Бухта Наталья Александровна

Автореферат магистерской работы

Тема: "Система векторного управления асинхронным двигателем с наблюдателем состояния, оценивающим вектор потокосцепления ротора"

Актуальность темы:

Решение задач комплексной автоматизации промышленных установок и технологических комплексов в различных областях народного хозяйства непрерывно повышает требования к системам регулирования электроприводами (ЭП). При этом потребитель всё больше выдвигает требования к надёжности привода, его быстрому вводу и удобствам в эксплуатации. В историческом плане в начале 50-х годов преимущественно применялся ЭП постоянного тока на основе полупроводниковых элементов. Это было обусловлено в первую очередь высоким КПД, жесткой механической характеристикой и широким диапазоном регулирования частоты вращения. Машины, работавшие на переменном токе, традиционно проигрывали по этим показателям и применялись лишь на малоответственных и не требовавших высокой точности регулирования установках.

Но в настоящее время идет совершенствование систем управления ЭП переменного тока и открывается широкая возможность их использования. Благодаря тому, что асинхронная машина с короткозамкнутым ротором имеет меньший момент инерции ротора, большую перегрузочную способность по моменту и простую конструкцию, чем общепромышленная машина постоянного тока, асинхронный ЭП позволяет обеспечить более высокое быстродействие, чем привод постоянного тока. Все большее распространение получают системы ЭП на базе асинхронного двигателя (АД) с короткозамкнутым ротором. Это определяет перспективность подобных систем.

Нормальная работа современных высококачественных систем асинхронного ЭП возможна только в условиях получения достоверной информации о состоянии объекта регулирования (ОР). В то же время, при организации управления скоростью АД в системе координат d,q, ориентированной по вектору потокосцепления ротора, качество регулирования зависит от точности измерения или оценки пространственного положения этого вектора потокосцепления.
Применение датчиков Холла или специальной трехфазной обмотки требует использования АД специального исполнения, поэтому на практике такие методы определения потокосцепления ротора не получили широкого применения. В последнее время проводится достаточно много исследований в направлении создания специальных устройств (идентификаторов), которые позволяют вычислить значение вектора потокосцепления через величины, доступные для измерения (фазные напряжения, токи, сигналы системы управления). Достаточно обширный обзор существующих идентификаторов потокосцепления сделан, в частности, в [1], где рассмотрены различные варианты моделей для определения потокосцепления, отличающихся набором входных координат, степенью сложности технической реализации. Общим недостатком идентификаторов часто является их высокая чувствительность к изменению параметров ОР (что требует использование дополнительных устройств для идентификации параметров) и использование неявных операций интегрирования и дифференцирования, а также развязки алгебраических контуров.
Снижение влияния перечисленных недостатков на точность определения вектора потокосцепления ротора позволит повысить точность регулирования потокосцепления и улучшить характеристики ЭП в целом. Поэтому исследования, направленные на разработку методов и способов, способствующих достаточно точной оценке величин и регулируемых координат, недоступных для непосредственного регулирования, являются важными и актуальными.
Одним из альтернативных способов оценивания значения вектора потокосцепления ротора является использование наблюдателей состояния (НС), которые при традиционном синтезе лишены указанных недостатков. [3] Теория синтеза наблюдателей состояния стационарных систем в основном рассматривалась применительно к приводу постоянного тока, а отдельные вопросы применения принципов теории наблюдателей состояния к электроприводу переменного тока рассмотрены в недостаточной мере.

Цели и задачи исследования

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследований:

1. Анализ существующих способов косвенной оценки потокосцепления ротора асинхронной машины при векторном полеориентированном управлении.
2. Разработка математической модели ОР.
3. Выбор структуры и синтез корректирующих коэффициентов НС, позволяющего восстановить значение обобщенного вектора потокосцепления ротора короткозамкнутого АД с высокой точностью.
4. Анализ статических и динамических свойств системы, замкнутой по оценке модуля вектора потокосцепления ротора и с косвенной ориентацией по вектору потокосцепления ротора.
5. Разработка практических рекомендаций по технической реализации предложенного наблюдателя и системы векторного управления в целом.

Синтезированный НС по сравнению с известными наблюдателями имеет более простую и устойчивую структуру (постоянные коэффициенты в прямом канале, отсутствие чистых интегрирующих звеньев), что обусловливает отсутствие дополнительных мер по обеспечению его асимптотичности и простоту его адаптации к изменению параметров объекта наблюдения.

Обзор современного состояния проблемы и научно-технических публикаций по направлению работы.

Как отмечено, в частности, в [1], современный подход к решению задачи косвенной взаимосвязанной идентификации координат (потокосцепления ротора ψ_R и статора ψ_S и скорости ω) и внутренних параметров (индуктивностей рассеяния статора L_Sσ и ротора L_Rσ , индуктивности намагничивания L_m , активных сопротивления статора R_S и ротора R_R) частотно-регулируемых асинхронных машин (АМ) преимущественно заключается в осуществлении данной идентификации без установки на валу машины вращающихся механических датчиков: положения или частоты вращения ротора (скорости) асинхронной машины.

Точная идентификация внутренних параметров АМ необходима также на практике для качественной первоначальной настройки и последующей самоподстройки в эксплуатации САР электроприводов, обеспечивая этим нормированное (желаемое) качество статических характеристик и переходных процессов ЭП.

Необходимость использования НC обусловлена их способностью оценивать значение координат, которые невозможно или очень тяжело измерить непосредственно, и одновременно осуществлять собственную самонастройку для адаптации к изменению регулируемых координат и внутренних параметров АД.

Общие принципы построения НС, а также алгоритм их адаптации к изменению параметров объекта были изложены еще в 1976 году . [3] Однако в настоящее время данные вопросы, рассматриваемые применительно к новым системам регулирования и используемым алгоритмам управления, являются по-прежнему интересными и актуальными.

Свидетельством этому является большое число публикаций в научно-технических изданиях в настоящее время. Так, в Украине проводятся исследования по вопросу синтеза наблюдателей потока. В [8] представлены идентификация координат и параметров двигателя, повышение качества электромеханических переходных процессов асинхронного электропривода с векторным управлением при непрямом измерении потокосцепления ротора асинхронного двигателя путем адаптации системы управления к изменению параметров двигателя.

В [1] выполнен достаточно обширный обзор исследований и расчетов стационарных и переходных электромагнитных и электромеханических процессов современных частотно регулируемых асинхронных электроприводов с широтно-импульсной модуляцией (ШІМ). Предложены алгоритмы косвенной идентификации параметров режима короткозамкнутой асинхронной машины.

Современная проблема анализа и синтеза систем автоматического управления (САУ) с наблюдателями состояния (НС) и средств автоматизации этих процессов, совершенствование и структурные преобразования САУ с НС представлены. [2] Общий принцип векторного управления асинхронным двигателем с регулированием по потокосцеплению воздушного зазора, статора или ротора детально рассматривается. [4] Известны также работы зарубежных авторов. Рассматривающих ориентированный по позиции ротора, наблюдатель состояния для полного порядка с учетом магнитного насыщения. [10]

Краткое содержание работы.

Работа содержит пять разделов, отражающих этапы и поставленные задачи исследований.
Для упрощения математического описания машин переменного тока очень часто прибегают к эквивалентному преобразованию координат, в основе которого лежит предположение о полной симметрии электрической машины, а также понятие обобщенного вектора. Вращение обобщенного вектора происходит в одной плоскости, поэтому становится понятным, что трехфазная система координат является избыточной, и более целесообразным будет использование ортогональной двухфазной системы координат. Двухфазные модели АД образуются после замены мгновенных значений фазных размеров результирующим вектором и разложением его, на действительную и мнимую составные на комплексной плоскости.
Математическое описание АД в произвольной системе координат (так называемые уравнения Парка – Горева), записанное в виде связей векторов напряжений статора и ротора, а также токов и потокосцеплений статора и ротора, известное с середины ХХ века, имеет вид:

Наиболее удобным является графическое представление математического описания АД в виде структурной схемы (так называемые структурные математические модели). При этом для каждого частного случая применяется структура математического описания, в котором фигурируют только переменные состояния, подлежащие регулированию или контролю. На основе такой модели, представленной в некоторой частной системе координат (отличающейся некоторым условием вращения и связанной с этим ориентацией) удобно анализировать процессы в АД, а также строить систему регулирования.

Наиболее перспективной в этом плане является система координат, ориентированная по вектору потокосцепления ротора. Для того чтобы направление действительной оси ортогональной системы координат в любое время совпадало с направлением обобщенного вектора потокосцепления ротора, система координат должна вращаться синхронно с этим вектором, что позволяет реализовать векторный закон частотного управления. Вектор потокосцепления ротора в ней будет иметь только действительную составляющую.Обозначим действительную ось такой системы координат через d, а мнимую – q.

Рисунок 1 – Структурная схема АД в системе координат, ориентированной по вектору потокосцепления ротора

Во втором разделе выполняется анализ существующих способов косвенной оценки потокосцепления ротора асинхронной машины при векторном полеориентированном управлении.
Нормальная работа современных высококачественных систем асинхронного электропривода возможна только в условиях получения достоверной информации о состоянии объекта регулирования. В то же время, при организации управления скоростью асинхронного двигателя (АД) в системе координат d,q, ориентированной по вектору потокосцепления ротора АД, качество регулирования зависит от точности измерения или оценки составных вектора потокосцепления. В реальных промышленных условиях потокосцепление можно определить из выражения:

где ψ_m - вектор магнитного потока в воздушном зазоре, измеряемый с помощью датчиков Холла.
Другой возможностью для измерения магнитного потока асинхронного двигателя является применение специальной трехфазной измерительной обмотки, при этом индуктированное напряжение в обмотке u_изм будет пропорционально изменению магнитного потока в воздушном зазоре:

Оба эти метода имеют существенные недостатки, что ограничивает их применение на практике.
Поэтому в последнее время проводится достаточно много исследований в направлении создания специальных вычислительных устройств, которые позволяют вычислить значение вектора потокосцепления через известные величины (фазные напряжения, токи, сигналы системы управления), которые легко измерять. Такие устройства называют еще идентификаторами потокосцепления. Достаточно широкий обзор существующих идентификаторов потокосцепления сделан, отдельно в [1].

К числу недостатков, которые ограничивают использование идентификаторов в реальных условиях, следует отнести их высокую чувствительность к изменению параметров АД (что требует использование дополнительных устройств для идентификации параметров) и использование неявных операций интегрирования или дифференцирования, а также развязки алгебраических контуров. Одним из альтернативных способов оценивания значения вектора потокосцепления ротора, использование наблюдателей состояния НС, которые при традиционном синтезе лишены указанных недостатков.
Структурная схема предлагаемого НС представлена на рис.2.

Рисунок 2 – Структурная схема наблюдателя состояния

где параметры НС ( ,Ω_ο).
Ω_ο – среднегеометрический корень характеристического полинома, значение котрого обычно находится в диапазоне : Ω_ο=λ/T_μ
λ=0.5...2.0 – коэффициент пропорциональности, который определяет точность НС.
При использовании стандартного алгоритма синтеза коэффициентов корректирующих связей получим:

По сравнению с традиционной системой векторного управления в системе с обратной связью по оценке вектора потокосцепления наблюдатель состояния выполняет функции ИПР, ВА. В остальном структура предлагаемой системы, так же, как и синтез ее регуляторов, не отличается от традиционной.
Система векторного управления с обратной связью по оценке потокосцепления обладает качественными статическими и динамическими характеристиками, которые приведены на рисунке 3. Электропривод работает по трапецеидальной тахограмме.

Рисунок 3– Статические и динамические характеристики

Рисунок 4–Ошибки оценивания модуля и углового положения вектора потокосцепления ротора

Ввиду того, что ошибки оценивания модуля и углового положения вектора потокосцепления ротора являются незначительными по величине, можно сделать вывод, что данный НС позволяет восстанавливать значение потокосцепления ротора с высокой точностью.
По сравнению с другими возможными вариантами предложенный НС для оценки вектора потокосцепления ротора является наиболее эффективным, поскольку имеет постоянную структуру и постоянные коэффициенты, и не требует специальных дополнительных мер по обеспечению его асимптотичности.
Установлено, что точность оценки вектора потокосцепления ротора зависит от точности информации о текущих значениях параметров АД (главным образом, активного сопротивления R_R ). При этом НС за счет наличия корректирующих обратных связей менее чувствительные к изменению R_R, чем идентификаторы. Тем не менее, для улучшения качества ориентации системы координат целесообразно использовать параметрические идентификаторы величины активного сопротивления ротора.

Литература:

1. Г.Г. Пивняк, А.В. Волков Современные частотно-регулируемые асинхронные электроприводы с широтно-импульсной модуляцией: Монография. – Днепропетровск: Национальный горный университет, 2006. – 470 с.
2. О.І. Толочко Аналіз та синтез електромеханічних систем зі спостерігачами стану. Навч. посібник для студентів вищих навчальних закладів. – Донецьк: Норд-Прес, 2004. – 298 с.
3. Н.Т. Кузовков Модальное управление и наблюдающие устройства. – М.: Машиностроение, 1976. – 184 с.
4. В.В. Рудаков, И.М. Столяров, В.А. Дартау Асинхронные электроприводы с векторным управлением. – Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние , 1987.– 136с.
5. Калашников В.И. Векторное управление асинхронным электроприводом. – Донецк, ДонНТУ, 2006. – 150с.
6. Verghese G., Sanders S. Observers for flux estimation in induction machines // IEEE Trans. on Industrial Electronics.-1988.-Vol.35.-№1.-Pp.85-94.
7. Friedland B.A. Nonlinear observer for estimating parameters in dynamic systems // Automatica. – 1997. – Vol.33 – №8. – Pp. 1525 – 1530.
8. Д.В. Ципленков Пристрої спостереження у асинхронному електроприводі з векторним керуванням. Дисертація на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук. Спеціальність 05.09.03. – Дніпропетровськ: Національна гірнична академія України, 2002. – 197 с.
9. A. Behal, M. Feemster, D.M. Dawson, and A. Mangal. Partial State Feedback Control of Induction Motors with Magnetic Saturation: Elimination of Flux Measurements. Department of Electrical and Computer Engineering Riggs Hall, Clemson University Clemson,1999.
10. А.П. Ващенко, Г.Б. Онищенко Электропривод и автоматизация промышленных установок. – Москва : Всесоюзный институт научной и технической информации, 1988. – 90с.