Адаптивно-векторная система управления бездатчикового асинхронного электропривода
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ
БЕЛАРУСЬ
БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА ЭАПУ и ТК
КУРСОВАЯ РАБОТА
ПО ДИСЦИПЛИНЕ “ТЕОРИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО
УПРАВЛЕНИЯ”
НА ТЕМУ: «Адаптивно-векторная
система управления бездатчикового асинхронного электропривода»
Исполнитель: гр. 107626
Руководитель: Примшиц П.П.
МИНСК 2009
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
. ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ СХЕМЫ АД ПО ТЕХНИЧЕСКИМ
ДАННЫМ
. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ВЫЧИСЛЕНИЯ СКОРОСТИ АД
. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА АД
. ГРАФИКИ
. ПАРАМЕТРЫ ОСНОВНЫХ БЛОКОВ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ВВЕДЕНИЕ
Задача построения высококачественного асинхронного электропривода с
векторным управлением без использования каких-либо датчиков, пристроенных к
валу или встроенных в двигатель, постоянно привлекает внимание разработчиков с
момента появления самого термина «векторное управление» применительно к
асинхронному двигателю в начале 1970-х годов. Область применения таких
электроприводов определяется следующими условиями:
) Механизм предъявляет повышенные требования к быстродействию привода.
) В приводе требуется регулирование электромагнитного момента на валу
двигателя.
) Не требуется высокая статическая точность и широкий диапазон
регулирования скорости (диапазон не более 100).
) Установка датчика скорости на вал двигателя невозможна по условиям
эксплуатации, технологическим, стоимостным или прочим ограничениям.
Типичными объектами являются электроприводы подъемно-транспортных
средств, механизмов намотки, экструдеров, дробилок, работающих в пожароопасных,
взрывоопасных, химически и радиоактивных средах, в условиях повышенных вибраций
и ударных механических нагрузок.
В настоящее время бездатчиковые асинхронные приводы с векторным
управлением представлены практически всеми ведущими фирмами производителями
преобразователей частоты. При этом характеристики большинства этих приводов
оказываются весьма скромными. В частности, полоса пропускания контура скорости,
как правило, не превышает (5-7) Гц, а общий диапазон регулирования скорости
(вверх и вниз от номинальной) не более (20-100), что вполне достижимо и в
системе частотного управления с векторной ориентацией переменных в
установившихся режимах работы. Большинство же производителей преобразователей
частоты вообще не заявляют в технической документации полосу пропускания и
диапазон регулирования скорости. В этом случае получить подобную информацию
удается только в результате проведения стендовых испытаний. Таким образом, если
рассматривать указанные характеристики регулирования скорости, то практически
«стирается грань» между бездатчиковыми электроприводами с частотным и векторным
управлением. Исследования, выполненные авторами, показали, то характеристики
асинхронных векторных электроприводов без датчика скорости могут существенно
превышать аналогичные характеристики систем частотного управления. В частности,
полоса пропускания контура скорости может составлять более 30 Гц, а в диапазоне
регулирования скорости не менее 100 обеспечиваются значительно меньшие статические
и динамические ошибки. Однако для достижения таких результатов приходится
решить ряд проблем.
Основные проблемы, связанные с построением бездатчикового векторного
электропривода, заключаются в следующем:
) Наблюдатель состояния асинхронного двигателя (АД), построенный на
основе решения полной системы уравнений электрического равновесия для статора и
ротора по доступной информации о напряжениях и токах статора, способен
обеспечить приемлемую точность вычисления потокосцепления и скорости только в
ограниченном диапазоне частот. Это связано с известной проблемой введения
начальных условий при частотах, близких к нулевой. Практически все способы
решения данной проблемы связаны с введением определенного отклонения
математического описания наблюдателя состояния относительно реального объекта
при работе в области малых частот. Эти отклонения проявляются в виде ошибки в
вычислении потокосцепления, скорости, активной и реактивной составляющих тока.
) Следующей проблемой является чувствительность электропривода к
изменению его параметров в процессе работы. Прежде всего это относится к
температурным изменениям активных сопротивлений статора и ротора, а также к
изменению взаимной индуктивности в зависимости от тока цепи намагничивания.
Одним из подходов к решению данной проблемы в построении векторного регулятора
и наблюдателя состояния АД является применение регуляторов, грубых в отношении
параметрических возмущений, в частности, релейных регуляторов, функционирующих
в скользящих режимах. Другим подходом является параметрическая адаптация,
осуществляемая реальном времени при работе привода.
) Третьей проблемой является получение необходимой точности оценки
эквивалентных (усредненных на интервале расчета процессов в наблюдателе
состояния) значений токов и напряжений статора. На точность оценки
эквивалентных напряжений в области малых частот основной гармоники и высоких
частот модуляции существенно влияет «мертвое время» и задержки переключения
ключей инвертора. Заметим, что проблема точности измерения напряжения на малых
частотах в гораздо меньшей степени проявляется в векторных электроприводах с
датчиком скорости/положения, так как быстродействующий контур скорости,
замкнутый по реально измеряемому сигналу, способен в значительной степени
компенсировать ошибки, связанные с динамическими «не идеальностями» ключей
инвертора.
1.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Асинхронный трехфазный двигатель с короткозамкнутым ротором со следующими
техническими данными:
1. тип двигателя: 4А90L4У3;
2. номинальная
мощность: 
;
. номинальный
КПД: 
;
. 
;
. кратность
пускового момента:
;
6. кратность максимального момента:
;
7. кратность пускового тока статора:
;
. число
пар полюсов: 
;
. номинальная
частота: 
;
. номинальное
напряжение (фазное): 
;
. 
;
. номинальная
частота вращения: 
.
4А90L4У3 -
асинхронный двигатель серии 4А исполнения по степени защиты IP44,
с короткозамкнутым ротором, с чугунными станиной и подшипниковыми щитами, с
высотой оси вращения 90 мм, большим установочным размером по длине
станины (L), четырехполюсный, климатического
исполнения У, категории размещения 3.
У
- умеренный климат.
3
- машина рассчитана на работу в закрытом помещении, в котором колебания
температуры и влажности, а также воздействие песка и пыли существенно меньше,
чем на открытом воздухе.
Конструктивное исполнение - IM1001.
Способ охлаждения - ICА0141.
2. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ СХЕМЫ АД ПО ТЕХНИЧЕСКИМ ДАННЫМ
На основании технических данных рассчитываем:
1. номинальный ток статора
;
2. номинальное скольжение
,
величина
номинального скольжения асинхронных двигателей нормального исполнения находится
в пределах 
;
3. синхронную угловую скорость
;
4. номинальную угловую скорость:
;
5. номинальный момент
;
6. номинальные потери мощности
.
Принимаем
значения механических номинальных 
и
добавочных 
потерь, определяющих момент холостого хода двигателя,
в пределах:
,
.
;
.
Определяем:
7. момент холостого хода АД
;
8. номинальный электромагнитный момент
;
9. номинальные переменные потери мощности в роторе
.
Задаемся
коэффициентом загрузки 
, соответствующем максимуму КПД двигателя:
.
Выбираем
.
Рассчитываем:
10. переменные номинальные потери мощности
;
11. постоянные потери мощности
;
12. номинальные переменные потери мощности в статоре
;
13. активное сопротивление фазы обмотки статора
;
14. максимальный электромагнитный момент
;
. коэффициент
, имеющий размерность сопротивления
;
16. сопротивление
;
17. приведенное активное сопротивление фазы ротора
;
18. индуктивное сопротивление короткого замыкания
;
19.
критическое скольжение
,
величина
критического скольжения асинхронных двигателей нормального исполнения находится
в пределах 
;
20. отношение активных сопротивлений
;
21. электромагнитный момент при номинальном скольжении
;
22. погрешность в определении номинального электромагнитного момента
.
Если
погрешность 
превышает допустимую величину (обычно принимают 0,01
- 0,05), то корректируем величину коэффициента загрузки и момент холостого 
до
получения требуемой погрешности. Когда достигаем требуемой величины погрешности
расчета, находим:
23. индуктивное сопротивление фаз статора и ротора
;
24. потери в стали
;
25. эквивалентное активное сопротивление намагничивающей ветви
;
- ток
холостого хода АД;
. величину
;
27. индуктивное сопротивление взаимоиндукции
.
Для
более точного моделирования процессов в АД при управлении, где используется
обычно несинусоидальное напряжение (фазовое и частотное управление), следует
применять математическую модель трехфазного АД, а также произвести расчет
дополнительных значений.
Рассчитываем:
1. наибольшее значение взаимной индуктивности для трехфазной обмотки
;
2. индуктивность рассеяния фаз статора
;
;
3. полную индуктивность статора трехфазной обмотки
;
4. индуктивность рассеяния контура короткого замыкания АД
;
; 
;
;
5. индуктивность рассеяния фазы ротора
;
6. полная индуктивность ротора трехфазной обмотки
;
7.
полная индуктивность трехфазной цепи
где
- коэффициент рассеяния;
.
В
обеих случаях расчета полной индуктивности трехфазной цепи 
расчеты подтверждаются, 
;
.
относительную частоту
;
9. кратность максимального момента
;
10. дополнительный электромагнитный момент
;
11. критический момент
;
12.
коэффициент обратной связи
;
13. модуль жесткости при питании от источника тока
;
14. электромагнитная постоянная времени АД, при питании от источника
тока
;
. электромеханическая
постоянная времени электропривода с линейной механической характеристикой,
имеющей модуль жесткости 
.
3.
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ВЫЧИСЛЕНИЯ СКОРОСТИ АД
электропривод асинхронный двигатель ротор
Рисунок 1. - Функциональная схема вычисления скорости АД при векторном
управлении
1. 4. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА АД
Рисунок 2. - Структурная схема АД
5.
ГРАФИКИ
Рисунок 3. - Графики скорости при частоте f=10 Гц
Рисунок 4. - Графики скорости при частоте f=50 Гц
Рисунок 5. - Графики изменения токов статора и ротора
Рисунок 6. - График изменения электромагнитного момента
1. 6. ПАРАМЕТРЫ ОСНОВНЫХ БЛОКОВ
I. Блок Асинхронная машина:
1) Rotor type [тип ротора]
выбирается из списка:
(a) Squirrel-Cage - короткозамкнутый ротор типа «беличья клетка»;
(b) Wound - фазный ротор.
2) Reference frame [система координат] выбирается из списка:
(a) Rotor- неподвижная относительно ротора;
(b) Stationary- неподвижная относительно статора;
(c) Synchronous- вращающаяся вместе с полем.
3) Nom. power, L-L volt and frequency [Pn (VA), Un (V), fn (Hz)]-
номинальная мощность Pn (ВА), действующее линейное напряжение Un (В) и
номинальная частота fn (Гц).
4) Stator [Rs (Ohm) Lls (H)]- сопротивление Rs (Ом) и индуктивность Ls
(Гн) статора.
5) Rotor [Rr (Ohm) Llr'(H)]- сопротивление Rs (Ом) и индуктивность
Ls (Гн) ротора.
) Mutual inductance Lm (H)- взаимная индуктивность (Гн).
) Inertia, friction factor and pairs ofpoles [J
(kg•m<sup>2</sup>) F (N•m•s) p]- момент инерции J(кг•м2),
коэффициент трения F(Н•м•с) и число пар полюсов p.
8) Initial conditions [s th(deg)isa, isb, isc(A) phA,
phB, phC (deg)]- начальные условия.
Параметр задается в виде вектора, каждый элемент которого имеет следующие
значения:
(a) s - скольжение;
(b) th - фаза (град.);
(c) isa, isb, isc- начальные значения токов статора (А);
(d) phA, phB, phC- начальные фазы токов статора (град.).
II. Блок параметров симуляции:
1) Параметры моделирования:
a) Simulation time - Поля выбора
интервала расчета;
b) Solver options - Поля
выбора метода расчета моделей;
c) Output options -
Установка параметров вывода данных;
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Недостатком косвенно-векторного управления, особенно бездатчикового,
является зависимость точности его реализации от точности определения
параметров, которые изменяются с изменением температуры, частоты, величины тока
и магнитного насыщения. Из-за неточности определения параметров и их
зависимости от условий работы, характеристики асинхронных двигателей при
косвенно-векторном управлении могут существенно отличаться от заданных. Поэтому
в современных системах косвенного векторного управления вводятся устройства
идентификации параметров на основе паспортных данных двигателя и автоматической
их подстройки в процессе работы асинхронного двигателя. Это усложнение немного
снижает преимущество простой в принципе системы косвенного векторного
управления, тем не менее развитие идет именно в этом направлении.
Литература
1. Фираго
Б.И., Павлячик Л.Б. Теория электропривода. - Мн.: Техноперспектива, 2004. - 527
с.
2. Фираго
Б.И., Павлячик Л.Б., Регулируемые электроприводы переменного тока. - Мн.:
Техноперспектива, 2006. - 363 с.
. Анхимюк
В.Л., Опейко О.Ф., Михеев Н.Н. Теория автоматического управления. - Мн.: Дизайн
ПРО, 2000. - 351 с.
. Вольдек
А.И., Попов В.В. Электрические машины переменного тока. - М.: Питер, 2007 - 349
с.
. Чиликин
М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода - М.: Энергоиздат, 1981 - 575 с.