CC BY
153
УДК 661.487.621.313
ПРЯМОЕ УПРАВЛЕНИЕ МОМЕНТОМ В АСИНХРОННОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ ШНЕКА ДОЗАТОРА
Д.В. Робканов, Ю.Н. Дементьев, С.Н. Кладиев
Томский политехнический университет E-mail: epatpu@mail2000.ru
Рассмотрен вариант применения асинхронного электропривода с прямым управлением моментом с помощью переключающей таблицы в многокомпонентной системе дозирования. Приведены функциональная схема асинхронного электропривода, реализующая управление моментом, зависимости векторов напряжения и потока от положения ключей инвертора, векторные диаграммы, поясняющие влияние векторов напряжения на поток и момент асинхронного двигателя.
В последние годы наблюдается устойчивая тенденция перехода от нерегулируемого асинхронного электропривода к частотно-регулируемому электроприводу, состоящему из самого простого асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и преобразователя частоты [1-5]. Данный электропривод является одной из наиболее перспективных и динамично развивающихся систем, обладает высокой надежностью, хорошими массогабаритны-ми, стоимостными и регулировочными показателями асинхронного двигателя и обеспечивает улучшение динамики работы электропривода, уменьшение износа механических звеньев, увеличение срока службы технологических установок и широкие возможности автоматизации технологического процесса на современном уровне.
Промышленный способ производства фтористого водорода основан на разложении фторида кальция серной кислотой (рис. 1).
Реакция разложения идет с поглощением тепла, поэтому технологический процесс ведется в обогреваемых вращающихся барабанных печах. В печь непрерывно подается плавиковый шпат и рабочая смесь кислот.
В системе автоматизированного дозирования компонентов на узле термического разложения главной задачей является поддержание заданного стехиометрического соотношения при смешивании плавикового шпата и рабочей смеси кислот в допуске.
Механическая часть системы дозирования твердого компонента - плавикового шпата состоит из шнека-дозатора с редуктором. Электропривод шне-
ка дозатора состоит из асинхронного двигателя (АД) управляемого от преобразователя частоты (ПЧ). Шпат поступает в загрузочное окно шнека из расходного бункера, транспортируется вращающимся винтом шнека и высыпается через разгрузочное отверстие вниз, попадая в шнек-смеситель. Привод шнека дозатора имеет достаточно тяжелые условия работы за счет специфических характеристик шпата. Кроме того, увеличение нагрузки при нештатном течении технологического процесса может вызвать остановку шнека. Поэтому для нормального функционирования электропривода шнека необходимо регулировать момент и ток двигателя. Указанные требования обеспечиваются точным регулированием момента в электроприводе, построенном на основе преобразователя частоты и асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
Существуют несколько способов практической реализации метода прямого управления моментом в асинхронном электроприводе:
1. Управление с переключающей таблицей (ST -
Switching Table).
2. Прямое собственное управление (DSC - Direct
Self Control).
3. Управление с прямой векторной модуляцией
(DVMC - Direct Vector Modulation Control).
В статье представлен один из новых современных методов прямого управления моментом в асинхронном электроприводе с помощью переключающей таблицы (ST-метод) [3, 5], главной особенностью которого является более простая система управления по сравнению с векторным управлением с ориентацией по полю [1, 4].
шнек дозатор
рабочая смесь кислот
шнек смеситель
i
в реакционную печь
Рис. 1. Многокомпонентная система дозирования
На рис. 2 представлена обобщенная блок-схема асинхронного электропривода, реализующая управление моментом с использованием переключающей таблицы. В схеме управляющее устройство момента (УУМ) и управляющее устройство потока (УУП) гистерезисного типа.
В течение каждого цикла определяется вектор потока в соответствии с выражением:
¥ =
| (И1 - ¡1^)$,
(1)
где щ, 11 - векторы соответственно напряжения и тока статора; Я1 - активное сопротивление статора.
Вектор напряжения -1 определяется на основе действительного (измеренного) напряжения звена постоянного напряжения преобразователя частоты и реального положения полностью управляемых ключей автономного инвертора напряжения.
Точность расчета вектора ¥ корректируется на основе измеренных значений токов статора в соответствии с выражением:
¥1 = Ь~к + Ьт~12, (2)
где 11, 12 - векторы токов соответственно статора и ротора; Ц - индуктивность статора; Ьт - индуктивность намагничивания.
Сигналы рассогласования по моменту и потоку, полученные с выхода сумматоров поступают на УУМ и УУП соответственно. Затем сигналы по потоку (V) и моменту (V), снятые с выходов УУМ и УУП, вместе со специальным сигналом (СИ), сня-
тым с выхода вычислительного устройства (ВУ) о текущем угловом положении вектора потока, поступают в переключающую таблицу. Переключающая таблица состоит из оцифрованных сигналов рассогласования по потоку (1,0) и моменту (1,0,-1) и информации, в каком тридцатиградусном секторе системы координат, связанной со статором, находится вектор потока статора АД. С помощью переключающей таблицы выбирается оптимальный выходной вектор напряжения, который нужно подать на статорные обмотки АД, чтобы обеспечить необходимый момент при постоянном потоке асинхронного двигателя.
Выбор оптимального вектора напряжения производится из восьми возможных базовых векторов напряжения. Согласно структуре инвертора, приведенной на рис. 2, можно получить восемь базовых векторов -напряжения, два из которых "нулевые" и [111] и и [000], а остальные шесть сдвинуты в пространстве на 60 эл. град. и расположены согласно рис. 3. Расположение векторов напряжения определяется трехфазной системой координат, где у каждого вектора имеется три координаты в соответствии с тремя фазами асинхр-онного двигателя. Например, вектор напряжения и [100] означает, что он расположен на действительной оси фазы "А" и совпадает с её положительным направлением (рис. 2). Имея восемь базовых векторов, можно воспроизвести любой требуемый вектор выходного напряжения путем переключения между двумя базовыми векторами текущего сектора и нулевыми векторами.
и^ ГТ Л 11
г-4 Бэ — БЬ— Бе то то
Модель 2-х фазного АД
Р
Р
Рис. 2. Блок-схема асинхронного электропривода
I
I
Векторы напряжения зависят и от положения полностью управляемых ключей За, 8Ь, 8С инвертора. £=1(0) - соответствует подключению данной фазы двигателя к положительной (отрицательной) шине источника постоянного напряжения.
1 1]
и (Б, Б, Б) = 3 и
/ 2п /
Ба + Б.е 3 + Бе 3
(3)
где ий - напряжение постоянного тока инвертора. Тогда вектор потока АД запишется в соответствии с выражением:
^ = 2 и
зи.
¡2п ¡п
Б + Бие 3 + Бе 3
t -
Я1 ¡^Л. (4)
Таким образом, управляя ключами инвертора с помощью переключающей таблицы, имеется возможность управлять как потоком, так и моментом АД. Для поддержания постоянства потока при управлении моментом АД выбор вектора напряжения необходимо осуществлять так, чтобы сигнал рассогласования между заданным и действительным значением потока находился в заданных пределах, а именно:
(5)
1^1* -Д|¥^< 1|* + Д \П.
Для определения положения вектора потока координатная плоскость разбивается на шесть секторов (рис. 3). Угловое положение любого сектора определяется следующим выражением
(6)
(2N - 3)П < ©(N) < (2N -1) 6 6
где Л=1,...,6.
Например, рассмотрим влияние вектора напряжения и[110] на поток и момент, когда вектор потока находится в секторе I и вращается против часовой
стрелки, как показано на рис. 4. Согласно векторной диаграмме, представленной на рис. 4, проекция Ц, этого вектора на потокообразующую ось й положительна, поэтому выбранный вектор напряжения увеличивает величину потока. Проекция этого же вектора им на моментообразующую ось тоже положительна (рис. 3), поэтому данный вектор напряжения также увеличивает величину момента АД.
Согласно рис. 4 и принятому условию, что вектор потока находится в секторе I, вектор напряжения и[001] уменьшает величину потока и момента АД, вектор и [101] увеличивает величину потока и уменьшает величину момента, вектор и[010] уменьшает величину потока и увеличивает величину момента.
Рис. 3. Ориентация векторов напряжения, используемых для построения переключающей таблицы
Зависимость вектора напряжения статора от положения полностью управляемых ключей инвертора может быть определена по следующему выражению:
егс<и[0 1 1] *
и[1 0 °]>®1
Рис. 4. Векторная диаграмма напряжений инвертора и потока АД
Для каждого сектора существует два вектора напряжения, которые меняют свои реакции и на поток и на момент при прохождении вектора потока через этот сектор, что влечет к неустойчивой работе, как АД, так и всей системы в целом. Поэтому такие вектора не применяются при формировании переключающей таблицы для данного сектора. Для пе-рвого сектора такими векторами являются вектора Ц [100] и и [011]. Выбор того или иного вектора напряжения зависит от направления вращения вектора потока. Н-апример, подключение вектора напряжения и[110] к статору АД, при вращении потока, расположенного в первом секторе, по часовой стрелке, уменьшает величину потока и момента. Таким образом, поддерживая амплитудное значение вектора потока на постоянном уровне и управляя скоростью его вращения изменением числа подключений "ненулевых и нулевых" векторов напряжения инвертора, возможно, осуществлять прямое управление моментом.
Применение асинхронного частотно-управляемого электропривода с прямым управлением моментом в производстве безводного фтористого водорода позволяет улучшить качественные характеристики технологического процесса и выпускаемой продукции, а также повысить надежность работы исполнительных механизмов технологического производства в целом.
I
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Рудаков В.В. и др. Асинхронные электроприводы с векторным управлением. - Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 136 с.
2. Козаченко В.Ф. Основные тенденции развития встроенных систем управления двигателями и требования к микроконтроллерам // CHIPNEWS. - 1999. - № 1. - С. 2-9.
3. Buja G. A new strategy of induction motor drivers: the direct flux and torque control // IEEE Industrial Electronics Society. Newsletter. -1998. - Dec. - P. 14-16.
4. Blaske F. Das Prinzip der Feldorientierung, die Grundlage fur die Transvektor-Regelung von Drehfeldmaschinen // Siemens-Z. -1971. - Bd. 45. - № 10. - S. 756-760.
5. Juhasz Gy., Halasz S., Veszpremi K. Simulation and Measurement of Direct Torque Controlled IM Drive: Proc. Conf. on Power Electronics and Motion Control, PEMC. - Kosice, 2000. - V. 7. -P. 124-129.
УДК 519.251.9
АЛГОРИТМ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ
В.Г. Букреев, Ю.И. Параев, А.М. Шамин, А.К. Чащин
Томский политехнический университет E-mail: vbuk@yandex.ru
Описывается процедура идентификации параметров объекта управления, основанная на применении функции чувствительности. Предлагается алгоритм локальной оптимизации, позволяющий идентифицировать неизвестные параметры из условия минимизации квадратичного критерия невязки наблюдаемых переменных и оценки состояния на дискретных интервалах времени. Рассматривается пример алгоритма идентификации для определения динамического и статического моментов электропривода постоянного тока.
Введение
Жесткие требования к качественным показателям процесса движения многих технологических объектов определяют необходимость применения адаптивного управления исполнительными электромеханическими системами. Для синтеза адаптивной системы управления часто используется эталонная модель электромеханического объекта, которая предполагает достаточно точное знание его параметров [1]. При этом практический интерес представляет собой задача идентификации параметров электромеханического объекта, изменяющихся детерминированным образом в пределах области ограниченных значений. В теории идентификации параметров детерминированных систем значительное место занимают методы идентификации, основанные на применении функции чувствительности [2]. Это объясняется следующими свойствами методов: во-первых, они имеют достаточно быструю сходимость процедур идентификации; во-вторых, высокую точность результатов и самым определяющим фактором является их универсальность. Данные методы применимы как к линейным системам, так и к сложным нелинейным системам уравнений, описывающим поведение реального объекта в пространстве состояний.
Постановка задачи
В следящих электромеханических системах возникает задача оценки, с последующей компенсацией, влияния на характеристики регулируемого
процесса таких параметров исполнительных приводов, как динамический и статический моменты механической нагрузки. Одним из вариантов решения такой задачи является включение в контур управления идентификатора параметров [1, 3, 4]. Кроме того, современные цифровые системы управления электромеханическими объектами позволяют расширить математическое обеспечение и использовать более эффективные алгоритмы идентификации неконтролируемых параметров в режиме реального времени.
Рассмотрим алгоритм идентификации на примере электромеханического объекта - электропривода постоянного тока с упругой механической связью, параметры которой изменяются неизвестным образом в определенных пределах. Динамика электропривода с полупроводниковым преобразователем и двухмассо-вым механическим звеном может быть описана системой дифференциальных уравнений [3, 4]: (Т„Р + 1)е„ = кукпиу,
(Гяр + 1)M
R ■ *4 -К ¡Х
J df = M - M12 - Mc]
T drn2 т., т., J.—r2 = M12 - M 2,
2 dt 12 c2'
M12 = С12(Ф1
(1)
где к, кп - коэффициенты передачи усилителя и преобразователя; Тп - электромагнитная постоянная времени преобразователя; еп - выходное на-
