Бездатчиковый асинхронный электропривод с адаптивно-векторной системой управления

Бездатчиковый асинхронный электропривод с адаптивно-векторной системой управления

А.Б. Виноградов, И.Ю. Колодин

АННОТАЦИЯ

Представлен асинхронный электропривод с системой адаптивно-векторного управления без датчика скорости/положения с улучшенными статическими и динамическими характеристиками, разработанный НТЦЭлектропривода «Вектор» Ивановского государственного энергетического университета. Рассмотрена проблема чувствительности электропривода к изменению параметров двигателя и задержкам переключения инвертора. Представлены результаты эксперимента и внедрения.


Sensorless induction motor drive with adaptive vector control

A. Vinogradov, I. Kolodin

Annotation

The sensorless induction motor drive with adaptive vector control and improved static and dynamic characteristics is presented. Electric drive sensitivity to motor parameters variations and inverter switching delays is examined. Results of experiment and application are presented.


Введение

Задача построения высококачественного асинхронного электропривода с векторным управлением без использования каких-либо датчиков, пристроенных к валу или встроенных в двигатель, постоянно привлекает внимание разработчиков с момента появления самого термина «векторное управление» применительно к асинхронному двигателю в начале 70-х годов прошлого века. Область применения таких электроприводов определяется следующими условиями:

1)      механизм предъявляет повышенные требования к быстродействию привода;

2)      в приводе требуется регулирование момента на валу двигателя;

3)      не требуется высокая статическая точность и широкий диапазон регулирования скорости (диапазон не более 100);

4)      установка датчика скорости на вал двигателя нецелесообразна вследствие условий эксплуатации, технологических, стоимостных или прочих ограничений.

В частности, это электроприводы подъемно-транспортных средств, механизмы намотки, экструдеры, дробилки, механизмы, работающие в пожароопасных, взрывоопасных, химически и радиоактивных средах, в условиях повышенных вибраций и ударных механических нагрузок.

В настоящее время бездатчиковые асинхронные приводы с векторным управлением заявлены практически у всех ведущих фирм-производителей преобразователей частоты. При этом характеристики большинства этих приводов оказываются весьма скромными. В частности, полоса пропускания контура скорости, как правило, не превышает (5..7) Гц, а общий диапазон регулирования скорости не более (20..100), что вполне достижимо и в системе частотного управления с векторной ориентацией переменных в установившихся режимах работы [1]. Большинство производителей преобразователей частоты вообще не заявляют в технической документации полосу пропускания и диапазон регулирования скорости. В этом случае получить подобную информацию удается только в результате проведения стендовых испытаний.

Таким образом, если рассматривать указанные характеристики регулирования скорости, то практически стирается грань между бездатчиковыми электроприводами с частотным и векторным управлением. Исследования, выполненные авторами, показали, что характеристики асинхронных векторных электроприводов без датчика скорости могут существенно превышать аналогичные характеристики систем частотного управления. В частности, полоса пропускания контура скорости может составлять более 30 Гц, а в диапазоне регулирования скорости не менее 100 обеспечиваться значительно меньшие статические и динамические ошибки. Однако, для достижения таких результатов приходится столкнуться с рядом проблем.

Основные проблемы, связанные с построением бездатчикового векторного электропривода заключаются в следующем:

1)      наблюдатель состояния асинхронного двигателя (АД), построенный на основе решения полной системы уравнений электрического равновесия статора и ротора по доступной информации о напряжениях и токах статора, способен обеспечить приемлемую точность вычисления потокосцепления и скорости только в ограниченном диапазоне частот. Это связано с известной проблемой введения начальных условий при частотах, близких к нулевой. Практически все способы решения данной проблемы связаны с введением определенного отклонения математического описания наблюдателя состояния относительно реального объекта при работе в области малых частот. Результатом этих отклонений являются ошибки в вычислении потокосцепления, скорости, активной и реактивной составляющих тока.

2)      Второй проблемой является чувствительность электропривода к изменению его параметров в процессе работы. Прежде всего это относится к температурным изменениям активных сопротивлений статора и ротора, а также к изменению взаимной индуктивности в зависимости от тока цепи намагничивания. Одним из подходов к решению данной проблемы является применение в построении векторного регулятора и наблюдателя состояния АД регуляторов, грубых в отношении параметрических возмущений, в частности, релейных регуляторов, функционирующих в скользящих режимах [2]. Другим подходом является параметрическая адаптация, осуществляемая в реальном времени работы привода.

3)      Третьей проблемой является получение необходимой точности оценки эквивалентных (усредненных на интервале расчета процессов в наблюдателе состояния) значений токов и напряжений статора. На точность оценки эквивалентных напряжений в области малых частот основной гармоники и высоких частот модуляции существенно влияет «мертвое время» и задержки переключения ключей инвертора [3]. Заметим, что проблема точности измерения напряжения на малых частотах в гораздо меньшей степени проявляется в векторных электроприводах с датчиком скорости/положения, так как быстродействующий контур скорости, замкнутый по реально измеряемому сигналу, способен в значительной степени компенсировать ошибки, связанные с динамическиминеидеальностями ключей инвертора.

В статье рассматривается решение данных проблем в электроприводах исполнения 4 (векторное, бездатчиковое) серии ЭПВ, разработанной НТЦ Электропривода «Вектор» Ивановского государственного энергетического университета и выпускаемой ООО «ЭЛПРИ» Чебоксарского электроаппаратного завода.

Результаты эксперимента и внедрения

Экспериментальные исследования проводились на лабораторном стенде, включающем: преобразователь частоты ЭПВ-ТТПТ-16-380-4АО, асинхронный двигатель АИР112МА6У3 () , нагрузочный агрегат, выполненный на основе электропривода FANUCDCSERVOMOTORSYSTEM с двигателем 30М (), компьютерный осциллограф PCS500А, персональный компьютер.

На рис. 5 представлены динамические процессы, полученные в режимах пуска и реверса электропривода без нагрузки при следующих параметрах системы управления: постоянные времени контуров тока – 2 мс; постоянные времени контуров скорости и ЭДС – 4 мс; предельное значение электромагнитного момента: а) , б) . Настройка параметров системы управления на параметры двигателя произведена в автоматическом режиме [3].


а)

б)

Рис. 5. Динамические процессы в режимах реверса и пуска двигателя:

а) скорость и ток фазы А статора при реверсе скорости с ;

б) скорость, ток фазы А статора, модуль оценки потокосцепления ротора при пуске на скорость

На рис. 6 представлены временные диаграммы скорости, тока фазы А статора, тока якоря нагрузочного двигателя () в режиме ступенчатого наброса момента нагрузки с до . В скорости и фазном токе отчетливо видны 6-ти пульсные искажения, связанные с неполной компенсацией задержек инвертора напряжения. С ростом нагрузки величина этих искажений снижается, так как с увеличением амплитуды заданного напряжения статора повышается точность его отработки.

В процессе испытаний привода были получены следующие характеристики: предельное значение полосы пропускания, на которую может быть настроен контур скорости – не менее 30 Гц; диапазон регулирования скорости – не менее 50 вниз от номинальной и не менее 2 вверх от номинальной; коэффициент неравномерности на минимальной скорости – не более 0.25; статическая погрешность на минимальной скорости при изменении нагрузки в пределах и – не более . Электропривод может работать как с замкнутым, так и с разомкнутым контуром скорости, т.е. осуществлять регулирование момента.

Рис. 6. Процессы в режиме ступенчатого наброса номинального момента нагрузки на скорости


Промышленное производство преобразователей частоты серии ЭПВ осуществляет ООО «ЭЛПРИ» Чебоксарского электроаппаратного завода. Квалификационные испытания преобразователя, проведенные предприятием-изготовителем, подтвердили его высокие технические характеристики.

Заключение

1. Представлена структура системы адаптивно-векторного управления асинхронным электроприводом серии ЭПВ (исполнение 4 - бездатчиковое), разработанным НТЦ Электропривода «Вектор» Ивановского государственного энергетического университета и выпускаемым ООО «ЭЛПРИ» Чебоксарского электроаппаратного завода.

2. Рассмотрена проблема чувствительности векторно-управляемого асинхронного электропривода без датчика скорости/положения к изменению параметров двигателя и задержкам переключения инвертора. Показано влияние электромагнитных параметров двигателя на статические и динамические характеристики привода.

3. Существенное расширение диапазона регулирования скорости и снижение параметрической чувствительности достигнуто за счет введения алгоритмов адаптации системы управления к изменениям активных сопротивлений статора, ротора, взаимной индуктивности, и за счет алгоритма компенсации временных задержек переключения ключей инвертора.

Литература.

1.      Новая серия цифровых асинхронных электроприводов на основе векторных принципов управления и формирования переменных / Виноградов А.Б., Чистосердов В.Л., Сибирцев А.Н., Монов Д.А. // Электротехника. - 2001. - №12. – с. 25-30.

2.      Система векторного управления асинхронным электроприводом с идентификатором состояния / Архангельский Н.Л., Курнышев Б.С., Виноградов А.Б., Лебедев С.К. // Электричество. – 1991.- №11.- с. 47-51.

3.      Виноградов А.Б., Чистосердов В.Л., Сибирцев А.Н. Адаптивная система векторного управления асинхронным электроприводом // Электротехника.- 2003.- №7.- с. 7-17.

4.      Виноградов А.Б. Учет потерь встали, насыщения и поверхностного эффекта при моделировании динамических процессов в частотно-регулируемом асинхронном электроприводе //Электротехника.- 2005.- №5.- с. 57-61.