Зараз у сучасному автоматизованому електроприводі спостерігаються наступні тенденції:
— повсюдне витіснення привода постійного струму з заміною його асинхронним приводом змінного струму;
— поступове вдосконалення систем керування змінного струму;
— розвиток цифрових логічних систем керування;
Асинхронний короткозамкнений двигун (АДКЗ), його пускові характеристики (для МТК011-6) наведені на рис.1, є найбільш досконалим за своєю електромеханічною конструкцією, що забезпечує високу надійність його експлуатації, також є найбільш досконалим за електроспоживанням. Однак має суттєвий недолік – погані регулювальні властивості. Тому раніше використовувався для привода нерегульованих механізмів або регульованих у малому діапазоні. Зараз розроблені та продовжують розроблюватися нові системи керування (векторне керування, частотно-струмове керування, пряме керування моментом), що дозволяють найбільш максимально наблизити АДКЗ за його регулювальними властивостями до двигуна постійного струму, розширити область його застосування.
Рисунок1-Анімація, 11 кадрів, 11 циклів, об'єм 72,6 КБ. Пускові характеристики (струм, момент та швидкість у відносних одиницях) АДКЗ.
Найбільших успіхів вдалося досягнути завдяки використанню принципа векторного керування. Цей принцип був запропонований давно, але отримав можливість своєї реалізації тільки з появою потужної обчислювальної техніки.
Реалізація векторного керування, незважаючи на те, що має багато варіантів свого виконання, містить багато моментів, що мають потребу у вдосконаленні (наприклад, ідентифікація швидкості за сигналами струму та напруги).
Комплектний електропривод (КЭП) – пристрій, що забезпечує плавний пуск, регулювання швидкості та моменту, комплексний захист електродвигуна, забезпечує сумісність двигуна з живлячою мережею. КЕП виконується у вигляді функціонально закінченого пристрію компактного виконання, що суміщує в собі силову частину та систему керування.
КЕП змінного струму разом із АДКЗ утворюють мехатронну систему, що і розглядається в цій роботі.
Розширення області застосування АДКЗ, його простота та надійність в експлуатації, а також інтенсивний розвиток цифрових систем керування змінного струму, що виготовлюються у вигляді готових компактних пристроїв, дають право стверджувати, що у найближчому майбутньому, АДКЗ буде залишатися основним типом двигунів для привода промислових механізмів. При цьому,комплектний електропривод стане елементарною одиницею автоматизації, інтегрованої у систему керування більш вищого рівня (промислову мережу).
ЦІЛІ ТА ЗАДАЧІ
Метою роботи є вивчення сучасної приводної техніки та отримання навичок при її експлуатації для привода різних промислових механізмів, розробка методичних рекомендацій по налаштовуванню та параметризації сучасних КЕП. У зв'язку з тим, що головним принципом за яким працює більшість систем керування сучасними КЕП є векторне керування, а головним алгоритмом керування силовими ключами - широтно-імпульсна модуляція (ШІМ), то метою роботи також є дослідження та порівняння алгоритмів ШІМ у системах векторного керування.
У відповідності із поставленою метою, необхідно вирішити наступні задачі:
— вивчення сучасних комплектних електроприводів змінного струму, їх функціональних можливостей, головних принципів їх роботи;
— розробка математичної моделі дослідної установки на базі обладнання фірми Control Technique (Unidrive SP и Commander SK);
— параметрування та налаштовування обладнання;
— складання методичних рекомендацій по параметруванню КЕП, побудові зовнішніх контурів регулювання, візуалізації сигналів;
— виявлення в електроприводах промислових механізмів проблем, які можна вирішити завдяки використанню КЕП;
— побудова математичної моделі універсального КЕП, що буде придатним для привода кількох груп промислових механізмів;
— розробка алгоритмів автоналаштовування КЕП;
— дослідження алгоритмів ШІМ у системах векторного керування та їх порівняльний аналіз;
ЗАПЛАНОВАНІ ПРАКТИЧНІ РЕЗУЛЬТАТИ
Основними запланованими практичними результатами є:
1) Математична модель і результати математичного моделювання експериментальної установки на базі електроприводів фірми Control Technique (Unidrive SP, Commander SK).
2) Методіка параметрування, побудови зовнішніх контурів регулювання і візуалізації сигналів.
3) Математична модель універсального КЕП.
4) Алгоритми автоналаштовування КЕП.
5) Модель системи керування КЕП (з використанням векторного керування та широтно-імпульсної модуляції).
ОГЛЯД РОЗРОБОК ЗА ТЕМОЮ
1) Вступ.
Тема магістерської роботи жорстко пов'язана із сучасною технікою, визнаним інструментом дослідження є математичне моделювання, тому і огляд розробок необхідно робити, спираючись на сучасну приводну техніку та літературу по моделюванню, по теорії частотного керування та перетворювальної техніки.
Математичне моделювання пройшло довгий шлях свого розвитку. Починаючи від аналогових моделей, та закінчуючи прикладними пакетами із готовими моделями того чи іншого об'єкта. Так для електромеханіків зараз є визнаним в усьому світі пакет MatLab, версії якого постійно обновлюються. У кожній наступній версії виконується доповнення попередньої новими мат. моделями. При виконанні даної магістерської роботи використовується версія MatLab6.1.
Необхідно робити огляд тільки новішої літератури (максимум десятирічної давнини), що пов'язано у перше з тим, що тема магістерської роботи пов'язана з технікою та технологіями, що отримали розповсюдження після чергової технічної революції середини 90-х років.Інтенсивність оновлення та досконалення сучасної приводної техніки дуже висока, хоча і поступається інтенсивності оновлення комп'ютерної техніки.
2) Огляд літератури.
В литературі [1, 2, 4, 6, 10] дан математичний опис АД КЗ у розімкненій системі керування при частотному регулюванні. Основними засобами частотного керування є: 1)Скалярне частотне регулювання; 2)Векторне поліорієнтоване керування; 3)Пряме керування моментом.
На базі цих принципів, в [1] описана побудова наступних систем регулювання швидкості:
1)Замкнена за швидкістю система регулювання електропривода з підтриманням постійним потокозчеплення статора;
2)Замкнена за швидкістю система регулювання електропривода з підтриманням постійним потокозчеплення ротора;
3)Векторне керування з безпосереднім виміром потока;
4)Векторне керування з виміром потокозчеплення ротора за моделлю потока.
Книга орієнтована на сучасну модель КЕП на базі дволанкового перетворювача частоти. Добре описана структура КЭП, а також інструмент, що дозволяє якісно реалізовувати векторне керування електроприводом і взагалі перетворення частоти –широтно-імпульсна модуляція.
Починаючи більш подробно розглядати застосування ШІМ у сучасних КЕП, необхідно перейти до літератури [2]. Дається більш детальний опис АДКЗ, орієнтований на частотне керування, розглядаються питання автоматичного керування частотно-регульованими електроприводами з ШІМ. Дуже актуальним є розглянуте питаняя оптимального за швидкодією векторного регулювання статорного струму. У достатньому обсязі розглянуті питання, що стосуються енергетичних режимів при частотному керуванні. Більш узагальнено та скорочено питання векторного керування та ШІМ розглянуті в [3].
У літературі [1]-[3] наводиться математичний опис об'єктів, але в цих джерелах немає алгоритмів, що роблять можливим моделювання об'єктів. Моделювання електромеханічних систем змінного струму, у тому числі питання, пов'язані із векторним керуванням, ШІМ у системі ПЧ-АД навіть до розробки конкретних алгоритмів, наведені в [4].
У [5] наводяться важливі математичні моделі підйомної установки, турбомеханізмів, конвейєра, тобто систем у яких АДКЗ знаходить своє найбільше використання. Також означені основні підходи до моделювання тиристорних перетворювачів, системим ПЧ-АД. Целый раздел книги посвящён моделированию нелинейностей в электромеханических системах.
Нажаль, прикладної литератури по моделированню у средовиші MatLab у додатку Simulink зараз не достатньо. Джерело [6], поки є одним, більш-менш розкриваючим потрібні питання, але нажаль старим. При появі нових версій даного програмного продукта, опис нових моделей Demos у додатку Help, часто выконано недостатньо.
Додатковою, але достатньо корисною литературою, можна вважати джерела [7]-[9]. В [7] автор дає опис елементам автоматизованого електропривода, систем скалярного частотного керування, а джерело [9] розкриває достатньо нове питання у електроприводі змінного струму –пряме керування моментом.
Из закордонних авторів, особливої уваги заслуговує джерело [11], де добре розкриті загальні питання перетворювальної техніки.
Що стосується інтернет-джерел [12] за даною тематикою, то їх використання малоефективно. В окремих випадках в інтернеті можливо знайти статтю, Що освячує якесь конкретне питання. Информація, що наводиться на сторінках, які мають за мету рекламу, недостатня.
Недоліком в наведених джерелах є відсутність опису КЕП на базі АДКЗ, як єдиної мехатроної системи, а наводиться лише опис її частин.
3) Огляд розробок.
Поява цифрових систем керування підвищила надійність електромеханічної системи в цілому,а також дозволило реалізовувати складні алгоритми керування електроприводом, при його налаштовуванні та стійкій роботі.
Класичною структурою КЕП змінного струму в останній час стала структура на базі дволанкового перетворювача частоти (выпрямляч-фільтр-інвертор-АДКЗ), розгляданню якої і надається перевага в данній роботі.
На світовому ринку перетворювальної техніки відокремилися наступні фірми-лідери: SIMENS, Shneider Electrique, Control Technique, ABB, Lenze які випускають КЕП змінного струму. Кожне нове покоління ПЧ містить все більшу кількість додаткових функцій, як керуючих двигуном, так і покращуючих технологичний процес. В основному это функції:
— забезпечення необхідних тахограм розгону та гальмування;
— регулювання швидкості в усталеному режимі;
— прецизіонне завдання швидкості та прискорення;
— забезпечення реверсу;
— автоналаштовування перетворювача;
— обробка сигналів зворотних зв'язків, що заводяться до системи керування;
— організація контурів керування;
— захист перетворювача від струмового перевантаження;
— реалізація алгоритмів енергозбереження;
— реалізація різних принципів керування (частотно-струмове, векторне, пряме керування моментом);
— визуализації сигналів;
— інтеграції перетворювача до системи керування більш високого рівня (промислову мережу);
— спеціальні технологічні функції;
Завдяки використанню вказаних функцій, вбудованих в сучасний КЕП, перетворювачі фірми Shneider Electrique знайшли застосування у наступних електроприводах:
— насосні агрегати сучасних систем опалення (Altivar 21);
— системи вентиляції будівель та споруд (Altivar 21);
— підйомно-транспортне обладнання (Altivar 71);
— ліфти (Altivar 71);
— фасувально-паківне обладнання (Altivar 71);
— текстильні машини (Altivar 71);
Перетворювачі фирми Control Technique:
— металургійна промисловість (Unidrive SP);
— кранові механизми (Unidrive SP);
— ліфти (Unidrive SP);
— насоси та вентилятори (Commander SK);
— конвейєри (Commander SK);
— бовтівниці (Commander SK);
Як видно із призначення моделей розроблених і широко-впроваджуємих КЕП, фірма-виробник випускає КЕП орієнтовано до групи або кількох груп промислових механізмів. Проблема уніфікації КЕП продовжує вирішуватись. Однак уніфікація КЭП несе і його удорожчення з підвищенням вартості як силової частини, так і системи керування, збільшення габарітних розмірів.
Таким чином, сучасна перетворювальна приводна техніка, робить великі кроки на шляху свого розвитку, постійно вдосконалюючись і цим підвищуючи якість технологічних процесів. Особливо важливим прицьому стає генерування нових підходів до її розробки та моделювання, із залученням потужних обчислюючих засобів. Для постійного досконалення, необходні наукові дослідження і обгрунтовані прийняття рішень, усуваючих виникаючі проблеми.
ВСТУП ДО МАГІСТЕРСЬКОЇ РОБОТИ
У даному розділі автореферата наведені тезиси, доповнені ілюстраціями, що дають уявлення про об'єкт дослідження роботи.
Як сказано вище, сучасною найбільш розповсюдженою структурою КЕП змінного струму, є дволанковий перетворювач частоти (рис. 2).
Рисунок2- Дволанковий перетворювач частоти з ШІМ
Широтно-імпульсна модуляція є інструментом, за допомогою якого виконується формування керуючих імпульсів для забезпечення необхідної частоти живлячої напруги на виході ланки змінного струму перед АДКЗ.
Існує декілька алгоритмів ШІМ. Перший алгоритм ШІМ був запропонований ще в 70-х роках [10]. Він полягає у формуванні періодичних імпульсів, які подаються на силові ключі для їхнього відпирання, з зсувом на 60 градусів (для мостової трифазної схеми). Приклад подачі відпираючих імпульсів наведено на рис. 3.
Рисунок 3- Подача відпираючих імпульсів при самому простому способі ШІМ
Тривалості відпираючих імпульсів розраховуються по певним співвідношенням і дозволяють забезпечувати будь-яку вихідну частоту і будь-яку кількість імпульсів у лінійній вихідній напрузі інвертора.
Зараз використовуються різні алгоритми ШІМ: модифіковані, векторні, фазові. Кожен із них має свою специфіку і розглянутий у роботі окремо. Можлива структура системи керування трьохфазним АІН з ШІМ наведена на рис. 4.
Рисунок 4-Трьохфазний автономний інвертор з ШІМ, що живить асинхронний двигун
Процеси, що мають місцеу системі з ШІМ, представлені на рис. 5.
Рисунок 5-Процеси, у системі инвертор-двигун при двусторонній, синусоїдальній ШІМ
Як було зазначено вище, уявлення математичної моделі АД у системі координат орієнтованій за потокозчепленням ротора (на основі якої розроблена система векторного керування асинхронним електроприводом), за умови компенсації перехресних зв'язків, практично співпадає із моделлю ДПС при керуванні за ланцюгом якоря та за ланцюгом збудження. Структурна схема двигуна, на якій показана компенсація внутрішніх зворотних зв'язків представлена на рис. 6. Пунктиром показані зв'язки, що підлягають компенсації.
Рисунок 6- Структурна схема АД при векторному керуванні у СК, що обертається із швидкістю потокозчеплення ротора
Повна структурна схема електропривода змінного струму на базі АДКЗ при векторному керуванні представлена на рис. 7.
Рисунок 7-Функціональна схема системи векторного керування АДКЗ
ВЛАСНІ РЕЗУЛЬТАТИ
За минулий період роботи над магістерською дисертацією (з січня 2008-травень 2009 року) була виконана наступна робота:
1. Детально вивчені питання електромеханічного перетворення енергії в КЕП на базі дволанкового перетворювача частоти.
2. Проведені практичні роботи по настройці КЕП фірми Control Technique (Unidrive SP, Commander SK).
3. Побудована математична модель КЕП на базі дволанкового перетворювача частоти.
4. Виконані дослідження по окремим питанням, що стосуються КЕП:
4.1. розробка алгоритмів автоналаштовування КЕП;
4.2. ідентифікація параметрів АДКЗ;
4.3. непряме визначення потокозчеплення ротора в системах векторного керування;
4.4. бездавачеве визначення швидкості.
5. Написана та надрукована стаття: «Визначення параметрів асинхронного двигуна при проведенні експеримента холостого ходу».
6. На всеукраїнському конкурсі наукових робіт з електромеханіки, захищена робота: «Оцінювання потокозчеплення ротора короткозамкненого асинхронного двигуна в системах векторного керування».
ВИСНОВКИ
Приведений в авторефераті матеріал показує актуальність обраної теми, як за обсягом виконаних і тих, що мають бути виконані наукових досліджень, так и за її практичною значущістю для сучасних електромеханічних систем.
При написанні цього реферата, магістерська робота ще не закінчена. Запланована дата закінчення роботи: друга декада грудня 2009 року.Повний текст роботи може бути отриманий у автора (Мінаєв О.В.) або у керівника (Толочко О.І.) після вказаної дати.
ЛІТЕРАТУРА