Разработка алгоритма адаптивно-векторного управления асинхронным двигателем

Результаты моделирования динамических процессов по структурной схеме управления скоростью вращения ротора в первой зоне рисунок 3.5, представлены на рисунке 3.7. На рисунке 3.7 показана динамика токов статора iq*, id*, ia*, скорости вращения ротора *, электромагнитного момента M* в относительных единицах при з*1 (двигательный режим)Рисунок 3.7 – Управление скоростью вращения ротора в первой зоне при постоянном намагничивании. Графики токовстатора id*, ia*, скорости вращения ротора *, электромагнитного момента M* в относительных единицах при пуске АДбезпредварительного намагничивания.4 Идентификация параметров обмоток АД4.1 Проблемы модифицированного векторного управленияНедоступность наблюдения токов ротора, в системах векторного управления, обуславливает необходимость априорного знания параметров обмоток ротора. Для реализации векторного управления необходимо априорно знать сопротивление обмотки ротора и основную индуктивность двигателя, которые могут существенно меняться в процессе эксплуатации. Достоверная информация о параметрах обмотки ротора отсутствует, что ведет к снижению качества векторного управления АД. Этот недостаток может быть устранен использованием методов адаптивного управления с идентификацией параметров в процессе функционирования электропривода. При этом значительно снижается качество управления. Снижение качества управления заключается в изменении электромагнитного момента, насыщении магнитопровода и снижении диапазона управления скоростью вращения. Данные трудности векторного управления преодолеваются путем применения адаптивных регуляторов. Так в работе [1] предложен адаптивный регулятор определения сопротивления ротора. Однако его применению препятствует сложностью практической реализации. Существуют подходы к решению задачи адаптивного управления, основанные на введении возмущающих сигналов по току [2]. Однако такие методы на практике ведут к ухудшению качества управления и организации специальных режимов работы. Большинство способов преодоления недостатков векторного управления основано на использовании идентификации ненаблюдаемых токов ротора асинхронного электродвигателя. В системах автоматического управления наиболее распространен наблюдатель, который называется фильтром Калмана. Одной из модификаций фильтра Калмана является наблюдатель пониженного порядкаЛюенбергера [4]. На использовании наблюдателей состояний для повышения качества векторного управления асинхронным электродвигателем основаны работы [5], [6], [7]. Известны также алгоритмы, использующий метод наименьших квадратов [8], [9]. Из последних работ следует отметить [10], [11]. Обзор методов идентификации параметров асинхронного электродвигателя приведен в работе [12]. Однако все эти методы требуют больших вычислительных ресурсов. Этим объясняются затруднения их использования на практике. В данном параграфе рассматривается метод идентификации параметров асинхронного электродвигателя, который не требует применения наблюдателей состояния и сложных вычислений. Он позволяет на базе доступной информации о токах статора и скорости вращения ротора достаточно просто оценивать сопротивление ротора и основную статическую индуктивность асинхронного электродвигателя.4.2 Алгоритм адаптивного векторного управленияАлгоритм векторного управления основан на выполнении условий векторного управления:Параметры сопротивления ротора R2* и индуктивности Ld* достоверно неизвестны. Наличие ошибок векторного управления неблагоприятно сказывается на качестве управления. Коррекция параметров по величине токов ошибок позволяет повысить качество векторного управления. Стационарная модель векторного управления АД описывается уравнениями:где R1* — относительное сопротивление обмотки статора; Ld* и Lq* — относительные продольная и поперечные индуктивности АД; 1* — относительная угловая частота напряжения сети; id* и iq* — относительные продольная и поперечные токи обмотки статора; ud* и uq* — относительные продольная и поперечные напряжения обмотки статора.Будем полагать, что заданы их априорные значения , , , . Очевидно, что эти значения отличаются от истинных значений параметров АД R1*, R2*Ld* и Lq*. Это приводит к тому, что уравнения напряжений не выполняются и возникают ошибки:Меняя значения параметров , , , следует добиваться равенства нулю ошибок yd и yq. При идентификации параметров будем считать, что относительные индуктивности рассеяния L1*L2*Lq*/2 не зависят от условий эксплуатации. Известно, что их величина у АД может принимать значения 0,07…0,1; Lq* 0,1…0,2.Основная относительная индуктивность машины L0* зависит от намагниченности ротора и может меняться в широких пределах. Поэтому ее значение целесообразно оценивать. Будем также полагать, что относительные сопротивления обмоток R1*R2*. Их значения в процессе работы могут менять свои значения в зависимости от их нагрева в достаточно широких пределах. При этом уравнения ошибок в уравнениях напряжений запишутся в следующем виде:Таким образом, будем считать, что идентификации подлежат два параметра R2* и Ld*, полагая, что заданы их априорные значения и . будем полагать что при адаптивном управлении оценки параметров и являются функциями времени: и . Априорные оценки этих параметров и заданы.Функции и будем находить как решения дифференциальных уравнений:где Ta>Td ; TdLd/R1— продольная постоянная времени обмотки статора, характеризующая скорость затухания динамических ошибок при вектороном управлении. Так как устойчивость системы с идентификацией параметров не существенно зависит от выбора постоянная времени значения Td, то для ее определения можно использовать априорные оценки параметров.Структурная схема управления скоростью вращения ротора асинхронного электродвигателя c идентификацией параметров приведена на рисунке 4.1. Рисунок 4.1 – Структурная схема адаптивного управления скоростью вращения ротора асинхронного электродвигателя c идентификацией параметров: 1 преобразователь частоты; 2 блок преобразования координат напряжения; 3 блок преобразования координат тока; Арегулятор тока намагничивания; Б регулятор тока нагрузки; В блокСтруктурная схема адаптивного управления скоростью вращения ротора асинхронного электродвигателя c идентификацией параметров в программном продуктеSimInTech приведена на рисунке 4.2.Рисунок 4.2 – Структурная схема управления скоростью вращения ротора асинхронного электродвигателя c идентификацией параметров в программном продуктеSimInTechМоделирование динамических процессов. При моделировании динамических процессов в электроприводе с системой управления, приведенной на рисунке 4.2, полагалось, что производится пуск среднестатистического асинхронного электродвигателя с параметрами, определенными выражениями, с постоянной величиной момента сопротивления, относительное значение которого Mс* 0,2. Моделирование проводилось с параметром виртуальной диссипации Rx* 1 и настройкой контуров управления токами на технический оптимум (см. гл. 0). При моделировании динамических процессов использовалась линейная модель АД, и полагалось, что начальное значение тока намагничивания id*(0) ad0. Результаты моделирования динамических процессов по структурной схеме управления скоростью вращения ротора в первой зоне рисунок 4.2, представлены на рисунке 4.3. На рисунке 4.3 показана динамика токов статора iq*, id*, ia*, скорости вращения ротора *, электромагнитного момента M* в относительных единицах при з*1 (двигательный режим) в режиме пуска начальной идентификации параметров.Рисунок 4.3 – Управление скоростью вращения ротора в режиме начальной идентификации параметров. Графики токовстатора id*, ia*, скорости вращения ротора *, электромагнитного момента M* в относительных единицах при пуске АДбезпредварительного намагничивания Обозначим и . Значения kR(t) и kL(t) должны стремиться к 1 при t. При моделировании было принято, что фактическое значение параметров R2* и L0* связано с их априорными оценками соотношениямии. На рисунке 4.4 представлены графики коэффициентов kR(t) и kL(t) в режиме пуска при начальной идентификации параметров.Из приведенных графиков видно, что оценки сопротивления ротора и основной статической индуктивности стремятся к истинным значениям и примерно за 2 секунду достигают их даже при существенном начальном расхождении. Погрешность стационарных значений ротора и основной статической индуктивности и может быть обусловлена недостоверностью информации об относительной величине поперечной индуктивности асинхронного электродвигателя Lq* 0,14…0,2. Однако следует заметить, что этот параметр асинхронного электродвигателя наиболее стабилен и имеет наименьший разброс. Кроме того, значение поперечной индуктивности Lq* много меньше оцениваемой основной индуктивностиLd*.Рисунок 4.4 – Графики коэффициентов kR(t)и kL(t)в режиме пускапри начальной идентификации параметровЗАКЛЮЧЕНИЕВ данной дипломной работе разрабатывался адаптивный алгоритм векторного управления скоростью движения ротора АД. Работа состоит из четырех глав: 1) Описание АД как объекта управления, анализ состояния проблемы;2) Математическая модель АД как объекта векторного управления;3) Синтез динамики электромагнитных процессов;4) Идентификация параметров обмоток АД. Основные результаты по главам:В первой главе представлено описание АД как объекта управления, рассмотрена структурно/функциональная схема электропривода с АДпозволяющая реализовать алгоритмы векторного управления и конструкция АД, описано назначение ее основных функциональных блоков. Далее в первой главе рассмотрено формальное математическое, матричное описание параметров АД, являющееся основой для создания линейной математической модели АД как объекта векторного управления. В заключении первой главы приведено описание номинальных параметров АД как правило приводимых в паспорте машины, рассмотрено приведение параметров к относительным единицам.Во второй главе исследуется линейная математическая модель АД как объекта векторного управления. Описана проблема векторного управления, переменные векторного управления. Далее рассмотрены уравнения математической модели векторного управления, которые приведены к относительным величинам напряжений, токов, потокосцеплений. Далее уравнения классического векторного управления, по которым ведется синтез электромагнитных процессов представлены в виде структурной блок схемы АД, и выполнено моделирование динамических процессов, порождаемых решением данных уравнений в программном продукте SimInTech. В заключении второй главы рассмотрены потери мощности в АД с учетом потерь в магнитопроводе.В третьей главе посвящена учету свойств магнитопровода АД, которые необходимо принимать во внимание при синтезе алгоритмов управления. В главе 3 выделяются уравнения векторного управления и ошибок векторного управления, в также рассматриваются синтез динамики электромагнитных процессов. В четвертой главерассмотреныпроблемы модифицированного векторного управления, синтезируется адаптивный алгоритм управления скоростью вращения ротора АД с идентификацией параметров. Выводы по векторному управлению:Методы векторного управления из-за отсутствия информации о токах ротора требуют априорных оценок параметров обмотки ротора. Параметры АД меняются в процессе функционирования электрической машины в достаточно широких пределах. Эти трудности могут быть преодолены путем использования адаптивных алгоритмов управления с идентификацией параметров.Для исследования адаптивного управления векторного управления АД была разработана математическая модель АД, реализованнаяс помощьюпрограммногообеспеченияSimInTech. Параметры регуляторов продольного и поперечного токов обмотки статора настроены на «технический оптимум», обеспечивающий высокое быстродействие и перерегулирование равное примерно 4,3 %. Система управления реализована с помощьюпрограммногообеспеченияSimInTech. Для векторного управления АД необходима априорная информация о параметрах ротора. Отсутствие достоверной информации существенно снижает качество управления АД.Разработана программа непрерывной идентификации параметров АД, которая позволяет существенно повысить качество управления, она реализованав программномпродуктеSimInTech.Исследование адаптивного управления АД на моделях показало, что истинные значения параметров АД, необходимые для векторного управления могут быть получены при первом же пуске АД за время 2 сек. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ1.Самосейко В.Ф. Алгоритмы управления электрическими машинами. Том 1. Алгоритмы управления асинхронной электрической машиной/ В.Ф. Самосейко, И.В. Белоусов, Ф.А. Гельвер, В.А. Хомяк СПб.: Изд. Крыловский государственный научный центр, 2020.2. Виноградов А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока/ А.Б. Виноградов//Иваново: ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», 2008. 298 с. 3. Калачев Ю. Н. Векторное регулирование (заметки практика). Методическое пособие. М.: ЭФО, 2013. – 63 с. 4. Усольцев А. А.Частотное управление асинхронными двигателями: учеб. пособие по дисциплинам электротехнического цикла. СПб.: СПбГИТМО (ТУ), 2006. 94с. 5. BlaschkeF.. The principle of field-orientation as applied to the transvector closed loop control system for rotating-field machines: Siemens Rev., vol. 34, no. 1, pp. 217–220, 1972. Векторное управление 5. Виноградов, А.Б. Адаптивная система векторного управления асинхронным электроприводом / А.Б. Виноградов, В.Л. Чистосердов, А.Н. Сибирцев // Электротехника. 2003. — №7. — С. 7–17.6. Система векторного управления асинхронным электроприводом с идентификатором состояния / Н.Л. Архангельский, Б.С. Курнышев, А.Б. Виноградов, С.К. Лебедев // Электричество. — 1991. — №11. — С. 47–51.7. Однолько, Д. С. Алгоритм идентификации электромагнитных параметров асинхронной машины при работе от трехфазной электрической сети/ Д. С. Однолько// Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ — Энергетика : международный научно-технический журнал. — 2013. — №1. — С. 47 – 55.8. Метод идентификации сопротивлений cтатора и ротора асинхронного двигателя// Д. Н. Базылев, А. А. Бобцов, А. А. Пыркин, Р. Ортега// Изв. Вузов. — Приборостроение. — 2017. Т. 60. — № 9 С. 807–811.9. Терехин А.А. Обзор способов идентификации параметров асинхронного электропривода/ А.А.Терехин, Д.А. Даденков //Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ). Электротехника, информационные технологии, системы управления. — 2017. —№ 22. —С. 55-65.10. Самосейко В.Ф. Теоретические основы управления электроприводом/ В.Ф. Самосейко — СПб.: Элмор. — 2007. — 464 c.11. Браславский И.Я., Ишматов З.Ш., Барац Е.И. Адаптивная система прямого управления моментом асинхронного двигателя// Электротехника. № 11. 2001. С. 35—39.12. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием// Г.Г. Соколовский. М.: Изд. центр «Академия», 2007. 272 с.13. Козярук, А. Е.Математическая модель системы прямого управления моментом асинхронного электропривода / А. Е. Козярук, В. В. Рудаков // Электротехника. – 2005. - № 9. – С. 8-14.14.Перельмутер В.М.Прямое управление моментом и током двигателей переменного тока. Харьков: Основа, 2004. 210 с.15.Григорьев А.В. Обзор вариантов прямого управления моментом асинхронных электродвигателей (часть 1) / А.В.Григорьев// Вестник КузГТУ, 2012, № 2. С. 53–58.16. Виноградов А.Б.Векторное управление электроприводами переменного тока/ А.Б. Виноградов//Иваново: ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», 2008. 298 с.17. Калачев Ю. Н.Векторное регулирование (заметки практика). Методическое пособие. М.: ЭФО, 2013. – 63 с.18. Рудаков В.В. Асинхронные электроприводы с векторным управлением/ В.В. Рудаков, И.М. Столяров, В.А. Дартау.–Л.: Энергоатомиздат, 1987.–136 с.19. Новиков, Г. В.Частотное управление асинхронными электродвигателями / Г. В. Новиков. — М: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016. — 498 с.20.Браславский, И. Я. Энергосберегающий асинхронный электропривод: учеб. пособие для студентов высших учебных заведений / И. Я. Браславский, З. Ш. Ишматов, В. Н. Поляков. – М. : Академия, 2004. – 256 с. : ил.21. Однолько Д. С. Параметрическая идентификация асинхронного двигателя в составе частотно-регулируемого электропривода при неподвижном роторе / Д. С. Однолько // Вестн. Гомел. гос. техн. ун-та им. П. О. Сухого. – 2014. – № 2. – С. 64–72.22. Ткачук Р. Ю. Идентификация параметров асинхронного двигателя с применением генетических алгоритмов/ Р. Ю. Ткачук, Глазырин А. С., Полищук В. И.// Омский вестник–2012. – №3, – С. 245-248.23. Опейко О. Ф. Адаптивное векторное управление асинхронным электродвигателем/ О. Ф. Опейко // Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ - Энергетика: международный научно-технический журнал. - 2012. - №4. 29-33.24. Панкратов В.В. Учет кривой намагничивания асинхронного двигателя в задачах энергооптимизации частотно-регулируемых электроприводов// Экологически перспективные системы и технологии: Сб. науч. тр. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1998. – Вып. 2. – С. 110–117. 25. Касьяненко М. Г. Аппроксимация кривых намагничивания электротехнических сталей при проектировании электрических машин/ М. Г. Касьяненко, В. Ф. Матюхов, М. А. Ваганов// Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ» № 9/2018 c. 69–75.26. Матюк В. Ф. Математические модели кривой намагничивания и петель магнитногогистерезиса. Часть I. Анализ моделей./Матюк В. Ф., Осипов А.А.// Неразрушающий контроль и диагностика № 2, 2011 с. 3-35.27. Пентегов И.В. Универсальная аппроксимация кривых намагничивания электротехнических сталей [Текст]/ И.В. Пентегов, А.В. Красножон// Науковіжурнали НТУ "ХПІ": Электротехника и электромеханика №1 - НТУ "ХПИ", 2006. - ISBN 2074-272Х.28. Якубович В. А.Линейные дифференциальные уравнения с периодическими коэффициентами и их приложения/ В. А. Якубович, В. М. Старжинский// M.: Наука – 1972. – 720 с.29. Рустамов Г. А. Робастная система управления с повышенным потенциалом/ Г. А. Рустамов// Управление техническими системами. Известия Томского политехнического университета. 2014. Т. 324. № 5.– С. 13–19.30. Даденков Д.А., Бездатчиковое векторное управление с адаптивным наблюдателем скорости и непосредственной коррекцией электрического угла/ Д.А. Даденков, А.В. Белоногов, П.В. Варзаносов// Фундаментальные исследования. – 2016. – № 11-3. – С. 505-509. 40.Жилиготов Р. И. Разработка системы бездатчикового векторного управления синхронным двигателем с постоянными магнитами: дис. канд. техн. наук: 05.09.03/ Р. И. Жилиготов – Спб, 2018. – 120 с.41. Панкратов В.В. Адаптивные алгоритмы бездатчикового векторного управления асинхронными электроприводами подъемно-транспортных механизмов [Электронный ресурс]: учебное пособие/ Панкратов В.В., Котин Д.А.— Электрон. текстовые данные.— Новосибирск: Новосибирский государственный технический университет, 2012.— 143 c.— Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/45359.html.— ЭБС «IPRbooks»42. Шеломкова Л. В. Разработка системы векторного бездатчикового управления асинхронным двигателем: дис. канд. техн. наук: 05.09.03/ Л. В. Шеломкова – Москва, Моск. энергет. ин-т. – 2008. – 175 с.43.Котин Д. А. Адаптивные алгоритмы бездатчикового векторного управления асинхронными электроприводами подъёмно-транспортных механизмов: дис. канд. техн. наук: 05.09.03/ Д. А. Котин – Новосибирск, Новосибирский государственный технический университет, 2010, – 160 с.44. Пересада С. М. Робастифицированное векторное бездатчиковое управление угловой скоростью асинхронного двигателя на основе адаптивного наблюдателя пониженного порядка/ С. М. Пересада, С. Н. Ковбаса// Вестник Нац. техн. ун-та "ХПИ": сб. науч. тр. Темат. вып.: Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика. – Харьков: НТУ "ХПИ", 2010. – № 28. – С. 110–114.45.Курнышев Б.С. Векторная ориентация переменных асинхронного двигателя без информации о потокосцеплениях/ Б.С.Курнышев// Вестник ИГЭУ, 2013, №1. – С.51–55.46. Белоусов И.В. Широтно-импульсные преобразователи электрической энергии: Монография/ Белоусов И.В., Гельвер Ф.А., Самосейко В.Ф., Хомяк В.А. – СПб.: ФГУП «Крыловский государственный научный центр», 2019. 228 с.47. Самосейко В.Ф. Адаптивный алгоритм векторного управления электроприводами с асинхронными электродвигателями/ В.Ф. Самосейко // Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова. 2019. Т. 11. № 1. С. 156-168.48.Виноградов А.Б.Адаптивная система векторного управления асин-хронным электроприводом/ А.Б. Виноградов, В.Л. Чистосердов, А.Н. Сибирцев // Электротехника. – 2003. – №7. – С. 7–17.49. Браславский И. Я.Адаптивная система прямого управления моментом асинхронного двигателя/ И. Я. Браславский, З. Ш. Ишматов, Е. И. Барац // Электротехника. – 2001. – № 1. – С. 35-39.50. Однолько Д. С. Параметрическая идентификация асинхронного двигателя в составе частотно-регулируемого электропривода при неподвижном роторе / Д. С. Однолько// Вестн. Гомел. гос. техн. ун-та им. П. О. Сухого. - 2014. -№ 2. - С. 64-72.