Асинхронный частотно-регулируемый электропривод с системой управления переменной структуры : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.09.03

📅 2020 год
Хабаров, А. И.
Бесплатно
В избранное
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………… 6

ГЛАВА 1. ОБЗОР ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ КОМПЛЕКСНОЙ
ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМОВ РАБОТЫ АСИНХРОННОГО
ЭЛЕКТРОПРИВОДА ………………………………………………………… 13

1.1 Математическая постановка комплексной оптимизационной
задачи …………………………………………………………………………… 13

1.2 Варианты реализации комплексной оптимизационной
задачи …………………………………………………………………………… 14

1.3 Выводы ……………………………………………………………………… 20

ГЛАВА 2. ВЫБОР МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ АСИНХРОННОГО
ЭЛЕКТРОПРИВОДА ………………………………………………………….. 21

2.1 Требования и исходные положения ………………………………………. 21

2.2 Обобщенная модель асинхронного двигателя во вращающейся свободно
ориентированной двумерной системе координат …………………………… 22

2.3 Использование системы относительных единиц ………………………… 26

2.4 Модель двухфазной асинхронной машины с короткозамкнутым
ротором …………………………………………………………………………. 29

2.5 Векторная модель двигателя с ориентацией по вектору потокосцепления
ротора …………………………………………………………………………… 30

2.6 Модель двухфазной асинхронной машины с короткозамкнутым ротором
для задач экстремального управления ………………………………………… 32

2.7 Векторная модель асинхронного двигателя с ориентацией по
вектору потокосцепления ротора для расчёта установившихся режимов
работы …………………………………………………………………………… 33

2.8 Энергетическая модель. Потери в двигателе …………………………….. 38
2.9 Алгоритм расчёта экстремального закона управления ………………….. 39

2.10 Расчёт и анализ оптимального закона управления …………………….. 42

2.11 Выводы ……………………………………………………………………. 48

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ СКАЛЯРНОГО УПРАВЛЕНИЯ
ПЕРЕМЕННОЙ СТРУКТУРЫ АСИНХРОННЫМ ЧАСТОТНО-
РЕГУЛИРУЕМЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ………………………………… 49

3.1 Типовая структура скалярной разомкнутой САУ электропривода …….. 49

3.2 Электромеханический показатель качества энергоэффективности
скалярных систем управления ………………………………………………… 51

3.3 Анализ законов скалярного регулирования ……………………………… 55

3.3.1 Пропорциональный закон частотного регулирования U/f=const ……. 55

3.3.2 Пропорциональный закон частотного регулирования с добавкой …… 57

3.3.3 Закон частотного управления для вентиляторного типа нагрузки …… 59

3.3.4 Закон частотного управления при постоянстве мощности …………… 61

3.3.5 Компенсация падения напряжения на активном сопротивлении обмотки
статора ………………………………………………………………………….. 63

3.3.6 Управление при максимуме момента при ограничениях ……………… 65

3.3.7 Анализ результатов ……………………………………………………… 67

3.4 Комплексная оптимизация режимов работы электропривода со скалярной
системой управления …………………………………………………………… 68

3.5 Концепция построения скалярных систем управления переменной
структуры ………………………………………………………………………. 70

3.6 Расчет законов для скалярной системы управления переменной
структуры ………………………………………………………………………. 72

3.7 Разработка структуры скалярной системы управления переменной
структуры ………………………………………………………………………. 74

3.8 Структура скалярной системы управления переменной структуры …… 77
3.9 Выводы ……………………………………………………………………… 78

ГЛАВА 4. СИСТЕМА ТОКООГРАНИЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С
АВТОМАТИЧЕСКИМ ОПРЕДЕЛЕНИЕМ ПАРАМЕТРОВ
РЕГУЛЯТОРА ………………………………………………………………….. 81

4.1 Общие принципы построения системы токоограничения ……………… 81

4.2 Принцип ограничения переменных ………………………………………. 83

4.3 Система токоограничения электропривода со скалярной системой
управления ……………………………………………………………………… 83

4.4 Синтез ПИ регулятора системы токоограничения электропривода со
скалярной системой управления ……………………………………………… 86

4.5 Система токоограничения электропривода со скалярной системой
управления переменной структуры …………………………………………… 93

4.6 Выводы ……………………………………………………………………… 93

ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
СИСТЕМЫ СКАЛЯРНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕМЕННОЙ СТРУКТУРЫ
АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА …………………………………… 94

5.1 Расчет параметров математической модели двигателя
АИУЕ225М6 ……………………………………………………………………. 94

5.2 Механические характеристики при использовании законов оптимального
управления ……………………………………………………………………. 100

5.3 Сравнение со скалярной системой в тестовых режимах ………………. 103

5.4 Тестирование с разными видами нагрузки ……………………………… 108

5.4.1 Работа с реактивным моментом нагрузки …………………..………… 108

5.4.2 Работа на уклон …………………………………………………………. 114

5.4.3 Работа под уклон ……………………………………………………….. 116

5.4.4 Движение порожнего вагона по ровному участку …………………… 118
5.5 Работа с пониженным напряжением питающей сети ………………….. 123

5.6 Исследование модернизированной скалярной системы
управления асинхронным электроприводом в условиях изменения
параметров объекта …………………………………………………………… 124

5.7 Выводы ……………………………………………………………………. 127

ГЛАВА 6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ……………….. 128

6.1 Характеристика экспериментального оборудования …………………… 128

6.1.1 Преобразователь частоты ПЧ-ТТЕТ-32-690-50-УХЛ4 ………………. 128

6.1.2 Лабораторный стенд и экспериментальная установка ………………. 130

6.1.3 Фотографии самоходного вагона В17К ………………………………. 131

6.2 Тестирование системы на лабораторной установке
мощностью 4 кВт ……………………………………………………………. 133

6.3 Тестирование системы на лабораторной установке мощностью
22 кВт ………………………………………………………………………….. 134

6.4 Тестирование модернизированной системы управления на
промышленном образце ……………………………………………………… 140

6.5 Выводы ……………………………………………………………………. 142

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………………………. 143

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ …………………………………………………… 146

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………………………………. 148

Актуальность темы исследования. В настоящее время наиболее
широкое распространение получил частотно-регулируемый электропривод
переменного тока на базе асинхронного короткозамкнутого двигателя.
Главными достоинствами асинхронного электропривода, которые привели к
его широкому распространению, являются надёжность и простота
конструкции, минимальные требования к обслуживанию.

Итоги выполненного исследования:
1. Предложен оригинальный алгоритм расчёта оптимальных
законов управления, отличающийся автоматическим определением
границ зон работы электропривода. Применённые в алгоритме
динамическая и статическая математические модели асинхронного
двигателя ориентированы на расчёт оптимальных законов управления и
учитывают эффект насыщения главной магнитной цепи и эффект
вытеснения тока ротора.
2. Введен электромеханический показатель качества, позволяющий
наглядно сравнить энергоэффективность законов частотного
управления.
3. Предложена оригинальная формулировка комплексной
электромеханической задачи при использовании электромеханического
показателя.
4. Для скалярных систем регулирования с фиксированным законом
частотного управления подтверждена целесообразность применения
нескольких законов частотного управления, выбираемых в зависимости
от вероятной нагрузки на валу двигателя.
5. Разработана скалярная система управления частотным
асинхронным электроприводом переменной структуры,
обеспечивающая максимум электромагнитного момента при
ограничении тока преобразователя во всех режимах работы. Данная
система отличается использованием в своей структуре двух законов
частотного управления, один из которых рассчитан на оптимальное
функционирование системы при выходе на ограничения по току и
напряжению статора АД, второй – на оптимальное функционирование в
установившихся режимах работы. Переключение между законами
осуществляется по условию максимума электромеханического
показателя в функции модуля тока статора АД.
6. Система управления электроприводом выполнена как
многозонная система автоматического регулирования, где в первой зоне
воздействие на двигатель осуществляется путем связанного
определённым законом изменения амплитуды и частоты напряжения
статора, а во второй зоне – путем изменения лишь частоты, а амплитуда
напряжения остается неизменной в соответствии с предельными
возможностями преобразователя частоты.
7. Разработана численная математическая модель рассматриваемого
электропривода со скалярной системой управления переменной
структуры, что позволило исследовать динамические характеристики
электропривода в различных режимах.
8. Выполнено сравнение с типовой скалярной системой.
Подтверждено увеличение электромагнитного момента двигателя в
модернизированной системе при ограничении по току преобразователя
по сравнению со скалярной системой на 25% для рассматриваемого
двигателя.
9. Показана работоспособность системы при работе с различными
нагрузками электропривода: реактивным моментом сопротивлении,
активным двигательным и активным генераторным моментами.
10. Подтверждена работа электропривода в условиях изменения, в
пределах ±40%, активных сопротивлений статора и ротора. Показано
что при увеличении активных сопротивлений показатель качества
уменьшается не более чем на 5%.
11. Разработанная система управления прошла тестирование на
экспериментальной установке электропривода. В результате серии
экспериментов были подтверждены основные теоретические положения
работы.
12. Разработанная система управления апробирована на опытно-
конструкторском образце шахтного самоходного вагона, успешно
прошла испытания в условиях реальной эксплуатации. Результаты
работы внедрены в производство серийного самоходного вагона В17К
Копейского машиностроительного завода.

Рекомендации:
1. Дополнить разработанную систему управления переменной
структуры алгоритмом идентификации, определяющим параметры
объекта управления системы токоограничения.

Перспективы дальнейшей разработки темы:
1. Создание универсального алгоритма реализации экстремальных
законов управления асинхронным двигателем, применимого как для
скалярных, так и векторных систем управления.
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АД – асинхронный двигатель;

ПЧ – преобразователь частоты;

САР – система автоматического регулирования;

САУ – система автоматического управления;

СУ – система управления;

ЭП – электропривод;

РС – регулятор скорости;

РТ – регулятор тока;

РМ – регулятор момента;

РП – регулятор потокосцепления ротора;

ИБ – интеллектуальный блок;

ОР – оптимизатор режимов;

РК – регулятор коррекции закона управления;

РСК – регулятор скольжения;

НЭ – нелинейный элемент;

БО – блок ограничения;

ФОС – формирователь обратной связи;

ПКН – преобразователь координат напряжения;

ДАТ – датчик активного тока;

ДТС – датчик тока статора;

БУ – блок управления;

ФП – функциональный преобразователь;

ЗИ – задатчик интенсивности;
КПТ, КПН – координатные преобразователи тока и напряжения;

ФЗ – формирователь заданий;

ФСС – формирователь синусоидальных сигналов.

1. ТаранА.А.Оптимизациястационарных режимовасинхронных
электроприводов на базе преобразователей частоты с широтно-
импульсноймодуляцией:дис.канд.техн.наук/А.А.Таран.
Екатеринбург, 2006. 166с.
2. Поляков В.Н. Экстремальное управление электрическими двигателями:
моногр. / В.Н. Поляков, Р.Т. Шрейнер; под общ. ред Р.Т. Шрейнера.
Екатеринбург: Изд-во ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006. 420 с.
3. ШрейнерР.Т.Математическоемоделированиеэлектроприводов
переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты.
Екатеринбург. УРО РАН, 2000. 654 с.
4. ПоляковВ.Н.Энергоэффективныережимырегулируемых
электроприводов переменного тока/ Поляков В.Н., Шрейнер Р.Т.
Екатеринбург: ФГАОУ ВПО РГППУ, 2012, 222с.
5. Шрейнер Р.Т., Дмитриенко Ю.А. Оптимальное частотное управление
асинхронными электроприводами. Кишинёв, Из-во «Штиница», 1982.
222с.

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?
Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

    Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных и с правилами пользования Платформой

    Помогаем с подготовкой сопроводительных документов

    Совместно разработаем индивидуальный план и выберем тему работы Подробнее
    Помощь в подготовке к кандидатскому экзамену и допуске к нему Подробнее
    Поможем в написании научных статей для публикации в журналах ВАК Подробнее
    Структурируем работу и напишем автореферат Подробнее

    Хочешь уникальную работу?

    Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

    Мария Б. преподаватель, кандидат наук
    5 (22 отзыва)
    Окончила специалитет по направлению "Прикладная информатика в экономике", магистратуру по направлению "Торговое дело". Защитила кандидатскую диссертацию по специальнос... Читать все
    Окончила специалитет по направлению "Прикладная информатика в экономике", магистратуру по направлению "Торговое дело". Защитила кандидатскую диссертацию по специальности "Экономика и управление народным хозяйством". Автор научных статей.
    #Кандидатские #Магистерские
    37 Выполненных работ
    Кирилл Ч. ИНЖЭКОН 2010, экономика и управление на предприятии транс...
    4.9 (343 отзыва)
    Работы пишу, начиная с 2000 года. Огромный опыт и знания в области экономики. Закончил школу с золотой медалью. Два высших образования (техническое и экономическое). С... Читать все
    Работы пишу, начиная с 2000 года. Огромный опыт и знания в области экономики. Закончил школу с золотой медалью. Два высших образования (техническое и экономическое). Сейчас пишу диссертацию на соискание степени кандидата экономических наук.
    #Кандидатские #Магистерские
    692 Выполненных работы
    Татьяна Б.
    4.6 (92 отзыва)
    Добрый день, работаю в сфере написания студенческих работ более 7 лет. Всегда довожу своих студентов до защиты с хорошими и отличными баллами (дипломы, магистерские ди... Читать все
    Добрый день, работаю в сфере написания студенческих работ более 7 лет. Всегда довожу своих студентов до защиты с хорошими и отличными баллами (дипломы, магистерские диссертации, курсовые работы средний балл - 4,5). Всегда на связи!
    #Кандидатские #Магистерские
    138 Выполненных работ
    Сергей Е. МГУ 2012, физический, выпускник, кандидат наук
    4.9 (5 отзывов)
    Имеется большой опыт написания творческих работ на различных порталах от эссе до кандидатских диссертаций, решения задач и выполнения лабораторных работ по любым напра... Читать все
    Имеется большой опыт написания творческих работ на различных порталах от эссе до кандидатских диссертаций, решения задач и выполнения лабораторных работ по любым направлениям физики, математики, химии и других естественных наук.
    #Кандидатские #Магистерские
    5 Выполненных работ
    Олег Н. Томский политехнический университет 2000, Инженерно-эконо...
    4.7 (96 отзывов)
    Здравствуйте! Опыт написания работ более 12 лет. За это время были успешно защищены более 2 500 написанных мною магистерских диссертаций, дипломов, курсовых работ. Явл... Читать все
    Здравствуйте! Опыт написания работ более 12 лет. За это время были успешно защищены более 2 500 написанных мною магистерских диссертаций, дипломов, курсовых работ. Являюсь действующим преподавателем одного из ВУЗов.
    #Кандидатские #Магистерские
    177 Выполненных работ
    Анна Александровна Б. Воронежский государственный университет инженерных технол...
    4.8 (30 отзывов)
    Окончила магистратуру Воронежского государственного университета в 2009 г. В 2014 г. защитила кандидатскую диссертацию. С 2010 г. преподаю в Воронежском государственно... Читать все
    Окончила магистратуру Воронежского государственного университета в 2009 г. В 2014 г. защитила кандидатскую диссертацию. С 2010 г. преподаю в Воронежском государственном университете инженерных технологий.
    #Кандидатские #Магистерские
    66 Выполненных работ
    Екатерина С. кандидат наук, доцент
    4.6 (522 отзыва)
    Практически всегда онлайн, доработки делаю бесплатно. Дипломные работы и Магистерские диссертации сопровождаю до защиты.
    Практически всегда онлайн, доработки делаю бесплатно. Дипломные работы и Магистерские диссертации сопровождаю до защиты.
    #Кандидатские #Магистерские
    1077 Выполненных работ
    Дмитрий М. БГАТУ 2001, электрификации, выпускник
    4.8 (17 отзывов)
    Помогаю с выполнением курсовых проектов и контрольных работ по электроснабжению, электроосвещению, электрическим машинам, электротехнике. Занимался наукой, писал стать... Читать все
    Помогаю с выполнением курсовых проектов и контрольных работ по электроснабжению, электроосвещению, электрическим машинам, электротехнике. Занимался наукой, писал статьи, патенты, кандидатскую диссертацию, преподавал. Занимаюсь этим с 2003.
    #Кандидатские #Магистерские
    19 Выполненных работ
    Ксения М. Курганский Государственный Университет 2009, Юридический...
    4.8 (105 отзывов)
    Работаю только по книгам, учебникам, статьям и диссертациям. Никогда не использую технические способы поднятия оригинальности. Только авторские работы. Стараюсь учитыв... Читать все
    Работаю только по книгам, учебникам, статьям и диссертациям. Никогда не использую технические способы поднятия оригинальности. Только авторские работы. Стараюсь учитывать все требования и пожелания.
    #Кандидатские #Магистерские
    213 Выполненных работ

    Другие учебные работы по предмету

    Вентильные дизель-генераторные установки переменной частоты вращения
    📅 2022год
    🏢 ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
    Повышение энергоэффективности Республики Бурунди за счет внедрения солнечной электроэнергетики
    📅 2021год
    🏢 ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)»
    Менеджер онлайн в Telegram Написать