Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время электропривод с асинхронным электродвигателем на базе цифровых информационно- измерительных и управляющих систем (ИИУС) получает все большее распространение. Он является неотъемлемой частью комплексов и агрегатов, применяемых во многих отраслях промышленности. Разработкой подобных устройств занимаются такие крупные фирмы Европы, США и Японии, как ABB, Danfos, Hitachi, Honda, Mitsubishi, Nord, Schneider Electric, Siemens и другие. Область применения регулируемых электроприводов с асинхронными электродвигателями варьируется от бытовых электроприборов, станковых агрегатов, до прецизионных систем автоматики и робототехники. Широкая область применения требует адекватной параметрической оптимизации систем, что является в настоящий момент важной и многоуровневой научной задачей. При разработке автоматизированного электропривода необходимо учитывать такие требования, как уменьшение пульсаций вращающегося электромагнитного поля, повышение точности и диапазона регулирования скорости вала ротора, являющимися основными показателями качества ИИУС.
Исследованиям в области электропривода в настоящее время уделяется особенное внимание, однако остается ряд нерешенных научных задач, основанных на параметрической оптимизации с целью совершенствования проектируемых систем. Одной из них является поиск оптимальной формы сигнала нулевой последовательности при непрерывной и детерминированной модуляции, а также сравнительная оценка ее влияния на параметры ИИУС в целом и работу электродвигательной установки.
Основным направлением работы является улучшение характеристик электроприводного оборудования посредством совершенствования информационно-измерительной и управляющей системы, для чего необходимо определить оптимальные метрологические характеристики измерительных каналов. Обобщенная ИИУС электропривода с асинхронным электродвигателем включает в свой состав контуры тока, скорости и положения. Приводимые в технической литературе данные о необходимой разрядности АЦП датчиков фазных токов варьируются на уровне 12-14 разрядов, при этом подразумевается использование преимущественно векторного модулятора (SVPWM), получившего в последнее время широкое распространение. При этом также не приводится оценка влияния разрядности АЦП на качество ИИУС в целом.
При проведении исследований возможностей параметрической оптимизации электроприводного оборудования, расчетных методов и методов имитационного моделирования недостаточно, вследствие того, что в состав электропривода входит множество подсистем различного рода, в их числе: двигатель (с нагрузкой или без), аппаратная часть (силовая и управляющая), датчики обратных связей и алгоритм управления. В этом случае имитационное моделирование может не учитывать всех деструктивных факторов разрабатываемой системы, а также вносить априорную неопределенность в полученный результат. Также существует ряд немаловажных факторов, имитационное моделирование которых затруднительно, это в частности виброскорость и уровень акустического шума электродвигательной установки.
Следовательно, для исследования характеристик ИИУС, а также для подтверждения адекватности результатов имитационного моделирования, необходимо применять методы полунатурного моделирования на базе специализированного стендового оборудования с использованием реальных объектов управления.
В этом случае важным положением проводимой работы станет разработка специализированного стенда для исследования характеристик ИИУС электропривода с асинхронным электродвигателем, для чего необходимо сформировать схемные требования к силовой и управляющей части стенда, а также разработать программное обеспечение.
Целью диссертационной работы является улучшение технических характеристик электроприводов с асинхронными электродвигателями (АД) за счет совершенствования их микропроцессорных информационно- измерительных и управляющих систем.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
-
Исследовать особенности основных типов широтно-импульсных модуляторов (синусоидальный модулятор, векторный модулятор, гистерезисный компаратор) с целью определения их влияния на спектральный состав выходного тока силового инвертора.
-
Исследовать влияние сигналов нулевой последовательности на выходные параметры ИИУС электропривода с целью определения оптимального варианта формы сигнала.
-
Установить связь коэффициента неравномерности вращения с разрядностью АЦП токовых датчиков, а также выработать требования к фазным датчикам тока замкнутых ИИУС.
-
Разработать и отладить макетный образец ИИУС электропривода с АД для экспертной оценки влияния непрерывных и детерминированных сигналов нулевой последовательности на параметры ИИУС.
Методы исследования. При выполнении работы применялись методы имитационного, математического, полунатурного моделирования на базе разработанного макетного образца ИИУС электропривода с АД. При построении моделей были использованы методы теории электрических машин. Применялись методы скалярного управления на основании закона Костенко и векторного управления с косвенной полеориентацией, реализованной на преобразованиях Кларка-Парка, численные методы обработки экспериментальных данных и преобразование Фурье для гармонических сигналов с использованием дискретно-временных оконных функций Хемминга, Блэкмана и Блэкмана-Наттала.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
-
-
Сформулированы критерии выбора разрядности канала АЦП фазных токовых датчиков.
-
Получена зависимость коэффициента неравномерности вращения от разрядности АЦП фазных токовых датчиков для замкнутых по контуру тока ИИУС, реализованных на базе синусоидальных, векторных модуляторов и гистерезисных компараторов.
-
Предложена схемная реализация прецизионного токового датчика с возможностью имитации характеристик реальных датчиков тока методом (способом) искусственного загрубления.
-
Предложен метод (способ) искусственного загрубления характеристик датчиков в экспериментальных целях.
Достоверность и обоснованность полученных результатов,
выводов и рекомендаций обеспечивается корректным применением методов имитационного моделирования с последующим их подтверждением экспериментальными результатами, полученными с применением разработанного макетного образца ИИУС электропривода с АД.
Практическая ценность исследования заключается в определении зависимости коэффициента неравномерности вращения вала асинхронного электродвигателя от разрядности АЦП фазных датчиков тока, разработке макетного образца микропроцессорной ИИУС электропривода с АД, а также в определении оптимального варианта сигнала нулевой последовательности блока формирования выходных импульсов для управления транзисторными ключами силового инвертора.
Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты, полученные в ходе проведения исследования внедрены и используются ОАО «ЦНИТИ» и ФГУП «Салют» при проведении опытно- конструкторских работ. Разработанный макетный образец применяется при проведении учебно-методического процесса на кафедре «Приборы и информационно-измерительные системы» Московского государственного университета приборостроения и информатики при подготовке инженерных кадров.
Апробация работы:
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
-
XIX Международном НТС «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», Алушта,
-
г.
XIII Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения и информатики». Сочи 2010 г.
XX Международном НТС «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», Алушта,
г.
-
XXI Международном НТС «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», Алушта,
г.
-
Внутренних научно-технических семинарах МГУПИ.
Защищаемые научные положения:
Математические модели замкнутых токовых контуров в среде Matlab с различными блоками формирования выходной последовательности импульсов, отличительными особенностями которых являются интегрированные в измерительный канал блоки варьирования параметров аналого-цифровых преобразователей.
Схемная реализация и конструктивные особенности построения макетного образца ИИУС электропривода с АД.
Полученные по результатам имитационного и полунатурного моделирования графики зависимости коэффициента неравномерности вращения от разрядности АЦП, а также спектрограммы выходного тока инвертора и виброскорости электродвигательной установки при введении в состав модулятора сигналов нулевой последовательности различных форм.
Метод (способ) «искусственного загрубления», реализованный на базе модуля фазных датчиков тока.
Публикации. По материалам выполненной диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами по каждой из них, общих выводов работы, списка литературы и приложения. Она содержит 148 страниц основного текста, 75 рисунков, 7 таблиц и список литературы из 130 наименований.
Похожие диссертации на Повышение эффективности информационно-измерительных и управляющих систем электропривода с асинхронным электродвигателем
-
-
