Экономичное по потребляемой энергии микропроцессорное управление двухфазным асинхронным двигателем тема автореферата и диссертации по математике, 01.01.11 ВАК РФ

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ УДК 621.313.333-181.48 На правах рукописи

НАЙМИ ХИШАМ

ЭКОНОМИЧНОЕ ПО ПОТРЕБЛЯЕМОЙ ЭНЕРГИИ МИКРОПРОЦЕССОРНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ДВУХФАЗНЫМ АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

01.01.11 - системный анализ и автоматическое управление

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск, 1995

-z-

Работа выполнена на кафедре кибернетики Белорусского государственного университета.

Научный руководитель - доктор технических наук профессор МИХАЛЕВ A.C.

Официальные оппоненты: доктор технических наук профессор ШИРОКОВ А.М.

кандидат технических наук доцент ПУКЬЯНЕЦ C.B.

Оппонирующая организация - ОКБ "Импульс"

Защита состоится " ЗЛ- " 4995 Г- в ю часов На

заседании совета по защите диссертаций К 056.03.14 в Белорусском государственном университета (220080, Республика Беларусь, г.Минск, проспект Ф.Скорины, Белорусский госуниверситет, главный корпус, к.206).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусского государственного университета.

Автореферат разослан "_"_1995 г.

Ученый секретарь совета, доктор

технических наук, п

профессор ^^СЙЧ^СКРИПНИК В.М.

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации. Для систем автоматики с двухфазными асинхронными двигателями (ДАД), отличающимися низкими энергетическими показателями, весьма актуальными остаются задачи совершенствования методов проектирования и повышения энергетических показателей путем совершенствования алгоритмов управления.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является повышение экономичности работы следящей системы с ДАД за счет уменьшения потерь в двигателе от токов высших гармоник, а также совершенствование методики проектирования следящей системы с ДАД на основе применения ЭВМ.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем :

1. Предложена нелинейная структура комбинированной следящей системы с ДАД, отличающаяся повышенным статизмомю

2. Разработана методика проектирования источника питания обмоток ДАД на основе однофазных полупроводниковых мостовых инверторов напряжения.

3. Предложена методика проектирования следящей системы с ДАД на основе ЭВМ.

4. Обоснована область рационального применения частотного и амплитудного способов регулирования скорости, ДАД.

Практическая значимость полученных результатов заключается в следующем:

- разработано прикладное программное обеспечение для исследования электромагнитных процессов и энергетических показателей ДАД при питании автономных инверторов напряжения;

- предложена структура следящей системы в ДАД, содержащая блок линеаризации.

Методика проектирования следящей системы с ДАД используется в учебном процессе и а НИР кафедры "Кибернетики " БГУ. Экономическая значимость полученных результатов. Предложенные технические решения могут быть использованы при проектировании следящих систем с ДАД экономичных по потребляемой энергии.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

- методика исследования электромагнитных процессов в ДАД при питании от автономного инвертора напряжения;

• структура следящей системы с ДАД, содержащая блок линеаризации;

• методика проектирования следящей системы с ДАД, основанная на применении ЭВМ и использовании упрощенной модели двигателя с последующим представлением его полной системой дифференциальных уравнений и уточнением параметров регуляторов системы на имитационной модели;

- способ экономичного управления силовыми ключами инвертора, обеспечивающего минимизацию тепловых потерь в обмотках ДАД;

- методика выбора рационального способа управления ДАД в следящей системе.

Личный вклад соискателя. Автору работы принадлежит постановка задач, разработка математического и программного обеспечения в виде имитационной модели, проведение исследований на ЭВМ и интерпретация их результатов.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались:

- на Республиканской научно-технической конференции "Электропривод и автоматизация промышленных установок Республики Беларусь", г. Минск,

1995 г.;

на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава белорусского Государственного университета, секция " кибернетики 1992-94 г.г.

Опубликованность результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в трех тезисах докладов Республиканской научно-технической конференции "Электропривод и автоматизация промышленных установок Республики Беларусь", г. Минск, 1994г.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и пять приложений. Полный объем составляет - стр., из них иллюстрации, таблицы и приложения ( 7 ), список использованных источников (60 наименований).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении .обоснована актуальность темы, сформулированы цель задачи, указаны методы исследования и научная новизна работы.

Первая глава .посвящена обзору литературы по следящим системам с ДАД В ней описываются способы управления и методы исследования ДАД,обсуждаются их достоинства и недостатки, производится выбор ме-тодаисследования и способа управления ДАД , как основного элемента следящих система, именно:

1. с точки зрения экономного по потребляемой энергии управленная предпочтительным является амплитудное симметрическое управление, а также отключение обмотки возбуждения при отсутствии сигнала рассогласования;

2. целесообразно пользоваться аекторно-гармоническим методом в сочетании с методом симметричных составляющих

Вторая глава .посвящена исследованию статических режимов работы ДАД (в следящей системе), в ней представлена задача оптимизации формы питающего напряжения обеспечивающая экономическое управление исследованы различные способы формирования напряжения при питании обмоток ДАД используются статические преобразователи с ключевым режимом работы транзисторов (тиристоров), на основе мостовых автономных инверторов напряжения. В этом случае формируется прямоугольное напряжение, имеющее высокое содержание гармонических составляющих Показано, что регулирование амплитуды напряжения шпротным методом приводит к увеличению амплитуд высших гармоник и электрических потерь от них.

Для оценки качества напряжения в работе предложено использовать коэффициент гармоник тока вычисляемый по формуле (1)

1

Е

I2 1 к

1«

(1)

где IК - ток к-ой гармоники, 1{- ток первой гармоники.

Показано, что наиболее достоверную информацию о качестве напряжения дает коэффициент потерь как отношение потерь в меди статора и ротора от токов высших гармоник ( К (П )) к потерям от тока первой гармоники. Используя приведенный коэффициент (2) определены оптимальные по минимуму потерь в меди двигателя значения углов коммутации при амплитудном способе регулирования напряжения и при различном количестве импульсов.

Производится сравнение двух наиболее перспективных способов управления

ДАД: амплитудного и частотного, при атом необходимо подчеркнуть, что для исследуемого ДАД с полым немагнитным ротором при номинальной скорости ток намагничивания значительно превышает ток ротора. При амплитудном управлении ток статора изменяется, а при частотном (при постоянстве потока) он не изменяется.

Анализ зависимости суммарных потерь ДАД при амплитудное и частотном способах управления (рис.1) показывает, что существует гранитное значение момента М гр нагрузки, выше которого суммарные потери при амплитудном управлении превышают потери при частотном управлении.

При М < М гр имеет место противоположное, соотношение потерь На основании анализа можно определить границу рациональной области применения указанных способов управления, что показано на рис.2, где приведена гранитная линия равенства потерь т.о. приМ<Мгр. целесообразно использовать амплитудное управление, а при М > М гр • частотное управление.

Третья глава .посвящена разработке математической модели ДАД и исследованию следящей системы. Для исследования электромагнитных процессов в ДАД при несинусоидальном питании применяется векторно-графический метод, построены годографы напряжения при различных его формах.

Произведен синтез системы автоматического управления с ДАД.

С учетом ряда упрощающих допущений, структурная схема ДАД представлена в виде, показанном на рис. 3 ,

-в-

0.08 Мф О. 12 О. 1« МЫ м)

Рис.1. Суммарные потери в меди при амплитудном (-► -) и частотном (-*- =0.9) способах управления.

УУ(рай/с)

Рис.2. Механические характеристики при частотном управлении и фаничная линия равенства потерь при амплитудном Ра и частотном Рч способах управления.

где _<,_

где - Х^ , , - параметры схемы замещения двигателя, Ыо - частота питания.

Существенным элементом структуры на (рис.3) является нелинейая зависимость момента М =Р( 1)з, Э), ( и^ - напряжение питания, в- скольжения), имеющая вид

м,= 2Мк(1 + аЗк) .

8 „ ' (4)

— + —+ 2аЭк

пЦ

(5>

где -критическое скольжение:

^Щ/^+Х*; х^хх+х«

т - число фаз.

Для компенсации этой нелинейности в структуру (рис.3) включен блок линеаризации (БЛ), согласно выражению

и5 = ^ЗИоЩ^ + Хк)/^ +Щ/3+Ж,) .

Окончательная структура следящей системы приведена на рис.4., где PC - регулятор скорости РП - регулятор положения U - напряжение питания Ф - угол поворота ротора ДАД

Настройка регуляторов PC и РП выполнена на технический оптимум. Для устранения статической ошибки в структуре на (рис.4) применяется комбинированное управление. Анализ синтезированной комбинированной следящей системы проведен на имитационной модели, включающей полную динамическую модель ДАД, описываемую системой дифференциальных уравнений.

При анализе учитывали общепринятые показатели качества работы следящих систем. Рекомендуется следующая последовательность проектирования следящей системы с ДАД:

1) синтез структуры на основе упрощенного представления ДАД;

2) анализ результатов на имитационной модели;

3) подключение полной модели ДАД на основе дифференциальных уравнений;

4) анализ по п.2 и корректировка параметров регуляторов путем численных экспериментов.

Исследования показали, что для проектируемой СС необходима корректировка коэффициентов усиления РП примерно вдвое.

В четвертой главе приводится анализ технических средств для реализации СС. На основе сравнения технических данных микропроцессоров делается вывод о целесообразности использования контролера UNICON, разработного на кафедре кибернетики БГУ.

Разработано также программное обеспечение управления СС применительно к микропроцессору К1810, система команд которого совместима с микропроцессорами фирмы INTEL, имеющими наибольшее распространение в Сирии.

-и

Рис.3. Упрощенная структурная схема ДАД при приближенном учете электромагнитной инерции.

Цжж .

ш

РС Л^Й^^З)

«л

X 1

щ

Чг

РШтШ

р

Л

Рис.4. Структурная схема модели следящей системы электропривода с ДАД.

Разработанный алгоритм позволяет осуществить экономичное управление силовыми ключами инвертора за счет

- формирования нулевой паузы на нагрузке, при этом включен лишь один из транзисторов;

- снятия управляющего сигнала с транзистора, если направление тока в нагрузке не соответствует направлению его проводимости.

Разработанная следящая система может найти применение в устройствах автоматики, где по условиям внешней среды предпочтительно применение асинхронных двигателей. Методика проектирования СС на основе имитационной модели может быть использована в проектных, научно-исследовательских организациях и в ВУЗах.

Выводы

Изложим результаты и выводы .получены в диссертации:

1. Определены оптимальные по минимуму потерь в меди двигателя значения углов коммутации для одноименной и двух мерной ШИМ при амплитудном способе регулирования напряжения ;

2. На основании расчета статических характеристик при частотном управлении с постоянным значением потокосцепления в воздушном зазоре и при амплитудном управлении выявлено, что в области 0,5а>н<а><ооо и 0<М<Мн суммарные потери в ДАД оказываются большими при частотном управлении. На этой основе определены области рационального применения частотного и амплитудного способов управления ;

3. Разработанная комбинированная система управления обеспечивает высокую точность отслеживания сигнала задания положения. Динамическая ошибка системы электропривода при относительно больших значениях йф/сМ определяется предельным значением электромагнитного момента, соответствующим естественной механической характеристике ;

~ 134. Применение блока линеаризации в контуре регулирования скорости электропривода, позволяет регулировать настройку этого контура на технический оптимум при использовании пропорционального регулятора ;

3. В структурной схеме ДАД электромагнитная инерция может быть учтена инерционным звеном 1-го порядка с постоянной времени Ти»0,0025с. Упрощенное представление ДАД инерционным звеном 1-го порядка не оказывает существенного влияния на синтез регуляторов, что подтверждается проведенными экспериментами на имитационной модели ;

6. Разработан алгоритм экономичного управления силовыми ключами преобразователя мощности, обеспечивающий формирования однопо-лярной ШИМ.

7. Разработан блок управления инвертором напряжения для специальной формы напряжения на двигателе .

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Хишам Найми, А.С.Михалев. Рациональные области применения амплитудного и частотного управления асинхронным двигателем. Тезисы Респ. научно-технич. конф. "Автоматизированный электропривод промышле-ных установок", Минск, 1994. - С.29.

2. А.С.Михалев, Х.Найми, В.П.Осипенко, А.Саид Омар. Универсальная микропроцессорная система управления электроприводами. Тезисы Респ. научно-технич. конф. "Автоматизированный электропривод промышленных установок", Минск, 1994. - С.60.

3. Хишам Найми. Синтез следящей системы с двухфазным асинхронным двигателем. Тезисы Респ. научно-технич. конф. "Автоматизированный электропривод промышленных установок", Минск, 1994. • С.64.

-ДО-

РЕЗЮМЕ Хишам Найми

Экономичное по потребляемой энергии микропроцессорное управление двухфазным асинхронным двигателем

Следящая система, двухфазный асинхронный двигатель, синтез регуляторов, переходные процессы, имитационная модель, частотное управление, амплитудное управление.

Исследовано экономическое по потребляемой энергии управление вух-фазным двигателем и спроектированной следящей системой с ДАД.

Целью работы является повышение экономичности работы следящей системы с ДАД за счет уменьшения потерь в двигателе от токов высших гармоник, а также совершенствование методики проектирования следящей системы с ДАД на основе применения ЭВМ.

РЭЗЮМЭ Х1шам Найм1

Эканам1чнае па ужываемай энергП м1крапрацасарнае кнраванне двухфазным ас1нхронным рухав1ком

Адслежываючая с1стема, двухфазный ас1нхронный рухав1к , с1нтез рэ-гулятарау, пераходныя процэсы, 1м1тац1йная мадэль, частотнае к!раванне, ампл1туднае к!раванне .

Даследавана эконом1чнае па ужываемай энергП к1равание двухфазным рухав1ком I спраекгырованай адследжваючай с1стэмай з ДАД.

Мэтай работы з'яуляецца павышэнне эканам1чнасц1 работы адследжваючай с1стемы з ДАД пры дапамозе змяньшэння страт у рухав1ку ад токаувышэйшых гармон1к, а таксама удасканаленне методик! распрацо-ук1 адследжваючай с1стэмы з ДАД на аснове прымянення ЭВМ.

ABSTRACT Hishatn Al-Noalmy Economical energy spend microprocces control Induction two phases motor

motorcklng system control, Induction two phases motore, synthesis regulator, transients, Immatatlon model, frequence and amplitude, control.

Economical energy spend control of the Induction two phases, and construction of tracking system this system hod been achieved. The aim of this thesis is to Increase the economical work of the tracking system with the Induction two phases motor resulting In reducing the loses from the highest harmonic of current, and also to achieved a construction of the system with Induction two phases motor PC IBM.

Хишам Найми

Экономичное микропроцессорное управление двухфазного асинхронного двигателя

01.01.il - Системный анализ и автоматическое управление Автореферат диссертации

на соискание ученой степени кандидата технических наук Подписано в печать Формат 60x84 1/16. Бумага тип №2. Офсетлечать. УсллечлЛД. Уч.-шд-ч.Тир.ЮО. Зак.402.

Издатель и полиграфическое неполнение:Белорусский государственный университет: 220080,г.Минск,ул.Бобруйскаи,7.