Вы сейчас просматриваете Формирование алгоритма управления плавным пуском асинхронного электродвигателя на основе метода скоростного градиента

Формирование алгоритма управления плавным пуском асинхронного электродвигателя на основе метода скоростного градиента

Содержание

Одной из серьезных проблем при эксплуатации нерегулируемых электроприводов технологических установок на базе асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором (АД) является неудовлетворительная динамика пусковых процессов.

Особенно это важно для электроприводов с частыми пусками или работающими в повторно-кратковременном режиме.

Возникающие при пуске АД пульсации пускового тока и электромагнитного момента приводят к:

  • Резкопеременному характеру нагружения механических элементов электропривода.
  • Ускоренному износу изоляции обмотки статора, и как следствие, сокращению срока службы АД и электропривода.

Улучшение пусковых процессов АД возможно при использовании устройства плавного пуска (УПП), представляющего собой специальный пускатель на основе силовых полупроводниковых приборов (СПП).

Известно несколько способов управления пуском АД на основе УПП. Для сравнения рассмотрим некоторые из них.

Вывод алгоритма управления пуском

В статье [1] описан способ пуска с использованием тиристорного регулятора напряжения (ТРН) с фазовым управлением, в котором происходит ограничение скорости нарастания приложенного к обмоткам электродвигателя напряжения и тем самым достигается подавление знакопеременных электромагнитных моментов.

К недостаткам этого способа относится следующее:

  • Уменьшение среднего пускового момента и, как следствие, снижение быстродействия привода.
  • Изменение гармонического состава питающего напряжения из-за коммутации силовых ключей с фазовым управлением.

Здесь же рассмотрен способ пуска АД, согласно которому обмотки статора подключаются к питающей сети не одновременно.

Сначала происходит подключение двух фаз статора в максимуме линейного напряжения этих фаз, а затем происходит включение третьей фазы статора в максимуме её фазного напряжения.

К недостаткам данного метода относится:

  • Возникновение в процессе пуска несимметричной нагрузки сети, вызванной неодновременным подключением фаз питающего напряжения к статорным обмоткам электродвигателя.
  • Несимметричность нагрузок негативным образом сказывается на работу потребителей, работающих в одной сети с запускаемым электродвигателем.

Известен также квазиоптимальный способ пуска АД, согласно которому:

  • Первоначально на статорные обмотки электродвигателя подают напряжение сети в течение промежутка времени равного π/З эл. град., (0,0033 с при частоте сети 50 Гц).
  • Затем электродвигатель отключают от питающей сети.
  • Далее переводят в режим динамического торможения на такой же промежуток времени.
  • После чего обмотки статора вновь подключают к сети.

Основным недостатком этого способа является сложность его технической реализации, тем не менее, нами было изготовлено УПП, реализующее этот способ, а экспериментальные исследования подтвердили его высокую эффективность. 

В данной статье рассматривается еще один подход к формированию закона управления плавным пуском АД на основе метода скоростного градиента согласно работы [3].

Выполним следующие допущения:

  • При неизменной частоте питающего напряжения пускового устройство способно изменять амплитуду питающего напряжения с неограниченно большой скоростью. 
  • Для описания процесса пуска в этом случае используем математическую модель обобщенной двухфазной электрической машины, записанную для системы координат х-у, вращающихся синхронно с вектором напряжения статора.

Направив ось х по вектору напряжения статора, получим систему уравнений:

(1)

где

где

  • K1=Lm/Li.
  • k2=Lm/L2.
  • р — число пар полюсов.
  • Мс — момент сопротивления.
  • J — момент инерции электропривода.
  • Lm — индуктивность цепи намагничивания.
  • ωo, ω — соответственно частота вращения поля и частота вращения ротора.
  • М = С(Ψ1y Ψ2x — Ψ Ψ2y)  — элек­тромагнитный момент, развиваемый двигателем.
  • Ψ, Ψ1y, Ψ, Ψ2y — составляющие потокосцеплений статора (индекс 1) и ротора (индекс 2).
  • R1, R2, L1, L2 — соответственно активные сопротивления и полные индуктивности статора и ротора.

Для синтеза системы управления поставим две цели управления:

  • Стабилизацию момента — данная цель направлена на минимизацию пульсаций электромагнитного момента.
  • Стабилизацию модуля вектора потокосцепления — данная цель предназначена для исключения насыщения магнитной системы.

В результате получим локальный целевой функционал:

(2)

где

  • Н — единичная матрица размерностью 2×2.
  • у=[МΨ12]Т — вектор регулируемых величин.
  • у*=[М*Ψ1*2] — вектор задающих воздействий.
  • Ψ12 = Ψ1x2 + Ψ1y2 -квадрат модуля вектора потокосцепления статора.
  • М*, Ψ1*2 — соответственно заданные значения электромагнитного момента и квадрата модуля вектора потокосцепления статора.

Объект управления (1) в нашем случае является линейным по входу, в связи с чем алгоритм управления можно представить зависимостью:

(3)

где

  • Г — симметричная положительно определенная матрица.

Матрица Якоби для вектора регулируемых величин:

Решив уравнение (3) относительно уравнений (1) и (2), получим алгоритм управления:

(4)

где

  • ϒ—положительное действительное число.

Опробование полученного алгоритма управления

Апробация полученного алгоритма управления была проведена моделированием переходных процессов для двигателя 4А80А4УЗ на персональном компьютере.

Результаты моделирования показали, что при использовании алгоритма управления (4), временные зависимости электромагнитного момента и модуля потокосцепления (рисунок 2), имеют гораздо меньшие пульсации, чем при пуске прямым включением в сеть (рисунок 1):

Рисунок 1 – Переходные процессы при пуске прямым включением в сеть
Рисунок 1 – Переходные процессы при пуске прямым включением в сеть

где

  • а) напряжение статора.
  • б) электромагнитный момент.
  • в) потокосцепление статора.
Рисунок 2 – Переходные процессы при пуске по алгоритму (4)
Рисунок 2 – Переходные процессы при пуске по алгоритму (4)

где

  • а) напряжение статора.
  • б) электромагнитный момент.
  • в) потокосцепление статора.

Недостатком управления процессом пуска по алгоритму (4) является то:

  • Что для его реализации необходимо знать текущее значение потокосцепления статора.
  • Значит, использовать систему измерения и наблюдающее устройство.

Данный недостаток можно исключить путем аппроксимации линии 1 на рисунке 2.а прямой 2.

Результаты моделирования пуска с линейным нарастанием напряжения показали (рисунок 3), что качество переходного процесса по критерию колебательности момента в этом случае практически не уступает пуску по алгоритму (4):

Рисунок 3 – Переходные процессы пуска с медленным нарастанием напряжения
Рисунок 3 – Переходные процессы пуска с медленным нарастанием напряжения

где

  • а) электромагнитный момент.
  • б) потокосцепление статора.

Эффективность данного алгоритма пуска была проверена с помощью:

  • Специально разработанного нами на основе полностью управляемых СПП пускателя.
  • Плавность нарастания напряжения в котором обеспечивалась путем широтно-импульсной модуляции.
  • Изменения момента при этом соответствуют полученным при моделировании переходным процессам.

Список литературы

  1. Петров Л.П., Управление пуском и торможением асинхронных двигателей — Москва: Энергоиздат, 1981 год, страница 184.
  2. Патент РФ № 2235410 МПК Н 02 Р 1/26. Способ пуска асинхронного электродвигателя / Е.К. Ещин, И.А. Соколов, В.Л. Иванов, В.Г. Каширских, Д.В. Соколов, Заявлен 04.01.2003 год, № 2003100098, Опубликован 27.08.2004 год, Бюллетень №24.
  3. Мирошник И.В., Нелинейное и адаптивное управление сложными объектами / И.В. Мирошник, А.Л. Фрадков — Санкт-Петербург: Наука, 2000 год, страница 549.
  4. К вопросу формирования математической модели для исследования эффективности способов управления пуском горных и транспортных машин.

Источник: Формирование алгоритма управления плавным пуском асинхронного электродвигателя на основе метода скоростного градиента / В.Г. Каширских, В.М. Завьялов, С.С. Переверзев // Вестник КузГТУ, 2005 год, №2, страницы 7-9.

Добавить комментарий

Gekoms LLC

Коллектив экспертов, большая часть опыта и знаний которых востребованы в области промышленной автоматизации, разработке технически сложного оборудования, программировании АСУТП, управлении электроприводом. Телефон: +7(812) 317-00-87 Email: info@gekoms.ru Сайт: https://gekoms.org