авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Разработка и исследование вариантов управления состоянием электроприводов на базе асинхронных электродвигателей

На правах рукописи

ГРИГОРЬЕВ АЛЕКСАНДР ВАСИЛЬЕВИЧ РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВАРИАНТОВ УПРАВЛЕНИЯ СОСТОЯНИЕМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ НА БАЗЕ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово – 2010 2

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет» Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Ещин Евгений Константинович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Пугачев Емельян Васильевич, кандидат технических наук, доцент Янцен Владимир Иванович

Ведущая организация: ОАО «УК «Кузбассразрезуголь»

Защита состоится 14.10.2010 в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.102.01 в Государственном образовательном учреждении высшего профес сионального образования «Кузбасский государственный технический универси тет» (650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28).

Адреса эл. почты: asv.uchsov@kuzstu.ru, grigav84@mail.ru Факс: (3842) 58-33-

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образова тельного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский гос ударственный технический университет».

Автореферат разослан 10 сентября

Ученый секретарь диссертационного совета А. Г. Захарова Актуальность работы Одним из путей дальнейшего повышения технико-экономических показа телей электроприводов на базе асинхронных электродвигателей (АД) является со вершенствование способов управления их состоянием. При этом асинхронный электродвигатель рассматривается как источник силовых управляющих воздей ствий на механическое передаточное устройство электропривода, определяющий успех выполнения технологических операций и формирование необходимого внутреннего состояния элементов всей электромеханической системы.

Вопросами управления АД занимаются уже более 80 лет. Первым вариан том управления, сформулированным еще в 1925 г. академиком М.П. Костенко, является одноименный закон управления. Этот вариант управления широко при меняется для систем разомкнутого управления, где не требуется высокая точность управления частотой вращения.

Дальнейшее развитие теории управления АД можно разделить на два направления: варианты скалярного управления и варианты управления с ориента цией по вектору потока ротора. Представителями первого направления являются А.А. Булгаков, А.С. Сандлер, Р.С. Сарбатов, Ю.А. Сабинин, В.Л. Грузов и др.

Второе направление получило усиленное развитие в работах зарубежных авторов, таких как, К. Хасс (Hasse), Ф. Блашке (F. Blaschke) и др. Неоспоримым достоин ством второго направления является высокое качество управления как в пере ходных, так и в установившихся режимах. После выхода работы F. Blaschke мно гие авторы обратили свое внимание на усовершенствование методов управления с ориентацией по вектору потока.

В это время (1985 г.) М. Депенброк (M. Depenbrock) предлагает совершен но другой подход к задаче управления АД. Подход заключался в непосредствен ном управлении траекторией движения вектора потока статора воздействием на него вектора напряжения статора. Благодаря такому управлению одновременно решаются задачи регулирования магнитного состояния машины и управления электромагнитным моментом. Независимо от М. Депенброка авторы И. Такахаши (I. Takahashi) и Т. Ногучи (T. Noguchi) годом позже (1986 г.) предлагают анало гичный вариант управления, отличающийся от предыдущего более простой реа лизацией и круговой траекторией вектора потока статора. Варианты получили название «прямое управление моментом». После выхода работ М. Депенброка, И.

Такахаши и Т. Ногучи многие зарубежные авторы обратили внимание на усовер шенствовании вариантов прямого управления моментом.

Следует отметить также существование в отечественных работах обособ ленного подхода к управлению АД, основанному на теории оптимального управ ления. Оптимальные управления АД можно разделить на два направления: непре рывное управление (управляющее воздействие – частота напряжения статора), кусочно – непрерывное управление (управления – составляющие вектора потока статора). В работах Е.К. Ещина показана связь вариантов оптимального управле ния и вариантов управления с ориентацией по вектору потока и прямого управле ния моментом.

Необходимо отметить, что:

- теоретически существует множество возможных вариантов оптимального управления объектом, описываемым дифференциальными уравнениями, кото рые обеспечивают одинаковый результат управления. Естественно возникает проблема поиска наилучшего решения среди оптимальных решений, как вто рой уровень оптимизации построения системы управления электроприводом.

- в большинстве работ авторы предлагают частное решение задачи, например, управления электромагнитным моментом и магнитным состоянием, минуя об щую постановку задачи управления АД, и при изменении постановки задачи проводят новый поиск решений. В этой связи можно сформулировать задачу поиска общего решения задачи управления координатами АД, которую можно, используя терминологию, принятую в работах Л.С.Понтрягина, сформулиро вать следующим образом: среди всех допустимых управлений ui U, перево дящих АД из исходного положения в заданное, найти такое, для которого функционал J f x,U dt принимает наименьшее возможное значение.





T t - многочисленными исследованиями установлено, что именно высокий уровень динамической нагруженности является одной из наиболее важных причин низ кой надежности электроприводов, например, горных машин (ГМ). Именно этот фактор определяет интенсивный расход ресурсов всех элементов активных ча стей электроприводов. Формирование необходимой динамической нагружен ности элементов ГМ возможно на основе использования исполнительных элек трических машин в качестве источников формирования силовых управляющих воздействий.

Таким образом, вопросы управления состоянием АД можно считать недо статочно изученными и в этой связи необходимо:

- найти решение общей задачи управления состоянием АД в виде синтезирую щих функций (аналитических конструкций оптимальных управляющих устройств), определяющих правила связей управляющих воздействий на АД с его фазовыми координатами;

- выявить наиболее простые и реализуемые аналитические конструкции опти мальных устройств управления состоянием АД на основе общих вариантов управления;

- выполнить компьютерный анализ качества выявленных аналитических кон струкций оптимальных управляющих устройств;

- экспериментально подтвердить результаты теоретических исследований на экспериментальной установке, включающей преобразовательное устройство в виде автономного инвертора напряжения и электромеханический преобразова тель - АД.

Цель работы - разработка алгоритма поиска вариантов оптимального управления состоянием асинхронного электродвигателя, объяснение и прогнози рование динамических процессов передачи и электромеханического преобразова ния энергии в асинхронных электроприводах в управляемых режимах, направ ленные на повышение уровня эксплуатации электроприводов и необходимые для использования при исследовании этих процессов в проектной практике.

Идея работы состоит в использовании физических возможностей совре менной преобразовательной техники для физической реализации аналитических конструкций оптимальных устройств управления состоянием асинхронного элек тродвигателя, рассматриваемого как источник силового управляющего воздей ствия на электромеханическую систему электропривода.

Основные научные положения 1. Алгоритмический поиск практических вариантов аналитических конструкций оптимальных устройств управления состоянием АД производится на основе специально полученных средствами принципа максимума Л.С. Понтрягина со вокупностей оптимальных связей целевых функционалов с фазовыми коорди натами АД, которые неявным образом учитывают структуру и режим работы электропривода.

2. Варианты аналитических конструкций оптимальных устройств управления со стоянием АД являются кусочно-непрерывными функциями, физически воспро изводимыми автономным инвертором напряжения. При этом исключается необходимость реализации широтно-импульсной модуляции автономного ин вертора.

3. Найденные аналитические конструкции оптимальных устройств управления состоянием АД имеют структуру минимальной сложности, благодаря чему распространение ошибок вычисления при построении цифровых систем управ ления минимизируется.

Методы исследований При выполнении диссертационной работы: производилось моделирование электромеханических процессов АД в управляемых режимах на основе математи ческих моделей теории обобщенной электрической машины, численных методов решения систем дифференциальных (метод Рунге-Кутта 4-го порядка) и алгебра ических (метод Гаусса) уравнений, выполнялось решение общей задачи управле ния состоянием АД на основе метода теории оптимального управления (принцип максимума Л.С. Понтрягина), а также выполнялась экспериментальная проверка результатов теоретических исследований методами имитационного физического и вычислительного моделирования.

Научная новизна 1. Разработан алгоритм синтеза оптимальных устройств управления состоянием АД, при котором управляющие воздействия являются кусочно-непрерывными функциями, величина которых определяется при помощи синтезирующих функций, зависящих от состояния АД.

2. На основе разработанного алгоритма синтеза оптимальных устройств управле ния получены частные варианты управления состоянием АД (электромагнит ным моментом и магнитными потоками), обладающие минимальной сложно стью.

3. Разработаны алгоритм и программа для цифровой системы управления элек троприводом, состоящим из электрического (автономного инвертора напряже ния) и электромеханического (АД) преобразователей энергии, реализующие аналитические конструкции оптимальных устройств управления состоянием АД.

Практическая ценность состоит:

1. В разработке алгоритма синтеза оптимальных управляющих устройств состоя нием АД, позволяющего синтезировать частные варианты управления состоя нием минимальной сложности при произвольной целевой формулировке задачи управления.

2. В разработке конструкций оптимальных устройств управления электромагнит ным моментом и магнитным состоянием АД, позволяющих минимизировать распространение ошибок в системах управления электроприводом.

3. В разработке технического решения, позволяющего реализовать разработанные конструкции оптимальных управляющих устройств при построении систем управления электроприводов на базе асинхронных электродвигателей, исполь зующего элементную базу современной преобразовательной техники.

Достоверность научных положений и выводов подтверждается совпа дением результатов, полученных на основе вычислительного эксперимента моде лирования электромеханических процессов при управлении электромагнитным моментом и магнитным состоянием АД на основе синтезированного алгоритма управления и экспериментальных данных, полученных на испытательной уста новке, включающей в себя автономный инвертор напряжения со встроенной циф ровой системой управления и АД, реализующей разработанный алгоритм управ ления.

Апробация работы Основные положения диссертационной работы докладывались на между народной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании ‘2008» (Одесса, 15- декабря 2008 г.), международной научно-практической конференции «Современ ные направления теоретических и прикладных исследований ’2009» (Одесса, 16 27 марта 2009 г.), II-ой Всероссийской научно-технической конференции «Элек тротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий» (Уфа, 19- марта 2009 г.), I-ой Всероссийской, 54 научно-практической конференции «Рос сия молодая» (Кемерово, 20-24 апреля 2009 г.).

Публикации По результатам выполненных исследований опубликовано 8 печатных ра бот, в том числе патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, 4 разделов и заключения, изложенных на 130 страницах машинописного текста.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы, сформулирована цель работы и приведена характеристика структуры диссертации.

В первой главе рассматривается проблема, существующие методы и ва рианты управления состоянием электроприводов с АД. Анализ технической лите ратуры по проблеме показал, что наилучшими динамическими показателями об ладают варианты управления с ориентацией по векторам потоков (Field-Oriented Control - FOC) и прямого управления моментом (Direct Torque Control - DTC). До стоинствами являются: быстродействие контура регулирования электромагнитно го момента, высокая точность управления в динамических и статических режи мах. Недостатки: необходимость оценки составляющих векторов потоков АД, ал горитм управления зависит от структуры преобразователя.

Анализ работ показал, что в настоящее время не существует общего под хода к управлению состоянием АД, при котором управляющими воздействиями являются кусочно-непрерывные функции. В результате чего при изменении по становки задачи управления, авторы производят поиск нового решения.

На основании публикаций по теме диссертации были сформулированы требования к разрабатываемым вариантам управления:

1. Управляющие воздействия являются ограниченными по уровню кусочно непрерывными функциями, определяемыми на основании синтезирующих функций, зависящих от текущего состояния АД.

2. Синтезирующие функции должны быть по возможности простыми, а их оценка реализуема на практике.

3. Частота управлений должна быть в пределах, доступных для реализации на практике (максимальная частота коммутации силовых ключей 40 кГц).

Во второй главе описываются методы и модели оценки состояния АД. В первой части главы приводятся модели АД в двухфазной ортогональной и трех фазной системах координат при условии, что система электроснабжения – трех проводная:

- двухфазная система координат u-v, вращающаяся с произвольной частотой k :

dsu dru U ru Rr iru k p rv, U su Rs isu k sv, dt dt dsv drv U rv Rr irv k p ru, U sv Rs isv k su, dt dt - трехфазная система координат u-v-w, вращающаяся с произвольной частотой k :

rw, sw, dru dsu U ru Rr iru k p rv U su Rs isu k sv dt dt ru, su, drv dsv U rv Rr irv k p rw U sv Rs isv k sw dt dt 3 sv, rv, dsw drw U rw Rr irw k p ru U sw Rs isw k su dt dt 3 Представленные модели используются для синтеза вариантов управления и моделирования электромеханических процессов АД в управляемых режимах в третьей главе.

Для оценки состояния АД применяются другие модели. На основе анализа существующих вариантов оценки состояния можно выделить наиболее простой и надежный вариант оценки состояния АД: наблюдатель, основанный на модели цепи статора:

s u s Rs is dt.

s u s Rs is dt, Наблюдатель этого типа не работоспособен в реальных условиях из-за накопления ошибки в процессе интегрирования. Эта проблема решается заменой звена чистого интегрирования на фильтр нижних частот. Такая замена приводит к уменьшению рабочего диапазона частот наблюдателя:

T f ps s T f u s Rs is.

T f ps s T f u s Rs is, В третьей главе описывается процесс получения синтезирующих функ ций ( i ) при помощи принципа максимума Л.С. Понтрягина. Оптимальные управления находятся в зависимости от синтезирующих функций по следующим правилам:

1U su max, 2U sv max, 3U ru max, 4U rv max.

Из правил следуют общие выражения для оптимальных управлений. Если управление производится со стороны статора:

f f 0, 0, U s max, U s max, rv,,q ru,,d (1) U su,,d U sv,,q f 0 f U U 0, 0,,, s max ru,,d s max rv,,q где U s max - максимально возможное значение составляющей вектора напряжения статора, индексы u, v,,, d, q обозначают принадлежность соответствующей си стеме координат.

Только для системы координат -:

f f 0, 0, U s max, U s max, s s (2) U s U s f 0 f U U 0, 0.

,-, s max s max s s Если управление производится со стороны ротора:

f f 0, 0, U r max, U r max, su,,d sv,,q (3) U ru,,d U rv,,q f 0 f U U 0, 0,,, r max su,,d r max sv,,q где U r max - максимально возможное значение составляющей вектора напряжения ротора.

Только для системы координат d-q:

f f 0, 0, U r max, U r max, rq rd U rd U rq (4) f 0 f U U 0, 0.

,-, r max r max rd rq Для получения синтезирующих функций и соответствующих конструкций оптимальных устройств управления состоянием трехфазных АД необходимо ис пользовать модель в системе координат u-v-w. В этом случае обобщенные вариан ты оптимального управления можно выразить следующим образом:

f f 0 f 0, 0, 0, U s max, U s max, U s max, rw,c, z ru,a, x rv,b, y U sw,c, z U sv,b, y U su,a, x (5) U s max, f f f 0 U s max, U 0, 0, 0, s max, rw,c, z rv,b, y ru,a, x f f f U s max, 0, U s max, 0, U s max, 0, sa sb sc U sa U sb U sc (6) U s max, f 0, U s max, f 0, U s max, f 0, 0 sa sb sc f f 0 f 0, 0, 0, U r max, U r max, U r max, su,a, x sw,c, z sv,b, y U ru,a, x U rw,c, z U rv,b, y (7) U r max, f U r max, f U r max, f 0 0, 0, 0, su,a, x sw,c, z sv,b, y f f 0 f U r max, 0, U r max, 0, U r max, 0, ry rx rz U ry U rx U rz (8) U r max, f 0, U r max, f 0, U r max, f 0.

0 ry rz rx На основе общих выражений для оптимальных управляющих устройств состоянием АД были получены частные варианты для случая управления элек тромагнитным моментом и магнитными потоками со стороны статора и со сторо ны ротора. Классификация вариантов управления представлена на рис. 1.

Из общего варианта управления координатами АД получены два вида ва риантов управления:

- поочередное управление координатами;

- одновременное управление координатами.

Первый вид вариантов управления предполагает использование управле ний для достижения поочередно каждой из целей. Например, для задачи управле ния электромагнитным моментом и потоком ротора вначале будет выполняться управление потоком ротора, а по достижению заданного значения - управление электромагнитным моментом. Второй вид вариантов управления предполагает использование управлений для достижения одновременно двух целей, поэтому в их конструкциях содержится две функции f 0. Варианты одновременного управ ления можно разделить на варианты с конечным числом положений вектора управляющих воздействий и варианты с произвольным положением вектора. Ва рианты с конечным числом положений вектора напряжения непосредственно формируют управляющий сигнал на ключи инвертора. Варианты с произвольным положением вектора управлений предполагают использование широтно импульсной модуляции, при которой ширина импульсов формируется непосред ственно с помощью синтезирующих функций.

Рис. 1. Классификация вариантов оптимального управления состоянием АД Из общих выражений (1), (2), (3) и (4) получены следующие частные вари анты управления состоянием.

Управление электромагнитным моментом:

- sv,,q M z M 0, U s max, su,,d M z M 0, U s max, U su,,d U sv,,q (9) - sv,,q M z M 0, U s max, su,,d M z M 0, U s max, rv,,q M z M 0, U r max, ru,,d M z M 0, U r max, U ru,,d U rv,,q (10) rv,,q M z M 0, U r max, ru,,d M z M 0.

U r max, Управление потоком статора:

U s max, s s s 0, U s max, s s s 0, U s U s (11) U s max, s s s 0, U s max, s s s 0, U r max, su,,d s s 0, U r max, sv,,q s s 0, U ru,,d U rv,,q (12) U r max, su,,d s s 0, U r max, sv,,q s s 0.

Управление потоком ротора:

U s max, U s max, - ru,, d r r 0, - rv,, q r r 0, U su,,d U sv,,q 0, 0, (13) U s max, - U s max, ru,, d rv,, q r r r r 0, 0, U r max, U r max, rd r r rq r r U rd U rq 0, 0.

(14) U r max, U r max, rd r r rq r r На основе (5), (6), (7), (8) получены следующие частные варианты управ ления состоянием АД.

Управление электромагнитным моментом:

U s max, M z M sw,c, z sv,b, y 0, U s max, M z M su,a, x sw,c, z 0, U su,a, x U s max, M z M sw,c, z sv,b, y 0, U sv,b, z U s max, M z M su,a, x sw,c, z 0, U s max, M z M sv,b, y su,a, x 0, U sv,b, z U s max, M z M sv,b, y su,a, x 0, (15) U r max, M z M rv,b, y rw,c, z 0, U r max, M z M rw,c, z ru,a, x 0, U ru,a, x U r max, M z M rv,b, y rw,c, z 0, U rv,b, z U r max, M z M rw,c, z ru,a, x 0, U r max, M z M ru,a, x rv,b, y 0, U rv,b, z U r max, M z M ru,a, x rv,b, y 0.

(16) Управление потоком статора:

U s max, sa s s 0, U s max, sb s s 0, U s max, sc s s 0, U sa U sb U sc (17) U s max, sa s s 0, U s max, sb s s 0, U s max, sc s s 0.

Управление потоком ротора:

U r max, rx r r 0, U r max, ry r r 0, U r max, rz r r 0, U rx U ry U rz (18) U r max, rx r r 0, U r max, ry r r 0, U r max, rz r r 0.

Разработанные конструкции оптимальных устройств управления были опробованы на компьютерных моделях АД с короткозамкнутым ротором 4A80A4Y3 (мощность 1,1 кВт), ВРП160М4 (мощность 18,5 кВт) и АД с фазным ротором 4AK160S4Y3 (мощность 11 кВт). Результаты моделирования показаны на (рис. 2-5), где М, Мz – действительное и заданное значения электромагнитного момента АД, Мс – момент сопротивления на валу АД.

(б) (а) Рис. 2. 4AK160S4Y3 (поочередное управление по 9, 10, 11, 14) (а) (б) Рис. 3. ВРП160М4 (одновременное управление, двухфазный вариант) (а) (б) Рис. 4. 4AK160S4Y3 (поочередное управление по 15, 16, 17, 18) (б) (а) Рис. 5. ВРП160М4 (одновременное управление, трехфазный вариант) Синтезированные конструкции управляющих устройств позволяют управ лять технологическими переменными электропривода и формировать необходи мую динамическую нагруженность элементов механической подсистемы. На рис.

6 показаны временные зависимости, полученные при моделировании управляемо го электропривода вращения бурового станка БГА-2М в режимах: выбор зазоров до 0.17 с, пуск до заданной частоты вращения (3 рад/с), работа с периодическим моментом сопротивления и нормальная остановка. На рис. 7 и рис. 8 показаны временные зависимости, полученные при моделировании электропривода враще ния бурового станка БГА-2М в режиме работы на упор. На рисунках обозначено:

M1, M2, M3, M6 – моменты сил упругости, действующих на соответствующие эле менты механического передаточного устройства электропривода.

Результаты вычислительных экспериментов показывают возможность управления технологическими переменными электропривода, а также возмож ность формирования необходимой нагруженности всех элементов электромеха нической системы в режимах: пуска, торможения, работы с периодическим мо ментом сопротивления, работы на упор.

Рис. 6. Электромагнитный момент, моменты сил упругости и частоты враще ния элементов механической подсистемы электропривода вращения БГА-2М Рис. 7. Электромагнитный момент, моменты сил упругости и частоты враще ния элементов механической подсистемы электропривода вращения БГА-2М в режиме работы на упор Рис. 8. Электромагнитный момент, моменты сил упругости и частоты враще ния элементов механической подсистемы электропривода вращения БГА-2М в режиме работы на упор Анализ результатов вычислительных экспериментов позволяет сформули ровать следующие выводы и рекомендации:

1. Варианты поочередного управления координатами рекомендуется применять для приводов малой мощности, так как для качественного управления электро магнитным моментом и магнитным состоянием АД частота коммутации сило вых ключей должна быть более 40 кГц.

2. Варианты одновременного управления могут быть применены для приводов средней и большой мощности.

3. Варианты, использующие конечное число результирующих векторов напряже ния, реализуют управление без применения ШИМ.

4. Варианты, при которых управляющие воздействия формируют бесконечное число результирующих векторов напряжения, позволяют рассчитывать непо средственно скважность ШИМ для каждой из фаз.

5. Оптимальное управление состоянием АД позволяет управлять технологиче скими переменными электропривода, соблюдая ограничения, накладываемые на условия его работы.

6. Оптимальное управление состоянием АД позволяет формировать необходимую динамическую нагруженность элементов механического преобразовательного устройства электропривода посредством формирования необходимого силово го воздействия.

В четвертой главе производится обзор решений в области управления асинхронными электродвигателями. Анализ решений в области управления со стоянием АД показал, что наиболее простым и эффективным решением является использование программируемого силового модуля автономного инвертора напряжения (PIIPM15P12D007 от International Rectifier).

На основе модуля автономного инвертора напряжения было предложено техническое решение, включающее в себя структурные и принципиальные элек трические схемы, а также алгоритм и про грамму для цифровой системы управления электроприводом, поз воляющие реализовать разработанные вариан ты управления состоя нием АД (рис. 9). На рисунке обозначено: 1 – главный автоматиче ский выключатель, 2 датчик тока, использо ванный для калибровки модуля, 3 - конденсато ры фильтра шины по стоянного тока, 4 Рис. 9. Фотография преобразовательной части преобра-зователь ин испытательного стенда терфейсов RS485 / USB, 5 - блок питания 15 В, 6-блок питания 12 В, 5 В, 7 - автоматический выключатель защиты блока питания 15 В, 8 - резисторы мягкого заряда конденсаторов фильтра шины постоянного тока, 9 - реле мягкого заряда конденсаторов фильтра шины постоянного тока, 10 - вентиляторы охлаждения преобразовательного модуля, - преобразовательный модуль PIIPM15P12D007, 12 - радиатор охлаждения преоб разовательного модуля.

При помощи разработанного испытательного стенда была выполнена группа физических экспериментов, для которых применялся АД 4A80A4Y3. Ча стота выборки установлена на уровне 2 кГц. Испытание производилось без нагрузки, т.е. момент сопротивления равен 0 Нм (рис. 10-13).

На рис. 10 приведены графики заданных и действительных значений элек тромагнитного момента АД, полученные в ходе физического и вычислительного экспериментов при управлении электромагнитным моментом по варианту (15).

На рис. 11 представлены годографы вектора потока статора, один из которых был снят в ходе физического эксперимента, а второй - взят из литературного источни ка, где выполнялась экспериментальная проверка варианта DTC. На рис. 12 пред ставлены графики токов фаз статора АД, снятые в ходе физического и вычисли тельного экспериментов.

(б) (а) Рис. 10. Действительное и заданное значения электромагнитного момента АД при управлении по варианту (15): (а) физический, (б) вычислительный эксперименты (а) (б) Рис. 11. Годографы вектора потокосцепления статора: (а) физический экспери мент при управлении по варианту (15), (б)физический эксперимент при управле нии по варианту DTC (б) (а) Рис. 12. Токи фаз статора АД при управлении по варианту (15): (а) физический, (б) вычислительный эксперименты (а) (б) Рис. 13. Заданное и действительное значения электромагнитного момента АД:

(а) физический эксперимент при управлении по варианту (15), (б) физический эксперимент при управлении по варианту DTC На рис. 13 показаны графики заданного и действительного значений элек тромагнитного момента АД при переменном сигнале задания, один из которых был получен в ходе эксперимента, а второй – взят из литературного источника.

На графиках видно совпадение результатов вычислительных и физических экспе риментов, что подтверждает данные теоретических исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ В диссертационной работе содержится решение научно-технической зада чи по разработке алгоритма поиска вариантов оптимального управления состоя нием электроприводов на базе асинхронных электродвигателей, имеющей суще ственное значение при проектировании и эксплуатации электроприводов. Также исследованы и объяснены динамические процессы передачи и электромеханиче ского преобразования энергии в асинхронных электроприводах в управляемых режимах и выполнена практическая реализация варианта управления, синтезиро ванного на основе полученного алгоритма.

Проведенные исследования позволяют сформулировать следующие ос новные результаты, выводы и рекомендации:

1. При помощи использования математической теории оптимального управления Л.С.Понтрягина (принцип максимума) была решена общая задача управления состоянием АД. На основе полученных синтезирующих функций разработан алгоритм синтеза оптимальных устройств управления состоянием АД (анали тических конструкций управляющих устройств). При этом управления реали зуются в классе кусочно-непрерывных функций.

2. На основе разработанного алгоритма синтеза оптимальных устройств управле ния были получены частные варианты управляющих устройств, реализующих управление электромагнитным моментом и магнитным состоянием АД, каж дый из которых обладает простотой и эффективностью.

3. С целью подтверждения достоверности частных вариантов управления состоя нием АД, синтезированных при помощи общих синтезирующих функций, были проведены вычислительные эксперименты моделирования электромеханиче ских процессов АД в управляемом режиме, доказывающие правильность раз работанных конструкций.

4. Разработаны структурная и принципиальная схемы экспериментальной уста новки, на основе которых может быть создана промышленная установка (асин хронный электропривод), реализующая варианты оптимального управления со стоянием АД на практике.

5. Разработан алгоритм и программа для цифровой системы управления электро приводом, включающего в себя автономный инвертор напряжения и АД. Рабо тоспособность программы подтверждена при помощи экспериментальных ис следований.

6. С целью подтверждения результатов теоретических исследований и вычисли тельных экспериментов моделирования электромеханических процессов АД в управляемом режиме были выполнены физические эксперименты на испыта тельной установке, включающей в себя автономный инвертор напряжения и АД, реализующей частный вариант управления электромагнитным моментом.

Результаты вычислительных и физических экспериментов совпадают, что под тверждает достоверность разработанных конструкций управляющих устройств.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Е.К. Ещин, А.В. Григорьев. Общая задача управления асинхронным электро двигателем // Изв. вузов. Электромеханика. 2010. №1. С.39-43.

Другие публикации по теме диссертации:

2. А.В. Григорьев. Управление моментом и потоком электрической машины пе ременного тока // Вестн. КузГТУ, №2, 2008. С.64-67.

3. А.В. Григорьев. Оптимальное управление координатами асинхронного элек тродвигателя // Вестн. КузГТУ, №6, 2008. С.29-32.

4. Е.К. Ещин, А.В. Григорьев. Оптимизация управления состоянием асинхронно го электродвигателя // Сборник научных трудов по материалам международ ной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании ’2008». Том 6. Тех нические науки. - Одесса: Черноморье, 15-25 декабря 2008 г.. С.48-50.

5. А.В. Григорьев. Решение задачи оптимального управления машиной двойного питания // Сборник научных трудов по материалам международной научно практической конференции «Современные направления теоретических и при кладных исследований ’2009». Том 5. Технические науки. - Одесса: Черномо рье, 16-27 марта 2009 г. С.21-22.

6. А.В. Григорьев. Общая задача управления асинхронным электродвигателем // Сборник докладов студентов, аспирантов и преподавателей университета. По результатам I Всероссийской, 54 научно-практической конференции «Россия молодая», 20-24 апреля 2009 г. / редкол.: В.Ю. Блюменштейн (отв. редактор) [и др.]: ГУ КузГТУ. – Кемерово, 2009. С.305-308.

7. А.В. Григорьев. Максимальный момент асинхронного электродвигателя // Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий:

сборник научных трудов II-ой всероссийской научно-технической конферен ции: в 2-х томах. Том 1 / редкол.: В.А. Шабанов и др. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2009. С.207-210.

Патент:

8. Патент РФ №2395157. МПК H02P 27/00. Способ управления величиной элек тромагнитного момента электрической машины переменного тока (варианты)/ Е.К. Ещин, А.В. Григорьев, И.А. Соколов. - Заявл.: 31.03.2008. Опубл.:

20.07.2010. Бюл. №20.



 


Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.