При подробном изучении рынка электроприводов для асинхронных двигателей было выявлено, что активном спросом, как у нас, так и за рубежом, на сегодняшний день пользуются электроприводы на основе преобразователя частоты (ПЧ). Ранее данный тип электроприводов не находил массового применения, так как было два основных сдерживающих барьера: высокая стоимость и ограниченная мощность полупроводников. Сейчас можно найти ПЧ от нескольких киловатт до мегаватт по приемлемым ценам. К основным достоинствам ПЧ можно отнести высокую точность регулирования, большой диапазон, а к недостаткам ‒ двойное преобразование энергии, большую частоту коммутаций полупроводниковых ключей, необходимое оборудование в виде дополнительных датчиков. Для реализации векторного управления с помощью ПЧ необходимо иметь датчик скорости, датчики напряжения, потокосцепления и тока [1].
Область применения ПЧ практически ничем не ограничена, поэтому при модернизации и внедрении новых технологий их используют повсеместно. Есть механизмы, которые не требуют большого диапазона регулирования, но нуждаются в плавном пуске. В таких случаях хорошо подходит асинхронный электропривод (АЭП) на основе тиристорного регулятора напряжения (ТРН). Данные электроприводы широко используются для таких механизмов, как конвейеры, центробежные вентиляторы, насосы. Основным преимущество ТРН над ПЧ является низкая стоимость.
На рис. 1 представлены графики зависимости стоимости от мощности для ТРН и ПЧ производителей электроприводов ABB и Siemens [2, 3].
Рис. 1. Кривые стоимости преобразователя частоты и тиристорного регулятора напряжения от мощности: а - Siemens; б - ABB; 1 - преобразователи частоты; 2 - тиристорные регуляторы напряжения
Из рис. 1 видно, что до 5,5 кВт стоимость ПЧ и ТРН практически одинаковая, но с ростом мощности привода разница в цене начинает увеличиваться. У производителя электроприводов ABB наблюдается наибольшая разница в цене ТРН и ПЧ по сравнению с Siemens. Так, например, для мощности 200 кВт она соответствует 420 600 тыс. руб., или 4 приводам ТРН-АД. Исходя из изложенного, можно сделать вывод, что при установке ТРН можно значительно сэкономить, при условии, что данный привод удовлетворяет технологическим требованиям.
Ко второму существенному достоинству ТРН можно отнести надежность. Так как ее оценить без статистических данных проблематично, то в предположении, что силовые элементы, используемые в ТРН и ПЧ, эквиваленты, а также ввиду их большого количества и значительного числа коммутаций на один период, надежность ПЧ окажется меньше, чем надежность ТРН.
Цель исследования: разработка замкнутой по скорости системы управления асинхронным электроприводом с тиристорным регулятором напряжения и модифицированным наблюдателем Люенбергера.
Имитационная модель системы ТРН-АД. Для проведения исследования была разработана имитационная модель в Matlab2007b/Simulink асинхронного электропривода по схеме ТРН-АД (рис. 2).
Рис. 2. Имитационная модель асинхронного электропривода по структуре ТРН-АД с наблюдателем скорости
Блок Power представляет собой источник питания, который формирует три фазы напряжения. Затем идет блок Synchronization, который синхронизирует работу системы управления с сетью путем подачи коротких импульсов при прохождении синусоидального напряжения через ноль. Принцип работы данного устройства следующий: из текущего сигнала вычитается задержанный, затем формируется модуль ошибки, который с помощью компаратора сравнивается c ранее установленным значением 0,0001. Система управления была реализована с помощью блока S-function Builder программным методом c шагом дискретизации 0,00001. Принцип работы наглядно иллюстрирует рис. 3, а справа от него расположен программный код. Работа системы управления осуществляется следующим образом: имеется три счетчика counter, counter1, counter2, которые запускаются в момент прохождения синусоиды через ноль и по истечении определенного момента времени формируют необходимый угол открытия ключей для каждой фазы. По завершении отработки заданного угла счетчики обнуляются, и процесс повторяется при повторном приходе импульса с блока синхронизации.
Рис. 3
int static counter = 0, counter1 = 0, counter2 = 0 ;
int static mode = 2,mode1 = 2, mode2 = 2 ;
//Ua faze--------------------------------------------------
if (u0[0] > 5) mode = 0;
if (mode = = 0)
{
y0[0] = 0;
counter++;
if (counter > = alfa[0])mode = 1;
}
if (mode = = 1) {counter = 0; y0[0] = 1;}
//Ub faze-------------------------------------------------
if (u1[0] > 5) mode1 = 0;
if (mode1 = = 0)
{
y1[0] = 0;
counter1++;
if (counter1 > = alfa[0])mode1 = 1;
}
if (mode1 = = 1) {counter1 = 0; y1[0] = 1;}
//Uc faze--------------------------------------------------
if (u2[0] > 5) mode2 = 0;
if (mode2 = = 0)
{
y2[0] = 0;
counter2++;
if (counter2 > = alfa[0])mode2 = 1;
}
if (mode2 = = 1) {counter2 = 0; y2[0] = 1;}
Полному открытию, или 180 градусам для счетчиков, соответствует значение, равное 1000, следовательно, для 90 градусов будет 500, а для 1 градуса ‒ 5,5. Так как переменная counter инициализирована как integer (целочисленное число), то будет наблюдаться небольшая погрешность при регулировании. Переменные u[0], u1[0], u2[0] представляют собой сигналы, полученные с синхронизирующего блока, y[0], y1[0], y2[0] - выходные импульсы, alfa[0] - входной сигнал задания угла. В блоке Subsystem1 реализована силовая часть тиристорного регулятора напряжения. Особенностью данного блока является использование идеальных ключей, которые открываются мгновенно и не имеют тока утечки. Блок PKP преобразует исходную трехфазную систему координат напряжения в двухфазную неподвижную.
Таблица 1 Параметры электродвигателя
|
Pн, кВт |
f, Гц |
R1, Ом |
R2, Ом |
L1, Гн |
L2, Гн |
Lm, Гн |
p |
n, об/мин |
|
4 |
50 |
1,272 |
1,9126 |
0,009568 |
0,00358 |
0,0994 |
4 |
1410 |
Асинхронный электродвигатель реализован с помощью блока Asynchronous Mashine1 в двухфазной неподвижной системе координат. Параметры электродвигателя представлены в табл. 1. Плавная скорость задания реализуется с помощью задатчика интенсивности Lockuptable4. Блок Pid Contoller представляет собой элемент из стандартного набора библиотеки Simulink. Для ограничения скорости в контуре регулирования использовался блок Saturation. Блок Lockuptable1 позволяет реализовать обратную зависимость между углом и скоростью, так при максимальной скорости вращения, равной 157,3 рад/с, угол открытия должен быть равен 0.
Наблюдатель Люенбергера. На рис. 4 представлена структурная схема модифицированного наблюдателя Люенбергера, который состоит из двухфазной математической модели асинхронного двигателя, пропорционально интегральных регуляторов Рег. 1, Рег. 2, апериодического звена первого порядка, блока выделения модуля и соответствующих коэффициентов k1а, k1b, k2a, k2b [4].
Рис. 4 Структурная схема наблюдателя
Для синтеза модифицированного наблюдателя Люенбергера необходимо знать параметры двигателя. Если их нет, то можно произвести идентификацию с помощью генетических алгоритмов методом наименьших квадратов или методом градиентного спуска [5, 6].
Модифицированный регулятор Люенбергера работает следующим образом: с двигателя в режиме реального времени снимаются и преобразуются в двухфазную систему координат сигналы токов Iα, Iβ и напряжений с каждой фазы Uα, Uβ. Напряжения Uα, Uβ подаются сразу непосредственно на модель асинхронного двигателя, а с помощью токов Iα, Iβ происходит корректировка оценок момента нагрузки 
и потокосцеплений 
, 
с помощью сигналов модели Ukα, Ukβ.
Оценка текущей нагрузки на валу двигателя происходит по следующему принципу: вначале отрабатываются невязки для каждой фазы по току с помощью Рег.1 и Рег.2, которые затем умножаются на соответствующие коэффициенты k1a, k1b, затем суммируются, проходят через апериодический фильтр с постоянной времени T = 0,01 c, в конечном итоге выделяется модуль и итоговый сигнал подается на математическую модель.
Корректировка магнитной цепи в модифицированном наблюдателе Люенбергера осуществляется путем умножения выходного сигнала с регуляторов Рег.1 и Рег.2 на коэффициенты k2a, k2b и подачей сигналов Ukα , Ukβ на модель. Принцип корректировки магнитной цепи показан в системе дифференциальных уравнений модифицированного наблюдателя Люенбергера (1).
(1)
Настройка коэффициентов наблюдателя Рег.1, Рег2, а также k1а, k1b, k2a, k2b, k0 происходит методом подбора таким образом, чтобы при набросе нагрузки в разомкнутом состоянии просадка по нагрузке, как в двигателе, так и в наблюдателе, была одинаковая.
Результаты исследования. На рис. 5 представлены переходные процессы скорости системы, замкнутой по сигналам датчика и модифицированного наблюдателя Люенбергера. В ходе исследования было установлено, что на больших скоростях система с наблюдателем отрабатывает задание практически так же, как и с датчиком, но на малых скоростях появляются автоколебания, которые приводят к нестабильной работе. Для уменьшения автоколебаний и увеличения диапазона регулирования был введен адаптивный регулятор скорости.
Рис. 5 Переходные процессы по скорости с наблюдателем: а - ωзад = 150 рад/с, MC = 100%; в - ωзад = 20 рад/с, MC = 100%;
с датчиком скорости: б - ωзад = 150 рад/с, MC = 100%; г - ωзад = 20 рад/с, MC = 100%
Использовано два набора параметров регулятора скорости для следующих диапазонов: больших скоростей - от 60 до 150 рад/с, малых скоростей - менее 60 рад/с. Такой вариант позволил расширить диапазон регулирования до 1:8.
В табл. 2 приведены основные показатели переходных процессов по скорости, из которых видно, что статическая ошибка у наблюдателя с уменьшением скорости задания увеличивается. При малых скоростях при набросе нагрузки в варианте системы, замкнутой по сигналу с наблюдателя, имеется больший провал скорости, чем в случае с наблю- дателем.
Таблица 2 Показатели переходных процессов АЭП с контуром скорости, замкнутым по сигналам датчика и наблюдателя
|
|
Задание на скорость ωзад, рад/с |
Нагрузка,% от Mн |
Динамическая ошибка, % от ωн |
Статическая ошибка, % от ωн |
Провал скорости, % от ωн |
|
Датчик |
20 |
10% |
21% |
0,5% |
79% |
|
Наблюдатель |
20 |
10% |
23% |
5 |
88% |
|
Датчик |
150 |
100% |
2% |
1% |
7,5% |
|
Наблюдатель |
150 |
100% |
2% |
1,5% |
8% |
Модифицированный наблюдатель вырабатывает оценку скорости с запаздыванием, что приводит к большему провалу скорости при набросе нагрузки в диапазоне малых скоростей.
Заключение
-
В данной работе был разработан модифицированный наблюдатель Люенбергера скорости для асинхронного электропривода с тиристорным регулятором напряжения, который позволяет, используя только сигналы токов и напряжения идентифицировать скорость в диапазоне 1:8 с погрешностью не более 5%.
-
В ходе исследования было установлено, что параметры регулятора в контуре скорости влияют на работу модифицированного наблюдателя. Для более устойчивой работы наблюдателя на низких скоростях было предложено использовать адаптивный регулятор скорости.
Рецензенты:
-
Аристов А.В., д.т.н., профессор кафедры электропривода и электрооборудования ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г. Томск;
-
Исаев Ю.Н., д.ф.-м.н., профессор кафедры электрических сетей и электротехники ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г. Томск.
Работа поступила в редакцию 03.08.2012.