В настоящее время, в современном автоматизированном электроприводе отмечаются следующие тенденции:
— повсеместное вытеснение привода постоянного тока, с заменой его асинхронным приводом переменного тока;
— появление всё более совершенных систем регулирования переменного тока;
— развитие цифровых логических систем управления;
Асинхронный короткозамкнутый двигатель (АДКЗ), его пусковые характеристики(для МТК011-6) приведены на рис.1, является наиболее совершенным по своей электромеханической конструкции, что обеспечивает высокую надёжность при его эксплуатации, также является наиболее экономичным по энергопотреблению. Однако имеет существенный недостаток – плохие регулировочные свойства. Поэтому ранее применялся для привода нерегулируемых механизмов или регулируемых в малом диапазоне. В настоящее время разработаны и продолжают разрабатываться новые системы управления(векторное управление, частотно-токовое управление, прямое управление моментом), позволяющие наиболее максимально приблизить АДКЗ по его регулировочным свойствам к двигателю постоянного тока, расширить область его применения.
Рисунок1-Анимация, 11 кадров, 11 циклов, объём 72,6 КБ. Пусковые характеристики (ток, момент и скорость в относительных единицах) АДКЗ.
Наибольших успехов удалось достичь благодаря применению принципа векторного управления. Этот принцип был предложен давно, но получил возможность своей реализации только с появлением мощной цифровой вычислительной техники.
Реализация векторного управления, несмотря на то, что уже имеет множество вариантов своего осуществления, содержит множество моментов, нуждающихся в совершенствовании(например, вопрос идентификации скорости по сигналам тока и напряжения).
Комплектный электропривод (КЭП) – устройство, выполняющее функции обеспечения плавного пуска, регулирование скорости и момента, комплексную защиту электродвигателя, обеспечивает совмещение электродвигателя с питающей сетью. КЭП выполняется в виде функционально законченного устройства компактного исполнения, совмещающего в себе силовую часть и систему управления.
КЭП переменного тока вместе с АДКЗ образуют мехатронную систему, которая и рассматривается в данной работе.
Расширение области применения АДКЗ, его простота и надёжность в эксплуатации, а также интенсивное развитие цифровых систем управления переменного тока, изготавливаемых в виде готовых компактных устройств, дают право утверждать, что в ближайшем будущем, АДКЗ будет оставаться основным типом двигателей для привода промышленных и механизмов. При этом, комплектный электропривод станет элементарной единицей автоматизации, интегрированной в систему управления более высокого уровня (в промышленную сеть).
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ
Целью работы является изучение современной приводной техники и приобретение навыков при её эксплуатации для привода различных промышленных механизмов, разработка методических рекомендаций по наладке и параметризации современных КЭП. В связи тем, что основным принципом на основе которого работает большинство систем управления современными КЭП является векторное управление, а основным алгоритмом управления силовыми ключами — широтно-импульсная модуляция(ШИМ), то целью работы также является исследование и сравнение алгоритмов ШИМ и способов их реализации в системах векторного управления.
В соответствии с поставленной целью, необходимо решить следующие задачи:
— изучение современных комплектных электроприводов переменного тока, их функциональных возможностей, основных принципов их работы;
— разработка математической модели экспериментальной установки на базе оборудования фирмы Control Technique (Unidrive SP и Commander SK);
— параметрирование и настройка оборудования;
— составление методических рекомендаций по параметрированию КЭП, построению внешних контуров регулирования, визуализации сигналов;
— выявление в электроприводах промышленных механизмов проблем, которые можно решить благодаря использованию КЭП;
— построение математической модели универсального комплектного электропривода, пригодного для привода нескольких групп промышленных механизмов;
— разработка алгоритмов автонастройки КЭП;
— исследование алгоритмов ШИМ в системах векторного управления и их сравнительный анализ;
ПЛАНИРУЕМЫЕ ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Основными планируемыми практическими результатами являются:
1) Математическая модель и результаты математического моделирования экспериментальной установки на базе электроприводов фирмы Control Technique (Unidrive SP, Commander SK).
2) Методика параметрирования, построения внешних контуров регулирования и визуализации сигналов.
3) Математическая модель универсального КЭП.
4) Алгоритмы автонастройки КЭП.
5) Модель системы управления КЭП (с применением векторного управления и широтно-импульсной модуляции).
ОБЗОР РАЗРАБОТОК ПО ТЕМЕ
1) Введение.
Тема магистерской работы жёстко связана с современной техникой, признанным инструментом исследования является математическое моделирование, поэтому и обзор разработок необходимо делать, опираясь на современную приводную технику и литературу по моделированию, по теории частотного управления и преобразовательной техники.
Математическое моделирование прошло длинный путь своего развития. Начиная от аналоговых моделей и заканчивая современными прикладными пакетами с готовыми математическими моделями того или иного объекта. Так для электромехаников, в настоящее время, признанным во всём мире, является пакет MatLab, версии которого постоянно обновляются. В каждой последующей версии производится дополнение существующей новыми готовыми мат. моделями. При выполнении данной магистерской работы, используется версия MatLab6.1.
Необходимо делать обзор именно новейшей литературы (максимум десятилетней давности), что связано в первую очередь с тем, что тема магистерской работы связана с техникой и технологиями, которые получили распространение после очередной технической революции средины 90-х годов. Интенсивность обновления и совершенствования современной приводной техники очень высока, хотя и уступает интенсивности обновления компьютерной техники.
2) Обзор литературы.
В литературе [1, 2, 4, 6, 10] дано математическое описание АДКЗ в разомкнутой системе регулирования при частотном управлении. Основными способами частотного управления являются: 1)Скалярное частотное регулирование; 2)Векторное полеориентированное управление; 3)Прямое управление моментом.
На базе данных принципов, в [1] описано построение следующих систем регулирования скорости:
1)Замкнутая по скорости система регулирования электропривода с поддержанием постоянства потокосцепления статора;
2)Замкнутая по скорости система регулирования электропривода с поддержанием постоянства потокосцепления ротора;
3)Векторное управление с непосредственным измерением потока;
4)Векторное управление с измерением потокосцепления ротора по модели потока.
Книга ориентирована на современную модель КЭП на базе двухзвенного преобразователя частоты. Хорошо описана структура КЭП, а также инструмент, позволяющий качественно реализовывать векторное управление электроприводом и вообще преобразование частоты – широтно-импульсная модуляция.
Начиная более подробно рассматривать применение ШИМ в современных КЭП, необходимо перейти к литературе [2]. Даётся более детальное описание АДКЗ, ориентированное на частотное управление, рассматриваются вопросы автоматического управления частотно-регулируемыми асинхронными электроприводами с ШИМ. В частности, весьма актуальным является рассматриваемый вопрос оптимального по быстродействию векторного регулирования статорного тока. В достаточном объёме освещены вопросы, касающиеся стационарных энергетических режимов при частотном управлении. Более обобщённо и кратко вопросы векторного управления и широтно-импульсной модуляции рассмотрены в [3].
В литературе [1]-[3] приводится математическое описание объектов, но в данных источниках не содержится алгоритмов, позволяющих провести моделирование объектов. Моделирование электромеханических систем переменного тока, в том числе вопросы, связанные с векторным управлением, широтно-импульсной модуляцией в системе ПЧ-АД вплоть до разработки конкретных алгоритмов, приведены в [4].
В [5] приводятся важные математические модели подъёмной установки, турбомеханизмов, конвейера, то есть систем в которых АД КЗ находит своё наибольшее применение. Также обозначены основные подходы к моделированию тиристорных преобразователей, системы ПЧ-АД. Целый раздел книги посвящён моделированию нелинейностей в электромеханических системах.
К сожалению, прикладной литературы по моделированию в среде MatLab в приложении Simulink на данный момент не достаточно. Источник [6], пока является единственным, более-менее освещающим нужные вопросы, но к сожалению устаревающим. При появлении новых версий данного программного продукта, описание новых моделей Demos в приложении Help, зачастую выполнено недостаточно.
Дополнительной, но достаточно полезной литературой, можно назвать источники [7]-[9]. В [7] автор даёт описание элементам автоматизированного электропривода, систем скалярного частотного управления, а источник (9) освящает довольно новый вопрос в электроприводе переменного тока –прямое управление моментом.
Из зарубежных авторов, особого внимания заслуживает источник [11], в котором хорошо освещены общие вопросы современной преобразовательной техники.
Что касается интернет-источников [12] по данной теме, то их использование малоэффективно. В отдельных случаях в интернете возможно найти статью, освящающую какой-либо конкретный вопрос. Информация, приводимая на страницах, имеющих самоцелью рекламу, недостаточна.
Недостатком в приведенных источниках является отсутствие описания КЭП переменного тока на базе АДКЗ, как единой мехатронной системы, а приводится лишь описание её частей.
3) Обзор разработок.
Появление цифровых систем управления повысило надёжность электромеханической системы в целом, а также позволило реализовывать сложные алгоритмы управления электроприводом, при его настройке и устойчивой работе.
Классической структурой КЭП переменного тока в последнее время стала структура на базе двухзвенного преобразователя частоты (выпрямитель-фильтр-инвертор-АДКЗ), рассмотрению которой и отдаётся предпочтение в данной работе.
На мировом рынке преобразовательной техники выделились следующие фирмы-лидеры: SIMENS, Shneider Electrique, Control Technique, ABB, Lenze которые выпускают КЭП переменного тока. Каждое новое поколение преобразователей частоты содержит всё большее число функций, как управляющих двигателем, так и улучшающих технологический процесс. В основном это функции:
— обеспечения необходимых тахограмм разгона и торможения;
— регулирование скорости в установившемся режиме;
— прецизионные задания скорости и ускорения;
— обеспечение реверса;
— автонастройки преобразователя;
— обработка сигналов обратных связей, заводимых в систему управления;
— организация контуров управления;
— защиты преобразователя от токовой перегрузки;
— реализация алгоритмов энергосбережения;
— реализация различных принципов управления (частотно-токовое, векторное, прямое управление моментом);
— визуализации сигналов;
— интеграции преобразователя в систему управления более высокого уровня (промышленную сеть);
— специальные технологические функции;
За счёт применения указанных функций, встроенных в современный КЭП, преобразователи фирмы Shneider Electrique нашли применение в следующих электроприводах:
— насосные агрегаты современных систем отопления (Altivar 21);
— системы вентиляции зданий и сооружений (Altivar 21);
— подъёмно-транспортное оборудование (Altivar 71);
— лифты (Altivar 71);
— фасовочно-упаковочное оборудование (Altivar 71);
— текстильные машины (Altivar 71);
Преобразователи фирмы Control Technique:
— металлургическая промышленность (Unidrive SP);
— крановые механизмы (Unidrive SP);
— лифты (Unidrive SP);
— насосы и вентиляторы (Commander SK);
— конвейеры (Commander SK);
— мешалки (Commander SK);
Как видно из назначения моделей разработанных и широко внедряемых КЭП, фирма-производитель выпускает КЭП ориентированно к группе или нескольким группам механизмов. Проблема унификации КЭП продолжает решаться. Однако унификация КЭП несёт и его удорожание с повышением стоимости, как силовой части, так и системы управления, увеличение габаритных размеров.
Таким образом, современная преобразовательная приводная техника, делает огромные шаги в своём развитии, постоянно совершенствуясь и тем самым повышая качество технологических процессов. Особенно важным при этом становится выработка новых подходов к её разработке и проектированию, с привлечением мощнейших вычислительных средств. Для постоянного совершенствования, необходимы научные исследования и обоснованные принятия решений, устраняющих возникающие проблемы.
ВВЕДЕНИЕ В МАГИСТЕРСКУЮ РАБОТУ
В данном разделе автореферата представлены тезисы, дополненные иллюстрациями, дающие представление об объекте исследования работы.
Как упомянуто выше, современной наиболее распространённой структурой КЭП переменного тока, является двухзвенный преобразователь частоты (рис. 2).
Рисунок2- Двухзвенный преобразователь частоты с ШИМ
Широтно-импульсная модуляция является инструментом, с помощью которого производится формирование управляющих импульсов, для обеспечения необходимой частоты питающего напряжения на выходе звена переменного тока перед АДКЗ.
Существует несколько алгоритмов ШИМ. Первый алгоритм ШИМ был предложен ещё в 70-х годах [10]. Он заключается в формировании периодичных импульсов, которые подаются на силовые ключи для их открытия, со сдвигом на 60 градусов (для мостовой трёхфазной схемы). Пример подачи отпирающих импульсов представлен на рис. 3.
Рисунок 3- Пример подачи отпирающих импульсов при самом простом способе ШИМ
Длительности отпирающих импульсов рассчитываются по определённым соотношениям и позволяют обеспечивать любую выходную частоту и любое количество импульсов в выходном линейном напряжении инвертора.
В настоящее время применяются самые разные алгоритмы ШИМ: модифицированные, векторные, фазовые. Каждый из них имеет свою специфику и рассмотрен в работе отдельно. Возможная структура системы управления трёхфазным АИН с ШИМ представлена на рис. 4.
Рисунок 4-Трёхфазный автономный инвертор с ШИМ, питающий асинхронный двигатель
Процессы, протекающие в системе с ШИМ, представлены на рис. 5.
Рисунок 5-Процессы, протекающие в системе инвертор-двигатель при двусторонней, синусоидальной ШИМ
Как было указано выше, представление математической модели АД в системе координат ориентированной по потокосцеплению ротора (на основе которой разработана система векторного управления асинхронным приводом), при условии компенсации перекрёстных связей, практически совпадает с моделью ДПТ при управлении по цепи якоря и по цепи возбуждения. Структурная схема двигателя, на которой показана компенсация внутренних обратных связей представлена на рис. 6. Пунктиром показаны связи, подлежащие компенсации.
Рисунок 6- Структурная схема АД при векторном управлении в СК вращающейся со скоростью вектора потокосцепления ротора
Полная функциональная схема системы электропривода переменного тока на базе АД КЗ при векторном управлении представлена на рис. 7.
Рисунок 7-Функциональная схема системы векторного управления АДКЗ.
СОБСТВЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
В прошедший период работы над магистерской диссертацией (с сентября 2008-май 2009 года) была выполнена следующая работа:
1. Детально изучены вопросы электромеханического преобразования энергии в КЭП на основе двухзвенного преобразователя частоты.
2. Проведены практические работы по настройке КЭП фирмы Control Technique (Unidrive SP, Commander SK).
3. Построена математическая модель КЭП на основе двухзвенного преобразователя частоты.
4. Проведены исследования по отдельным вопросам, касающихся КЭП:
4.1. разработка алгоритмов автонастройки КЭП;
4.2. идентификация параметров АД КЗ;
4.3. косвенное определение потокосцепления ротора в системах векторного управления;
4.4. бездатчиковое определение скорости.
5. Написана и напечатана статья: «Идентификация параметров асинхронного двигателя при проведении эксперимента холостого хода».
6. На всеукраинском конкурсе студенческих научных работ защищена работа: «Оценивание потокосцепления ротора асинхронного короткозамкнутого двигателя в системах векторного управления».
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Приведенный в автореферате материал показывает актуальность выбранной темы, как по объёму проделанных и предстоящих научных исследований, так и по её практической значимости для современных электромеханических систем.
При написании данного автореферата магистерская работа ещё не завершена. Запланированная дата окончания работы: вторая декада декабря 2009 года. Полный текст работы может быть получен у автора (Минаев О.В.) или руководителя (Толочко О.И.) после указанной даты.
ЛИТЕРАТУРА