управления сложной электромеханической системой и методы теории автоматического управления, методы теории электропривода и методы численного интегрирования с использованием программы МАТЬАВ. Экспериментальные исследования проводились на лабораторном макете многодвигательного асинхронного частотно-регулируемого тягового электропривода рудничных электровозов кафедры ЭиЭМ СГПТЩТУ).

Научной новизной в работе является:

• Алгоритм формирования сигналов задания системы векторного управления многодвигательным асинхронным частотно-регулируемым электроприводом с использованием аппарата нечеткой логики;

• База логических правил Риггу-регулятора на основе экспертных оценок применительно к задаче формирования корректирующих сигналов задания системы векторного управления многодвигательными асинхронными частотно-регулируемыми тяговыми электроприводами.

Обоснованность и достоверность результатов, выводов и рекомендаций подтверждается достаточным объемом и близкой сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Практическая ценность работы состоит в разработанной математической модели многодвигательного асинхронного электропривода с векторным регулированием, построенной с системой формирования корректирующих сигналов задания с испльзованием аппарата нечеткой логики. В создании программного обеспечения для программируемого логического контроллера фирмы «ОМИХЖ» серии С81Н, реализующего алгоритм формирования сигналов задания системы векторного управления многодвигательными асинхронными частотно-регулируемыми тяговыми электроприводами.

Результаты работы могут найти применение при создании систем управления многодвигательными тяговыми электроприводами переменного тока. Объектами такой системы управления мо1ут служить электровозы рудников, шахт, метрополитена, пригородных поездов, троллейбусы и другие транспортные средства, где необходимо согласованное вращение нескольких осей или перераспределение нагрузки между тяговыми двигателями в условиях переменной нагрузки изменяющейся случайным образом.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Жеребкин, Богдан Васильевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе содержится научно обоснованное техническое решение актуальной задачи повышения тяговых характеристик, массогабаритных показателей и уровня взрывобезопасности рудничных электровозов путем замены тягового электропривода постоянного тока на асинхронный тяговый электропривод, что имеет существенное значение для повышения эксплуатационных показателей рудничного рельсового транспорта.