Йовбак Василь Дмитрович

УДК 62-83:621.313.333

АСИНХРОННИЙ ЕЛЕКТРОПРИВОД

З ВЕКТОРНИМ КЕРУВАННЯМ НАПРУГОЮ ФАЗНОГО РОТОРА

05.09.03 Електротехнічні комплекси та системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор Плахтина Омелян Григорович, професор кафедри „Електропривод та автоматизація промислових установок” Національного університету „Львівська політехніка".

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор Садовой Олександр Валентинович, проректор з наукової роботи Дніпродзержинського державного технічного університету.

кандидат технічних наук, доцент Василів Карло Михайлович, доцент кафедри ОТ і МТП Національного лісотехнічного університету України.

Провідна установа: | Кафедра електроприводу та автоматизації промислових установок Запорізького національного технічного університету, Міністерство освіти і науки України,

м. Запоріжжя.

Захист відбудеться "27" січня 2006 р. о 13 годині 00 хв на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.35.052.02 в Національному університеті "Львівська політехніка" (79013, м.Львів-13, вул. С. Бандери, 12, ауд.114).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету "Львівська політехніка" (79013, м.Львів-13, вул. Професорська, 1).

Автореферат розісланий "23" грудня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Коруд В.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На даний час більше 60% всієї електроенергії, що виробляється у світі споживається електродвигунами. При чому біля половини цієї електроенергії споживається асинхронними двигунами (АД), поширення яких обумовлюється простотою конструкції, дешевизною та високою надійністю. Зазначені співвідношення справедливі й для України.

Традиційно АД використовувалися в нерегульованих електроприводах (близько 80%). Це пояснюється складністю регулювання та формування бажаних характеристик АД, порівняно, наприклад, з двигуном постійного струму. Однак, більшість технологічних процесів вимагає регулювання. Це регулювання при нерегульованому електроприводі (ЕП) здійснюється шляхом керованої зміни в самому технологічному процесі. Доведено, що використання регульованого електроприводу в потужних механізмах, зокрема вентиляторах, компресорах та насосах дозволяє досягти економії електроенергії (50...68) % у порівнянні з використанням нерегульованого ЕП.

Зазначимо, що для потужних електроприводів таких механізмів широко застосовують АД з фазним ротором. У зв'язку з такою кількістю експлуатованих АД, які вимагають регулювання швидкості, досить актуальним є питання встановлення закономірностей перетворення енергії в асинхронних машинах з фазним ротором та розробці на їх основі нових систем векторного керування .

Враховуючи значні успіхи в галузі силової електроніки та цифрової техніки, в останні роки з’явилася можливість для реалізації складних алгоритмів векторного керування АД, що стимулює розробку таких алгоритмів.

Таким чином, враховуючи широку галузь застосування АД, в тому числі з фазним ротором, та значну економічну ефективність регулювання таких АД, актуальною є задача розробки нових структур цифрових систем векторного керування, які забезпечували би бажані регулювальні характеристики і, водночас, були би максимально прості в реалізації. Одним з таких рішень, є використання АД з фазним ротором в якості машини подвійного живлення.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася згідно з пріоритетним напрямком розвитку науки і техніки на період до 2006 року, що визначені в Законі України від 11 липня 2001 року № 2623-111 “Про пріоритетні напрями розвитку науки і техніки”. Дана робота, яка спрямована на встановлення закономірностей перетворення енергії в асинхронних машинах з фазним ротором та розробці на їх основі нової структури цифрової системи векторного керування, відповідає профілю кафедри електроприводу та автоматизації промислових установок Національного університету “Львівська політехніка”.

Проведені дослідження виконувалися за участю автора в наступних договірних роботах: договір № 1278 від 01.08.2003р. з Промислово-торгівельною компанією „Вуглепром” м. Дніпропетровськ на тему „Розробка електроприводу і системи керування листорізальної машини” та договір № 227/04/1442 від 01.04.2004 р. З ВАТ „Львівський керамічний завод” на тему „Технічне обслуговування електрообладнання ВАТ „Львівський керамічний завод”.

Мета роботи і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є виявлення нових закономірностей, залежностей і характеристик процесу перетворення енергії в асинхронному електроприводі за схемою машини подвійного живлення з векторним керуванням в колі ротора та створення на їх основі системи керування асинхронним електроприводом із властивостями електроприводу постійного струму на базі скомпенсованої машини незалежного збудження.

Для досягнення мети поставлені наступні завдання.

· Встановити особливості режимів роботи асинхронних електроприводів за схемою машини подвійного живлення з векторним керуванням, що забезпечують поліпшення експлуатаційних та енергетичних характеристик електроприводу.

· Розробити математичну модель, програми і методики, які дозволяють встановити вплив методів векторного керування в колі ротора на характеристики режимів роботи машини подвійного живлення.

· Установити закономірності, залежності та характеристики процесів перетворення енергії і на цій основі розробити алгоритм керування машиною подвійного живлення, який забезпечує підвищення експлуатаційної надійності та енергетичних показників електроприводу з цифровою системою керування.

· Виконати дослідження на експериментальній установці цифрової системи векторного керування машиною подвійного живлення з метою підтвердження основних наукових положень дисертації і розробки практичних рекомендацій з використання її результатів.

Об’єктом дослідження є електромеханічні та електромагнітні процеси в асинхронній машині з фазним ротором.

Предметом дослідження є способи та системи векторного керування асинхронною машиною з фазним ротором.

Методи дослідження. Метод математичного моделювання, який використовувався для аналізу схеми векторного керування машиною подвійного живлення; метод фізичного моделювання, який використовувався для підтвердження теоретичних положень, перевірки адекватності розробленої математичної моделі та дослідження процесів в схемі векторного керування машиною подвійного живлення.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному.

· Встановлено закономірності процесів перетворення енергії в машинах подвійного живлення, які дозволили отримати залежності між струмами фазного ротора, потокозчепленням і струмами статора, а також електромагнітними параметрами асинхронної машини. Виявлені закономірності забезпечують компенсацію поля статора в статичних та динамічних режимах при векторному керуванні машиною в колі ротора і надають електроприводу з машиною подвійного живлення властивостей електроприводу із скомпенсованою машиною постійного струму з незалежним збудженням.

· Виведено умови синхронізації сигналів керування з вектором напруги статора, що забезпечило формування керуючого впливу в цифрових системах векторного керування машиною подвійного живлення в колі ротора.

· На підставі отриманих закономірностей і залежностей розроблено нову структуру цифрової системи векторного керування асинхронним електродвигуном з фазним ротором, що дозволило значно покращити експлуатаційні та енергетичні характеристики електроприводу.

Практичне значення одержаних результатів. Практична цінність одержаних результатів полягає в наступному.

· Реалізація асинхронного електроприводу за схемою машини подвійного живлення з інвертором напруги в колі ротора і цифровою системою підпорядкованого керування моменту та швидкості обертання, виконаною на сигнальному мікропроцесорі, дозволяє отримати регулювальні характеристики, що відповідають характеристикам електроприводу з двигуном постійного струму незалежного збудження і системою підпорядкованого керування.

· Розроблена цифрова система векторного керування асинхронним електроприводом забезпечує коефіцієнт потужності cos j = 1 і мінімальну потужність інвертора напруги в колі ротора, зокрема в області низьких ковзань.

· Наукові результати виконаних досліджень можуть бути використані в проектних рішеннях перспективних систем електроприводу змінного струму.

· Розроблена експериментальна установка та отримані результати досліджень впроваджені в навчальний процес кафедри електроприводу та автоматизації промислових установок Національного університету „Львівська політехніка” при викладанні дисципліни “Сучасні електроприводи змінного струму”.

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок автора в отриманих наукових результатах полягає в тому, що всі основні положення, які становлять суть дисертації, були сформульовані та вирішені ним самостійно згідно з вказівками наукового керівника. У спільних публікаціях здобувачу належать розробка схем і проведення досліджень на експериментальній установці, розробка математичної моделі електроприводу з асинхронною машиною подвійного живлення та результати виконаних за її допомогою досліджень.

У роботі [1] автором обґрунтовано алгоритм векторного керування напругою асинхронної машини з врахуванням насичення головного магнітного шляху.

У роботі [2] автор створив математичну модель асинхронної машини подвійного живлення та виконав комп’ютерні дослідження.

У роботі [3] провів дослідження статичних та динамічних характеристик асинхронної машини з векторним керуванням в колі ротора на математичній моделі.

У роботі [4] автор дослідив електромагнітні та електромеханічні процеси асинхронної машини з інвертором напруги в колі ротора при векторному керуванні.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися на міжнародних науково-технічних конференціях "Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія і практика" (Алушта, 2003, 2005 рр.), 4-ій Міжнародній науково-технічній конференції “Математичне моделювання в електротехніці, електроніці та електроенергетиці” (Україна, Львів, 2003р.), наукових семінарах кафедри електроприводу та автоматизації промислових установок Національного університету "Львівська політехніка".

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковано в 4 друкованих наукових працях у фахових виданнях, що відповідають вимогам ВАК України.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, пятьох розділів, висновків, списку використаних джерел зі 108 найменувань і 4 додатків. Робота містить 151 сторінку, 69 ілюстрацій та 4 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, наукову новизну та практичну цінність роботи; показано зв’язок теми дисертації з напрямками науково-дослідних робіт кафедри; сформульовано мету роботи та задачі, які необхідно розв’язати для досягнення поставленої мети.

У першому розділі розглянуто загальні принципи векторного керування асинхронною машиною та системи координат, які в цьому випадку використовуються.

Також проведено детальний аналіз сучасних систем, способів та алгоритмів векторного керування асинхронною машиною з фазним ротором (АМФР) в схемі машини подвійного живлення (МПЖ) (рис. 1).

Машини подвійного живлення з системами векторного керування забезпечують добрі економічні та енергетичні показники, особливо у випадку використання в установках з обмеженим діапазоном зміни швидкості в системах електроприводу і генерування електроенергії. У випадку, коли швидкість змінюється в невеликих межах відносно синхронної, необхідна потужність керування в колі ротора пропорційна ковзанню і становить незначну частину від величини всієї потужності, що перетворюється.

В режимі двигуна потужність ковзання може інвертуватися в мережу перетворювачем, що забезпечує енергетично ефективне перетворення енергії. В системах генерування електроенергії МПЖ дозволяє здійснити процес електромеханічного перетворення енергії за змінної швидкості обертання рушія в діапазоні вище і нижче за синхронну швидкість асинхронної машини.

Як в режимі двигуна, так і в генераторному режимі, МПЖ дозволяє регулювати момент при одночасному забезпеченні потрібного коефіцієнту потужності кола статора.

В якості керованого джерела живлення ротора МПЖ можуть використовуватися перетворювачі з ланкою постійного струму, циклоконвертори або матричні перетворювачі. Практично у всіх відомих роботах для формування бажаних характеристик МПЖ як в схемах електроприводу, так і в генераторних установках, пропонується використовувати принципи векторного керування, що забезпечують роздільне керування потоком та моментом. Для побудови системи векторного керування МПЖ доцільно використовувати систему координат, зорієнтовану за напругою статора. Серед недоліків відомих способів векторного керування МПЖ, можна відмітити те, що дані способи базують на припущеннях щодо постійності частоти напруги живлення статора, що звужує галузь використання відповідних систем, а також складність деяких алгоритмів векторного керування та необхідність проведення великої кількості розрахунків, що ускладнює їх технічну реалізацію.

У другому розділі на основі проведеного аналізу електромагнітних процесів в машині подвійного живлення встановлено закономірності процесів перетворення енергії в машинах подвійного живлення у вигляді математичних залежностей між потокозчепленням статора, струмами фазного ротора і електромагнітними параметрами. Отримані залежності лягли в основу запропонованого способу векторного керування напругою живлення фазного ротора асинхронної машини і дали змогу забезпечити компенсацію поля статора в статичних та динамічних режимах і надати електроприводу з машиною подвійного живлення властивостей електроприводу із скомпенсованою машиною постійного струму з незалежним збудженням.

Задача керування полягає в наступному. Напруга живлення статора асинхронної машини з фазним ротором (АМФР) задає її магнітний потік на основі формули U1 4.44wkwФf. Потік задає струм намагнічення, який є векторною сумою струмів статора і ротора. За допомогою напруги живлення ротора можна керувати величиною складової струму статора, яка намагнічує електричну машину, тобто можна здійснювати перерозподіл намагнічувального струму між статором і ротором. Таке керування забезпечує необхідний cos в статорі електричної машини, а з огляду на те, що частота в роторі є меншою від частоти напруги статора, напруга, необхідна для створення струму намагнічення зі сторони ротора є меншою. Звідси, є доцільним формувати магнітний потік струмами ротора. Зауважимо, що введення додаткової напруги в коло ротора призводить до зміни швидкості обертання ротора. Таким чином, керувати асинхронною машиною можна застосувавши відомий метод векторного керування, в якому закладено забезпечення збудження зі сторони ротора, і передачу активної потужності статором.

Згідно з сформульованими задачами керування, миттєві значеннями фазних напруг в роторному колі формуються так, щоб:

а) струми ротора створювали магнітне поле в електричній машині, а струми статора, взаємодіючи з цим магнітним полем, перетворювали електричну енергію в механічну в режимі двигуна і, навпаки, механічну енергію в електричну в режимі генератора;

б) режим, описаний в п.а, не залежав від частоти напруги мережі і швидкості обертання ротора;

в) швидкість обертання ротора задавалася сигналами в системі керування.

В цьому випадку, векторна діаграма асинхронної машини набуде вигляду, показаному на рис. 2, на якому позначено: ІS – струм статора; RS – активний опір статора; Е1 – е.р.с. статора; Фx, Ф, Ф – магнітні потоки (по осі х, розсіяння і в повітряному проміжку, відповідно); ІR – струм ротора; Lm, Ls робоча індуктивність та індуктивність розсіювання статора; іsx, іsу, іrx, іrу – струми статора і ротора в системі координат х,у. Згідно з цією векторною діаграмою струм ротора асинхронної машини формується так, щоб одна його складова іrx, створювала магнітний потік, а друга складова іrу, компенсувала реакцію якоря. В цьому випадку, МПЖ буде нагадувати скомпенсовану машину постійного струму незалежного збудження з можливістю незалежного регулювання потоку і моменту та забезпеченням коефіцієнту потужності статора рівним 1.

Технічно розвязати поставлену задачу керування легко на основі принципів векторного керування з використанням цифрових систем і напівпровідникових перетворювачів (інверторів напруги або циклоконверторів). Приймемо, що: втрати в сталі дорівнюють нулю; обмотки є симетричними і створюють при протіканні струму синусоїдальні просторові намагнічувальні сили При прийнятих допущеннях електричну машину представимо в системі координат (х,у), в якій ордината у співпадає з зображуючим вектором напруги живлення статора, а вісь х – є перпендикулярною до вектора цієї напруги (рис. 3).

В такій системі координат:

uy = Um, ux = 0, (1)

де модуль зображуючого вектора напруги статора. При протіканні по обмотках струмів створюються потокозчеплення, які в статорі за осями (х,у) визначаються за формулами:

,

, (2)

Отримані співвідношення дають змогу визначити сигнали завдання струмів ротора для виконання поставлених задач керування.

Так, завдання струму статора за віссю х (визначає реактивну компоненту струму статора, яка намагнічує машину) будемо формувати рівним нулю – isxз = 0, а завдання струму статора за віссю у, яке визначає електромагнітний момент МПЖ, буде вихідним сигналом регулятора моменту. Таким чином, на основі потокозчеплень sx, sу, які можуть бути виміряні, або розраховані за струмами, а також завдань струмів статора, з (2) можуть бути визначені завдання струмів ротора

, . (3)

За формулами, які перетворюють координати (x,y) у фазні визначаємо завдання фазних струмів ротора

,

, (4)

де - кут між зображувальним вектором напруги статора і віссю х, R – кут між відповідними обмотками статора і ротора, = 2/3 – кут між фазними обмотками. Зауважимо, що для виконання даних перетворень необхідною є інформація про кутове положення ротора, а тригонометричні функції кута визначаються на основі виміряних фазних напруг статора МПЖ.

Формули (3) та (4) визначають завдання струмів ротора, при якому виконуються визначені задачі керування. Для формування цих струмів пропонується використовувати автономний інвертор напруги з релейними (з гістерезисом) регуляторами струму.

Запропонована схема векторного керування показана на рис. 4.

Рис. 4. Схема векторного керування напругою ротора АМФР з використанням інвертора напруги.

В даній схемі фазний ротор асинхронної машини живиться від мостового інвертора напруги, виконаного на транзисторах. Вхідними сигналами для системи керування є струми АМФР в координатах х,у, сигнал завдання швидкості з та кутова швидкість обертання ротора r. Сигнал завдання електромагнітного моменту АМФР формується системою автоматичного регулювання підпорядкованого типу з регулятором швидкості РШ, на вхід якого надходить різниця сигналів завдання швидкості з та зворотного звязку за швидкістю ротора r та ПІ-регулятором моменту. З метою обмеження координат електромеханічної системи вихідні сигнали регуляторів швидкості та моменту обмежуються. Сигнали релейних регуляторів формують сигнали на бази транзисторів або сітки тиристорів інвертора напруги (або циклоконвертора) для створення відповідної напруги.

У третьому розділі описано математичні моделі структурних елементів та повна модель асинхронного електроприводу з векторним керуванням напругою фазного ротора у фазних і обертових координатах.

Для створення математичної моделі систем у фазних координатах використано теорію мо-де-лювання електромашинно-вентильних систем (ЕМВС), розроблену професором Плахтиною О.Г. Модель системи, згідно з ви-ко-ристаним підходом, є замкнутою системою ди-ференційних рівнянь, яка утворюється з рів-нянь, що описують структурні елементи, та рів-нянь для визначення потенціалів вузлів (точок з’єднань елементів між собою) ЕМВС.

Згідно з обраним підходом, математична модель системи формується з математичних моделей її елементів, які представляються багатополюсниками, а саме: трифазної мережі, перетворювача з інвертором напруги, асинхронної машини (АМ). Математична модель перетворювача конструюється з математичних моделей анодних та катодних вентильних груп (АВГ1, АВГ2, АВГ3, КВГ1, КВГ2, КВГ3), RL-ланки та конденсатора (С). Розрахункова схема силової частини системи показана на рис.5. Спосіб зєднання структурних елементів ЕМВС які задається матрицями зєднання.

Кожний вентиль у схемі представляється RL-ланкою. Математична модель системи керування вентилями є сукупністю логічних рівнянь, які визначають умови відкривання і закривання вентилів. Умова відкривання вентилів діодних мостів (вентилів 1-6 та 13-18) має вигляд: (UVi > 0) (ITi = 0) = true, де UVi – напруга на і-му вентилі, ІТі – функція стану і-го вентиля. Ця функція приймає значення 0, якщо вентиль закритий і 1 – якщо відкритий.

Керування вентилями інвертора здійснюється в функції вихідних сигналів Si (і=1,2,3) гістерезисних регуляторів. Вхідним сигналом регулятора є розузгодження між заданим та дійсним струмом ротора АМ іr. Вихідний сигнал регулятора формується за таким алгоритмом. Якщо іr > /2 і Si 1 то Si стає рівним 1, ( - ширина зони гістерезису регулятора). Якщо іr < - / 2 і Si 1 то Si стає рівним 1.

Таким чином, умова відкривання вентилів АВГ2: (UVi > 0) (Si = 1) (ITi = 0) = true.

Умова відкривання вентилів КВГ2: (UVi > 0) (Si = -1) (ITi = 0) = true.

Закривання вентилів інвертора здійснюється примусово в момент виконання умови закривання вентилів. Умова закривання вентилів АВГ2: (Si = -1) (ITi = 1) = true. Умова закривання вентилів КВГ2: (Si = 1) (ITi = 1) = true.

Рис.5. Розрахункова схема системи "асинхронна машина з інвертором напруги в колі ротора"

Для експериментальних досліджень процесів в описаних системах методом математичного моделювання розроблено цифрову модель (програмну реалізацію математичної моделі) системи асинхронного електроприводу з векторним керуванням в колі ротора. Для цього використано програмне середовище, реалізоване мовою FORTRAN. В цьому програмному середовищі використано модульний підхід, що дозволяє конструювати цифрову модель системи використовуючи бібліотеку типових підпрограм.

Розроблена математична модель системи асинхронного електроприводу з векторним керуванням в колі ротора у фазних координатах може бути використана для дослідження електромагнітних та електромеханічних процесів в системі, включаючи вентильний перетворювач, як в статичних, так і в динамічних режимах роботи, а математична модель системи в обертових координатах (х,у) є значно простішою, порівняно з моделлю у фазних координатах і може бути використана для наближених розрахунків динамічних режимів в системі. Створена цифрова модель системи асинхронного електроприводу з векторним керуванням в колі ротора дозволяє проводити дослідження процесів в даній системі на ЕОМ.

У четвертому розділі описано експериментальну установку асинхронного електроприводу з векторним керуванням напругою фазного ротора, розглянуто технічну реалізацію його системи керування з детальним описом алгоритму та програми керування, а також приведені результати експериментальних досліджень. Структурну схему даної установки показано на рис. 6, де позначено: L1, L2, L3 – мережа живлення, АМ – асинхронна машина з фазним ротором, ІН – інвертор напруги, В – випрямляч, БН – блок навантаження, АТр – регулювальний автотрансформатор, ІД – імпульсний давач для вимірювання положення ротора швидкості обертання АМ, I/U – перетворювач струм – напруга, U/U – перетворювач напруга/напруга (з гальванічним розмежуванням), АЦП – аналогово-цифровий перетворювач з мультиплексором, ПЛ – пристрій програмованої логіки, МП – мікропроцесор, ПК – персональний комп’ютер.

Рис. 6. Структурна схема експериментальної установки

Керування транзисторним модулем інвертора напруги здійснюється імпульсами, що генеруються пристроєм визначення кута повороту ротора використано цифровий енкодер. Для забезпечення гальванічного розмежування кіл керування від силових кіл застосовано перетворювачі струм-напруга (I/U), та напруга-напруга (U/U). Паспортні дані асинхронної машини, використаної в експериментальній установці: Pн = 0.8 кВт, nн = 1390 об/хв, Uн = 380 В, Iн = 3.5/2.0 A, Urн = 31 В, Irн = 18 A, cos = 0.78.

Для створення моменту навантаження на валу АМ використано машину постійного струму, обмотка якоря якої замкнута на реостат.

В пристрої керування використано сигнальний мікропроцесор типу ADSP-21065L виробництва Analog Devices з пристроєм програмованої логіки серії 6016 виробництва Altera. Для перетворення аналогових сигналів в цифрові використано чотири аналогово-цифрові перетворювачі типу AD-7492-5 виробництва Analog Devices з гарантованим часом перетворення 800 нс. Для реалізації давача положення ротора використано інкрементальний енкодер, що формує на виході 3 імпульсні сигнали: два сигнали, частота яких пропорційна швидкості обертання, є зсунуті один відносно одного на кут 900 (дає можливість визначити напрям обертання), а один імпульсний сигнал використовується для визначення точки відліку (один імпульс на оберт ротора). За один оберт ротора АМ на інформаційних виходах давача формується 2500 імпульсів.

Для реєстрації координат під час проведення фізичного експерименту в експериментальній установці було використано цифровий чотирьохканальний осцилограф типу TDS-2014 (виробництва TEKTRONOX).

На рис.7 показано експериментально зняті осцилограми струму статора іS, струму ротора іR та швидкості для режиму запуску асинхронної машини до номінальної швидкості. Перед початком запуску обмотка статора при розімкненому роторі під’єднувалася до мережі і здійснювалося намагнічення АМ струмами статора. Ділянки осцилограм до пунктирної лінії відповідають цьому режиму. Після цього вмикався перетворювач, подавалися струми в обмотку ротора згідно з реалізованим алгоритмом керування і починався запуск до заданої з допомогою ПК швидкості. На рис.8. показана осцилограма струму статора іS, струму ротора іR та швидкості для режиму запуску асинхронної машини до швидкості 170 с-1 (вище за номінальну).

|

Рис.7. Осцилограма струму статора іS, струму ротора іR та швидкості для режиму запуску асинхронної машини до номінальної швидкості 157 с-1

|

Рис.8. Осцилограма струму статора іS, струму ротора іR та швидкості для режиму запуску асинхронної машини до швидкості 170 с-1

Як видно з наведених осцилограм система керування забезпечує задовільні динамічні характеристики у всьому діапазоні зміни швидкості (нижче синхронної, синхронній і вище за синхронну швидкість обертання). Пускові значення струмів статора і ротора обмежуються (модуль струму ротора обмежується на рівні 30 А).

На рис.9 показано осцилограму струму статора іS, струму ротора іR та напруги статора US асинхронної машини для усталеного режиму роботи зі швидкостями 50с1, 157 с-1 та 170 с-1. Розпливчатий характер змінних на останніх осцилограмах пояснюється відсутністю в даному випадку цифрової фільтрації. Як видно з цих осцилограм реалізований алгоритм керування забезпечує стабільну роботу асинхронної машини з коефіцієнтом потужності статора cos = 1 у всьому діапазоні регулювання швидкості (нижче синхронної, синхронній і вище за синхронну швидкість обертання).

Результати експериментальних досліджень процесів в описаній установці показали, що реалізований алгоритм керування забезпечує роботу асинхронної машини з коефіцієнтом потужності статора cos = 1 у всьому діапазоні регулювання швидкості (нижче синхронної, синхронній і вище за синхронну швидкість обертання).

а) |

б) |

в)

Рис.9. Осцилограми струму статора іS, струму ротора іR та напруги статора US асинхронної машини для усталеного режиму роботи зі швидкістю:

а) 50 с-1, б) 157 с-1, в) 170 с-1.

У п’ятому розділі підтверджено адекватність математичної моделі та наведено результати математичних досліджень асинхронного електроприводу з векторним керуванням в колі ротора. Для перевірки адекватності розробленої математичної моделі шляхом математичного моделювання було розраховано процеси в експериментальній установці. Результати співставлення даних експерименту і розрахунку показали, що:

· перерегулювання швидкості: для експериментальної осцилограми 14.6%, для розрахованої осцилограми – 11.5%;

· час розгону до максимальної швидкості: в експерименті – 1.2 с, при розрахунку – 1.3 с;

· усталене значення швидкості при експерименті і розрахунку є однакові;

· кидок струму статора при пуску: для експерименту – 4 А (амплітудне значення), при розрахунку – 4.7 А;

· кидок струму ротора при пуску: для експерименту – 32 А (амплітудне значення), при розрахунку – 31 А;

· характер зміни струмів на розрахованих осцилограмах подібний до реальних.

Таким чином, зроблено висновок про достатньо високу ступінь адекватності розробленої математичної моделі і про її придатність для дослідження системи асинхронного електроприводу з векторним керуванням в колі ротора.

Для проведення досліджень динамічних режимів було використано систему з такими параметрами асинхронної машини: Pн =1,5 кВт, Uн = 380 В, Lm = 0.3696 Гн, L1 = 0.014 Гн, L'2 = 0.09 Гн, Rs = 7.32 Ом, R'r = 4.0 Ом, J = 0.04 кгм2, p0 = 2.0, коефіцієнт приведення струмів ротора до статора ki = 2.0, параметри регуляторів: k = 5.0, kі = 20.0, km = 1.55, kmi = 0.001 (параметри підібрані експериментально), момент навантаження 10 Нм, розраховані значення потокозчеплень статора фільтруються (стала часу фільтра 0,02 с). Ємність конденсатора на вході інвертора напруги 2 мкФ.

На рис. 10-16 показано результати досліджень процесів в режимах розгону електроприводу до швидкості нижчу за синхронну (ділянки від 0.3 с до 0.9 с), подальший перехід до швидкості вищої за синхронну (ділянки від 0.9 с до 1.3 с), та переходу в генераторний режим роботи (зміна знаку моменту на валу).

Рис. 10. Часова залежність електромагнітного моменту АМ. |

Рис. 11. Часова залежність швидкості АМ.

Рис. 12. Часова залежність струмів статора АМ в осях х,у. |

Рис. 13. Часова залежність струмів ротора АМ в осях х,у.

Рис. 14. Часові залежності струмів фаз a, b, c ротора АМ (приведені значення).

Рис. 15. Часові залежності струмів фаз A, B, C статора АМ . |

Рис. 16. Часові залежності фазних напруг статора АМ

Процес запуску АМ відбувався в два етапи. Перший етап (до 0.3 с) – обмотка статора АМ підєднувалась до мережі, при вимкненому роторі (перетворювач заблокований). Відбувалося намагнічення АМ струмом статора. Після чого (в момент часу t = 0.3 c) вмикався перетворювач, починала працювати система керування і живлення подавалося в ротор АМ. Починався розгін АМ до заданої швидкості обертання. Ширина зони гістерезису регуляторів, в цих випадках, становила 0.5 А.

На рис. 10 - 11 показано осцилограми електромагнітного моменту та швидкості МПЖ, з яких можна зробити висновок про задовільний характер динамічних характеристик, які формуються розробленою системою автоматичного регулювання (її параметри підбиралися експериментально).

На рис. 12 показано часові залежності струму статора АМ в осях х,у. На проміжку часу до 0.3 с, коли обмотка статора підєднується до мережі, а обмотка ротора розімкнена (початкове намагнічення АМ), в статорі протікає чисто реактивний струм (складова струму статора по осі у, яка співпадає з напрямком зображувального вектора напруги статора, рівна нулю). Після намагнічення АМ, в момент часу 0.3 с вмикається в роботу система керування і починається розгін АМ. В цьому випадку, як видно з графіків, струм статора набуває виключно активного характеру, складова струму статора по осі х стає рівною нулю, а складова струму статора по осі у визначає величину електромагнітного моменту АМ і змінюється аналогічно до зміни моменту. Зауважимо, що струм статора АМ має активний характер як в статичних так і в динамічних режимах. На рис. 13 показано часові залежності струму ротора АМ в осях х,у. Як видно з даних осцилограм компонента струму ротора по осі х, що визначає струм намагнічення АМ, не зазнає істотних змін, а компонента струму ротора по осі у, що компенсує реакцію статора, змінюється аналогічно до зміни струму статора, але з протилежним знаком. Струм ротора, як і струм статора, в координатах х,у має пульсуючий характер обумовлений наявністю гістерезисних регуляторів струму ротора АМ.

На рис. 14 показано часову залежність фазних струмів ротора АМ в усіх перерахованих вище режимах. На графіку видно, що струм ротора змінює чергування фаз при переході через синхронне значення швидкості (змінюється напрям обертання поля ротора відносно поля статора. На рис. 15, 16. показано часові залежності фазних струмів та напруг статора АМ в усталеному режимі роботи в режимі двигуна (на швидкості 180 рад/с) та при переході в генераторний режим. Як видно з цих графіків, в режимі двигуна струм статора співпадає по фазі з напругою статора. При переході в генераторний режим роботи змінюється знак струму статора. Струми ротора, в цьому випадку, як видно з рис. 14, змінюють свою фазу, оскільки складова струму ротора по осі у, яка компенсує реакцію статора змінює свій знак, відповідно до зміни знаку струму статора по осі у.

Для розрахунку статичних характеристик, та перевірки діапазону регулювання швидкості було розраховано режими запуску та накиду навантаження МПЖ на швидкостях низькій (5% номінальної) синхронній та вищій за синхронну (170 с-1), а також режими зміни знаку моменту на валу і переходу в генераторний режим (для швидкості вище синхронної цей режим показаний на рис. 10 – рис. 11). Підтверджено, що запропонована система забезпечує роботу МПЖ в широкому діапазоні регулювання швидкості з астатизмом, в тому числі і на низьких швидкостях. На низьких швидкостях дещо погіршуються динамічні характеристики, зокрема з’являється незначне перерегулювання швидкості (близько 2.5%), а під час накиду навантаження спостерігається динамічна просадка швидкості близько 25 %. При роботі на пониженій швидкості похибка регулювання швидкості становить 0.25% (при зміні моменту на валу від 1 Нм до 10 Нм). При роботі на синхронній швидкості похибка регулювання швидкості становить 0.08 % (при зміні моменту на валу від 1 Нм до 10 Нм). При роботі на швидкості вище синхронної похибка регулювання швидкості становить 0.4 % (при зміні моменту на валу від 10 Нм до -10 Нм);

У додатках наведено тексти головної програми, підпрограми визначення вектора інтегрування та підпрограми керування вентилями цифрової моделі асинхронного електроприводу з векторним керуванням в колі ротора, файли вхідної інформації та програма реалізації алгоритму керування, а також акти використання та впровадження результатів дисертаційної роботи.

ВИСНОВКИ

1. Сучасні досягнення в області напівпровідникової і мікропроцесорної техніки, а також теорії векторного керування є основою розробки керованих електроприводів змінного струму з високими техніко-економічними та експлуатаційними показниками.

2. Електропривод з машиною подвійного живлення при збудженні з боку ротора забезпечує необхідний коефіцієнт потужності в широкому діапазоні регулювання швидкості.

3. Одержані математичні залежності для формування керуючих впливів на живлення ротора асинхронної машини забезпечують повну компенсацію поля статора струмом ротора як в статичних режимах, так і в перехідних режимах, що надає електроприводу з машиною подвійного живлення властивостей електроприводу із скомпенсованою машиною постійного струму з незалежним збудженням.

4. Розроблена математична модель керування інвертором напруги з використанням отриманих в дисертації залежностей є оптимальною щодо швидкодії, а її реалізація на сигнальному мікропроцесорі ADSP-21065L виробництва Analog Devises з пристроєм логіки серії 6016-Altera забезпечує керування інвертором напруги в реальному масштабі часу, що дозволяє кваліфікувати інвертор напруги з цією цифровою системою керування за функціональною ознакою електронним колектором.

5. Регулятори швидкості і моменту в цифровому вигляді, доповнені до моделі керування інвертором напруги, в комплексі забезпечують в статичних і динамічних режимах регулювальні характеристики електроприводу аналогічні характеристикам електроприводу зі скомпенсованою машиною постійного струму з незалежним збудженням та підпорядкованою системою керування.

6. Розроблена з використанням теорії математичного моделювання електромашинно-вентильних систем математична модель запропонованої системи векторного керування машиною подвійного живлення може бути використана для дослідження електромагнітних та електромеханічних процесів у згаданій системі у всіх режимах роботи. Результати математичних експериментів підтвердили працездатність та ефективність запропонованого алгоритму векторного керування та розв’язання ним поставлених задач керування.

7. Розроблена експериментальна установка, в якій для живлення кола ротора асинхронної машини використовується перетворювач з цифровою системою керування підтвердила можливість технічної реалізації наукових досліджень.

8. Шляхом співставлення результатів експериментальних досліджень на розробленій експериментальній установці та результатів математичного моделювання підтверджено адекватність розробленої математичної моделі.

9. Результати експериментальних досліджень показали, що запропоноване керування виконує поставлені задачі, а саме: струм статора асинхронної машини має активний характер у всіх режимах роботи, на швидкостях нижче та вище синхронної при якісних регулювальних характеристиках.

10. Запропонована схема векторного керування машиною подвійного живлення може бути використана для регулювання швидкості асинхронних двигунів з фазним ротором у складі електроприводу (при цьому потужність перетворювача, що живить ротор може бути значно менша, ніж потужність, що передається статором). Крім цього, дана схема може використовуватися в генеруючих установках, для регулювання швидкості асинхронного генератора (наприклад у вітрогенеруючих установках).

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Плахтина О.Г., Куцик А.С., Йовбак В.Д. Алгоритм векторного керування напругою ротора aсинхронної машини з врахуванням насичення головного магнітного шляху // Вісник ХДПУ. Тематичний випуск “Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика.”, Харків: НТУ “ХПІ”, 2003, С. 57-60.

2. Плахтина О.Г., Куцик А.С., Йовбак В.Д.. Спосіб векторного керування напругою живлення фазного ротора асинхронної машини // Вісник НУ “Львів-ська політехніка” “Електроенергетичні та електромеханічні системи”, №479, Львів, 2003 р. С.154-160.

3. Йовбак В.Д. Характеристики асинхронної машини з векторним керуванням в колі ротора // Вісник НУ “Львів-ська політехніка” “Електроенергетичні та електромеханічні системи”, №485, Львів, 2003 р. С.55-60.

4. Плахтина О.Г., Куцик А.С., Йовбак В.Д.. Електромагнітні та електромеханічні процеси асинхронної машини з інвертором напруги в колі ротора при векторному керуванні // Технічна електродинаміка, №5, 2004 р., С. 30 – 36.

АНОТАЦІЯ

Йовбак В.Д. Асинхронний електропривод з векторним керуванням напругою фазного ротора. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 – Електротехнічні комплекси та системи, Національний університет „Львівська політехніка”, Львів, 2005.

Дисертація присвячена встановленню закономірностей перетворення енергії в асинхронних машинах подвійного живлення. Отримані залежності між струмами фазного ротора, струмами і потокозчепленням статора лягли в основу запропонованого способу векторного керування через напругу живлення ротора. Даний спосіб забезпечує регулювання швидкості асинхронної машини зі сторони ротора із збереженням коефіцієнта потужності статора рівним одиниці як в режимі двигуна, так і в генераторному режимі. Запропоновано схему асинхронного електроприводу, в якій ротор асинхронної машини живиться від автономного інвертора напруги і яка реалізує запропонований спосіб керування. Розроблено математичну та цифрову моделі асинхронного електроприводу, за допомогою яких проаналізовано електромеханічні та електромагнітні процеси в даній схемі. Створено експериментальну установку, за допомогою якої підтверджено адекватність розробленої математичної моделі та можливість технічної реалізації запропонованої системи керування. Виконано комплекс досліджень електромеханічних та електромагнітних процесів в розробленій системі асинхронного електроприводу з векторним керуванням напругою фазного ротора з використанням математичної та фізичної моделей. Результати дисертаційних досліджень використовуються в навчальному процесі на кафедрі електроприводу і автоматизації промислових установок Національного університету „Львівська політехніка”. Зроблено висновки за результатами проведених досліджень.

Ключові слова: асинхронний електропривод, векторне керування, машина подвійного живлення, математична модель, фізична модель.

АННОТАЦИЯ

Йовбак В.Д. Асинхронный электропривод с векторным управлением напряжения фазного ротора. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы, Национальный университет „Львівська політехніка”, Львов, 2005.

Диссертация посвящена установлению закономерностей преобразования энергии в асинхронных машинах двойного питания, которые вошли в основу разработки способа векторного управления напряжением фазного ротора, реализующей данный способ схемы асинхронного электропривода с машиной двойного питания, а также анализу электромеханических и электромагнитных процессов в данной схеме. Состоит из введения, пяти разделов, выводов, списка литературы и 4 приложений.

В разделе 1