Автоматизированный испытательный комплекс для идентификации параметров асинхронных электродвигателей горных машин Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

-------------------------------------- © В.Г. Каширских, В.М. Завьялов,

2004

УДК 621.313.33:62-83

В.Г. Каширских, В.М. Завьялов

АВТОМА ТИЗИРОВАННЫЙ ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПАРАМЕТРОВ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ГОРНЫХ МАШИН

Семинар № 18

Ту ежимы нагружения электроприводов

-МГ горных машин, во многом определяющие их надежность и производительность, зависят от многих факторов, в том числе и от параметров приводных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором (АД). Знание текущих значений параметров и переменных величин АД, характеризующих его состояние в процессе работы, необходимо для настройки и функционирования системы управления в случае применения регулируемого электропривода, а также для диагностики и защиты АД при его использовании в регулируемом и нерегулируемом электроприводе.

Управление только тогда будет эффективным, когда известны параметры и состояние объекта управления. Однако для АД, как правило, известны лишь каталожные данные, являющиеся усредненными для серии электродвигателей, в то время как для конкретного двигателя они индивидуальны и, кроме того, некоторые из параметров в процессе работы изменяются в широких пределах, например, активное сопротивление короткозамкнутого ротора может изменяться в 1,5 раза, поэтому для качественного управления требуется знать текущее значение параметров и состояние АД.

Эта задача существует также на заводах-изготовителях АД и ремонтных предприятиях для определения параметров каждого двигателя и проведения контроля качества продукции, в результате которого по отклонению реальных параметров и переменных от проектных значений можно выявить нарушения технологического процесса.

По просьбе ОАО «НИИ взрывозащищенных электрических машин» (г. Кемерово) на кафедре электропривода и автоматизации Куз-ГТУ разработан автоматизированный испыта-

тельный комплекс для решения этой задачи на основе моделирования динамических процессов АД с использованием теории обобщенной электрической машины, расширенного фильтра Калмана и рекуррентного метода наименьших квадратов [1, 2]. При этом информация о физических процессах в двигателе получается путем непрерывного измерения фазных токов и напряжений обмотки статора, а при работе АД со статической нагрузкой требуется также датчик частоты вращения ротора (при динамической нагрузке она вычисляется).

Для определения параметров и компонент вектора состояния математическая модель АД, основанная на уравнениях Парка-Горева, выражается уравнениями обобщенной электрической машины, которые затем представляются в дискретном виде, пригодном для использования расширенного фильтра Калмана или рекуррентного метода наименьших квадратов. Компьютерное моделирование на основе измеренных данных позволяет получать требуемые значения в реальном времени.

При статической нагрузке в реальном масштабе времени определяются активные сопротивления статора и ротора (Я!, Я2), индуктивность рассеяния статора (Ьст), индуктивности статора и ротора (Ьь Ь2), потокосцепления статора (¥[), ротора (Р2) и цепи намагничивания (¥ш), а при динамической нагрузке - активные сопротивления статора и ротора, потокосцеп-ление и частота вращения ротора (Р2, Ют), момент сопротивления на валу (Мс). В качестве исходных данных при этом используются параметры кривой намагничивания, момент инерции ротора (I) и индуктивность цепи намагничивания (Ьш), определяемые по результатам предварительной идентификации на основе ис-

АІ

Обработка данных, полученных при статическом режиме работы АД

1, Иі, Юг Lm

О

1, Иі

Обработка данных опыта холостого хода

и

її

І1, Иі

Обработка данных, полученных при динамическом режиме работы

Обработка данных опыта пуска "вхолостую"

т, L2ст €

& *

АД І1, Иі

Рис. 1. Структура вычислительной части программы

0а(1)

пытания АД на холостом ходе. Рассмотрим здесь лишь часть математического описания.

При динамической нагрузке математическая модель состояния АД имеет следующий вид:

Х(к+1) = / ( Х(к), и(к), а( к), V( к), к ) .

х - ^^'^0^2 рЮгК1К2Мс ]Г ;

/(х, и, а, V, £) =

/

Г2 ¥гр

/з

/4 Щ 4

/,

/ К

К

Мс

К КЬ

Уга+\ —Ц' Гга~

К Н^Ь

-^г¥гр + РЧ¥2а+^^ 4 Ь2

і [ 3 4т 112 V

У(к) §(х(к), и(к), а(к), П(к), к)’

У = [и1а и1р1;

§(х, и, а, п, к) =

§2

К, Ьт

+ | 4 + К2 “Т | ІІС

4

44

4

,+ Р®г— ^2< 42

+ | 4 + К2 “Г |

Ь4 - ьт

4

где х - вектор состояния системы; и - вектор наблюдаемого входного сигнала; а - вектор параметров объекта; V - вектор входного неиз-меряемого шума; у - вектор наблюдаемого выходного сигнала; п - вектор помех измерений; и1а, и1/з - компоненты вектора напряжения статора; к = 0, 1, 2, ...

Экспериментальная проверка методов оценки параметров и состояния АД была произведена на испытательном стенде, включающем в себя асинхронный двигатель 4АХ90Ь4У3, нагрузочный генератор постоянного тока, блок датчиков, а также персональный компьютер с платой аналого-цифрового преобразователя ЛА2М2 и оригинальным программным обеспечением. Полученные данные подтвердили возможность оперативного опре-

Ил ив ис 1л 1в 1с

11а w Диффе-

Координатный преобразователь 1нз^

ренциатор

иіа

иір

11а

іір

ёИа/Л

Фильтр

Калмана

ёир/&

уіа

уір

Фильтр

Калмана

уша

ушр

Вычислитель тока ротора

Вычислитель

индуктивности

ротора

12а

12р

Ь2

1

Ьіо

у

Фильтр Калмана

Рис. 2. Структура процедуры обработки опыта холостого хода

деления параметров и состояния АД. Об эффективности методики можно судить по затратам времени на оценку: от 20 мс (потокосцеп-ление ротора) до 150 мс (активное сопротивление ротора), что вполне приемлемо для ее использования, например, в векторном управле-

■►Яі

\\11и

Vі?

■^■Ьіо

уша

ушр

Ь2

у2а

-► У2Р

-► Я2

нии, а также для создания подсистем защиты и диагностики электроприводов.

Программное обеспечение для реализации разработанных методов идентификации АД состоит из двух основных частей: измерительной, выполняющей измерение и сохранение данных о токах, напряжениях статора и частоте вращения ротора, и вычислительной, производящей обработку измеренных данных. Структура вы-

ш

ш

числительной части программы показана на рис. 1. Здесь 08(Дь К-2, Ь^, Ьь Ь2, ¥ь Т2, ¥т) и ©а(Я-1, Я2, ^2, ©г,, Мс) - векторы определяемых параметров при статическом и динамическом режимах работы АД, соответственно.

Полная структура всех вычислительных процедур является громоздкой, поэтому для примера здесь приведена лишь структура процесса идентификации АД, работающего в статическом режиме (рис. 2).

Исследование шумов измерительной системы показало, что их характеристики соответствуют требованиям, которые предъявляются к ним при использовании для оценок расширенного фильтра Калмана и метода наименьших квадратов.

Из всех оцененных величин АД с короткозамкнутым ротором непосредственному измерению доступны только активное сопротивление и индуктивность статора. Для этих параметров можно оценить погрешность их оценки, которая для активного сопротивления статора составила 0,3 % при статическом режиме работы и 3 % при динамическом режиме, а для полной индуктивности статора - 6,4 % для статического режима.

Непосредственное измерение остальных величин невозможно или затруднительно, поэтому для проверки работоспособности и точности полученных методов было использовано компьютерное моделирование на основе моде-

ли обобщенной электрической машины, заключающееся в расчете состояния АД с использованием его параметров, подводимого напряжения, и прикладываемого к ротору момента сопротивления методом Рунге-Кутта.

Далее, из результатов моделирования брались составляющие тока и напряжения статора и, где необходимо, частота вращения ротора, после чего производилось их сложение с шумом, аналогичным присутствующему в реальной измерительной системе, и на их основании производилась оценка параметров и состояния АД.

Сравнительный анализ показал, что отклонение данных, полученных при моделировании, от оцененных не превышает 3%, что подтверждает эффективность разработанных методов.

Таким образом, разработанные методы идентификации АД, структура и программное обеспечение вычислительных процедур могут быть использованы как основа для создания автоматизированных испытательных комплексов на заводах-изготовителях АД и ремонтных предприятиях, а также для создания системы мониторинга параметров и состояния АД в реальном времени с использованием полученной при этом информации для управления, защиты и диагностики асинхронных электроприводов горных машин.

----------------------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ключев В.И Теория электропривода: Учебник для 2. Эйкхофф П. Основы идентификации систем

вузов.- М.: Энергоатомиздат, 1985.-560 с. управления. Оценивание параметров и состояния. -М.:

Мир, 1975.-560 с.

— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------------------------

Каширских Вениамин Георгиевич. — кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой электропривода и автоматизации КузГТУ, г. К;емерово.

Завьялов Валерий Михзайлович — кандидат технических наук, доцент кафедры электропривода и автоматизации КузГТУ, г. К;емерово.