Адаптивно-векторная система управления бездатчикового асинхронного электропривода

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

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

1. ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

2. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ СХЕМЫ АД ПО ТЕХНИЧЕСКИМ ДАННЫМ

3. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ВЫЧИСЛЕНИЯ СКОРОСТИ АД

4. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА АД

5. ГРАФИКИ

6. 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:

1) Механизм предъявляет повышенные требования к быстродействию привода.

2) В приводе требуется регулирование электромагнитного момента на валу двигателя.

3) Не требуется высокая статическая точность и широкий диапазон регулирования скорости (диапазон не более 100).

4) 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:

1) 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.

2) 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.

3) 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: ;

3. номинальный КПД: ;

4. ;

5. кратность пускового момента:

;

6. кратность максимального момента:

;

7. кратность пускового тока статора:

;

8. число пар полюсов: ;

9. номинальная частота: ;

10. номинальное напряжение (фазное): ;

11. ;

12. 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:

,

.

Выбираем:

;

.

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

;

15. 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;

26. 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, ;

8. 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

;

15. 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.

6) Mutual inductance Lm (H)- взаимная индуктивность (Гн).

7) Inertia, friction factor and pairs ofpoles [J (kg*m²) 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.

3. Анхимюк В.Л., Опейко О.Ф., Михеев Н.Н. Теория автоматического управления. - Мн.: Дизайн ПРО, 2000. - 351 с.

4. Вольдек А.И., Попов В.В. Электрические машины переменного тока. - М.: Питер, 2007 - 349 с.

5. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода - М.: Энергоиздат, 1981 - 575 с.

Размещено на Allbest.ru