Адаптивные алгоритмы бездатчикового векторного управления асинхронными электроприводами подъемно-транспортных механизмов


Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ




В.В. ПАНКРАТОВ, ДА. КОТИН



АДАПТИВНЫЕ АЛГОРИТМЫ БЕЗ ДАТЧИКОВОГО ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ ПОДЪЕМНО-ТРАНСПОРТНЫХ МЕХАНИЗМОВ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия




НОВОСИБИРСК
2012

УДК 621.34:621.313.333(075.8)
     П 164



Рецензенты: д-р техн. наук, профессор С. А. Хари тонов', канд. техн. наук, доцент ДМ Боченков


Работа подготовлена на кафедре электропривода и автоматизации промышленных установок для студентов факультета мехатроники и автоматизации, обучающихся по направлению 140400 -«Электроэнергетика и электротехника» и профилю подготовки «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов»



ISBN 978-5-7782-2108-6

      Панкратов В.В.
П 164 Адаптивные алгоритмы бездатчикового векторного управления асинхронными электроприводами подъемно-транспортных механизмов : учеб. пособие / В.В. Панкратов, Д.А. Котин. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2012.-143 с.
          ISBN 978-5-7782-2108-6
          В пособии рассматриваются современные и ранее не опубликованные в учебной литературе методы построения алгоритмов и систем автоматического управления бездатчиковыми асинхронными электроприводами подъемнотранспортных механизмов, предъявляющих повышенные требования к точности формирования статических и динамических характеристик электропривода, а также оригинальные результаты собственных научно-прикладных исследований авторов.
          Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению 140400 - «Электроэнергетика и электротехника» и профилю подготовки «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов», а также может быть полезным аспирантам и техническим работникам, специализирующимся в области автоматизированного электропривода.

УДК 621.34:621.313.333(075.8)

                   © Панкратов В.В., Котин Д.А., 2012
                   © Новосибирский государственный
технический университет, 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ


Предисловие..................................................6
ГЛАВА 1. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ «АД-114 С ШИМ» КАК ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ, БЕЗ-ДАТЧИКОВОЕ ВЕКТОРНОЕ УПРАВЛЕНИЕ И АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ..........................................15
   1.1. Математическая модель асинхронного двигателя........15
     1.1.1. Фазные преобразования электромагнитных переменных МДП....................................................15
     1.1.2. Баланс мощностей и электромагнитный момент МДП..22
     1.1.3. Математическая модель АДКЗР как объекта векторного управления.............................................25
     1.1.4. Математическая модель управляемой по ротору МДП как объекта векторного управления..........................28
   1.2. Векторное управление асинхронной машиной на основе идеализированного ПЧ.........................................31
     1.2.1. Принцип векторного управления АДКЗР.............32
     1.2.2. Принцип векторного управления АСМ...............35
     1.2.3. Способы полеориентирования......................37
   1.3. Проблема текущей идентификации неизмеряемых координат состояния асинхронной машины в бездатчиковых СВУ.........40
      1.3.1. Методы текущей идентификации неизмеряемых координат состояния асинхронной машины......................40
     1.3.2. Адаптивное управление с идентификацией в бездатчиковых СВУ................................................45
   Выводы...................................................45
ГЛАВА 2. СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПОДСИСТЕМЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ И ОПОРНОГО ВЕКТОРА ПОТОКОСЦЕПЛЕНИИ РОТОРА АДКЗР...................47
   2.1. Адаптивные системы с задающей моделью в задачах вычисления частоты вращения АДКЗР................................47

3

     2.1.1. Структурный синтез идентификатора частоты вращения с задающей моделью.................................47
     2.1.2. Исследование процессов в бездатчиковой СВУ АДКЗР с идентификатором типа АСЗМ методом цифрового моделирования .........................................56
     2.1.3. Анализ влияния ошибок реализации АСЗМ на процессы вычисления оценок неизмеряемых координат...........59
   Выводы...................................................62
ГЛАВА 3. СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПОДСИСТЕМЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ И ОПОРНОГО
     ВЕКТОРА ПОТОКОСЦЕПЛЕНИЙ СТАТОРА АСМ.................63
   3.1. Структуры идентификаторов с измерениями статорных токов и (или) напряжений АСМ................................63
     3.1.1. Ориентация вращающейся системы координат при прямом измерении углового положения ротора АСМ..............63
     3.1.2. Идентификация углового положения вектора потокосцеп-лений статора и частоты вращения ротора методом АСЗМ.64
     3.1.3. Структура АСЗМ без измерения напряжений статора.68
     3.1.4. Структура АСЗМ с адаптацией по ЭДС статора......69
     3.1.5. Идентификация углового положения вектора потокосцеп-лений статора и частоты вращения ротора методом АННИ.71
   3.2. Идентификация углового положения вектора потокосцеплений статора и частоты вращения ротора АСМ при измерениях
      только переменных на выходе ПЧ........................72
   3.3. Исследование процессов в бездатчиковой СВУ АСМ методом цифрового моделирования...............................75
   Выводы...................................................77
ГЛАВА 4. АЛГОРИТМЫ ТЕКУЩЕЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПА     РАМЕТРОВ АД В АДАПТИВНЫХ БЕЗДАТЧИКОВЫХ СУЭП...................................................78

   4.1. Текущая идентификация активного сопротивления статора АДКЗР на основе наблюдателя полного порядка..................78
      4.1.1. Методика структурно-параметрического синтеза адаптив           ного идентификатора скорости на основе структуры НЛП.78
      4.1.2. Исследование адаптивного алгоритма идентификации час           тоты вращения ротора АДКЗР...........................86
   Выводы.......................................................92

4

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АДАПТИВНЫХ АЛГОРИТМОВ БЕЗДАТЧИКОВОГО ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ.........................................93
   5.1. Экспериментальное исследование адаптивной системы бездатчикового векторного управления АДКЗР.................93
      5.1.1. Описание экспериментальной установки.............93
      5.1.2. Результаты экспериментального исследования.......96
   5.2. Экспериментальное исследование адаптивной системы бездатчикового векторного управления АСМ........................102
      5.2.1. Описание экспериментальной установки............102
      5.2.2. Описание режимов работы шахтной подъемной машины.105
      5.2.3. Результаты экспериментального исследования......107
   Выводы....................................................114
Заключение...................................................115
Библиографический список.....................................117
Приложение 1. Параметры исследуемого методом цифрового моделирования АДКЗР, синтез бездатчиковой СВУ................123
Приложение 2. Структурные схемы математических моделей в пакете Matlab-Simulink........................................135

        ПРЕДИСЛОВИЕ

   Известно, что более 60 % всей вырабатываемой в мире электроэнергии потребляется электроприводами (ЭП), причем большинство из них - это электроприводы общепромышленных механизмов (насосов, вентиляторов, компрессоров, транспортеров, подъемно-транспортных механизмов и т. п.), построенные на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
   Еще недавно (в России в конце 70 - начале 80-х годов XX века) примерно 80 % электромеханического преобразования энергии осуществлялось ЭП с двигателями постоянного тока (ДПТ) и асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором (АДКЗР или АД). Причем ДПТ применялся исключительно в регулируемых ЭП, а АДКЗР - в основном в нерегулируемых ЭП. Это объясняется преимуществами и недостатками данных типов электрических машин. Например, ДПТ обладает однозначными регулировочными характеристиками и предполагает довольно простое построение систем управления, но он дорог в производстве, имеет невысокую надежность, требует регулярного обслуживания и щадящих условий работы (невозможность эксплуатации во взрывоопасных и агрессивных средах). АДКЗР прост по конструкции, высоконадежен, дешев, но имеет сложные в реализации способы регулирования.
   Для большинства технологических процессов на основе электроприводов требуется регулирование координат исполнительного механизма, иначе говоря, управление электромеханическим преобразованием энергии. При нерегулируемом ЭП оно обычно осуществляется путем изменений в самом технологическом процессе. В частности в насосах, компрессорах, вентиляторах - открытием и закрытием заслонок (дросселированием). Практика показала, что если в таких турбомеханизмах отказаться от управления заслонками и перейти к регулированию скорости электропривода, можно сэкономить от 30 до 60 % потребляемой электроэнергии.
   На сегодняшний день можно утверждать, что Россия, как и весь мир, активно переходит на использование регулируемого по скорости ЭП переменного тока и, в частности, систем на базе АДКЗР во всех отраслях промышленности и на транспорте. Это связано, прежде всего, с развитием соответствующей элементной базы - силовых полностью

6

управляемых полупроводниковых приборов, микроэлектроники и микропроцессорной техники, а также становлением теоретической основы - теории ЭП переменного тока и теории автоматического управления многосвязными нелинейными объектами. Все это позволяет практически реализовать эффективные способы управления ЭП переменного тока. Поэтому сегодня частотно-регулируемый ЭП на базе АДКЗР находит новые «для себя» области применения в станках, мехатронных системах машиностроения, активно внедряется в область электрического транспорта в качестве тягового ЭП. В настоящее время частотно-регулируемый асинхронный ЭП становится наиболее успешно прогрессирующим техническим решением в сфере автоматизации общепромышленных механизмов и энергосберегающих технологий.
   Исследования в области действующего электрооборудования отечественных промышленных предприятий показали довольно широкое применение асинхронных двигателей с фазным ротором (АДФР) для мощных (более 300 кВт) механизмов с тяжелыми условиями пуска (ЭП подъемно-транспортных механизмов, ЭП главного движения вращающихся цементных печей и пр.). Использование в подобных механизмах ЭП на базе АДФР с резисторными релейно-контакторными системами управления объясняется высокой перегрузочной способностью АДФР и простотой регулирования посредством введения в цепь ротора добавочных активных сопротивлений. Однако на сегодняшний день такой способ управления АДФР себя исчерпал, поскольку не снимает главных проблем данной электромеханической системы (ЭМС), связанных с ненадежностью релейно-контакторной аппаратуры, необходимостью отвода тепла от резисторной станции, низкой энергоэффективностью. Современные условия требуют глобальной модернизации ЭП на базе АДФР - перехода к частотно-регулируемому электроприводу.
   Несмотря на сделанное выше заявление, отечественные предприятия (производители регулируемого ЭП) неохотно берутся за модернизацию таких ЭМС. Причина кроется в том, что большинство мощных АДФР высоковольтные: как правило, напряжение статора составляет 6.. .10 кВ, а напряжение ротора - 1...1,5 кВ, что, несомненно, вызывает определенные сложности при проектировании силовой части преобразователей частоты (ПЧ).
   Выходом из сложившейся ситуации может стать разработка систем управления высоковольтными АДФР по схеме асинхронизированной синхронной машины (АСМ) с векторным управлением по цепям рото

7

ра. Поскольку силовая часть асинхронизированного синхронного ЭП (АСЭП) предполагает установку в инверторе напряжения малого числа низковольтных транзисторов, ПЧ заведомо будет иметь намного меньшую стоимость, чем высоковольтные преобразователи частоты для управления АДФР с закороченным ротором по цепям статора. Наличие активного выпрямителя напряжения (АВН) на входе ПЧ позволяет энергию скольжения двигателя рекуперировать в питающую сеть, а не рассеивать ее на пусковых сопротивлениях.
   Согласно ГОСТ 27471-87 асинхронизированной синхронной машиной называется неявнополюсная синхронная машина с продольнопоперечным возбуждением, у которой обмотки индуктора присоединяются к регулируемому преобразователю частоты, т. е. АСМ - это частный случай неявнополюсной электрической машины двойного питания (МДП). Большинство известных отечественных и зарубежных работ по автоматическому управлению АСМ ориентировано на их использование в системах генерирования электрической энергии в качестве турбогенераторов или компенсаторов реактивной мощности, а в автономных генераторных комплексах малой и средней мощности и ветроэнергетике - в качестве регулируемых генераторов с переменной частотой вращения вала. Этими вопросами занимались и основоположники теории и практики АСМ [5, 6, 34]. Исключение составляют лишь те немногочисленные публикации, в которых обсуждаются отдельные аспекты применения АСМ в системах регулируемого электропривода, например [10, 20].
   Проведем краткий обзор современных систем автоматического управления асинхронными ЭП на примере ЭП с АДКЗР.
   Современный ЭП переменного тока, как правило, содержит двухзвенный преобразователь частоты (ПЧ), выпрямитель которого нагружен на автономный инвертор напряжения (АИН), работающий в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Обычно это либо синусоидальная ШИМ со всякого рода модификациями, которые за счет более рационального расположения потенциальной зоны нагрузки в потенциальной зоне источника питания увеличивают запас преобразователя по выходному напряжению, либо векторная ШИМ. Указанная структура преобразователя частоты позволяет независимо от режимов работы ЭП обеспечить высокий коэффициент мощности силовой цепи. При невысоких требованиях к диапазону регулирования частоты вращения двигателя и стабильности поддержания заданных параметров целесообразно использовать скалярное управление АДКЗР. Для быст

8

родействующих приводов с широким диапазоном регулирования требуется векторное управление, рассматриваемое в настоящем пособии.
   В 1971 г. Ф. Блашке предложил новый принцип управления АДКЗР. В соответствии с этим принципом уравнения электрического равновесия АДКЗР рассматриваются не в стационарной (кларковской) системе координат, а во вращающейся, ориентированной по направлению волны магнитного поля машины (полеориентированной) системе координат Парка-Горева. Систему координат было предложено ориентировать по вектору потокосцеплений ротора. При построении систем векторного управления асинхронными ЭП для автоматического ориентирования вектора управляющих воздействий по направлению магнитного поля двигателя используются два принципиально различных подхода, называемых непосредственным и косвенным полеориентиро-ванием.
   При таком математическом описании процессов в АДКЗР все основные переменные электрической машины изменяются не по гармоническому закону, а по стационарному (как в ДПТ). Данный подход к управлению АДКЗР получил название Field Oriented Control (FOC) (векторное управление) и позволил строить системы управления АДКЗР по тем же принципам, что и системы управления двигателями постоянного тока, в частности, по принципу подчиненного регулирования координат с последовательной коррекцией. Теоретически это позволяет достичь в ЭП на базе АДКЗР тех же регулировочных характеристик, что и в системах с ДПТ.
   Согласно [22] для реализации систем векторного управления (СВУ) необходимо иметь информацию обо всем векторе координат состояния АД. Соответственно возникает проблема получения информации об опорном векторе потокосцеплений ротора. В разное время эту проблему решали, измеряя индукцию магнитного поля в расточке статора двигателя датчиками Холла, или же на основе косвенной информации о потоках, получаемой по ЭДС, наводимой в специально уложенной в статор измерительной обмотке. Для измерения угловой скорости ротора использовались тахогенераторы или импульсные датчики. Однако все это требовало замены или доработки огромного парка общепромышленных АДКЗР, которые не предназначались для регулирования и не были снабжены этими датчиками. Нецелесообразность применения датчиков Холла и измерительных обмоток подтверждается тем фактом, что вследствие несинусоидальности распределения магнитного поля по воздушному зазору машины, зубцовых пульсаций магнитного потока и погрешностей установки датчиков Холла на геометрических

9

осях фазных обмоток получаемые с их помощью оценки лишь приближенно пропорциональны по мгновенным значениям компонентам интегрального вектора главных потокосцеплений двигателя. Использование же измерительных обмоток основано на интегрировании наведенных в них ЭДС, что связано с известными трудностями и накладывает весьма жесткие ограничения на диапазон рабочих частот по статорным переменным. В целом все описанные выше способы получения информации о координатах состояния АДКЗР значительно снижают надежность асинхронного электропривода и повышают его стоимость.
   К началу 80-х годов XX века были достигнуты значительные успехи в области современной теории автоматического управления, что позволило оценивать неизмеряемые составляющие вектора состояния АДКЗР. Наиболее перспективным способом косвенного получения информации о недоступных прямому измерению координатах АДКЗР стало построение быстродействующих устройств или алгоритмов их идентификации (наблюдателей).
   Наблюдатель - это специальная динамическая подсистема, выходные сигналы которой служат оценками неизмеряемых координат состояния объекта управления. Наблюдатель (идентификатор) должен быть устойчивым по начальным условиям и внешним воздействиям, использовать сигналы датчиков только заранее определенных и доступных непосредственным измерениям физических величин, быть малочувствительным к ошибкам в априорной информации о параметрах объекта управления.
   Именно способ построения систем управления ЭП переменного тока с наблюдателями создал предпосылки для появления в середине 80-х годов первых асинхронных ЭП, не оснащенных датчиками магнитного состояния и координат механического движения (скорости, положения ротора) двигателя. Такие ЭП называют бездатчиковыми (sensorless). Основным требованием, предъявляемым к современным общепромышленным ЭП, является обеспечение диапазонов регулирования скорости: в бездатчиковом варианте - не менее 100:1, при наличии датчика скорости - не менее 10 000 : 1.
   Как уже отмечалось выше, построение алгоритмов бездатчикового управления [14] осуществляется путем использования систем идентификации (наблюдения), с помощью которых вычисляются оценки необходимых величин. На сегодняшний день наиболее популярными как в теоретических, так и в инженерных приложениях системами идентификации частоты вращения ротора АДКЗР являются алгоритмы типа

10

MRAS - Model Reference Adaptive System (адаптивная система с задающей или эталонной моделью - АСЗМ), FOO - Full Order Observer (наблюдатель полного порядка - НПП), EKF - Extended Kalman Filter (расширенный фильтр Калмана). Выходными сигналами всех этих алгоритмов служат оценки компонент вектора потокосцеплений и электрической частоты вращения ротора асинхронной машины.
   Все указанные выше недостатки «датчиковых» ЭП с АДКЗР можно отнести и к АСЭП, где также сложно определить угловое положение вектора потокосцеплений статора и частоты вращения ротора. Как следствие, возникает необходимость строить подсистемы идентификации этих неизмеряемых величин. Другим важным аспектом при построении бездатчиковых АСЭП стала целесообразность отказа от датчиков «статорных» электрических переменных при управлении АДФР по ротору. Их главный недостаток - удаленность объекта измерений от ПЧ и, следовательно, снижение помехозащищенности и надежности ЭМС. К тому же высоковольтные датчики тока и напряжения довольно дорогие. Поэтому на практике будут иметь преимущество алгоритмы бездатчикового векторного управления АСЭП, не требующие прямого измерения фазных токов и напряжений статора АДФР.
   В настоящее время все описанные в литературе структуры алгоритмов идентификации компонент и углового положения вектора потокосцеплений ротора и частоты вращения ротора в том или ином виде используют математическую модель электромагнитных процессов в АДКЗР. В нее входят неточно известные и изменяющиеся параметры. Активные сопротивления ротора и статора зависят от температуры. Собственные индуктивности ротора и статора, а также их главная взаимная индуктивность в результате эффекта магнитного насыщения имеют сложную зависимость от тока намагничивания.
   В связи с этим возникают следующие проблемы. Во-первых, необходимые для построения идентификаторов потокосцепления и скорости параметры электрической машины существенно изменяются в зависимости от режимов работы ЭП. Во-вторых, доступны только справочники по АДКЗР серии 4А, а в последнее время все более широко распространяются модернизированные серии АДКЗР. Как для них определять параметры схемы замещения? Все эти проблемы решаются с помощью алгоритмов идентификации существенно переменных параметров АДКЗР, которые можно разделить по назначению на алгоритмы предварительной и текущей идентификации, а по принципу работы - на алгоритмы активной и пассивной идентификации.

11

   Алгоритмы предварительной (off-line) идентификации обеспечивают вычисление параметров АДКЗР при наладке или непосредственно перед запуском ЭП. Это, прежде всего, значения активного сопротивления статора, индуктивные параметры двигателя, постоянная времени роторной цепи. Оценки этих величин являются начальными приближениями для алгоритмов текущей идентификации.
   Алгоритмы текущей (on-line) идентификации используются в ходе работы ЭП для слежения за дрейфом параметров АДКЗР при изменении температуры двигателя и рабочей точки на кривой намагничивания.
   Активная идентификация предполагает использование специальных тестовых воздействий, предназначенных для определения необходимых параметров АДКЗР. Пассивная же опирается на характерные особенности переходных процессов (например, «перелом» кривой тока в переходном процессе предварительного намагничивания АДКЗР) и не вмешивается в ход технологического процесса. Применять активные алгоритмы целесообразно на этапе предварительной идентификации. В ходе текущей идентификации предпочтительнее пассивные алгоритмы, так как использование тестового воздействия будет неизбежно проявляться в магнитном потоке и электромагнитном моменте машины, а вследствие этого - в частоте вращения ротора.
   Требования к ЭП подъемно-транспортных механизмов. Проектирование систем автоматизированного ЭП подъемно-транспортных механизмов довольно существенно отличается от создания систем управления механизмами насосов, конвейеров, мельниц, прессов и пр. Это объясняется тем, что подъемно-транспортные механизмы предъявляют к автоматизированному ЭП следующий ряд специфических требований [8, 23].
   1.    Способность развивать более чем номинальный вращающий момент во всем динамическом диапазоне изменения скоростей, начиная с нулевой, и во всех четырех квадрантах плоскости механических характеристик как при использовании датчика частоты вращения (положения) ротора двигателя, так и в бездатчиковом варианте.
   2.    Высокое быстродействие в процессах отработки возмущений, позволяющее «подхватывать» висящий груз при его растормаживании без значительной интегральной ошибки по положению. Вследствие этого синтез контура регулирования скорости рекомендуется производить по возмущающему воздействию [4].

12

   3.    Наличие S-образного задатчика интенсивности, обеспечивающего ограничение рывков, ускорений и плавное движение при разгоне и торможении ЭП за счет сглаживания начальных и конечных участков траекторий переходных процессов.
   4.    Функция управления тормозом и возможность гибкого интегрирования ЭП в систему управления краном, подъемником, лифтом.
   5.    Возможность торможения с рекуперацией энергии в питающую сеть.
   6.    Предварительная автоматическая самонастройка системы управления на параметры двигателя и корректировка настройки (адаптация системы) в процессе работы ЭП.
   7.    Необходимый набор защит от перегрузок, способных привести к аварии.
   В связи с этим на сегодняшний день актуальна задача построения отечественных современных импортозамещающих систем управления частотно-регулируемым асинхронным ЭП, поскольку применение в различных отраслях российской промышленности ПЧ зарубежного производства (Siemens, ABB, AEG и др.) неоправданно завышает эксплуатационные затраты на их ремонт и обслуживание. Кроме того, проблемы принятых в этих преобразователях алгоритмических решений приводят к необходимости необоснованно повышать установленную мощность ПЧ и соответственно увеличивают капитальные затраты в таких применениях, как механизмы подъема кранов, а также увеличивают энергопотребление и токовую загрузку исполнительных двигателей, снижая их ресурс.
   Настоящее учебное пособие состоит из пяти глав и двух приложений.
   Первая глава пособия посвящена математическому описанию электромагнитных процессов в трехфазной МДП. Приведена математическая модель АДКЗР, используемая при синтезе законов векторного управления в координатах состояния «токи статора - потокосцепления ротора». Получена математическая модель управляемой по ротору АСМ, используемая при синтезе законов векторного управления в координатах состояния «токи ротора - потокосцепления статора». Сформулированы принципы векторного управления АДКЗР и АДФР, способы ориентирования вектора управляющих воздействий по направлению магнитного поля двигателя. Сделан обзор методов текущей идентификации неизмеряемых координат состояния на примере ЭП с АДКЗР.

13