WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Разработка и исследование вентильно-индукторного электропривода с независимым возбуждением и микроконтроллерным управлением

На правах рукописи

Жарков Александр Александрович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С НЕЗАВИСИМЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ И МИКРОКОНТРОЛЛЕРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Специальность 05.09.03 – электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва, 2008

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированного электропривода» Московского энергетического института (Технического Университета).

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Козаченко Владимир Филиппович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Красовский Александр Борисович;

кандидат технических наук,

Чуев Павел Вячеславович

Ведущая организация: ОАО «ВНИИКП»

Защита диссертации состоится 18 апреля 2008 года в 14 час. 00 мин. в аудитории М-611 на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.13, корп. М.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (Технического Университета).

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим отправлять по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д.14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан « » ________________ 200__г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.02

к.т.н., доцент Цырук С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время силовая электроники и микропроцессорная техника достигли таких результатов, что при упоминании современного регулируемого электропривода подразумевается комплектный электропривод, состоящий из электромеханического преобразователя энергии, силового преобразователя, цифровой системы управления. Для всех известных типов двигателей получение хороших динамических, энергетических и точностных характеристик невозможно без разработки качественных алгоритмов прямого цифрового, в том числе векторного управления. Во всем мире ведутся активные исследования новых типов машин, в которых определяющее значение имеет надежная силовая и управляющая электроника, прежде всего – индукторных машин (ИМ). Перспективы этого направления связаны с существенным упрощением конструкции машины и ее стоимости. В работе решается задача создания и исследования комплектного вентильно-индукторного электропривода (ВИП) с независимым возбуждением (НВ), особенно перспективного для тяговых, станочных и робототехнических применений.

Современные ИМ могут быть трех типов: с самовозбуждением, за счет постоянной составляющей тока в обмотке якоря; с независимым возбуждением, т.е. со специальной обмоткой возбуждения, расположенной на статоре; с магнитоэлектрическим возбуждением.

В мире наибольшее внимание из-за простоты конструкции и технологичности их изготовления уделяется ИМ с самовозбуждением, более известным как SRD. Однако разработчики этого направления сталкиваются со значительными трудностями:

  • отсутствие специализированной силовой элементной базы, что ведет к значительному увеличению габаритов инвертора по сравнению с частотно-регулируемым электроприводом на базе АД;
  • увеличение числа проводов для подключения двигателя по сравнению с АД;
  • значительные пульсации момента при малом числе фаз, усложнение инвертора при увеличении числа фаз;
  • сложность реализации полноценного векторного управления с качественным поддержанием электромагнитного момента.

Значительный вклад в развитие теории и практики этого типа привода внесли Ильинский Н.Ф., Бычков М.Г., Кузнецов В.А., Фисенко В.Г. (Москва), Термирев А.Л., Лозицкий О.Е., Коломийцев Л.Ф. (Новочеркасск), Miller T., Lawrenson P..

ВИП на базе ИМ с постоянными магнитами развиваются, главным образом, для прецизионной техники и следящих систем (Балковой А.П., Луценко В.Е.). Это направление перспективно для малых мощностей (меньше 1 кВт).

В последнее время на кафедрах АЭП, ЭКАО, ЭМ МЭИ(ТУ) (Русаков А.М., Козаченко В.Ф., Остриров В.Н., Фисенко В.Г.) ведутся исследования вентильно-индукторных двигателей (ВИД) с независимым возбуждением (НВ). Технологически эти двигатели сложнее, однако, привода на их основе, имеют следующие преимущества:

  • возможность использования стандартной силовой элементной базы, в том числе мостовых инверторов, как для асинхронных 3-х фазных двигателей;
  • возможность реализации современных методов управления, таких, как векторное, с качественным формированием момента;
  • возможность секционирования как машины, так и силового преобразователя и построения мощного ВИП (до 1МВт) на низковольтной элементной базе с высоким уровнем надежности и резервирования.

В настоящей работе обосновываются эти преимущества, в том числе доказывается теоретически и экспериментально возможность создания 4-х квадрантного широкорегулируемого электропривода на базе ВИП с НВ.

Актуальность работы состоит в ориентации на создание нового, отечественного конкурентоспособного электропривода для энергосберегающих технологий, станкостроения и электрической тяги.



Цель диссертационной работы Создание модульных программно-аппаратных средств оптимального, в том числе векторного, управления вентильно-индукторными двигателями с независимым возбуждением.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были решены следующие задачи:

  1. Создана математическая модель ВИД с НВ. Выполнен анализ электромагнитных связей в двигателях этого типа;
  2. Создана компьютерная модель ВИП с НВ в среде Simulink MatLab для исследования 2-х структур управления: в режиме классического вентильного двигателя, в режиме векторного управления;
  3. Для этих структур разработаны алгоритмы управления и базовое модульное программное обеспечение (ПО);
  4. Разработаны модульные аппаратные средства построения системы управления ВИП: высокопроизводительные контроллеры привода (150 млн. оп./сек.); модули дискретного ввода/вывода; модули сопряжения с несколькими типами датчиков положения, в том числе с интеллектуальными абсолютными; встраиваемые датчики положения;
  5. Проведены экспериментальные исследования на опытно-промышленных образцах ВИП.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовались:

  • теория электропривода и цифрового управления;
  • современные методы анализа и синтеза ЭМП (схемы замещения магнитных цепей, векторные диаграммы);
  • методы компьютерного моделирования (Simulink MatLab);
  • методы интерактивной отладки микропроцессорных систем управления с использованием среды разработки Code Composer Studio;
  • компьютерные методы экспериментальных исследований опытных образцов ВИП с использованием интеллектуальных датчиков, в том числе электромагнитного момента.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждена внедрением разработанных СУ в опытно-промышленную эксплуатацию.

Научная новизна работы заключается в следующем:

  • на основе анализа схем замещения ВИД с НВ предложено математическое описание, обоснована оптимальная структура векторного управления, в том числе в режиме ослабления поля;
  • предложен метод прямого токового управления инвертором ВИП для расширения допустимого скоростного диапазона в два раза;
  • разработаны оригинальные конструкции встроенных датчиков положения ВИД и модули сопряжения с контроллером пристраиваемых датчиков положения, программно-аппаратные средства идентификации скорости и электрического положения;
  • разработана архитектура и схемотехника высокопроизводительного контроллера для реализации векторного управления ВИП.

Основные практические результаты диссертации состоят в экспериментальных исследованиях опытно-промышленных образцов ВИП малой мощности; во внедрении разработанной системы управления в мощные многосекционные ВИП для районных тепловых станций (315, 400, 630 кВт), а так же испытательного оборудования (500 кВт).

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на заседании кафедры «Автоматизированного электропривода» Московского энергетического института (Технического Университета).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 5 печатных работ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения; количество страниц 150, иллюстраций 74, число наименований использованной литературы 55 на 4 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы и показаны преимущества использования ВИД с НВ с векторной системой управления, а так же преимущества в использовании многосекционных ВИД при создании электроприводов повышенной надежности большой мощности на низковольтной элементной базе. Поставлены цели и задачи исследования.

В первой главе проведена классификация индукторных двигателей по способу возбуждения и рассмотрен принцип работы ВИД с НВ. Показаны преимущества выбранного типа двигателя.

Приведены варианты конструкций двигателей с аксиально-радиальным потоком и обоснованы преимущества 2-х пакетной конструкции ВИД с НВ (Рис.1). Проанализированы варианты конструктивного размещения кольцевой обмотки возбуждения на статоре.

 Получена схема замещения магнитной цепи базовой конструкции 2-х-0 Рис.1




Получена схема замещения магнитной цепи базовой конструкции 2-х пакетного вентильно-индукторного двигателя. На основе ее анализа сделан вывод о том, что 2-х пакетный ВИД с НВ по структуре магнитных связей подобен синхронному двигателю с неявновыраженными полюсами, за исключением дополнительных взаимных связей между фазными обмотками.

Рассмотрены варианты конструкций ВИД с НВ с минимизацией электромагнитных связей между фазами, а также между отдельными секциями в многосекционных машинах.

Выбраны несколько перспективных конструкций ВИД с НВ для которых:

  • Взаимоиндуктивности фаз отсутствуют (по первой гармонике);
  • Отсутствуют электромагнитные связи между секциями, что позволяет организовать независимое векторное управление каждой секцией ВИД с НВ, рассматривая многосекционную машину в виде совокупности «элементарных» машин, имеющих общий контур возбуждения;
  • Индуктивность контура возбуждения не зависит от положения ротора, а взаимоиндуктивности фазных обмоток с обмоткой возбуждения меняются от положения ротора по синусоидальному закону, как в классических синхронных машинах.

На основе проведенного анализа создана компьютерная модель ВИД с НВ для целей синтеза систем управления.

Во второй главе известные и уже внедренные методы управления ВИД в режиме БДПТ (бездатчиковый двигатель постоянного тока) распространены на многосекционные двигатели.

Предложена структура системы управления (СУ) 3-х секционного электропривода мощностью 500 кВт на базе стандартных ПЧ «Универсал» мощностью 220 кВт с цифровой системой управления на базе контроллеров МК10.5 (40 млн. оп./сек.), разработанных с участием автора (Рис. 2.).

 Электронный преобразователь ВИП состоит из 3-х независимых секций,-1

Рис. 2.

Электронный преобразователь ВИП состоит из 3-х независимых секций, связанных между собой промышленным интерфейсом связи CAN. Датчик положения – общий для всех секций.

Особенностью привода является согласованное совместное управление контуром возбуждения от трех преобразователей частоты (ПЧ) секций с поддержанием тока при аварии в любой секции неизменным.

Предложена структура системы управления ВИП в режиме автокоммутации по датчику положения (Рис. 3.).

 Имеется 3 контура регулирования: быстродействующий контура-2

Рис. 3

Имеется 3 контура регулирования: быстродействующий контура регулирования тока статора, контур регулирования скорости и контур регулирования тока возбуждения.

В предложенной структуре системы управления ВИП в режиме автокоммутации по датчику положения объяснено использование основных узлов. Структура управления ВИП имеет 3 контура регулирования: быстродействующий контур регулятора тока статора, контур регулятора скорости и контур тока в ОВ.

Применительно к двигателям большой мощности совместно с Русаковым А.М. разработана конструкция встраиваемого в двигатель датчика положения ротора на дискретных элементах Холла. Разработанный цифровой модуль интерполяции сигнала с датчика обеспечивает точность управления углом коммутации в функции скорости не хуже 3-4 эл. град.

Разработано модульное ПО межсекционного взаимодействия секций привода по интерфейсу CAN с учетом выравнивания нагрузок секций.

Опытно-промышленный образец ВИД-500 изготовлен на Тираспольском электромеханическом заводе, а силовой преобразователь ООО «Энергосбережение» (г. Пущино). ВИП установлен на заводе «Салют» (г. Москва) в испытательной лаборатории (Рис. 4).

Рис. 4

В третьей главе обосновывается и разрабатывается структура 4-х квадрантного 2-х зонного ВИП с НВ с векторным управлением.

Основываясь на математическом описании ВИД в естественных координатах, обоснован переход к вращающимся d-q координатам. Показано, что момент ВИД с НВ пропорционален току возбуждения и составляющей тока статора по оси «q», что позволяет предложить структуру векторного управления ВИД с НВ для каждой из секций машины, близкую к структуре векторного управления синхронными двигателями.

Система векторного управления ВИП с НВ состоит из следующих блоков: координатных преобразований, управления инвертором в режиме ШИМ-модуляции базовых векторов, компенсации ЭДС вращения, измерения скорости и электрического положения, вычисления потокосцеплений (q, d), а так же 3-х цифровых регуляторов тока статора по осям d и q и возбуждения. В большинстве практических задач в систему добавляется регулятор скорости и регулятор технологической переменной, например давления (Рис. 5).

 Рассмотрена специфика синтеза контура тока с адаптивной компенсацией-4

Рис. 5

Рассмотрена специфика синтеза контура тока с адаптивной компенсацией ЭДС вращения (Рис.6).

 Предложена оригинальная структура работы ВИП в режиме ослабления-5

Рис.6

Предложена оригинальная структура работы ВИП в режиме ослабления потока двигателя (Рис.7).

 Её суть сводится к автоматическому поддержанию с заданным-6

Рис. 7

Её суть сводится к автоматическому поддержанию с заданным коэффициентом запаса 1,11,5 амплитуды вектора результирующего напряжения статора в зоне ослабления поля (начиная с некоторой скорости). По-существу, реализуется скользящий режим вдоль граничной механической характеристики с автоматическим уменьшением, как тока возбуждения, так и составляющей тока статора по оси «q». Предложенный метод управления в зоне ослабления поля является робастным и не требует параметрирования машины, он работает как в двигательном, так и в генераторном режимах.

С ростом максимальной скорости, на которой должен работать привод, усложняется работа регуляторов тока в системе векторного управления, вплоть до потери устойчивости. Теоретически и экспериментально установлена граница устойчивости в зависимости от числа пар полюсов ВИД и несущей частоты ШИМ:

(1)

Таким образом, видно, что с ростом максимальной скорости требуется увеличение несущей частоты работы ШИМ. Однако, допустимая частота для общепромышленных преобразователей частоты не превышает 10-20 кГц. С учетом этого факта, базовая структура системы векторного управления модернизируется. В зоне высоких скоростей производится автоматический переход на прямое токовое управление вектором тока с использованием 3-х канального релейного регулятора тока (Рис.8).

 Разработана соответствующая математическая, алгоритмическая и-8

Рис. 8

Разработана соответствующая математическая, алгоритмическая и программная поддержка системы управления ВИП с переменной структурой, в том числе алгоритмов управления инвертором тока.

Сформулированы требования к аппаратной части системы управления. Предложено распределение программных ресурсов управляющего контроллера. На опытном макете двигателя ДВИ-3 произведены испытания системы векторного управления с переключаемой структурой. На рис.9 показано высокое качество формирования тока в фазе на скоростях, при которой обычная СВУ становится неустойчивой.

Рис 9.

Предложена методика настройки параметров дискретных автоматов, управляющих инвертором тока.

В четвертой главе рассмотрены вопросы разработки модульных аппаратных средств системы управления ВИП.

Рассмотрен вопрос выбора микропроцессорного устройства, которое отвечало бы требованиям по производительности и набору встроенной периферии. Анализируются 2 типа микроконтроллеров фирмы Texas Instruments семейства Motor Control (управление двигателями). Приводится сравнительная таблица характеристик микроконтроллеров, в которой отмечаются преимущества нового семейства TMS320F2810 по производительности, внутренней памяти, скорости работы АЦП, а так же по технологиям отладки программного обеспечения и осциллографирования параметров.

Формулируются требования к аппаратным функциям контроллера с учетом специфики силового преобразователя, интерфейса пользователя и датчика положения ротора. Распределяются аппаратные функции контроллера между отдельными блоками.

Разрабатывается архитектура контроллеров привода МК13.1 и МК17.1, ориентированных на построение модульных систем управления многосекционным ВИД с НВ. Контроллер МК17.1 является доработанной версией МК13.1, в котором существенно улучшена помехозащищенность аналоговых каналов, интерфейсов связи, модифицирован интерфейс датчиков положения. Предложен алгоритм калибровки аналоговых входов, позволяющий существенно поднять точность приема аналоговых сигналов. Контроллер МК17.1 (Рис. 10) запущен в мелкосерийное производство и является базовым для отечественной серии ВИП с НВ.

Рис. 10

Исследованы и оптимизированы конструкции 2-х типов встроенных датчиков положения ротора ВИД на дискретных элементах Холла и на аналоговых элементах Холла.

Преимущества датчиков на элементах Холла: число пар полюсов первичного датчика (магнитного кольца) совпадает с полюсной структурой электрической машины, что позволяет сразу получить датчик электрического положения; надежность первичного датчика; высокая предельная частота вращения вала; технологичность и простота изготовления; один уровень питания (+5В); невысокая стоимость.

Для обработки сигналов датчиков первого типа предложено использовать модуль захвата процессора событий с дополнительным программно-реализуемым блоком идентификации скорости и интерполятором электрического положения ротора. Этот тип датчика рекомендуется при диапазоне регулирования скорости до 100:1. Для более высокого диапазона регулирования (несколько тысяч к 1) предложены конструкции датчиков 2-ого типа. Приведены оценки по точности и максимальной скорости работы таких датчиков. Рассмотрены способы расположения чувствительных элементов (рис. 11 а, б).

 Экспериментально выявлены недостатки аналоговых датчиков и показаны-12

Рис. 11

Экспериментально выявлены недостатки аналоговых датчиков и показаны способы их устранения. Разработано схемотехническое решение для повышения помехозащищенности передачи информации с датчика положения на аналоговых элементах.

Предложен алгоритм Калмановской цифровой фильтрации для синусно-косинусных сигналов датчиков положения. Рассмотрено математическое описание алгоритма. Реализована математическая модель фильтра в пакете моделирования MathLab, показаны результаты моделирования (Рис.12).

 Алгоритм цифровой фильтрации, реализованный в контроллерах МК17.1,-13

Рис.12

Алгоритм цифровой фильтрации, реализованный в контроллерах МК17.1, показал свою работоспособность даже в придельных ситуациях треугольного входного сигнала. Достигнутая на практике точность датчика положения с фильтром 1-2 эл. град.

Датчик абсолютного положения со скоростным помехозащищенным интерфейсом предложен для использования в мощных многосекционных ВИП. Он удовлетворяет главному условию – возможность подключения к нескольким принимающим устройствам. Рассмотрен ряд интерфейсов, обосновано использование SSI интерфейса. Разработан модуль сопряжения датчика положения с контроллером МК17.1. Приведены технические характеристики модуля. Главное преимущество предложенного решения – возможность удаленной установки двигателя (до 2040м) от преобразователя. Отсутствие запаздывания обеспечивается местным тактированием датчика от периферийного контроллера.

В пятой главе приведены результаты испытаний опытных образцов вентильно-индукторных двигателей с независимым возбуждением ДВИ-3. Экспериментальные исследования проводились для подтверждения расчетных механических характеристик двигателей, правильности работы созданной векторной системы управления.

На Ярославском электромеханическом заводе были изготовлены два экспериментальных вентильно-индукторных двигателя с независимым возбуждением ДВИ-3 номинальной мощностью 0.75 кВт, разработанных на кафедре ЭКАО в научной группе Русакова А.М., а так же два унифицированных силовых преобразователя «Универсал 7.5 ВИД», разработанных на кафедре АЭП.

Разработан автоматизированный стенд для исследования экспериментальных образцов, который представлял собой 2 соединенных через датчик момента испытуемых двигателя получающих питание от ПЧ с созданной системой векторного управления (рис. 13). Информация о внутренних переменных системы передается через внутрисхемный эмулятор в компьютер со специальной программной средой разработки Code Composer Studio.

Рис. 13

Проведены исследования в режимах холостого хода, короткого замыкания, а так же экспериментально определены механические потери в двигателях, КПД составил 84%. Подтверждена правильность работы векторной системы управления.

Произведены исследования статических и динамических характеристик ВИП с векторной системой управления. Результаты исследований отображены в осциллограммах разгона и реверса вала двигателя при различных значениях задания токов статора (Рис. 14).

 ВИП с векторной системой подтвердил хорошие показатели по-14

Рис. 14

ВИП с векторной системой подтвердил хорошие показатели по динамике, что подтверждает возможность его использования в высокодинамичных электроприводах.

Достигнуты следующие показатели привода:

  • диапазон регулирования скорости 5000:1;
  • в том числе в зоне ослабления поля 4:1;
  • кратность пускового момента 2,5:1;
  • точность поддержания скорости не хуже 0.0001% от максимальной скорости;
  • КПД двигателя 85% (ДВИ-3 0,75 кВт).

В заключении обобщены основные результаты работы.

В приложении приведены электрические схемы встраиваемых датчиков положения;

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В работе получены следующие научные результаты:

  1. Разработаны 2-х типа системы управления ВИД с НВ:
    • система управления в режиме автокоммутации по датчику положения ротора с коррекцией угла коммутации в функции скорости;
    • векторная 2-х зонная 4-х квадрантная система управления;
  2. Разработано модульное ПО, включенное в состав библиотеки программ для комплектных ВИП, запускаемых в опытно-промышленную эксплуатацию;
  3. Предложен алгоритм работы ВИП с НВ с векторной системой управления в режиме ослабления поля и разработано соответствующее ПО;
  4. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение СУ при работе ВИП на скоростях выше номинальной с использованием прямого токового управления, расширяющие вдвое диапазон регулирования скорости;
  5. Разработаны и запущены в производство унифицированные контроллеры МК13.1 и МК17.1, предназначенные для построения модульных преобразователей частоты для ВИД с НВ.
  6. Разработаны конструкции встраиваемых датчиков положения на основе эффекта Холла (с аналоговым и дискретным выходом сенсоров), устройства сопряжения для пристраиваемых датчиков в многосекционных электроприводах, математическое обеспечение идентификации положения и скорости, цифровой фильтрации помех;
  7. Проведены испытания опытных образцов ВИП с векторной системой управления, которые подтвердили высокие точностные и динамические показатели этого типа привода.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

  1. Козаченко В.Ф., Жарков А.А., Дроздов А.В. Серия модульных встраиваемых микроконтроллерных систем управления для современного комплектного электропривода// Приводная техника 2007. Вып. 5. С.3-8
  2. Козаченко В.Ф., Обухов Н.А., Анучин А.С., Жарков А.А. Модульная микроконтроллерная система управления для отечественной серии преобразователей частоты «Универсал»// Труды V Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение» МКЭЭЭ-2003. Ч.1. Крым, -2003. С. 725-726.
  3. Анучин А.С., Жарков А.А. Синхронный электропривод с векторным управлением в режиме ослабления поля// Труды МЭИ. Электропривод и системы управления – 2002. – Вып.678. – С.72
  4. Анучин А.С., Дроздов А.В., Козаченко В.Ф., Жарков А.А. Цифровое векторное управление вентильным - индукторным двигателем с независимым возбуждением// Компоненты и технологии. – 2004. – Вып.8. – С.190
  5. Козаченко В.Ф., Жарков А.А., Дроздов А.В. Мультипроцессорная система управления многосекционным вентильно-индукторным электроприводом // Труды ХI Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты». г. Алушта, -2006. С.56-57

Печ. л. Тираж Заказ



 





<


 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.