ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

МИХАЙЛЮТА Сергій Леонтійович

УДК 681.586:681.516.75

ВДОСКОНАЛЕННЯ ОБЧИСЛЮВАЛЬНОГО ПРИСТРОЮ

ЧАСТОТНО-СТРУМОВИХ ТА ВЕКТОРНИХ СИСТЕМ КЕРУВАННЯ

ОБ’ЄКТІВ З АСИНХРОННИМИ МАШИНАМИ

05.13.05  | елементи та пристрої обчислювальної техніки

та систем керування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Черкаси – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Черкаському державному технологічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор,

Заслужений діяч науки і техніки України

Биков Валентин Іванович,

Черкаський державний технологічний університет, завідувач кафедри безпеки життєдіяльності.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Квасніков Володимир Павлович,

Національний авіаційний університет,

професор кафедри інформаційних технологій, м. Київ;

кандидат технічних наук, доцент

Мусієнко Максим Павлович,

Черкаський державний технологічний університет, доцент кафедри комп’ютеризованих та інформаційних технологій у приладобудуванні.

Провідна установа Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАНУ, відділ спеціальних засобів моделювання, м. Київ.

Захист відбудеться “_06_” квітня 2006 р. о 14.30 в залі засідань спеціалізованої вченої ради К 73.052.01 в Черкаському державному технологічному університеті за адресою: 18006, м. Черкаси, бул. Шевченка, 460.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Черкаського державного технологічного університету за адресою: 18006, м. Черкаси, бул. Шевченка, 460.

Автореферат розісланий “_03_” березня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради В.В. Палагін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Аналіз сучасного рівня розвитку систем керування (СК) та їх елементів дозволив виявити, що основні тенденції їх розвитку полягають у зменшенні вартості, збільшенні надійності, спрощенні налагодження та обслуговування, забезпеченні лінійності і можливості одночасного незалежного керування вихідними координатами СК та розширенні їх діапазону керування, зменшенні енергоспоживання в сталих режимах роботи. Зростає функціональне насичення обчислювального пристрою (ОП) – елемента сучасних СК, на який покладено функції порівнюючих та коректуючих ланок, здійснення обчислювальних операцій із непрямого визначення параметрів, в тому числі і вихідних координат СК.

За даними експертних оцінок, найбільшого поширення (більше 60%) набули СК об’єктів з асинхронними машинами (АМ), серед яких: системи подачі рідин та газів, протягування дроту та прокату металу, намотування тканин та подачі паперової стрічки, стабілізації зусилля різання металу тощо. Їх ефективне використання дозволяє економити до 20% ресурсів.

Вдосконалення ОП частотно-струмових та векторних СК об’єктів з АМ дозволяє досягти максимальної одночасної реалізації перелічених тенденцій, отже максимального техніко-економічного ефекту. В порівнянні з іншими основними елементами СК (виконавчою підсистемою та підсистемою датчиків), вартість ОП може бути зменшена в десятки разів за рахунок масового виробництва у вигляді спеціалізованого процесора, а використання ефективних методів векторного та частотно-струмового керування, методів непрямого контролю стану керованих координат СК дає змогу отримати максимальну віддачу від АМ, спростити і здешевити підсистему датчиків СК. Результати досліджень в даному напрямі можуть скласти основу виконання низки Українських державних програм (програми розвитку промисловості на 2003 ? 2011 рр., програми розвитку легкої промисловості на 2005 ? 2011 рр., програми розвитку лісогосподарського і лісопромислового комплексів України на період до 2015 р.).

Необхідність вдосконалення ОП вимагає поєднання та розвитку знань з теорії приладобудування, систем автоматичного керування, систем керованих електроприводів, систем неперервного непрямого контролю об’єктів, окремому вивченню яких присвячені праці Акімова Л.В., Бродовського В.М., Дартау В.А., Довбні В.Т., Епштейна І.І., Іванова Є.С., Кваснікова В.П., Колотило В.І., Рудакова В.В., Столярова І.М., Шрейнера Р.Т., Blashke F. та інших науковців. Отже, вирішення науково-технічного завдання розвитку теорії та вдосконалення ОП частотно-струмових та векторних СК об’єктів з АМ має важливе наукове і практичне значення, а тема роботи є актуальною.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота за темою дисертації проводилась відповідно до державної бюджетної теми “Розробка та дослідження швидкодіючого частотно-струмового асинхронного електроприводу для нових технологій” (державна реєстрація №0194UO23420). Автором розроблена та досліджена СК електроприводів об’єктів з АМ, ОП яких забезпечує непрямий контроль сигналів зворотних зв’язків СК.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційного дослідження є розвиток теорії побудови та вдосконалення ОП частотно-струмових та векторних СК об’єктів з АМ, що поліпшує техніко-економічні параметри СК, в тому числі за умов непрямого контролю керованих координат.

Для досягнення поставленої мети були вирішені такі завдання:

1. Здійснено аналіз науково-технічного рівня та основних етапів розвитку ОП СК об’єктів з АМ з метою визначення напрямів удосконалення ОП.

2. Здійснено теоретичний аналіз та експериментальне дослідження функціонування ОП, визначені основні фактори впливу ОП на техніко-економічні параметри СК.

3. Розроблені методи керування, методи та засоби підвищення структурно-параметричної точності ОП, в тому числі за умов непрямого контролю керованих координат СК, що поліпшують техніко-економічні параметри СК.

4. Розроблені методи налагодження і адаптації ОП, метод теплового захисту АМ за умов здійснення ОП непрямого контролю вихідних координат СК.

Об’єкт дослідження – частотно-струмові та векторні СК об’єктів з АМ.

Предмет дослідження – методи та засоби вдосконалення ОП частотно-струмових та векторних СК об’єктів з АМ.

Методи досліджень. Для вирішення поставлених завдань застосовані такі методи досліджень: математичні (диференційне та операційне обчислення), теорії автоматичного управління (структурні методи, метод зворотних динамічних моделей – для аналізу структур контролю стану керованих координат, методи мінімізації та компенсації впливу збурень – для розробки методів налагодження та адаптації ОП, метод локалізації – для досліджень підсистем ОП, метод заморожених коефіцієнтів – для розробки методів керування, метод фазової площини та метод припасовування – для дослідження підсистеми орієнтації синхронної системи координат ОП). Достовірність результатів теоретичних досліджень перевірена моделюванням та натурними експериментами.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

· Отримала подальший розвиток теорія побудови ОП СК об’єктів з АМ за рахунок введення до моделей АМ елементів та зв’язків температурної параметричної корекції.

· Розроблений геометрично-аналітичний метод дослідження ОП та СК, який полягає у представленні керованих координат геометричними фігурами, що дозволяє спростити аналіз та синтез ОП за рахунок візуалізації процесів, що відбуваються в ньому та в СК.

· Розроблений метод відносного струму, який полягає у використанні відношення складових вектору вихідного сигналу ОП як аргументу функцій опису ОП та СК, що спрощує аналіз функціонування ОП та СК.

· Вперше описана аналітично та зображена графічно область функціонування ОП частотно-струмових та векторних СК об’єктів з АМ в просторі координат навантаження, похибки орієнтації синхронної системи координат ОП та відношення складових вектору сигналу на виході ОП, що дозволило визначити області та умови забезпечення статичної стійкості СК, створити нові методи та засоби мінімізації структурно-параметричних похибок ОП.

· Розроблений метод керування координатою моменту, за яким ОП в сталих режимах роботи систем враховує співвідношення та обмеження складових вектору вихідного сигналу ОП, що дозволяє мінімізувати струм живлення і зменшити енергоспоживання СК.

· Розроблений метод налагодження ОП, який полягає в зміщенні параметрів налагодження, що дозволяє скоротити тривалість налагодження та досягти працездатності СК в діапазоні температур АМ від -40°С до +120°С.

· Вперше запропоновано метод параметричної адаптації ОП за умов непрямого контролю керованих координат, що підвищує точність та лінійність СК.

Практичне значення одержаних результатів:

· Розширена науково-технічна база проектування ОП СК, що дозволяє зменшити вартість СК, підвищити їх надійність, зменшити тривалість налагодження та спростити обслуговування, зменшити енергоспоживання в сталих режимах роботи, забезпечити лінійність функцій керування вихідними координатами та розширити діапазон керування ними.

· Здійснена мінімізація структурно-параметричних похибок ОП, що дозволяє спростити підсистему датчиків СК (відмовитись від застосування механічних датчиків, датчиків поля та температури), застосовувати виконавчі підсистеми більш надійного та менш вартісного конструктивного виконання.

· Вдосконалений контур орієнтації синхронної системи координат ОП за рахунок використання оптимального за точністю та швидкодією релейного регулятора і встановлення послідовності запуску підсистем ОП, що дозволило підвищити його точність та швидкодію і спростити налагодження.

· Отримані аналітичні залежності, які визначають межові значення керованих координат СК за умов непрямого їх контролю за допомогою ОП, що дозволяє мінімізувати елементний склад та вартість СК.

· Застосування методу зміщення параметрів та методу адаптації дозволяє зменшити тривалість процедури налагодження ОП.

Запропоновані методи та засоби вдосконалення ОП використані при виконанні науково-дослідної роботи за державною бюджетною темою “Розробка та дослідження швидкодіючого частотно-струмового асинхронного електроприводу для нових технологій” (державна реєстрація №0194UO23420). Вдосконалені ОП впроваджені в системах керування: барабанів волочильного стану виробничої фірми “ПБА” (м. Черкаси) транспортеру тютюну на підприємстві “Реємстма-Черкаси”, намащувальної головки автомата для намащування сандвічів Черкаської бісквітної фабрики, стендів для налагодження насосів високого тиску на підприємстві “Ремавтоагрегат”, що підтверджено відповідними актами впровадження. Результати досліджень використовуються в навчальному процесі у Черкаському державному технологічному університеті.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати автор отримав самостійно. Статті [1 – 6; 9; 10; 12], патент [11] та доповіді [14 ? 17] належать автору особисто. В статті [7] автором здійснено аналіз процесу протягування дроту на волочильному стані, обґрунтовано необхідність застосування елементів непрямого контролю в складі СК барабанів волочильного стану, розглянуті особливості побудови ОП за умов відсутності датчиків руху та датчиків поля для систем приводу барабанів. В статті [8] автором удосконалена модель АМ, в моделі враховується змінність активних опорів обмоток АМ в процесі роботи. В роботі [13] автором здійснено аналіз рівня та напрямів розвитку СК, зокрема електропривода, сформульовано вимоги до сучасних систем, доведено перспективність розвитку СК з елементами непрямого контролю АМ.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертації доповідались та обговорювались на семи науково-технічних конференціях, а саме: 1-й Українській конференції з автоматичного керування “Автоматика-94” (м. Київ, 1994); 3-й науково-технічній конференції “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах і конверсії виробництва” (м. Хмельницький, 1995); 3-й Міжнародній науково-технічній конференції “Контроль та керування в технічних системах” (м. Вінниця, 1995); 4-й Українській конференції з автоматичного управління “Автоматика-97” (м. Черкаси, 1997); 6-й Українській конференції з автоматичного управління “Автоматика-99” (м. Харків, 1999); 1-й Міжнародній науковій конференції “Раціональне використання природних ресурсів. Проблеми екології, енергозбереження, економіки, освіти та інформації в умовах ринкових відносин” (м. Черкаси, 2001); XIV науковій сесії Осередку Наукового товариства ім. Т.Г. Шевченка (м. Черкаси, 2003).

Публікації. Основні положення дисертації опубліковано в 22 наукових працях: 4 публікаціях у фахових виданнях, з яких один патент України, 11 статтях у інших виданнях, 7 тезах доповідей на наукових конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел і трьох додатків. Робота містить 139 сторінок загального обсягу, 11 сторінок списку використаних джерел, 20 сторінок додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета та завдання наукового дослідження, визначено наукову новизну, практичну цінність результатів досліджень, здійснено огляд використаних методів досліджень, наведено відомості про апробацію та практичну реалізацію результатів роботи, про публікації.

У першому розділі проаналізовані основні етапи та сучасний науково-технічний рівень розвитку ОП, визначені напрями вдосконалення ОП, до якого задано вимоги максимального поліпшення техніко-економічних параметрів СК.

Показано, що ОП є елементом СК, який здійснює функціональне перетворення вектора сигналів стану керованих координат СК і задатчиків керуючого впливу у вектор сигналу керування виконавчою підсистемою, поєднує в собі елементи підсилення сигналів, порівняння, функціональні перетворювачі, регулятори. Промисловістю випускаються у вигляді спеціалізованих контролерів модифікації ОП для СК об’єктів з машинами постійного струму та синхронними машинами. Необхідність створення аналогічних за рівнем ОП для СК об’єктів з АМ вимагає вирішення наукових завдань з розвитку теорії побудови ОП, вирішення яких дозволяє поліпшити такі параметри СК: досягти лінійності функцій керування, розширити діапазон керування кожної із вихідних координат СК, мінімізувати енергоспоживання в сталих режимах роботи.

Максимального техніко-економічного ефекту (співвідношення якості керування до ціни СК) можна досягти в частотно-струмових та векторних СК об’єктів з АМ за умов непрямого контролю поточного стану керованих координат СК. Особливості роботи ОП даних СК такі: відсутність достовірної інформації про реальний стан керованих координат та температурний режим роботи АМ в зв’язку з відсутністю датчиків на ній; необхідність узгодження параметрів ОП та АМ, пов’язану із параметричними змінами АМ під дією робочих температур; необхідність точної ідентифікації параметрів АМ в процесі налагодження ОП.

Структурно-параметричні похибки ОП таких СК виникають внаслідок параметричних змін АМ, призводять до порушення прийнятого в ОП закону керування і, як наслідок, погіршення якості керування та втрати працездатності СК. Тому важливе значення мають визначення та дослідження методів та засобів керування і непрямого контролю вихідних координат СК, налагодження та адаптації ОП до температурних параметричних змін в СК, що дозволить мінімізувати структурно-параметричні похибки ОП.

У другому розділі викладені теоретичні основи аналізу та синтезу ОП СК.

В основу прийнятої методики досліджень покладено принципи підпорядкованого керування з послідовною корекцією. Розроблена методика та вибрані методи теоретичного аналізу і експериментальних досліджень функціонування ОП, здійснений математичний опис АМ та побудовані структурні схеми його моделей. Моделі АМ вдосконалені ланками та зв’язками параметричної корекції. Визначені основні принципи синтезу та вимоги до ОП, серед яких відзначимо такі: раціональними системами координат, у яких працює ОП, є нерухома та рухома – синхронна з полем АМ; ОП має визначати режим роботи АМ за сигналами напруг та струмів його живлення; ОП має забезпечувати максимальну лінійність керування вихідними координатами СК, в тому числі за умов їх непрямого контролю; ОП має забезпечувати працездатність, лінійність та точність СК у діапазоні впливу на АМ робочих температур, має бути інваріантним або адаптивним до них.

Застосовано логіко-оптимізаційний принцип синтезу ОП, що базується на запропонованих О.С. Шаталовим структурних методах. Для теоретичних досліджень функціонування ОП, методів та законів перетворення інформації, обґрунтована та використана двофазна модель АМ. Опис та побудова структурних схем моделей АМ виконані в нерухомій відносно статора та синхронній з полем системах координат, оскільки в першій працюють первинні перетворювачі фазних датчиків напруг та струмів живлення АМ, друга – зручніша для здійснення векторного аналізу та формування сигналу керування.

Встановлено, що на якість роботи СК впливають структурно-параметричні похибки ОП, які виникають в процесі роботи СК в результаті нагрівання АМ і призводять до порушення прийнятого закону керування і, як наслідок, втрати працездатності СК. Тому при аналізі процесів в ОП і СК використані припущення, відмінні від загальноприйнятих: враховано, що температура обмоток АМ може змінюватися в межах від –40С до +120С; значення сталих часу теплових процесів значно перевищують значення сталих часу електромагнітних контурів; активні опори обмоток АМ змінюються в межах, визначених робочим діапазоном температур.

Проведений аналіз номінальних режимів роботи різних за потужністю серійних АМ показав, що відносне відхилення від середнього значення потокозчеплень їх електромагнітних кіл становить менше 5%. Отже, для виконання вимоги спрощення процедури налагодження ОП та СК, раціонально застосовувати закони керування з стабілізацією потоку одного з електромагнітних кіл АМ.

В результаті проведених розрахунків встановлено, що в робочому діапазоні температур АМ від –40С до +120С, активні опори його обмоток змінюються в 1,62 разу – для статора та в 1,78 разу – для ротора. Тому моделі АМ удосконалені введенням елементів та зв’язків параметричної корекції.

Третій розділ присвячено розробці методів досліджень ОП, аналізу та синтезу методів оптимального керування вихідними координатами СК.

Скориставшись запропонованими О.С. Шаталовим структурними методами досліджень, одержали умову забезпечення інваріантності координати моменту до параметричних змін обмоток АМ:

,

де , – значення проекцій вектора потокозчеплення кола ротора АМ на осі x та y синхронної системи координат; –

кругова частота струму ротора АМ.

З урахуванням отриманої умови визначили узагальнений метод частотно-струмового та векторного керування координатою моменту , оптимальний для реалізації за допомогою ОП за обумовленими вище критеріями:

,

де , складові вектору вихідного сигналу ОП (сигналу керування струмом живлення АМ);

, причому const та const за умови, що const та додаткової умови реалізації векторного керування , або додаткової умови реалізації частотно-струмового керування , де коефіцієнт const, активний опір ротора АМ.

Отриманий метод дозволяє перейти до методу керування “полеорієнтуванням”, запропонованого F. Blashke та до частотно-струмового методу керування, запропонованого Є.С. Івановим і В.М. Бродовським, отже, розширює можливості застосування ОП.

Розроблений геометрично-аналітичний метод спрощеного аналізу та синтезу частотно-струмових та векторних методів керування, за яким фізичні величини уявляються геометричними фігурами, а їх значення – параметрами фігур (активна потужність – об’єм паралелепіпеда, момент – площа основи паралелепіпеда, побудованого за векторами струму та потокозчеплення).

Завдяки застосуванню геометрично-аналітичного метода встановлено оптимальний для вдосконалення ОП метод векторного та частотно-струмового керування АМ, що дозволяє мінімізувати споживаний АМ струм при відтворенні необхідного зусилля (моменту) або максимізувати останні за умов заданого обмеження струму живлення. Отриманий результат підтверджено класичним вирішенням задачі оптимізації. Відповідний спосіб керування запатентовано. Мінімізація струму живлення забезпечується виконанням умов:

де , , параметри АМ;

максимально допустиме значення потокозчеплення кола намагнічування АМ.

Розроблений метод відносного струму для теоретичного аналізу функціонування та синтезу ОП СК, який полягає у використанні як аргументу функцій для опису ОП та СК співвідношення складових вектора вихідного сигналу ОП, пропорційних струму живлення АМ. Метод дозволив отримати наступні нові результати.

Завдяки застосуванню методу відносного струму одержали рівняння, що дозволяють визначити максимально досяжне значення координати моменту та кратності максимального моменту АМ в СК для заданого ОП обмеження струму живлення АМ на рівні пускового значення, зокрема:

,

де , – значення максимального та номінального моменту АМ;

– кратність пускового струму АМ (вказана в довідниках);

, – пусковий (або максимальний) та номінальний струми АМ; –

номінальне відносне значення струму АМ.

Наприклад, для АМ 4A100L4У3 (з кратністю пускового моменту = 2,0; кратністю критичного моменту = 2,4; кратністю пускового струму = 6,0) в СК одержимо: кратність максимального моменту = 6,5 (для 2,4); відносну кратність пускового моменту 3,7; відносну кратність критичного моменту 2,7. Отже, в результаті вдосконалення ОП, за умови обмеження струму живлення АМ на рівні паспортного пускового, в СК теоретично можливо відтворити момент, який майже в чотири рази перевищує паспортне значення пускового моменту та майже в три рази перевищує паспортне значення критичного моменту АМ в усьому діапазоні керування швидкості, в тому числі при нульовій. Назване свідчить, що ОП покращує електромеханічні характеристики АМ в складі СК.

Завдяки методу відносного струму досліджений вплив структурно-параметричних похибок ОП на роботу СК (на рис. а подана залежність нормалізованого значення координати моменту від похибки орієнтації синхронної системи координат ОП та відносного сигналу на виході ОП) і визначена робоча область (рис. б). Встановлено, що для максимізації лінійності керування координатою моменту СК необхідно мінімізувати структурно-параметричні похибки ОП, які залежать від точності та швидкодії контуру орієнтації синхронної системи координат ОП та від точності визначення положення вектору орієнтації. Останнє, за умов непрямого контролю керованих координат, залежить від адекватності використаної в ОП моделі реальній АМ.

Четвертий розділ присвячено розробці методів та засобів мінімізації структурно-параметричних похибок ОП.

З метою максимізації точності та швидкодії досліджено контур орієнтації синхронної системи координат ОП з застосуванням І-, П-, ПІ- та Р- (релейного) регулятора. Встановлено, що контур з І-регулятором нестійкий, з П-регулятором – має ненульову похибку по положенню. З ПІ-регулятором – має нульову похибку по положенню та швидкості за умов точного налагодження, яке на практиці здійснити складно, причому час перехідного процесу, коефіцієнт затухання коливань, резонансна частота залежать від значення модуля вектора орієнтації, що додатково ускладнює налагодження та унеможливлює виконання енергозберігаючого керування. Оптимальним є Р-регулятор. Контур з Р-регулятором характеризується максимальною швидкодією і має нульову статичну похибку. Динамічна похибка є прийнятною і визначається рівнянням:

,

де – вихідний сигнал релейного регулятора; –

коефіцієнт перетворення перетворювача ”напруга-швидкість”; –

швидкість синхронної системи координат.

Визначена умова стійкої роботи контуру з Р-регулятором (), що вимагає застосування спеціальної послідовності ввімкнення ОП, за якою контур орієнтації вмикається після формування на виході ОП сигналів завдання струму живлення та формування магнітного потоку АМ.

Максимальна тривалість перехідного процесу в контурі з Р-регулятором

,

де – максимальна частота обертання синхронної системи координат; –

мінімальне задане значення модуля вектора орієнтації.

Отримані результати дозволили вдосконалити контур орієнтації синхронної системи координат ОП застосувавши у ньому релейний регулятор.

З метою максимізації точності визначення положення вектору орієнтації досліджено вплив параметричної похибки ОП на працездатність СК. Наприклад показано, що, за умови точного попереднього налагодження ОП з непрямим визначенням керованих координат СК з АМ 4A100L4У3, в результаті наступного зниження температури АМ на 67°С втрачається працездатність ОП та СК. Встановлено, що оптимальною для непрямого контролю координати швидкості за умов мінімальної чутливості до температурних параметричних змін в СК (зокрема в АМ) є структурна схема (рис. 2).

Рис. 2. Структурна схема моделі блока непрямого контролю координати швидкості (вдосконаленого елементами параметричної корекції):

, , – перетворення визначника потокозчеплення, перетворювача напруги в електричну кутову частоту обертання синхронної системи координат ОП та регулятора швидкості синхронної системи координат;

K, mK – величини, що відображають вплив температури на АМ

та відповідний сигнал корекції ОП; – налагоджувані параметри ОП;

, , , – параметри, що визначаються за паспортними даними АМ

Також встановлено, що працездатності та мінімізації структурно-параметричних похибок ОП можемо досягти початковим зміщенням параметрів налагодження ОП, або параметричною адаптацією ОП в процесі роботи СК. В зв’язку з цим виконано наступне.

Розроблений метод зміщення параметрів ОП, за яким в ОП встановлюється значення налагоджуваного параметра :

де – розрахункове значення ;

– значення активного опору обмоток статора АМ при температурі;

, – максимальна та мінімальна робоча температура АМ; –

коефіцієнт, що визначається за паспортними даними АМ.

Аналогічні залежності справедливі для параметра .

На основі методу зміщення параметрів розроблена та рекомендована для практичного використання методика визначення та.

Розроблено метод адаптації ОП, за яким в процесі роботи СК забезпечується корекція

, ,

де – коефіцієнт, що враховує питомі опори матеріалів обмоток АМ.

З метою реалізації методу адаптації ОП вдосконалено блок визначення координатних проекцій вектора орієнтації синхронної системи координат ОП введенням елементів параметричної корекції (рис. ).

Вперше отримана аналітична залежність, що визначає вплив похибки параметра ОП на діапазон керування координатою швидкості СК за умови її непрямого контролю з допомогою ОП:

,

де – максимальне значення координати швидкості; –

допустиме відносне значення зменшення швидкості під дією навантаження;

– параметрична похибка ОП, стосовно активного опору ротора АМ.

Отже, розроблені методи мінімізації структурно-параметричних похибок ОП не тільки поліпшують якість керування координатою моменту, а й розширюють діапазон керування координатою швидкості СК.

Рис. 3. Структурна схема вдосконаленого блоку визначення координатних проекцій вектора орієнтації синхронної системи координат (з елементами параметричної корекції): – сигнал корекції теплового впливу на обмотки статора АМ

Такі СК мають переваги навіть в порівнянні з аналогічними СК постійного струму, що слідує з рівняння для визначення діапазону керування СК постійного струму:

,

де – приведене значення струму ротора машини постійного струму;

– параметрична похибка ОП СК з машиною постійного струму, стосовно активного опору ротора машини;

– еквівалентний опір кола ротора, залежить, на відміну від в попередньому рівнянні, не тільки від температури, а й від технічного стану і якості обслуговування щітково-колекторного вузла.

У п’ятому розділі за результатами попередніх розділів побудовані функціональні схеми вдосконаленого ОП (рис. 4) та СК з непрямим контролем керованих координат (рис. ), наведені результати їх досліджень методами імітаційного моделювання та натурного експерименту.

Рис. 4. Функціональна схема вдосконаленого ОП: P, Ps, P ? регулятори: координати швидкості, швидкості синхронної системи координат ОП, температурної корекції параметрів ОП; З, ЗM ? задатчики швидкості та моменту СК; БО ? блок оптимізації енергоспоживання; ММ ? модель АМ (рис. 3)

Рис. 5. Функціональна схема одного із варіантів СК, побудованої з застосуванням вдосконаленого ОП, який реалізує функції непрямого контролю керованих координат СК: ПД – підсистема датчиків; ВП – виконавча підсистема;

ОК – об’єкт керування; ДС, ДН ? датчики струму та напруги живлення АМ;

ПЧ ? перетворювач частоти струму живлення АМ

Імітаційне моделювання здійснене за допомогою програмного пакету ”Macro-Cap”. Розроблені імітаційні моделі ОП, АМ, інших вузлів СК. Достовірність моделей перевірена натурними експериментами. Результати моделювання та натурних експериментів (рис. 6 ? рис. 8) повністю підтвердили правильність прийнятих гіпотез та отримані результати теоретичних досліджень.

а) б)

Рис. 6. Результати імітаційного моделювання: а) дослідження методу мінімізації струму живлення АМ; б) дослідження лінійності каналу керування координатою моменту та умов використання релейного регулятора в контурі орієнтації синхронної системи координат ОП та непрямого контролю керованих координат СК

а) б)

Рис. 7. Осцилограми експериментальних досліджень (рис. ): а) дослідження методу мінімізації струму живлення АМ; б) дослідження лінійності каналу керування координатою моменту

Рис. 8. Осцилограми експериментальних досліджень впливу похибки орієнтації синхронної системи координат ОП на роботу СК (рис. 1): rx max=0,9Вб

Одержані результати дозволили винайти і запатентувати спосіб керування та системи керування асинхронним електроприводом.

В Додатках наведені акти впроваджень результатів дисертаційної роботи, детальні дослідження впливу похибки орієнтації синхронної системи координат ОП на його роботу та роботу СК та лістинг програми для розрахунку параметрів АМ за паспортними даними в умовах різних режимів роботи.

Висновки

1. В результаті проведених досліджень, спрямованих на розвиток теорії і вдосконалення ОП частотно-струмових та векторних СК об’єктів з АМ, встановлені нові закономірності, аналіз яких дозволяє стверджувати, що сформульована в роботі мета досягнута. Отримані результати підтверджені моделюванням та натурними експериментами, застосовуються в промисловості.

2. Розроблені методи аналізу та синтезу ОП (метод відносного струму та геометрично-аналітичний метод) дозволили спростити їх теоретичні дослідження та отримати нові результати (методи керування та непрямого контролю), достовірність яких доведена моделюванням та натурними експериментами.

3. Теоретичний аналіз, моделювання та експериментальні дослідження функціонування ОП дозволили визначити, що основний вплив на техніко-економічні параметри СК мають структурно-параметричні похибки ОП, що залежать від точності та швидкодії контуру орієнтації синхронної системи координат ОП, достовірності використаних в ОП моделей для непрямого контролю керованих координат.

4. Розроблений метод зміщення параметрів дозволив спростити налагодження ОП за умов непрямого контролю керованих координат систем керування.

5. Оптимальним для реалізації в ОП є узагальнений метод частотно-струмового та векторного керування, за яким формування керуючого впливу здійснюється в синхронній системі координат за двома складовими сигналу завдання струму живлення АМ і який є інваріантним до параметричних змін АМ в діапазоні температур від ?40С до +120 С, що є особливо важливим для побудови СК підвищеної точності за умов непрямого контролю керованих координат.

6. Зменшення структурно-параметричних похибок ОП досягнуто використанням релейного регулятора в контурі орієнтації синхронної системи координат (релейний регулятор в структурі ОП є оптимальним за точністю та швидкодією контуру і не вимагає налагодження), ланок та зв’язків параметричної корекції ОП, реалізацією запропонованого методу адаптації ОП.

7. Вдосконалений ОП дозволяє ефективно використовувати властивості АМ. Показано, що за умови обмеження струму живлення АМ паспортним пусковим значенням, в СК можливо відтворити момент, що перевищує майже в чотири рази паспортне значення пускового моменту та майже втричі паспортне значення критичного моменту АМ, в тому числі при нульовій швидкості.

8. Отримані в роботі результати та їх систематизація можуть розглядатися як методика синтезу ОП, що за своєю суттю відображають принципи побудови ОП частотно-струмових та векторних СК з лінійною АФЧХ в теоретично нескінченному діапазоні частот, дозволяють поліпшити техніко-економічні параметри СК за рахунок максимальної одночасної реалізації провідних тенденцій їх розвитку.

9. В сукупності, розроблені методи керування, методи та засоби підвищення структурно-параметричної точності ОП, в тому числі за умов непрямого контролю керованих координат, дозволили виконати поставлені до ОП вимоги і поліпшити техніко-економічні параметри СК об’єктів з АМ.

СПИСОК ОСНОВНИХ ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Михайлюта С.Л. Методи та засоби вдосконалення обчислювального пристрою систем керування об’єктів з асинхронними машинами // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – 2005. – №4. – С.113–116.

2. Михайлюта С.Л. Корекція параметрів ідентифікатора регульованих величин в асинхронному електроприводі з векторним керуванням // Системний аналіз, управління і інформаційні технології: Вісник Харківського державного політехнічного університету: Зб. наук. пр. – 1999. – Вип. 71. – С. 105–108.

3. Михайлюта С.Л. Порівняльний аналіз досяжних діапазонів регулювання швидкості та моментів електроприводів з моделями двигунів асинхронного та постійного струму // Вісник Черкаського інженерно-технологічного інституту. – 2001. – №1. – С. 36–39.

4. Михайлюта С.Л. Синтез оптимального контуру орієнтації синхронної системи координат асинхронного електроприводу з векторним керуванням // Вісник Черкаського інженерно-технологічного інституту. – 1998. – №2. – С. 103–113.

5. Михайлюта С.Л. Високомоментний широкодіапазонний електропривід на базі асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором без датчиків // Експрес-новини: наука, техніка, виробництво.– 1997. – №19–20. – С. 16–17.

6. Михайлюта С.Л. Аналогово-числовий метод математичного моделювання та його використання у дослідженнях регульованих електроприводів // Експрес-новини: наука, техніка, виробництво.– 1997. – №19–20. – С. 30–31.

7. Баракін О.Г., Биков В.І., Михайлюта С.Л., Мордвінов С.І. Асинхронний регульований електропривід волочильного стану // Автоматика – 97. – Т. 2., Ч.1. – Черкаси: ЧІТІ. – 1998. – С. 53–58.

8. Баракін О.Г., Михайлюта С.Л., Мордвінов С.І. Адаптивна модель асинхронного двигуна в електроприводі з векторним керуванням // Автоматика – 97. – Т. 1., Ч.1. – Черкаси: ЧІТІ. – 1998. – С. 91–96.

9. Михайлюта С.Л. Максимальний момент асинхронного електродвигуна при векторному та частотно-струмовому керуванні // Вісник Черкаського інженерно-технологічного інституту. – 1998. – №2. – С. 100–102.

10. Михайлюта С.Л. Статична стійкість електроприводу з векторним керуванням на базі асинхронного двигуна без датчиків. Вибір параметрів моделі двигуна // Праці V Української конференції з автоматичного управління “Автоматика – 98”: Київ, 13-16 травня 1998 р. – Ч. 1. – К.: НТУ “Київський політехнічний інститут”. – 1998.– С. 288 – 295.

11. Пат. 31656 А Україна, МКВ H 02P 7/36. Спосіб керування асинхронним двигуном та електропривод, що його реалізує: Пат. 31656 А Україна, МКВ H 02P 7/36/ С.Л.Михайлюта (Україна) – №98105392; Заявл. 14.10.1998; Опубл. 15.12.2000; Бюл. №7-II.

12. Михайлюта С.Л. Алгоритми формування електромагнітного моменту, інваріантного до змінних параметрів асинхронного двигуна // Збірник статей аспірантів і здобувачів ЧІТІ. – Черкаси: ЧІТІ. – 1996. – С. 20–22.

13. Мордвинов С.И., Михайлюта С.Л. Автоматизированный асинхронный электропривод общепромышленного применения // Тези доп. I-ї Української конференції з автоматичного керування "Автоматика – 94".– Ч. 2. – К.: Ін. кібернетики ім. В.М. Глушкова АН України. – 1994. – С. 43.

14. Михайлюта С.Л. Косвенный контроль угловой скорости глубокорегулируемого асинхронного электропривода // Тез. докл. 3-й Междунар. научн.-техн. конф. "Контроль и управление в технических системах". – Ч. 2. – Винница: ВГТУ, 1995. – С. 480.

15. Михайлюта С.Л. Непрямий контроль вектора потокозчеплення кола намагнічування асинхронного двигуна // Зб. доп. 3-ї Міжнар. наук.-техн. конф. "Вимірювальна техніка в конверсії виробництва". – Хмельницький: ТУП, 1995. – С. 92.

16. Михайлюта С.Л. Оптимізована система непрямого векторного керування асинхронним двигуном масового електропривода // Тези доп. 1-ї Міжнар. наук.-техн. конф. "Раціональне використання природних ресурсів. Проблеми екології, енергозбереження, економіки, освіти та інформації в умовах ринкових відносин". – Черкаси: ЧІТІ. – 2001. – С. 81–82.

17. Михайлюта С.Л. Застосування векторно-аналітичних перетворювачів в системах непрямого керування асинхронним двигуном // Матер. доп. XIV наукової сесії Осередку Наукового товариства ім. Т.Г. Шевченка у Черкасах: За ред. В.В. Масненка. – Черкаси: Осередок НТШ у Черкасах, 2003. – С. 73–74.

АНОТАЦІЇ

Михайлюта С. Л. Вдосконалення обчислювального пристрою частотно-струмових та векторних систем керування об’єктів з асинхронними машинами. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 – елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування. ? Черкаський державний технологічний університет, Черкаси, 2006.

Дисертація присвячена розвитку теорії побудови та вдосконаленню обчислювального пристрою (ОП) частотно-струмових та векторних систем керування (СК) об’єктів з асинхронними машинами (АМ).

Визначений оптимальний метод керування вихідними координатами СК об’єктів з АМ, що дозволяє реалізувати як частотно-струмове, так і векторне керування, в тому числі за умов непрямого контролю керованих координат.

Розроблений метод керування, що дозволяє мінімізувати споживання струму СК в сталих режимах роботи.

Розроблені метод відносного струму та геометрично-аналітичний метод, за допомогою яких здійснені теоретичний аналіз та експериментальні дослідження функціонування ОП, в тому числі за умов непрямого контролю стану керованих координат СК. Встановлено, що лінійність, точність та швидкодія СК залежить від структурно-параметричних похибок ОП. Їх мінімізація досягнута вдосконаленням контуру орієнтації синхронної системи координат ОП за рахунок введення оптимального за точністю та швидкодією релейного регулятора, введенням в ОП елементів і зв’язків параметричної корекції, розробкою та використанням методу налагодження та методу адаптації ОП. Розроблені моделі для комп’ютерного моделювання ОП СК.

Ключові слова: обчислювальний пристрій, система керування, елемент, датчик, оптимізація, діапазон, адаптація.

Михайлюта С.Л. Усовершенствование вычислительного устройства частотно-токовых и векторных систем управления объектов с асинхронными машинами. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05 – элементы и устройства вычислительной техники и систем управления. Черкасский государственный технологический университет, Черкассы, 2006.

Диссертация посвящена решению научно-технической задачи развития теории построения и усовершенствованию вычислительного устройства (ВУ) частотно-токовых и векторных систем управления (СУ) объектов с асинхронными машинами (АМ).

Определены основные тенденции развития СУ и их элементов: уменьшение стоимости, повышение надежности, упрощение наладки и обслуживания, обеспечение линейности и возможности независимого управления выходными координатами, расширение диапазона управления каждой координаты, уменьшение энергопотребления в установившихся режимах работы.

Показано, что максимальная одновременная реализация перечисленных тенденций может быть достигнута в результате усовершенствования ВУ частотно-токовых и векторных СУ объектов с АМ. Стоимость ВУ, в сравнении с другими основными элементами СУ (исполнительной подсистемой и подсистемой датчиков), может быть снижена в десятки раз за счет массового производства в виде специализированного процессора, а применение эффективных методов и законов векторного и частотно-токового управления, методов косвенного контроля управляемых координат СУ, позволяет получить максимальную отдачу от АМ, упростить и удешевить подсистему датчиков.

В настоящее время разработаны и исследованы ВУ СУ объектов с машинами постоянного тока и синхронными машинами. Необходимость создания ВУ частотно-токовых и векторных СУ объектов с АМ требовала дополнительных исследований, выполненных в работе.

Разработан метод анализа и синтеза ВУ частотно-токовых и векторных СУ, состоящий в использовании в качестве аргумента функций, его описывающих, соотношения составляющих сигнала управления АМ, что позволило уменьшить количество переменных в математическом описании ВУ и используемых в нем моделях, позволило исследовать влияние структурно-параметрических ошибок ВУ на работу СУ, представить аналитически и графически рабочую область ВУ в пространстве координат ошибки ориентации, относительного сигнала управления (на выходе ВУ) и управляемой координаты усилия (момента) СУ.

Выполнены теоретический анализ, моделирование и экспериментальные исследования функционирования ВУ. Результаты исследований показали, что линейность функций управления СУ зависит от точности и быстродействия контура ориентации синхронной системы координат ВУ, точности определения реального положения выбранного вектора ориентации. Последнее зависит от адекватности примененной в ВУ модели АМ.

С целью минимизации структурно-параметрических погрешностей ВУ выполнено следующее:

- Усовершенствованы математические модели АМ для ВУ введением в их структурные схемы элементов и связей параметрической коррекции.

- Усовершенствован контур ориентации синхронной системы координат введением релейного регулятора, чем удалось достичь максимальной (в сравнении с аналогичными контурами с П-, І-, ПИ- регуляторами) точности и быстродействия контура и упростить его наладку.

- Разработан метод адаптации ВУ, который позволяет в условиях отсутствия датчиков движения и температуры реализовать параметрическую адаптацию ВУ к тепловым параметрическим изменениям в СУ, происходящим в диапазоне воздействия на АМ температур от –40 до +120 С, благодаря чему достигается максимизация линейности и точности управления СУ.

- Разработан метод наладки ВУ, позволяющий расчетным путем определить и установить в ВУ значения наладочных параметров, при которых обеспечивается работоспособность СУ в диапазоне воздействия на АМ указанных выше температур.

Определен оптимальный для реализации с помощью ВУ метод управления, согласно которому управляющее воздействие формируется в синхронной системе координат двумя взаимоперпендикулярными составляющими вектора сигнала управления, определяющими составляющие тока питания АМ. Метод является обобщенным с точки зрения известных методов частотно-токового и векторного управления, что позволяет применять ВУ в составе разнообразных частотно-токовых и векторных СУ. Разработан метод управления, позволяющий минимизировать потребление тока СУ в установившихся режимах работы.

Разработан комплекс методов и средств косвенного контроля состояния управляемых координат и формирования сигнала