CC BY
16
© B.C. Горбик, Б.А. Момот, 2014
УДК 621.313
В.С. Горбик, Б.А. Момот
МОДЕЛИРОВАНИЕ И СРАВНЕНИЕ РАБОТЫ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ВЫСОКОДИНАМИЧНЫМИ АЛГОРИТМАМИ УПРАВЛЕНИЯ
На сегодняшний день, достижения в сфере силовой электроники позволяют рассматривать асинхронный привод совместно с силовым коммутатором, при этом преобразователь частоты во многом определяет энергетические характеристики привода.
Проведены сравнение алгоритмов управления асинхронным электроприводом и оценка влияния выбора алгоритма на быстродействие и энергетические показатели привода.
Ключевые слова: асинхронный электропривод, DTC алгоритм управления, векторный алгоритм управления с релейными регуляторами.
Выбор алгоритма управления. Вопрос быстродействия чрезвычайно важен для машин и механизмов к которым предъявляются повышенные требования по скорости и точности регулирования, работающих в тяжелых эксплуатационных условиях с колебаниями нагрузки в широких пределах. Примерами таких механизмов служат: подъемные механизмы, приводы станков, тяговые приводы электровозов и электроприводы карьерных экскаваторов.
В целях повышения быстродействия асинхронного привода целесообразно применение алгоритмов управления с релейными регуляторами. Релейные регуляторы обладают большим быстродействием по сравнению с ПИ-регуляторами и легче в настройке. Существенным недостатком такого решения является снижение электромагнитной совместимости между автономным инвертором и асинхронным двигателем, проявляющееся в ухудшении коэффициента мощно-
сти, гармонического состава тока и напряжения на выходе преобразователя частоты и в питающей сети.
В рамках данной статьи производилось сравнение ЭТС алгоритма управления и векторного алгоритма управления с релейными регуляторами тока. Векторный алгоритм управления не рассматривался в связи с более низким быстродействием по сравнению с другими алгоритмами управления.
Векторный алгоритм управления с релейными регуляторами отличается от векторного алгоритма управления наличием релейных регуляторов тока. Подробно векторный алгоритм управления с релейными регуляторами описан в [4]. Электромеханическая совместимость асинхронного двигателя и инвертора, в случае векторного алгоритма управления с релейными регуляторами, определяется шириной петли гистерезиса регуляторов тока, поскольку именно от них зависит частота коммутации и скорость отрабатывания возмущающих воздействий.
Рис. 1. Модель для сравнения динамических и энергетических характеристик алгоритмов управления асинхронным двигателем представлена
Наиболее оптимальным по быстродействию считается ЭТС алгоритм управления [2]. В данном алгоритме управления задание на формирование напряжения вырабатывается релейными регуляторами. За счет применения релейных регуляторов и табличной системы управления ключами достигается высокое быстродействие. Вектор напряжения на выходе инвертора формируется в оптимальном положении, минуя промежуточные положения. При этом ЭТС алгоритм управления определяет переменную частоту коммутации и, как следствие, несинусоидальную форму напряжения на выходе инвертора, что негативно сказывается на электромеханической совместимости инвертора с асинхронным двигателем.
Математическое моделирование в пакете прикладных программ МаАаЬ.
С целью сравнения по быстродействию и энергетическим показателям асинхронного привода при ЭТС алгоритме управления и при векторном алгоритме управления с релейными регуляторами, была построена модель
приводов (рис. 1) в программе «Ма^аЬ» с использованием программного пакета «81тиНпк»и библиотеки «81тРошег8уз1етз».
При моделировании были приняты следующие допущения: коммутация силовых ключей происходит мгновенно; отсутствуют потери в силовых линиях; внутренние шины преобразователя не имеют индуктивности; в законе управления не реализована функция задержки по времени, обеспечивающая безопасное переключение коммутаторов. Данные допущения не оказывают существенного влияния на точность моделирования [2].
В качестве примера для оценки характеристик привода был рассмотрен привод механизма подъема карьерного экскаватора.
Для задания модели двигателя использовалась стандартная модель «ЛзупсЬгоп1изМо1ог» библиотеки
«81тРошег8уз1етз»с параметрами двигателя АИР35588: номинальная мощность 132 кВт, сопротивление статора 15 мОм, сопротивление ротора 9,3 мОм, взаимная индуктивность 10,5 мГн, индуктивность стато-
к М, Н-м -1-1— Момент нагрузки, Н-м
/
/
1, С
1 \ \
График задания момента нагрузки
Рис. 2
ра 0,3 мГн, индуктивность ротора 0,3 мГн. Мощность данного двигателя соответствует мощности привода подъема и напора карьерных экскаваторов.
Питающая сеть смоделирована с помощью блока источника напряжения «ТЬгееРЬазеБоигсе» со следующими характеристиками: амплитуда напряжения 400 В, частота 50 Гц, сопротивление 0,02 Ом, индуктивность 0,05 мГн.
Силовая часть каждого из преобразователей частоты состоит из неуправляемого выпрямителя, выполненного по схеме Ларионова, и шес-типульсного автономного инвертора. Потери в силовых ключах схемы не учитывались. Емкость конденсаторных батарей в звене постоянного тока была принята равной 7500 мкФ.
График задания по скорости соответствует упрощенной тахограмме для привода подъема карьерного экскаватора. Разгон до номинальной скорости был принят за 0,6 с, поддержание постоянной скорости в течении 0,4 с, остановка в течении 0,6 с. Длитель-
ность работы с постоянной скоростью была принята небольшой в виду того, что интерес представляют только переходные режимы работы. График задания момента нагрузки привода представлен на рис. 2.
При расчете шаг интегрирования был принят равным 2*10-6.
Модель асинхронного привода с ОТО алгоритмом управления.
Как видно на рис. 1, модели привода с ЭТС алгоритмом управления и векторным алгоритмом управления с релейными регуляторами представлены блоками. Модель блока с ЭТС алгоритмом состоит из модели асинхронного двигателя, модели неуправляемого выпрямителя, модели инвертора, выполненного на ЮВТ силовых ключах и модуля управления, который реализует ЭТС алгоритм управления. Этот алгоритм управления широко известен, описание одной из его реализаций в программе Ма^аЬ приведено в [6]. Для данного алгоритма управления были приняты следующие настройки:
Рис. 3. Графики скорости асинхронного управления с релейными регуляторами
Пи-регулятор скорости: пропорциональная составляющая 30, интегральная составляющая 200.
Гистерезисные регуляторы: для регулятора момента ширина петли гистерезиса 10 Н-м, для регулятора потока 0,02 Вб.
Ограничения регуляторов по выходному моменту 1200 Н-м.
Максимальная частота коммутации 20 кГц.
Модель блока с векторным алгоритмом управления с релейными регуляторами состоит из тех же моделей, что и модель привода с ЭТС алгоритмом управления, за исключением модуля, реализующего алгоритм управления приводом. Реализация векторного алгоритма управления с релейными регуляторами в программе Ма^аЬ приведена в [6].
Для данного алгоритма управления были приняты следующие настройки:
ПИ-регулятор скорости: пропорциональная составляющая 300, интегральная 2000.
ПИ-регулятор потока: пропорциональная составляющая 100, интегральная 30.
Гистерезисный регулятор тока: ширина петли гистерезиса 10 А.
привода с DTCh векторным алгоритмом
Максимальная частота коммутации 20 кГц.
В результате моделирования были получены графики переходных процессов. На рис. 3 и на рис. 4 показаны графики скоростей приводов и диаграммы тока приводов соответственно.
Тахограмма скоростей (рис. 3) показывает что при данных настройках DTC алгоритм управления менее точно повторяет диаграмму задания скорости. При этом DTC алгоритм не был настроен на максимальное быстродействие по контуру скорости. Такое ограничение DTC алгоритма управления было введено с целью получения более приемлемых характеристик с точки зрения электромеханической совместимости между автономным инвертором и асинхронным двигателем.
С целью определения энергетических характеристик в установившемся режиме, полученные в результате моделирования кривые тока, была разложены в гармонический ряд Фурье. Разложение в гармонический спектр было выполнено с помощью метода FFT. Коэффициент нелинейных искажений для DTC алгоритма управления
Релейно-векторный алгоритм управления
Рис. 4. Графики тока для привода с ЮТСи векторным алгоритмом управления с релейными регуляторами
и векторного алгоритма управления с релейными регуляторами соответственно составил 2,42% и 1,98 %.
При использовании векторного алгоритма управления с релейными регуляторами меньше искажения формы тока, потребляемого асинхронным двигателем. И хотя для данных ре-лейно-векторных алгоритмов коэффициент искажений получился низким, в процентном соотношении разница составила 22 %.
Выводы
В результате моделирования было получено, что привод с векторным алгоритмом управления с релейными регуляторами может обладать быстродействием сравнимым с приводом с
1. Перспективы развития электропривода / Колпаков А. // Силовая электроника. - 2004. - №1. - с.46-48.
2. Дробкин Б.З., Емельянов А.П., Ко-зярук А. Е., Свириденко А. О. Высокодинамичные энергоэффективные электроприво-
DTC алгоритмом управления. Однако для обеспечения большего быстродействия привода с векторным алгоритмом управления с релейными регуляторами приходится снижать зону нечувствительности токовых регуляторов. Снижение зоны нечувствительности приводит к быстроизменяющемуся току статора и перерегулированию, что видно на графике тока.
Вместе с тем, гармонический анализ кривой тока статора показывает, что ток, потребляемый асинхронным электродвигателем при векторном алгоритме управления с релейными регуляторами, меньше искажен высшими гармониками тока при установившемся режиме работы.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ды горных машин -Горное оборудование и электромеханика. - 2011. - №4. - с.34-39.
3. Ефимов A.A., Шрейнер Р.Т. Активные преобразователи в регулируемых электроприводах переменного тока. Ново-уральск: НГТИ, 2001 г.
4. Виноградов А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока. Иваново: ИГЭУ, 2008 г.
5. Герман-Галкин С. Б. Моделирование полупроводниковых систем в Mat-lab 6.0: Учебное пособие. - СПб.: Корона принт, 2001 - 320 с.
6. Пронин М.Б., Воронцов А.Г., Калачиков П.Н., Емельянов А. П. Электроприводы и системы с электрическими машинами и полупроводниковыми преобразователями (моделирование, расчет, применение) Под редакцией Крутикова Е. А. - СПб. «Силовые машины» «Электросила», 2004 г. -252 с. ШИЛ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Горбик Владислав Сергеевич, аспирант, Момот Борис Александрович, аспирант,
кафедра "Электротехники, электроэнергетики, электромеханики", Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», e-mail: rectorat@spmi.ru
UDC 621.313
MODELING AND COMPARISON OF ASYNCHRONOUS ELECTRIC DRIVE OPERATION WITH HIGH-RESPONSE CONTROL ALGORITHMS
Gorbik l/.S., Graduate Student, MomotB.A., Graduate Student,.
National Mineral Resource University (University of Mines), e-mail: rectorat@spmi.ru
As of today, power electronics achievements enable analysis of asynchronous electric drive together with commutator. In this case, frequency converter governs the drive energy characteristics [1].
The asynchronous drive control algorithms are compared, and the algorithm choice effect on the drive response speed and energy is assessed in the article.
Aimed at comparison of the response speed and energy performance of asynchronous drives with DTC and with on-off regulator with vector control algorithm, the model of the drives is constructed with the help of Matlab, Simulink and SimPowerSystems.
The model of the unit with DTC algorithm contains the asynchronous electric drive model, straight rectifier model, inverter model with IGBT module and control module with DTC algorithm.
The modeling results show that the on-off regulator with vector control algorithm exhibits response speed comparable with the DTC drive; the harmonic analysis of the stator current curve yields that current consumed by the asynchronous drive with the vector control algorithm and on-off regulator is less distorted with harmonics when in the stable operation mode.
Key words: asynchronous electric drive, DTC algorithm, vector control algorithm with on-off regulators.
REFERENCES
1. KolpakovA., 2004. Outlook for advance in electric drives, Power Electronics J., No. 1, pp. 46-48.
2. Drobkin B.Z., Emelyanov A.P., Kozyaruk A.E., Sviridenko A.O., 2011. High-dynamic and energy efficient drives of mining machines, J. Mining Equipment and Electromechanics, No. 4, pp. 34-39.
3. EfimovA.A., ShreinerR.T., 2001. Active AC Converters in Controllable Drives. Novouralsk: NGTI.
4. Vinogradov A.B., 2008. Vector Control of AC Drives. Ivanovo: IGEU.
5. German-Galkin S.B., 2001. Matlab 6.0 Modeling of Semiconductor Systems: Educational Aid. Saint-Petersburg: Korona print. P. 320.
6. Pronin M.V., Vorontsov A.G., Kalachikov P.N., Emelyanov A.P., 2004. Electric Drives and Systems with Electric Machines and Semiconductor Converters (Modeling, Calculation, Application). Saint-Petersburg: Power Machines JSC. P.252.
