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

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

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.