Автор: В. Г. Макаров
Источник:
Научно-технический журнал: «Вестник Казанского технологического университета».– Казанский государственный технологический университет – 2011, Выпуск 6, с. 79-92.
Рассмотрены вопросы дистанционного управления электротехническими комплексами преимущественно беспроводного типа. Приведена классификация подземных систем БДУ по виду канала передачи информации.
Введение
На современном этапе развития науки и техники системы электропривода прочно занимают лидирующее положение среди приводных устройств и обеспечивают бесперебойную и надежную работу технологических механизмов во многих отраслях промышленности и специальной техники.
В качестве приводного двигателя наибольшее распространение находит асинхронный двигатель (АД) с короткозамкнутым ротором. Современный асинхронный электропривод реализуется на базе силовой полупроводниковой техники с применением микропроцессорного управления. Его возможности позволяют организовать регулирование выходных координат электропривода в широком диапазоне, с высокой точностью и быстродействием.
Современные преобразователи частоты с микропроцессорным управлением позволяют реализовывать традиционные или создавать новые программные алгоритмы и синтезировать асинхронные электроприводы с широким набором эксплуатационных характеристик, что в свою очередь позволяет удовлетворить требования, накладываемые со стороны самых разных технологических объектов. Однако даже в составе частотно-регулируемого электропривода не всегда обеспечиваются режимы работы с максимальными энергетическими показателями.
Одной из актуальных задач является повышение точности математического описания АД с учетом насыщения магнитопровода и потерь в стали. При построении алгоритмов управления частотно-регулируемыми асинхронными электроприводами в большинстве случаев используется математическое описание обобщенной электрической машины, поэтому при построении математической модели АД с учетом насыщения магнитопровода и потерь в стали целесообразно использовать теорию обобщенной электрической машины.
Широко распространено управление АД с напряжением питания, пропорциональным его частоте. Такое управление является малоэкономичным, поскольку не учитывается требуемый электромагнитный момент. При малом моменте поддерживать магнитный поток на уровне номинального нерационально. Для построения высокоэффективных с точки зрения энергосбережения частотно-регулируемых асинхронных электроприводов необходимо использовать теорию оптимального управления токами АД по критерию минимума мощности потерь или максимума КПД.
Для эффективного управления асинхронным двигателем, работающим в составе частотно-регулируемого электропривода, необходимо знать текущие значения его параметров таких как активные сопротивления фаз обмоток статора и ротора, индуктивности фаз обмоток статора и ротора, взаимная индуктивность, суммарный момент инерции подвижных частей и статический момент. Перечисленные параметры в процессе функционирования электропривода могут изменяться в силу многих причин, например, таких, как нагрев и охлаждение обмоток, изменение состояния магнитной цепи и др. Таким образом, для реализации более точных алгоритмов управления, обеспечивающих эффективное энерго– и ресурсосбережение, необходима оценка (идентификация) перечисленных параметров в режиме нормального функционирования электропривода.
Анализ системных свойств асинхронного электропривода
Асинхронный электропривод обычно является составной частью электромеханической системы, выполняющей определенные технические или производственные задачи. Анализ системных свойств разомкнутого электропривода с силовым полупроводниковым преобразователем и трехфазным АД позволит реализовывать более эффективные алгоритмы частотного управления. К системным свойствам электропривода традиционно относят управляемость, наблюдаемость и чувствительность Полная управляемость – это свойство, состоящее в возможности перевода объекта управления из произвольного начального состояния в конечное состояние за заданное время.
Под наблюдаемостью понимается свойство объекта управления, заключающееся в возможности восстановления всех фазовых координат по известному закону изменения вектора наблюдения.
Чувствительностью является свойство объекта управления изменять процессы при изменении первичных параметров.
Анализ полной управляемости и наблюдаемости в производится с использованием матриц управляемости и наблюдаемости соответственно, а для анализа чувствительности используются функции чувствительности, представляющие собой частные производные от величин или процессов по параметрам или по функциям отклонений. При этом на основе векторно-матричного описания электропривода формируются матрицы управляемости и наблюдаемости, а также определяются функции чувствительности.
При анализе управляемости для фазовых координат электропривода вводится понятие «порядок управляемости», который при нулевых начальных условиях и напряжении управления, изменяющемся по закону единичной функции, совпадает с младшей степенью разложения законов изменения фазовых координат в ряд Маклорена. Анализ наблюдаемости трехфазного АД является актуальным в связи с тем, что величины короткозамкнутого ротора не подлежат непосредственному измерению. Информация о токах или потокосцеплениях ротора необходима при идентификации параметров трехфазного АД, а также при реализации алгоритмов векторного управления.
Проведен анализ чувствительности АД на основании схемы замещения фазы и ее математического описания. Записаны уравнения функций чувствительности, а также разработана схема устройства генерации функций чувствительности по шести параметрам схемы замещения фазы АД.
Целесообразно провести анализ системных свойств асинхронного электропривода, на основании которого могут быть решены следующие вопросы:
1) анализ управляемости разомкнутой системы «силовой полупроводниковый преобразователь-асинхронный двигатель», в результате которого можно установить порядок управляемости каждой из фазовых координат электропривода;
2) наблюдение токов короткозамкнутого ротора на основании информации о напряжениях и токах фаз статора АД, полученной путем непосредственного измерения этих величин;
3) анализ чувствительности разомкнутой системы «силовой полупроводниковый преобразователь-асинхронный двигатель», на основании которого можно записать выражения функций чувствительности и разработать структурную схему устройства генерации функций чувствительности.
Идентификация параметров и токов короткозамкнутого ротора асинхронного двигателя
Для эффективного управления асинхронным двигателем, работающим в составе частотно-регулируемого электропривода, необходимо знать текущие значения параметров схемы замещения фазы и нагрузки. Перечисленные параметры в процессе функционирования электропривода могут изменяться в силу многих причин, поэтому для реализации более точных алгоритмов управления, обеспечивающих эффективное энерго– и ресурсосбережение, необходима оценка (идентификация) перечисленных параметров.
В большинстве случаев параметры схемы замещения фазы АД определяют по результатам опытов холостого хода и короткого замыкания, что не всегда возможно (например, в режиме нормального функционирования электропривода) и малоэффективно (низкая точность оценки). В связи с этим актуальной является задача идентификации параметров АД. Далее приводится обзор работ, посвященных решению данной задачи.
Относительная погрешность предлагаемого метода при оценке активного сопротивления статора составила не более 5 %, а активного сопротивления ротора не более 36 %. В статье рассмотрена существующая аналоговая реализация идентификатора частоты вращения и составляющих потокосцепления ротора. Недостатками схемы являются сложность системы управления, невысокая надежность и сложностью наладки. Здесь же предложены подходы к синтезу цифровых (микропроцессорных) идентификаторов частоты вращения и составляющих потокосцепления ротора АД.
Актуальной является задача разработки алгоритмов идентификации параметров и токов ротора трехфазного АД. Для ее решения наиболее целесообразно использовать непрерывный градиентный метод поиска минимума функции.
1. При переходе от асинхронного двигателя к обобщенной электрической машине целесообразно выбирать матрицы преобразования токов и напряжений с сохранением основных электрических и магнитных величин. При этом целесообразно провести анализ конструктивных свойств обобщенной электрической машины на основе трехфазного асинхронного двигателя.
2. Актуальным является построение математической модели асинхронного двигателя с учетом насыщения магнитопровода и потерь в стали, что позволит повысить точность расчетов при моделировании, а также разрабатывать энергосберегающие алгоритмы управления частотно-регулируемого асинхронного электропривода.
3. Для решения проблемы энергосбережения требуется разработка алгоритма функционирования и функциональной схемы асинхронного электропривода с оптимальным управлением токами при учете насыщения магнитопровода и потерь в стали из условия максимума КПД и минимума мощности потерь.
4. Для построения эффективных электромеханических систем необходим анализ управляемости, наблюдаемости и чувствительности асинхронного электропривода.
5. Целесообразна разработка методики и устройств идентификации параметров асинхронного электропривода в режиме нормального функционирования. Наряду с этим актуальной является задача идентификации токов короткозамкнутого ротора (задача идентификации процессов), которая должна решаться параллельно с задачей идентификации параметров.
6. Для более полной реализации возможностей систем векторного управления необходима разработка алгоритмов частотно-токового векторного управления асинхронным двигателем с учетом насыщения магнитопровода.