Ідентифікація параметрів і координат асинхронного електропривода в режимі реального часу - Автореферат

В останній час широке застосування набули асинхронні електроприводи з векторним керуванням на базі спостерігачів потокозчеплень і швидкості. Координати електропривода в таких системах визначаються на основі рівнянь, що описують асинхронний двигун, які містять параметри його схеми заміщення. Мета роботи полягає в розробці заходів покращення регулювальних властивостей асинхронних електроприводів з векторним керуванням на базі спостерігачів через періодичну ідентифікацію активних опорів статора і ротора асинхронного двигуна. асинхронний електропривід ротор статор обґрунтування необхідності ідентифікації активних опорів статора і ротора асинхронного двигуна в робочому режимі, як параметрів, що найбільш критично впливають на динамічні показники асинхронного електропривода (АЕП) з векторним керуванням; Активні опори асинхронного двигуна визначаються при довільній формі напруги статора шляхом почергової ітеративної підстановки шуканих параметрів у дискретне рівняння, отримане методом z-форм відносно змінних стану і укладене для двох моментів часу в будь-якому режимі роботи двигуна.У вступі доведена актуальність теми дисертації, сформульовані мета та задачі дослідження, викладена ідея та сутність роботи, наведені одержані результати. Перший розділ присвячений обґрунтуванню необхідності впровадження систем поточної ідентифікації параметрів електропривода. Питання ідентифікації параметрів електромеханічних систем змінного набуло актуальності з початком впровадження частотно-регульованих електроприводів з підвищеними вимогами щодо точності регулювання швидкості. В Україні теорія та практичні підходи щодо ідентифікації розвинуті Перельмутером В.М., О.В. Показано, що основною причиною зміни параметрів електромеханічної системи під час експлуатації є тепловий дрейф активних опорів силових кіл.Доведено, що найбільш істотно на характер перехідного процесу впливають: активні опори статорного та роторного кіл R1 та R2, а також індуктивності розсіювання L1s та L2s. Наведене різницеве рівняння повязує просторово-часові комплекси (ПЧК) напруги та струму статора, швидкість АД та параметри схеми заміщення. Отже, за виразом (4) або (5) визначається один з активних опорів АД при відомому іншому. Розбіг залежить від величини кроку дискретизації та режиму роботи двигуна, в якому зчитані струм, напруга та швидкість. Моделювання свідчить, що за формулою (6) швидкість АД визначається з великою точністю незалежно від наявності навантаження на валу двигуна.Поряд із апаратними методами, рекомендовано використовувати цифрову фільтрацію експериментальних даних. Встановлено, що найкраще сполучення швидкодії та фільтрації завад досягається при використанні еліптичного фільтру. Моделюванням встановлено, що при використанні розроблених методів ідентифікації оптимальна частота зчитування становить 2 КГЦ. Отже, апаратна частота дискретизації повинна бути якомога більшою, після зчитування сигналів слід використати фільтрацію. Для попередньої ідентифікації параметрів в пакетному режимі рекомендовано використовувати метод повного аналізу поверхні відгуку.За методом z-форм отримані різницеві рівняння, які відбивають залежності між координатами асинхронного двигуна, що доступні вимірюванню (струм та напруга статора) та активними опорами. Доведено, що в умовах дрейфу активних опорів швидкість та потокозчеплення асинхронного двигуна можуть бути визначені з використанням періодичного коригування значень активних опорів. Активний опір статора або ротора може бути визначений в довільному режиму роботи двигуна за допомогою дискретної моделі, укладеної методом z-форм відносно змінних стану. Задається початкове значення активного опору ротора, через це значення на основі дискретної моделі розраховується значення опору статора, потім для розрахунку опору ротора використовується модель, укладена для іншого моменту часу і так далі. В умовах дрейфу активних опорів АД, швидкість може бути визначена ітеративним методом, який полягає у визначенні координат електропривода на основі параметрів, встановлених на попередньому кроці.

Основний зміст роботи

В дисертації, яка є завершеною науковою роботою, виконане розвязання науково-прикладної задачі покращення регулювальних властивостей асинхронних електроприводів з векторним керуванням в умовах дрейфу активних опорів статора і ротора АД.

Мета роботи досягнута через здійснення періодичної ідентифікації активних опорів та опосередковане визначення швидкості обертання асинхронного двигуна.

За методом z-форм отримані різницеві рівняння, які відбивають залежності між координатами асинхронного двигуна, що доступні вимірюванню (струм та напруга статора) та активними опорами.

Встановлено, що дискретна модель АД, яка отримана методом z-форм, може бути використана для опосередкованого визначення швидкості при невідомому навантаженні на валу.

Доведено, що в умовах дрейфу активних опорів швидкість та потокозчеплення асинхронного двигуна можуть бути визначені з використанням періодичного коригування значень активних опорів.

Розроблені наукові підходи дозволяють підвищити динамічні показники та точність регулювання швидкості асинхронних електроприводів з векторним керуванням без датчику швидкості.

1. Активний опір статора або ротора може бути визначений в довільному режиму роботи двигуна за допомогою дискретної моделі, укладеної методом z-форм відносно змінних стану. Для ідентифікації необхідні дані про просторово-часові комплекси струму, напруги статора, та швидкості асинхронного двигуна.

Похибка у визначенні активного опору ротора за цією моделлю не перевищує 1,5% у перехідному режимі, активного опору статора - 3%. В сталому режимі похибка метода фактично дорівнює нулю.

2. Активні опори статора і ротора асинхронного двигуна можуть бути одночасно визначені ітеративним методом на основі дискретної моделі АД.

3. Метод полягає у використанні двох пакетів експериментальних даних (струм, напруга статора, швидкість), записаних для двох моментів часу.

4. Задається початкове значення активного опору ротора, через це значення на основі дискретної моделі розраховується значення опору статора, потім для розрахунку опору ротора використовується модель, укладена для іншого моменту часу і так далі.

5. Процес триває до тих пір, поки величина прирощення активних опорів не стане меншою за задану величину.

6. Традиційні методи опосередкованого визначення потокозчеплень двигуна та його швидкості, які основані на інтегруванні рівнянь стану, є непрацездатними при тепловому дрейфі активних опорів. При похибці у визначенні R1,R2 у 25% спостерігачі потокозчеплень можуть втратити стійкість.

7. Швидкість асинхронного двигуна може бути розрахована за допомогою дискретної моделі через миттєві значення струмів та напруг статора асинхронного двигуна.

Похибка встановлення швидкості за цим методом не перевищує 2% в перехідних режимах і фактично відсутня в усталеному. Швидкість визначається незалежно від рівня навантаження.

8. В умовах дрейфу активних опорів АД, швидкість може бути визначена ітеративним методом, який полягає у визначенні координат електропривода на основі параметрів, встановлених на попередньому кроці. Потім здійснюється ідентифікація параметрів двигуна і відповідне корегування параметрів спостерігачів.

Моделюванням доведена працездатність такого підходу. Оптимальна періодичність ідентифікації параметрів складає 0,025 с при зміні активних опорів до подвоєного значення за 30 с.

9. В реальних умовах доцільно використовувати еліптичну фільтрацію експериментальних даних. Найвища точність ідентифікації параметрів спостерігається при програмному зниженні частоти дискретизації до 2 КГЦ.

10. Похибка експериментального визначення R1 та R2 не перевищує 5% в перехідному режимі і фактично відсутня в усталеному.

11. При експериментальній перевірці спостерігача швидкості доведено, що метод опосередкованого визначення швидкості є працездатним при ковзанні, меншім 0,45. В цьому діапазоні спостерігач швидкості відтворює дійсний сигнал в перехідних та усталених режимах з похибкою не більше 5%.

ОСНОВНІ НАУКОВІ ПОЛОЖЕННЯ ТА РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В НАСТУПНИХ РОБОТАХ

1. Бешта А.С., Куваев Ю.В., Желдак Т.А., Макуха Ю.Н., Балахонцев А.В. Определение параметров схемы замещения асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором попереходному процессу в обмотке статора //Научные труды КРГПИ “Проблемы создания новых машин и технологий”. Кременчуг. - 2000. - №1(8). - С. 157 - 161.

2. Бешта О.С., Балахонцев О.В., Худолій С.С. Ідентифікація опорів обмоток асинхронного двигуна в робочому режимі за допомогою універсальної дискретної моделі струму статора // Наукові праці КРДПУ “Проблеми створення нових машин та технологій”. Кременчук-.-2002.- №1 (12).- С.295 - 297.

3. Бешта О.С. , Балахонцев О.В. , Худолій С.С. , Федоренко В.В. , Худий Є.Г. Експериментальна перевірка методів ідентифікації параметрів електропривода, що основані на його дискретних моделях. // Науковий вісник НГУ, Вип. 3. Дніпропетровськ - 2004. С.42-46.

4. Бешта А.С., Балахонцев А.В., Худой Е.Г. Идентификация координат асинхронного двигателя в условиях дрейфа активных сопротивлений. // Науковий журнал Запорізького національного технічного університету “Електротехніка та електроенергетика”, Вип. 2. Запоріжжя - 2005. С.59-64.

5. Бешта О.С., Воробйов О.А., Балахонцев О.В., Худолій С.С. Дослідження поверхні відгуку квадратичного критерію якості для процесу пуску асинхронного двигуна. //Матеріали конференції “Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика”. - Харьков: Основа, 2001. С.132 - 135.

6. Півняк Г.Г., Бешта О.С., Балахонцев О.В., Худолій С.С. Дискретна модель частотно-регульованого асинхронного електропривода для задач ідентифікації. //Матеріали конференції “Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика”. - Вестник ХГПУ. Харьков: Основа. - 2003. С.34-36.

В роботі [1] здобувачем запропонована схема експерименту та розроблений математичний опис перехідного процесу струму в асинхронному двигуні при подачі постійної напруги на дві послідовно зєднані обмотки статора.

Робота [2] присвячена розробці методів визначення параметрів асинхронного двигуна в складі частотно-регульованого електропривода на основі дискретних моделей. Автором особисто розроблені дискретні моделі, які описують взаємозвязок між миттєвими значеннями струму, напруги статора та його параметрами. Здобувачем також запропонований метод визначення одного з параметрів схеми заміщення та ітераційний метод визначення активних опорів статора і ротора, представлені результати моделювання.

В роботі [3] надані результати експериментальної перевірки методів ідентифікації активних опорів асинхронного двигуна. Автором складена програма та розроблена методика експерименту, проведений аналіз експериментальних даних.

Робота [4] присвячена питанням визначення швидкості та потокозчеплень асинхронного векторно-керованого електропривода в умовах теплового дрейфу активних опорів. Здобувачем розроблений дискретний спостерігач швидкості та алгоритм його адаптації до зміни параметрів обєкту керування.

В роботі [5] розглянута поведінка середньоквадратичного критерію якості для прямого пуску асинхронного двигуна при зміні параметрів схеми заміщення. Здобувачем виконане математичне моделювання та побудова поверхні відгуку. В роботі [6] здобувачем отримана модель електромеханічної системи асинхронного електропривода з урахуванням силового кола частотного перетворювача та отримані співвідношення для ідентифікації сталих часу електропривода.