CC BY
57
научно-технической конференции. Тольятти, 12-15 мая 2009г. В 3 ч. Тольятти: ТГУ, 2009. Ч.1., С.266-270.
4. Асинхронный двигатель для безредукторного электропривода: пат. РФ №5524 МПК H02K 3/30, 3/32, 17/16. 2006.
V. Afonin, O. Kruglikov, R. Rodionov, Yu. Cherny'shev
Lift drive without gear- innovative energo - and the resource-saving equipment In article the basic development cycles and introductions without gear drive are resulted. Some aspects of tests without gear drives are considered. Keywords: without gear drive, lift cabin, engine, winch.
Получено 06.07.10
УДК 620.9:502.14:62.83
В.Ф. Глазунов, д-р техн. наук., проф., (4932) 26-97-07, gvf123@yandex.ru (Россия, Иваново, ИГЭУ им. В. И. Ленина), А.А. Репин, ассист., (4932) 56-27-87,
repin@drive.ispu.ru (Россия, Иваново, ИГЭУ имени В.И.Ленина)
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ СИНЕРГЕТИЧЕСКИЙ РЕГУЛЯТОР КООРДИНАТ БЕСКОНТАКТНОГО СИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
На основе метода АКАР синергетической теории управления синтезирован энергосберегающий закон векторного регулирования координат бесконтактного синхронного электропривода, позволяющий минимизировать потери мощности в двигателе на всем диапазоне регулирования, обеспечивая при этом высокую стабильность скорости вращения и малую чувствительность к изменениям параметров объекта и нагрузки на валу.
Ключевые слова: энергосбережение, БСЭП, СДПМ, АКАР.
Приоритетными направлениями развития обрабатывающих отраслей промышленности в соответствии с государственной политикой России в области науки, технологий и техники являются энерго- и ресурсосбережение [1, 2]. В данных условиях на фоне стремления руководства предприятий к наращиванию темпов производства, а также к повышению конкурентоспособности в связи с непрерывным ужесточением требований к качеству готовой продукции необходимость совершенствования элементов и систем технологического оборудования становится очевидной.
Одной из сфер применения мер по энергосбережению традиционно является электрический привод (ЭП), предоставляющий один из самых эффективных и экологичных способов получения механической энергии. На сегодняшний день в развитии ЭП малой и средней мощности (до нескольких десятков киловатт) прослеживается тенденция к применению
синхронных двигателей с возбуждением от постоянных магнитов (СДПМ) [3]. Такие двигатели, являясь бесконтактными, имеют большой воздушный зазор, что значительно повышает их надежность, высокие энергетические и массогабаритные показатели, высокую стабильность частоты вращения. Указанные достоинства открывают возможность построения на основе СДПМ высокоточных прецизионных ЭП с широким диапазоном регулирования скорости и момента.
Для построения цифровых систем управления (СУ) бесконтактными синхронными ЭП (БСЭП) используются обычно как принципы векторного регулирования координат, так и частотного регулирования при включении СДПМ по схеме вентильного двигателя, в сочетании с методами подчиненного и модального управления [4]. Получаемые в результате несложных процедур синтеза на основе этих методов замкнутые СУ ЭП имеют характеристики, близкие к характеристикам приводов постоянного тока. Достоинством перечисленных подходов является относительная простота технической реализации при обеспечении широкого диапазона регулирования и высоких динамических показателей, основным недостатком -практически полное отсутствие инженерных решений в области энергосбережения, что приводит в различных режимах работы ЭП либо к недоиспользованию СДПМ по мощности, либо к недопустимо большим потерям в стали и меди двигателя.
На сегодняшний день можно с уверенностью утверждать, что в связи с бурным развитием микропроцессорной техники и полупроводниковой элементной базы накоплен существенный потенциал для улучшения энергетических характеристик ЭП на базе СДПМ. Наиболее перспективным методом в этой области на наш взгляд является оптимизация режимов работы БСЭП по критерию минимума потерь в СДПМ [4]. Такая стратегия управления обеспечит максимально возможное использование приводного двигателя по мощности и моменту во всех режимах работы ЭП, существенно снижая при этом энергозатраты, что увеличивает экономический эффект от использования СДПМ.
Важно помнить и о том, что цифровой БСЭП является частью сложного взаимосвязанного производственного комплекса, что предполагает жесткие требования к системе управления в отношении точности регулирования координат, а также инвариантности к изменениям параметров, неизбежным в процессе эксплуатации. В этой связи очевидной становится необходимость перехода от построения цифровых СУ по принципам подчиненного и модального регулирования к новым методам оптимального и адаптивно-самоорганизующегося управления.
На наш взгляд весьма перспективными для решения прикладных задач управления ЭП являются методы синергетического, «несилового» управления [6]. Основным методом синергетического подхода в теории управления стал метод аналитического конструирования агрегированных
регуляторов - АКАР [6], открывающий возможность разработки векторных алгоритмов управления, гарантирующих наличие в замкнутой системе свойств инвариантности и робастности.
Сказанное выше позволяет сделать вывод о том, что решение задачи повышения технических, эксплуатационных и энергетических показателей БСЭП может быть достигнуто путем применения метода АКАР при синтезе синергетического алгоритма векторного управления СДПМ с использованием стратегии минимизации полных потерь в двигателе в качестве энергетического инварианта замкнутой системы.
Использование такой стратегии для получения энергетического инварианта, обеспечивающего минимизацию потерь мощности в двигателе на всем диапазоне регулирования, предполагает необходимость построения математической модели, отражающей зависимость указанных потерь в установившемся режиме от регулируемых переменных СДПМ. Упрощенное представление данной модели, предложенное в [4], показано на рис. 1.
Рис. 1. Модель СДПМ в установившемся режиме с учетом потерь
в меди и стали
На рис. 1: ids, iqs - соответственно токи статора по осям d и q координатной системы, вращающейся со скоростью поля ротора юэл; uds, uqs -соответственно напряжения статора по осям d и q; idc, iqc - соответственно эквивалентные токи в стали магнитопровода; id, iq - соответственно токи, формирующие электромагнитный момент на валу; Rs, Rc - соответственно сопротивление обмотки статора и эквивалентное сопротивление магнитопровода; Ld, Lq - соответственно индуктивности обмотки статора по осям d и q; ^пм - эквивалентное потокосцепление от постоянных магнитов.
Суммарные потери мощности в стали и меди СДПМ согласно модели, представленной на рис. 1, можно определить по формуле [4]
v2
РмЕс = Рм + Рс = 1,5Rs (ids + q ) + iR^ (Lqlq ) + (пм + Ldld f
(1)
£
где Рмс - суммарные потери в СДПМ; Рм- потери в меди обмоток; Рс- потери в стали магнитопровода.
Известно, что энергетические характеристики режимов работы СДПМ определяются током статора по оси ё [4]. Регулирование этого тока позволяет управлять магнитным потоком двигателя, мощностью, потребляемой из сети, а также уровнем потерь при электромеханическом преобразовании энергии. В этой связи энергетический инвариант, обеспечивающий минимизацию потерь в СДПМ, будем искать в следующем виде [6]
( = - Ж = (2)
Выражение для оптимального тока определим из (1) при помощи поиска минимума функции Рмс (¡ж). Для упрощения процедуры алгебраических преобразований примем = Ьд = Ь, что вполне допустимо ввиду большого количества полюсов роторов СДПМ, применяемых в составе современных БСЭП.
После преобразований окончательно имеем
2 (
■ опт =
ЯсЬ ^ пм^эл (Ь2^эл + Яс
'с
(3)
А (( + Яс Н4л + Яс2А? (2Я* + Яс )э2л + ЗД Для синтеза энергосберегающего синергетического регулятора скорости БСЭП на основании метода АКАР и стратегии минимизации полных потерь в двигателе в первую очередь запишем нелинейную математическую модель СДПМ, полученную в [7]
х=а(х)х+би-01-с2 ;
¿=ДФ, (4)
3
где х е Щ - вектор фазовых координат, компонентами которого являются: х1 = юэл, х2 = ¡й, х3 = V; и е Щ - вектор управляющих воздействий: и1 = и и2 = ид*; 0 = Мс - возмущающее воздействие;
А(Х)=
°
°
¥
пм
3 ^п (- Ьд ) 23 3 3 Р 1 пм ° °
23
Я Ьы Ьд —-Хл Ьы ; б = 1 Ьы °
Ьых1 Т 1 ^д Я Ьд ° 1 Ьд
Рп
I °
°
рп - число пар полюсов; J - суммарный момент инерции рабочего меха-
2 Т
низма, приведенный к валу двигателя (кг-м ); ъ = \т,1 г2] - вектор промежуточных переменных; А = diag(S1, §2);
Х20 = ¿¿иопт; хю = Юъэл - требуемая ско-
ф= x1-x10 ; с= "1 0 0"
_ x2-x20 _ 0 1 0
рость.
Из синергетической теории управления [5] известно, что совокупность критериев управления принято выражать в виде соответствующей системы инвариантов. Воспользуемся здесь технологическим инвариантом системы с СДПМ, введенным в [7],
<И = х1 - х10 = 0, (5)
а также электромагнитным (энергетическим) инвариантом (2).
Согласно процедуре АКАР, для модели (4) далее вводится вектор
12
агрегированных макропеременных ¥ = Ш . Очевидно, что на данном этапе синтеза возможно решение задачи выполнения инварианта (2), тогда вектор макропеременных выбираем в следующем виде [6]:
^1=P I
»(x1+j1+x10), (6)
1 1 1 T 1 1 T
где ¥ = ¥2 ] - вектор макропеременных; ф = [0 ф2 ] - вектор внут-
1 T 10 T
ренних управлений; x = [x2 x3] ; x = [x20 0] ; Р - числовая невырожденная
матрица, dim P = 2*2.
При этом вектор макропеременных (6) должен удовлетворять решению векторного дифференциального уравнения [6]
¥ 1+Л1¥1=0, ^=diag (^1, 4). (7)
Для обеспечения асимптотической устойчивости решения уравнения (7) необходимо выполнение условия Х11, Х21 > 0 [6].
По окончании переходных процессов Т1 = 0 происходит точная динамическая декомпозиция замкнутой системы «СДПМ - регулятор» [5]. Тогда движение изображающей точки будет описываться уравнениями
x, =3 А L J ' Lq) ф - f Ф - f9
z1 = S1 (x1 - x10 ); z2 =S2 (L - x20 ).
z1;
(8)
Далее, следуя методу АКАР, для декомпозированной системы (8) вводится следующая совокупность макропеременных, что позволяет определить внутренние управления ф1 и перейти к следующему этапу декомпозиции. Определив все внутренние управления и макропеременные, совместно решая (4), (6) и (7), получим элементы вектора управления:
■ )-1
А1 (х)х - А1 ( - х20 ) + ^ + Р-1Л V
Ж
(9)
где А1 = [ 0]Т, А1 (х ) =
0 Я Тд —-Х] Та 1 0
; В1 = Та 1
¥ 1 пм Т 1 ^д Я 0
Тд Тд Тд
Выражение (9) является уравнением нелинейного динамического регулятора, обеспечивающего выполнение замкнутой системой БСЭП инвариантов (2) и (5), то есть стабилизацию скорости выходного вала при сохранении минимального значения потерь мощности в СДПМ для всех режимов работы привода. Явно выраженное присутствие в законе управления интегральных составляющих обеспечит в динамическом режиме подавление флуктуаций как параметров двигателя, так и нагрузки на валу.
Результаты расчета динамических характеристик синтезированной системы управления, полученные в среде БтиПпк МАТЬАБ 6.5, представлены на рис. 2. Рис 2, а показывает переходный процесс относительно скорости СДПМ, рис 2, б - переходные процесс относительно действующего значения напряжения и тока статора. Участки 1 - 5 динамических характеристик соответствуют различным значениям момента нагрузки на валу: 1 - Мс = Мном; 2 -Мс = 1,25Мном; 3 - Мс = 0,75Мном; 4 - Мс = 0,5Мном; 5 - Мс = 0,25Мном. Расчет проводился для следующих параметров системы: двигатель - Я = 0,205
(Ом); Яс = 1,21 (кОм); Т = Ьч = 6,5 (мГн); ^м = 0,231 (Вб); Рп = 2; 3 = 2 112 0,04 (кг-м ); регулятор - эл = 157 (рад/с); X 1 = X 2 = X 1 = 60; ри = Р22 = 1;
Р12 = Р21 = 3; 81 = 1; §2 = 4000.
10 20 а
10 20 30 4П б
Рис. 2. Динамические характеристики замкнутой системы управления БСЭПс энергосберегающим синергетическим регулятором координат
В результате анализа переходных процессов были выявлены такие достоинства разработанной синергетической СУ, как высокие динамические характеристики, параметрическая грубость и энергосбережение, что позволяет считать обоснованным использование метода АКАР при синтезе бесконтактных ЭП переменного тока для высокоточного технологического оборудования.
В заключение отметим, что использование предложенного нами в данной работе подхода к построению СУ БСЭП, по сравнению с известными решениями, обеспечит следующие преимущества:
1) высокие динамические характеристики ЭП и, как следствие, высокую производительность исполнительного механизма;
2) энерго- и ресурсосбережение за счет оптимального использования электродвигателя на всем диапазоне регулирования;
3) защита ЭП от излишних потерь мощности в двигателе;
4) малая чувствительность СУ ЭП к различного рода внешним и внутренним возмущениям;
5) цифровое векторное регулирование координат СДПМ, позволяющее учитывать при расчете управляющих воздействий нелинейную структуру объекта.
Список литературы
1. Приоритетные направления развития науки, технологий и техники в Российской Федерации. Утв. Президентом РФ 21.05.2006 № Пр-843.
2. Перечень критических технологий Российской Федерации. Утв. Президентом РФ 21.05.2006 № Пр-843.
3. Островлянчик В.Ю., Осипов Е.П., Богдановская Т.В. Концепция построения современных систем автоматизированного электропривода // Труды IV Международной (XV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития» (АЭП-2004, Магнитогорск, 14-17 сентября 2004 г.). Часть 1. Магнитогорск, 2004. С.178-180.
4. Jack A.G., Mecrow B. C. and Haylock J.A., A Comparative Study of Permanent Magnet and Switched Reluctance Motors for High-Performance Fault-Tolerant Applications, IEEE Transactions Industry Applications, 1996, Vol. 32. No. 4, July/Aug. P. 889-895.
5. Синергетика и проблемы теории управления / под ред. А.А. Колесникова. М.: Физматлит, 2004.
6. Синергетика: процессы самоорганизации и управления. учебное пособие в 2 ч. Ч. I. / под общ. ред. А.А. Колесникова Таганрог: Изд-во ТРТУ. 2004. 360 с.
7. Глазунов В.Ф., Репин А.А. Адаптивно-синергетическое управление бесконтактным синхронным электродвигателем // Изв. ТРТУ. Тематический выпуск. Прикладная синергетика и системный синтез. 2006. № 6. C. 158-173.
V. Glazunov, A. Repin
Power saving synergetic regulator of coordinates of the contactless synchronous electric drive
The energy-saving vector control law of the brushless synchronous electric drive coordinates is synthesized based on ADAR method of synergetic control theory. This control law allows to minimizing the motor power losses throughout the entire control range, as well as guaranties high stability of rotor angular velocity and low sensitivity to parameters variations of control object and shaft load.
Keywords: power savings, CSED, SMCM, ADAR.
Получено 06.07.10
УДК 620.9:502.14:62.83
А.И. Зайцев, д-р техн. наук, проф., (4732) 43-77-12, aplehov@mail.ru (Россия, Воронеж, ВГТУ),
A.С. Плехов, канд. техн. наук, доц., (831) 436-17-68, aplehov@mail.ru (Россия, Н.Новгород, НГТУ),
B.Г. Титов, д-р техн. наук, проф., (831) 436-17-68, aplehov@mail.ru (Россия, Н.Новгород, НГТУ)
ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПЕНСАЦИОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ В ЗВЕНЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ НА ОСНОВЕ АВТОНОМНОГО ИНВЕРТОРА ТОКА
На примере технологии энергосбережения при эксплуатации электроприводов в жилищно-коммунальном хозяйстве рассмотрены теоретические предпосылки экономного электропотребления посредством использования активных компенсационных выпрямителей в звене постоянного тока частотно-управляемых электроприводов. Варианты реализации этой технологии энергосбережения посредством компенсации реактивной мощности могут выбираться соответственно ситуации, которая характеризуется интенсивностью и степенью вариации потребления реактивной мощности на предприятии, ее соотношением с установленной мощностью активных компенсационных выпрямителей, нагрузочной диаграммой электроустановки и требованиями к надежности ее работы. Предлагаются технические решения вариантных задач реализации технологии энергосбережения.
Ключевые слова: электропривод, реактивная мощность, электродвигатель, вентили, компенсационный выпрямитель.
Снижение потерь электроэнергии в распределительных сетях до экономически обоснованного уровня является одним из важнейших на-
23
