CC BY
31
УДК 681.5.033.2 Гусев Николай Владимирович,
к. т. н., доцент кафедры электропривода и электрооборудования Энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического университета, e-mail: gusev@tpu.ru
Краснов Иван Юрьевич,
к. т. н., доцент кафедры электропривода и электрооборудования Энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического университета, e-mail: kiu@tpu.ru
Черемисин Виктор Николаевич, к. т. н., начальник отдела ЛБЦ Энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического университета, e-mail: viktor.cheremisin@elesy.ru
АВТОМАТИЧЕСКАЯ НАСТРОЙКА РЕГУЛЯТОРОВ КООРДИНАТ ЧАСТОТНО-УПРАВЛЯЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ЛИФТА
N. V. Gusev, I. Yu. Krasnov, V. N. Cheremisin
REGULATORS AUTOMATIC TUNING OF FREQUENCY-CONTROLLED ELEVATOR ELECTRIC DRIVE
Аннотация. Рассмотрена система автоматической настройки преобразователя частоты на объект управления - асинхронный электродвигатель, применяемый в лифтовых системах. Особенностью указанных систем при их модернизации является, как правило, невозможность демонтажа двигателя от редуктора лебедки, а также большая вариативность двигателей, зачастую устаревшей конструкции. В связи с этим для построения регулятора системы возникает в первую очередь необходимость определения параметров схемы замещения асинхронного двигателя. Единственная доступная информация имеется зачастую только на шильдике двигателя. В статье подробно рассмотрен алгоритм автоматического определения параметров асинхронного двигателя с помощью организации серии тестовых сигналов, генерируемых преобразователем частоты по заданному закону. Определение непосредственно параметров схемы замещения производится расчетным путем с использованием имеющихся данных на двигатель, результатов откликов на тестовые сигналы, а также с помощью их статистической обработки. Далее на основе идентифицированных параметров двигателя непосредственно в процессорном блоке преобразователя частоты производится расчет параметров регуляторов тока, скорости и потокосцепления. Производится непосредственно запуск электропривода и оценка эффективности и качества его работы с помощью программы «Viewer». Даже в случае нормальной работы электропривода периодически, в моменты отсутствия движения, проверяется значение активного сопротивления статора, подверженного изменению из-за нагрева обмоток. Изменение этого сопротивления может привести к существенному отклонению от требуемых значений коэффициентов регуляторов. Поэтому при необходимости производится повторный расчет их значений. Предложенная в работе система автоматической настройки регуляторов показала себя как незаменимый инструмент при модернизации лифтовых систем.
Ключевые слова: система управления преобразователя частоты, идентификация параметров, настройка регуляторов, переходный процесс, контур скорости, электропривод лифта.
Abstract. A system of automatic tuning of the frequency converter to the control object - induction electric motor that is used in lift system has been discussed. Features of the systems for their upgrading are, as a rule, impossibility to mount off the motor from the hoist reduction gear as well as big variety of the motor types and sizes, often outdated ones. Therefore in order to tune the system controller there is need in determining parameters of the induction motor equivalent circuit. The only available information is often the information from the nameplate of the motor. In the paper an algorithm of automatic determination of the induction motor parameters by means of the test signal series generated by frequency converter according to preset law has been considered in detail. Determining the equivalent circuit parameters is carried out by means of calculation using the available motor data, the responses to the applied test signals as well as their statistical treatment. Later based on the motor identified parameters the parameters of the current, speed and flux linkage controllers are calculated within the processor unit of the frequency converter. Thereafter the electric drive is started and its efficiency and operation quality are estimated by means of program «Viewer». Even in case of no rmal operation of the electric drive the stator resistance of the induction motor has been determined periodically in case of no motion of the motor, cause the resistance is subject to alteration because of heating up of the windings. The resistance alteration can cause essential deviation of the controller's parameters from the desired ones. That is why a re-calculation of their values is carried out, if needed. The proposed system of automatic tuning of the controllers has been used successfully for some time to upgrade lift systems.
Keywords: system of frequency control, parameter identification, control settings, transition process, speed loop, elevator drive.
Введение
Современные преобразователи частоты (ПЧ), применяемые в лифтовых системах, в отличие от общепромышленных решений требуют значительно более точной настройки.
Неточности в определении параметров схемы замещения асинхронного электродвигателя (АД) могут привести к низкому качеству переходных процессов и, как следствие, вызвать недопустимые явления, такие как вибрация кабины лифта.
Информатика, вычислительная техника и управление. Моделирование. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
Ввиду того, что на практике преобразователи частоты в лифтовых системах не комплектуются одним типом электродвигателя, существует проблема в части определения параметров их схемы замещения. При этом точное знание параметров приобретает особое значение в современных системах векторного управления при отсутствии датчика скорости.
Для оптимизации и ускорения процесса запуска электропривода лифта все зарубежные производители предлагают различные алгоритмы автоматической настройки на объект управления, в основе которых лежит предварительное определение параметров схемы замещения и их коррекция после запуска системы в реальном времени.
На основе полученных параметров двигателя производится расчет контуров регулирования и коррекция их количественных и качественных показателей в процессе работы, проводимая по данным промежуточных тестов.
Алгоритмы расчета и измерения параметров схемы замещения АД и параметров объекта управления остаются за пределами руководств по эксплуатации и являются интеллектуальной собственностью изготовителей преобразователей частоты.
В настоящей работе представлены алгоритмы расчетно-экспериментального комбинирован-
ного определения параметров схемы замещения АД и параметров всех регуляторов системы векторного управления. Блок-схема алгоритма определения параметров схемы замещения АД и настройки регуляторов системы управления приведена на рис. 1.
Идентификация параметров схемы замещения АД
На первом этапе пользователю необходимо ввести в память преобразователя каталожные данные АД. Далее, согласно функциональной схеме, изображенной на рис. 2, производится измерение
сопротивления статора , информация о величине которого необходима для расчета остальных параметров схемы замещения по каталожным данным. Расчет проводится по известной методике [1] на основе нескольких итерационных циклов, которые завершаются при отклонении расчетных параметров на заданную малую величину в начале и в конце цикла.
Уточнение расчетных параметров производится сравнением с опытными значениями, получаемыми с помощью ряда тестовых операций в соответствии с блок-схемой на рис. 1. Для каждой операции ПЧ автоматически конфигурируется согласно функциональным схемам на рис. 2 и 3 «Опыт постоянного тока» и «Опыт переменного тока».
1. Начало
Рис. 1. Блок-схема алгоритма определения параметров АД настройки регуляторов ПЧ
Рис. 2. Функциональная схема опыта постоянного тока
Рис. 3. Функциональная схема опыта переменного тока
На зажимах двух фаз двигателя формируется напряжение нулевой частоты (см. рис. 2), среднее значение которого рекомендуется на уровне 5-10 % от постоянного напряжения и 0 на входе ПЧ. Данная схема позволяет определить оцененное значение Я3 и оцененное значение полной индуктивности статора Ь3 согласно выражению:
и, - Л • Я
ь3 =-
(1)
(ШИМ). В табл. 1 приведены значения Я3 в процентах от номинального Я* АД, полученные при тестировании на различной частоте ШИМ при задании на входе Qs (см. рис. 2) ряда значений, в процентах от и0 / 2.
Т а б л и ц а 1
Вариации оценки Я* в зависимости от частоты ШИМ
бздд , % от ио /2 Я5 , % от Я*
8000 Гц 5500 Гц 4000 Гц
6,7 404,0404 147,4747 83,26263
10 187,8788 100 80,80808
13,3 127,2727 91,61616 80,60606
16,7 111,8182 81,71717 80,40404
20 103,0303 81,31313 80,10101
где и1 - напряжение в фазе; I, - ток в фазе.
Следует отметить, что в реальном ПЧ необходимо учитывать «мертвое время», падение напряжения на ключах при данном рабочем токе и возможные схемотехнические особенности системы управления. При определении Я* рекомендуется определить уровень тестового сигнала на входе задания по напряжению при различных значениях частоты широтно-импульсного модулятора
Из таблицы следует, что при высокой частоте ШИМ выходная характеристика ПЧ в области низких напряжений носит нелинейный характер. В этой связи для определения с точностью 1.. .2 % необходимо выбрать приемлемые значения частоты ШИМ и бЗАд. Отметим, что выбор слишком низких значений частоты ШИМ приводит к увеличению пульсаций тока и снижению точности измерений.
При определении оценочных значений полной индуктивности статора Ь3 и взаимоиндуктивности АД Ьм точное определение производной тока в (1) достаточно проблематично, поэтому необходимо провести ряд опытов, так называемый
Информатика, вычислительная техника и управление. Моделирование. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
процесс нормализации группы с отбрасыванием некоторого количества крайних значений.
^Ы = - ^аЗ • (2)
Для определения оценки собственной индуктивности статора Ьа8 и оценки активного сопротивления цепи ротора служит «Опыт переменного тока».
С небольшими допущениями он представляет собой опыт «короткого замыкания» для АД. При этом для заданной амплитуды и частоты тока статора определяется значение коэффициента мощности путем программного определения сдвига между напряжением и током. По выражению (3) определяется значение величины Як, по (4) определяется 2к и по (5) - Ьк :
Rk =
U1 cos9 2L - L '
M к
Zk =
Uj .
Lk =
h- rk
(3)
(4)
(5)
2nf '
где IRMS - действующее значение тока.
При этом величина LöS принимается равной половине LK, что, по мнению практически всех
авторов работ по идентификации параметров схемы замещения АД, вносит погрешность в расчет регуляторов не более 1 %.
Зная значение LM и LöS, по схеме замещения АД можно, с некоторыми допущениями, определить LgR по выражению:
L _ LK LM
2Т - L
м ^к
(6)
Опыт «короткого замыкания» проводится для различных значений частоты тока АД с целью определения влияния эффекта вытеснения тока в
роторной цепи и более точного определения по выражению:
= (як - яз )кскин, (7)
где Кскин определяется опытным путем, учитывает скин-эффект и всегда меньше единицы.
Таким образом, основные параметры схемы замещения АД получаются двумя способами -расчетным и опытным. При этом в опыте постоян-
ного тока ЬЫ измеряется при различных токах, что позволяет определить его значение при насыщении магнитной цепи.
Далее производится сравнение каждого расчетного параметра с опытным значением. При
этом учитывается, что сумма и не должна превышать Ьк, сумма ЯЗ и Яя не должна превышать Як, а величина ЬЫ выбирается из нескольких опытных и одного расчетного значения, близких по величине, но не меньше, чем при опыте с большими токами.
Окончательное установление параметров до начала включения электропривода производится с помощью теста роторной цепи путем подачи на двигатель напряжения высокой частоты номинальной амплитуды. При этом параметры роторной цепи считаются установленными, как наиболее доступные для тестирования, и определяются
Яя и Ьк, причем Ьк = ЬЫ + ЬаК. Далее они анализируются на предмет совпадения с полученными ранее значениями, и заполняется табл. 2 параметров АД как исходная для расчета регуляторов.
В общем случае для получения наиболее точных оценок параметров схемы замещения АД рекомендуется проводить несколько экспериментальных опытов «постоянного тока», «переменного тока» с последующей статистической обработкой результатов (усреднением, исключением выбросов и т. д.).
Расчёт параметров регуляторов системы управления ПЧ
В качестве регуляторов тока, потокосцепле-ния и скорости используются ПИ-регуляторы, обеспечивающие требуемые показатели качества регулирования. Выражения для коэффициентов усиления и постоянных времени получены согласно теории подчиненного регулирования и настроены по методике Кесслера на модульный оптимум. В основе методики лежит принцип настройки на желаемый вид переходного процесса [2]. Структура контуров регулирования, по которой производится настройка, показана на рис. 4.
Рассмотрим выражения для настройки регуляторов.
Коэффициент усиления регулятора тока:
KPT —
1
10 • I
•U. •-
8
(8)
1 Л
Рис. 4. Функциональная схема системы управления АД для Е8Б-ТСЬ в режиме векторного управления с обратной связью: РС - ПИ-регулятор скорости, РТ - ПИ-регулятор тока, РП -ПИ-регулятор потокосцепления, у з - задание потокосцепления, Ю з - задание скорости
где 11Н - номинальный фазный ток АД.
Постоянная времени интегрирования регулятора тока:
с
tpt =
2 R
где с = 1 - -
L
м
LS Lr
- эквивалентное сопротивление.
к pw ="
Lr RE
L i
M г Iff
J ШИМ
где /шим
T — LR TP^= Rr
сти:
J
k pc =■
101
1H
W 2 xn
з и
ШИМ :
Zp KS
Tpc = 64
(9)
- коэффициент рассеяния,
(13)
Согласно приведенной на рис. 4 структуре задание на контур потокосцепления остается постоянным и рассчитывается по следующей формуле:
У ЗАД = У 2п =--~ Мн- . 04)
з z/ 2 р
м
L
2 _ 12 1H 10
R R R2m R3 = RS + Rr -Rt
lr
Коэффициент усиления регулятора потокос-цепления:
(10)
- частота ШИМ. Постоянная времени регулятора потокос-цепления:
(11)
Коэффициент усиления регулятора скоро-
(12)
2 ^
где ^ - момент инерции, приведенный к валу двигателя; X- число пар полюсов.
Постоянная времени регулятора скорости:
Параметры, присутствующие в выражениях (8)-(14), являются общепринятыми и в данной статье не раскрываются. Теоретические основы расчета параметров приведены в [3]. Программное обеспечение Для проведения автоматической настройки ПЧ на конкретный АД в разработанной программе «Viewer» в группу «Параметры двигателя» вводятся основные параметры АД: его мощность, номинальное напряжение питания, номинальный ток, номинальная частота напряжения питания, номинальная скорость АД, коэффициент мощности cos(9), КПД и момент инерции. После чего при известном активном сопротивлении RS ста-торной цепи для расчёта параметров схемы замещения АД можно воспользоваться дополнительным модулем «Tuning». Изображение окна «Tuning» представлено на рис. 5.
Также в данном модуле производится расчёт параметров регуляторов системы управления АД по выражениям (8)-(14).
При неизвестном активном сопротивлении RS статорной цепи целесообразно провести процедуру определения параметров (автонастройку) схемы замещения АД посредством выбора соответствующей команды в окне параметров АД программы «Viewer», изображенном на рис. 6. В данном случае возможно:
2
1
J m i
Шильдик. Параметры схемы замещения Регуляторы
Вел... Разм. Значение Вел... Разм. Значение Вел... Разм. Значение
Рп Вт 6500 R1 Ом 0.52ЭЭЭЭЭ713897... ТОК
пп об/мин Э45 R2' Ом 1.01186561584473 Кр ед. 5.3475599288...
пО об/мин 1000 L1 Гн 0.0047875852324... Ti с. 0.0068099913...
КПД итн.ед. 0.75 L2' Гн 0.0050701331347... ПОТОК
cos(f] ед. 0.3 » Lm Гн 0.0802703574299... » Кр ед. 6.4011645317...
fHOM Гц 50 Ч-' Вб 0.7301939129829... Ti с. 0.0843397527... У
U1 В 220 fliJHM Гц 6000 Ч-' Вб 0.7301939129...
F!s □ м 0.53 ат ед. 2 СКОРОСТЬ
Km огн.ед. 2.3 Jfl кг"м2 0.028 Кр ед. 0.3725571334...
Jm кг"м2 0.042 Ti с. 0.0199999995...
Rs известно \/ Упрощено
■У ¡Стереть лог аетоматически;
Рис. 5. Окно расчёта параметров схемы замещения АД и настройки регуляторов
Код Название Значение Ед. изм. Тип Вид Адрес Запись Мин. Макс. Завод
10.0 Тип двигателя Пользователь (0) STR DEC 320 1 0 6 0-Поль
10.1 Номинальная мощность 6.5 кВт UINT16 DEC 321 1 ОД 100,0 5,0
10.2 Номинальное напряжение 380 В UINT16 DEC 322 1 100 500 380
10.3 Номинальный ток 15.1 А UINT16 DEC 323 1 ОД 630,0 17,0
10.4 Номинальная частота 50.00 Rnnn niniusmnii ATT 100,00 50,00
10.5 Номинальная скорость АД 940 Об/м и 6000 745
10.Б Косинус фи 0.780 UINT16 DEC 326 1 0,500 0,999 0,800
10.7 КПД 0.835 UINT16 DEC 327 1 0,500 0,999 0,850
10.8 Момент инерции двигателя 0.150 кг*м2 UINT16 DEC 328 1 0,000 65,530 0,058
10.9 Активное сопротивление обмотки статор 0.53 Ом uir Полученные параметры схемы замещения АД 1,00 0,73
10.10 Активное сопротивление обмотки ротора 0.93 flii 1,00 0,70
10.11 Индуктивность рассеяния статора 4.1 !!Гн uir Т16 DEC 331 1 ОД 6 00,0 4,3
10.12 Индуктивность рассеяния ротора 4.3 мГн UINT16 DEC 332 1 ОД 6500,0 4,5
10.13 Взаимная индуктивность 78.8 мГн UINT16 DEC 333 1 ОД 6500,0 80,8
10.14 Команды расчета параметров ЕВШЕВШН STR DEC 334 1 0 4 0
10.15 Резерв Нет команды (0) UINT1 6 DEC 335 0 6553 5
10.16 Резерв Автонастройка. (2) Рег.тока_потокосц. (3) Per.скорости (4) .ЦЩТ1 Выбор команды автонастройки 5
10.17 Резерв UINT1 5
10.18 Резерв 0 UINT16 DEC 338 0 65535
10.19 Резерв 0 UINT16 DEC 339 0 65535
Рис. 6. Окно параметров АД программы «Viewer»
• провести процедуру автонастройки и автоматически рассчитать коэффициенты всех регуляторов;
• провести только процедуру автонастройки;
• рассчитать параметры только регуляторов тока и потокосцепления по указанным параметрам схемы замещения АД;
• рассчитать параметры только регулятора скорости.
На рис. 6 приведен результат тестового определения параметров схемы замещения АД 5АФ200МА6/24НЛБ УХЛ4 мощностью 6,5 кВт и расчета коэффициентов регуляторов, полученный посредством программы «Viewer». Результаты сведены в табл. 2. После проведения выбранной процедуры автонастройки параметры схемы замещения АД и регуляторов автоматически запо-
минаются и используются в дальнейшем при работе всей системы управления.
Результаты экспериментов
При правильной настройке регуляторов переходный процесс в контуре скорости, при ступенчатом входном воздействии, должен иметь определённый вид - кривая 1 на рис. 7. Соответствующее модульному оптимуму перерегулирование 4,7 % устраняется применением на входе в контур скорости программируемого ^-образного профиля разгона/торможения. В этом случае изменение скорости во времени носит гладкий характер без перерегулирования - кривая 2 на рис. 7. Соответствующее модульному оптимуму перерегулирование 4,7 % устраняется применением на входе в контур скорости программируемого S-образного профиля разгона/торможения. В этом
Т а б л и ц а 2
Значения параметров двигателя 5АФ200 МА6/24НЛБ УХЛ4 (6,5 кВт)
Название параметра Номинальное значение Оцененное значение Погрешность, %
Активное сопротивление цепи фазы статора (), Ом 0,53 0,5325 +0,47
Собственная индуктивность цепи фазы статора (), мГн 4,203 4,196 +2,2
Взаимоиндуктивность (Ьм ), мГн 77,75 78,81 +2,9
Активное сопротивление цепи фазы ротора (^), Ом 0,96 0,937 -0,17
Собственная индуктивность цепи фазы ротора (), мГн 4,437 4,31 -2,3
случае изменение скорости во времени носит гладкий характер без перерегулирования - кривая 2 на рис. 7.
60 50 40 зо 20 10 0
со, р ад/с.
¡\
2
у
/ 1 }рем я, с.
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
Рис. 7. Переходный процесс по скорости: 1 - отработка ступенчатого входного воздействия, 2 - отработка разгона электропривода по 8-образному профилю
В процессе проведённых исследований определены зависимости параметров регуляторов системы векторного управления от температуры, показанные на рис. 8.
Очевидно, что с ростом температуры устойчивость контура скорости увеличивается, но при этом устойчивость всей системы снижается.
Данные факты подтверждают необходимость подстройки параметров регуляторов в процессе функционирования системы.
На рис. 9 и 10 представлены переходные процессы разгона и торможения электропривода лифта при оптимальной и произвольной настройке регуляторов. Данные динамические характеристики наглядно показывают существенное улучшение качества переходных процессов при оптимальной настройке регуляторов во время замедления скорости лифта.
V' *Р , кру- А 2хп к
рт __"рс
'—
кр V
—к —
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
Рис. 8. Изменение параметров регуляторов: тока , скорости , потокосцепления ^^
и задания потока у 2хп от колебаний , при изменении температуры АД
Выводы:
При невозможности достижения желаемых показателей качества системы выполняется уточнение параметров электродвигателя в процессе работы согласно алгоритму, изображенному на рис. 1.
Для реализации полной процедуры автонастройки наиболее целесообразно использовать методику настройки на желаемый вид переходного процесса, соответствующий апериодическому закону, с помощью вещественно-интерполяционного метода. В таком случае процедура настройки сводится к идентификации параметров схемы замещения электродвигателя, после чего выполняется тестовый прогон и корректируются коэффициенты регуляторов без вмешательства человека.
0.5 1 1.5 : 2,5 5 5.5 1, с
Рис. 9. Переходные процессы при неверно настроенной системе управления
П.5 1 1,5 2 2.5 5 5.5 1, с
Рис. 10. Переходные процессы при правильно настроенной системе управления
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Масандилов Л.Б. Особенности выбора расчетных параметров асинхронного двигателя // Труды МЭИ. Вып. 683. Электропривод и системы управления. М. : МЭИ, 2007. С. 24-30.
2. Проектирование и исследование автоматизированных электроприводов: учебное пособие / Л.С. Удут, О.П. Мальцева, Н.В. Кояин. Томск: Изд-во ТПУ, 2007-2010. Ч. 8: Асинхронный частотно-регулируемый электропривод. 2010. 448 с.
3. Чернышев А.Ю. Чернышев И.А. Электропривод переменного тока : учеб. пособие. Томск : Изд-во ТПУ, 2008. 218 с.
