CC BY
33
ш
УДК 62-83
И. В. Шестаков, Н. Р Сафин Опыт создания системы управления асинхронным двигателем для гидропривода крано-манипуляторной установки
Представлена математическая модель системы управления асинхронным двигателем для гидропривода крано-манипуляторной установки, реализованная в пакете Ма^аЬ Simulink. Отмечены особенности выбора частоты широтно-импульсной модуляции и компонентов регулируемого электропривода в зависимости от нагрузочной диаграммы и характеристик нового электродвигателя. Приведены выходные характеристики работы электродвигателя с питанием от источника синусоидального напряжения и преобразователя частоты, являющегося источником модулированного широтно-импульсного напряжения. Ключевые слова: асинхронный двигатель, преобразователь частоты, контроллер, скалярное управление, широтно-импульсная модуляция.
Области использования крано-манипулятор-ных установок (КМУ) достаточно широки и включают в себя промышленное производство, энергетику, строительство и т. д. Благодаря своей универсальности большинство таких установок является машинами двойного назначения [1]: они могут быть использованы в составе транспортно-заряжающих машин артиллерийских и ракетных комплексов, инженерных машин для прокладки колонных путей и дорог, оборудования артиллерийских и ракетных огневых позиций, командных пунктов и др. В данной статье под КМУ понимается крановый механизм военного назначения, ис-® пользующийся для последовательного переза-
О
^ ряжания пусковых (ПУ) и пуско-заряжающих
ц установок (ПЗУ). КМУ состоит из следующих
— основных частей, связанных между собой ки-
>s
ф
^ Рис. 1. Внешний вид КМУ: 1 - телескопическая часть;
о 2 - лебедка; 3 - стрела; 4 - выведение стрелы; 5 - вы-
^ ведение стойки в рабочее положение; 6 - поворотное 53 основание; 7 - база; 8 - стойка
2 _
(П
Г. © Шестаков И. В., Сафин Н. Р., 2018
нематическими связями: базы, поворотного основания, стойки, стрелы, телескопической части и оголовки (лебедки) (рис. 1).
В самоходных грузоподъемных агрегатах распределение потока энергии от первичного двигателя и регулирование траекторий движения исполнительных механизмов с различной нагруженностью осуществляется воздействием на гидравлическую часть, в состав которой вводятся гидрораспределительное и регулирующее (дросселирующее) оборудование. В частности, на рис. 2 в качестве примера представлена работа такого гидропривода КМУ в динамике. При различных режимах возникают повышенные пульсации в гидросистеме, приводящие к местным потерям различного рода и ненужному нагреву, а это, в свою очередь, снижает эффективность, срок службы и, главное, надежность гидропривода КМУ военной техники (ВТ). В данном КМУ (патент РФ на полезную модель № 162251) в приводе применяется новый тяговый асинхронный двигатель (АД) (получен патент РФ на полезную модель № 184734) с характеристиками: мощность PN = 15 кВт (Pmax = 18 кВт); фазное напряжение UsN = 127 В; фазный ток IsN = 50,38 А; частота питающего напряжения fN = 400 Гц; КПД nN = 0,8651; коэффициент мощности cos 9n = 0,8351; число пар полюсов zp = 4; скольжение pN = 0,0269; скорость вращения ротора = 611,42 рад/c.
При условии сохранения общей гидравлической схемы трансмиссии рациональным решением представляется переход от дроссельного (дискретного) вида регулирования
140 ООО 160 ООО
180 000
20 000 40 000 60 000 80 000 100 000 120 000
Временные точки [№]
Рис. 2. Динамика работы гидропривода КМУ:
--сигнал о давлении гидроцилиндра стрелы;--сигнал о давлении гидроцилиндра поворота; 1 - подъем
груза; 2 - опускание и подъем стрелы с грузом; 3 - опускание груза; 4 - манипуляция крана с крюком 50 кг; 5 - поворот основания; 6 - подъем качающейся части; 7 - поворот платформы; 8 - опускание качающейся части
к объемному регулированию, для реализации которого необходим привод насосной станции, регулируемый по скорости. Решение этой задачи оказывается возможным на основе использования АД, подключаемого к электрическому генератору трансмиссии через преобразователь частоты (ПЧ) - контроллер.
Внедрение ПЧ позволяет получить необходимый для крановых механизмов диапазон регулирования скорости (1:5-1:10) как в двигательном, так и в тормозном режимах работы. Повышается удобство управления краном, существенно увеличивается ресурс механических передач, тормозов и металлоконструкций из-за снижения динамических нагрузок при пусках и торможениях механизмов [2]. Для достижения этой цели в данной работе выполняется моделирование системы управления АД для гидропривода КМУ.
Проектирование частотно-регулируемого электропривода для крановых механизмов зачастую проводится интуитивно, без четкого обоснования выбора основных компонентов электропривода [2]. В данном случае выбор основных компонентов электропривода выполнялся на базе основных параметров (мощность, напряжение и ток) приводного АД и
нагрузочной диаграммы, а также на основе теплового расчета силового модуля (выходит за рамки настоящей статьи).
В настоящее время на российском рынке превалируют импортные ПЧ. В связи со сложившейся внешнеполитической обстановкой в стране взят курс на импортозамещение. Соответственно, для расширения доли рынка российскими производителями требуется разработка отечественных конструкций и систем управления для КМУ [3]. С учетом военной специфики применения к контроллеру должны быть предъявлены значительно повышенные требования (согласно комплексам государственных военных стандартов «Климат-6» и «Мороз-7»).
На основе сопоставления достоинств и недостатков разных типов ПЧ [4] принимаем, что наиболее целесообразным является вариант двухзвенного преобразователя частоты (ДНЯ) с промежуточным звеном постоянного тока и автономным инвертором напряжения (АИН). ц
В данной работе при математическом мо- <5 делировании используется система базисных ^ величин (для обеспечения общности результа- § тов моделирования и внесения рационального | масштабирования уравнений), в долях от ко- ^
торых выражаются параметры и переменные состояния АД. Используя методику, представленную в работах [4, 5], приведем результаты расчета базисных величин (табл. 1).
При проектировании системы управления АД необходима информация о его параме-
трах для представления ее в виде Т-образной схемы замещения. Согласно источнику [5], были определены параметры схемы замещения и электромеханической модели электродвигателя, а результаты расчета сведены в табл. 2.
Таблица 1
Результаты расчета базисных величин
Наименование базисной величины Формула Значение Единицы измерения
Напряжение II Ц1 179,6 В
Ток 1б 71,25 А
Угловая частота = = 2п/м 2513,274 рад/с
Скорость ротора б = ^б / 2р 628,32 рад/с
Потокосцепление ^б = и,/Ц 0,0715 Вб
Сопротивление ^ б = иб / 1б 2,521 Ом
Индуктивность к=^б/ 1б 1,003Т0-3 Гн
Момент Мб = Рб2р / 24,74 Н-м
Мощность Рб = мраг б 15544,1 Вт
Таблица 2
Результаты расчета параметров схемы замещения и электромеханической модели АД
Наименование Система физических единиц Система относительных единиц
Обозначение Значение Единицы измерения Обозначение Значение
Активное сопротивление обмотки статора Л 0,0412 Ом г 5 0,02
Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора 0,2186 Ом Хs о 0,0867
Индуктивность рассеяния обмотки статора ко 0,0867 мГн 1 о 0,0867
Активное сопротивление обмотки ротора Л 0,0743 Ом г г 0,0289
Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора Хго 0,1887 Ом Хго 0,0749
Индуктивность рассеяния обмотки ротора ко 0,075 Ом к 0,0749
Номинальное индуктивное сопротивление намагничивания 5,7 Ом Хт% 2,261
Номинальная индуктивность намагничивания 2,27 мГн 2,261
Номинальное скольжение в* 0,0269 - в* 0,0269
Коэффициенты уравнений модели электродвигателя С* 1,215 - ^ 1,215
К 0,9631 - К 0,9631
Кг 0,968 - К 0,968
кэ 0,165 мГн 1оэ 0,1645
А 31,16 с-1 аг 0,0124
Для разработки системы управления АД для гидропривода КМУ необходимо математическое моделирование режимов работы АД, происходящие в несколько этапов:
• прямое преобразование входных воздействий (фазных напряжений статора) к вращающейся системе координат;
• решение системы уравнений электромагнитных контуров (токов и потокосцепле-ний), записанных для переменных во вращающейся двумерной свободно ориентированной системе координат;
• вычисление электромагнитного момента электродвигателя;
• обратное преобразование переменных состояния электромагнитных контуров к фазным значениям для согласования модели АД с моделью АИН, которая записывается относительно мгновенных значений фазных величин.
Для реализации этих этапов электромеханическая модель АД должна включать соответствующие уравнения, которые рассмотрены далее.
Преобразование координат переменных АД включает два этапа. На первом этапе фазные напряжения преобразуются в неподвижную относительно статора двумерную ортогональную систему координат в соответствии с выражениями:
ит=(2иш - и,ь - и с )/3;
и^={иь - и с )/Д
где ит, и^ - мгновенные значения преобразованных переменных в системе координат;
иа, иь, ис - мгновенные значения фазных напряжений на зажимах статора АД.
На втором этапе выполняется переход к вращающейся со скоростью юк системе координат 0ху, угол поворота которой относительно неподвижной системы обозначается вк . На этом этапе используются формулы:
их = РхР„ а+Р уи5 в;
и= -руиш + рив ,
где и х, и у - мгновенные значения преобразованных переменных в системе координат 0 ху;
рx = cos 0Ь рy = sin 0k - координатные функции. При этом pQk = юk .
Преобразованная к двумерной, свободно ориентированной системе координат система уравнений электромагнитных контуров АД в физических единицах [4]:
Usx = RsIsx + sx - ^k^sy;
Usy = RsIsy + sy + ^k ^ sx;
0=Rrix+p^ rx - (k -Q) *;
0 = Rriy + pw,y + (Qk -Q) x;
W = TT + TT •
sx ssx m rx>
W = TT + TT •
sy ssy m ry>
^ = TT + TT •
rx r rx m sx>
W = TT + TT •
ry r ry m sy>
Tmx Tsx + Trx •
T my Tsy + T ry •
^ = TT •
mx m mx'
^ = Т I
ту т ту'
где , Вг - активные сопротивления обмоток статора и ротора;
р - оператор дифференцирования по относительному времени;
, ¥ - потокосцепления статора по осям х, у;
Q - скорость вращения ротора; 11х, 11у - токи ротора по осям х, у;
, х¥1у - потокосцепления ротора по осям
х, у;
Qk - скорость вращения системы координат;
Т - полная индуктивность обмотки статора Т = Тт + Тот;
Тот - индуктивность рассеяния обмоток статора;
Тт - главная индуктивность; Ьг - полная индуктивность обмотки ротора, Тг = Тт + Ьт ;
Тто - индуктивность рассеяния обмоток ротора;
ф о о.
I-
Ü о
Э
те
о см
<
I
со га
г
0 ^
со га
1
о.
<и
о
и <и со
см ■ч-ю
о ■
см ■ч-ю см
(П (П
х¥тх, х¥ту - главные потокосцепления по осям х, у;
1Х, 1у - токи намагничивания по осям х, у. При вычислении электромагнитного момента АД используется соотношение [4]:
М = С % (-^¿гу ),
где - нормирующий энергетический коэффициент, равный отношению полной мощности на зажимах обмотки статора к электромагнитной мощности АД Р% .
В системе относительных единиц уравнения электромагнитных контуров АД следующие:
= Чх + Р¥« Улу; иу = гАу + Р¥ *у + % ¥«;
0 = Чгх + РУгх -(юк -Ю)Угу
0 = Чу + РУгу + (к гх
¥ях _ + 1т'гх; Vлу _ + 1т'гу; Vгх = 1г'гх + 1т'лх; Угу = 1г'гу + 1т'у;
'ту 'лу + 'гу ;
Vтх 1т'тх;
(1) (2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8) (9)
(10) (11) (12)
Vту 1т'ту,
где 1т - переменный коэффициент, имеющий смысл динамической намагничивающей индуктивности, который определяется по кривой намагничивания по формуле (13).
Для получения корректных результатов математического моделирования режимов частотного управления АД требуется учет нелинейности характеристики намагничивания электродвигателя, т. е. насыщения главной магнитной цепи. Для этого в процессе решения уравнений электромагнитных контуров необходимо определять значения главного по-токосцепления, определяющего значение коэф-
фициента взаимоиндукции обмоток статора и ротора. В практических расчетах используют аппроксимацию нелинейной зависимости 1т от главного потокосцепления ут следующим выражением:
1т " 7 2 4 (13)
( + #2 ¥т + #3 ¥ т + g4 ¥т )
где - коэффициенты полиномиаль-
ной аппроксимации кривой намагничивания электродвигателя т = / (у т).
При учете насыщения (в стали статора и ротора) уравнение связи для данной системы выглядит следующим образом [4]:
¥ т + ¡г о 'т = + + .
Потери в стали ротора (для учета суммарных магнитных потерь) учитывались аналитически [5].
В системе уравнений переменных «потокосцепления статора - потокосцепления ротора» уравнения электромагнитных контуров в относительных единицах имеют вид [5]:
РУэх = их -аЛх + % У*у + аОТ кг Угх; 04)
РУу = и,у¥*х +аот кг Угу; (15)
ру,х = 0+ -ю)¥гу + а(ЛУх; (16) РУгу = 0 -атУгу - (Юк -ю)¥гх + а,Л¥*у, (17)
где кг = 1/(1 + /т / /т) - коэффициент связи ротора;
а5в _ / 1лэ, аго _ гг / 1гэ;
к = 1/(1 + / 1т) - коэффициент связи статора.
Для расчета токов АД и электромагнитного момента в относительных единицах
'х = (¥« - кг ¥ гх )/ 1лэ; 'у = (¥ лу - кг ¥ гу)/ к; 'гх = (¥ гх - К ¥« )/ 'у = (¥ гу - К ¥ лу )/ 1гэ; т = С % (¥ лу ¥ гх -¥ лх Угу )/ 1о
(18)
(19)
(20) (21) (22)
где /оэ - коэффициент потокосцепления [4],
l03 _ lSO + lr<5 + lS(5lr<5 / lm-
В системе уравнений переменных «токи статора - потокосцепления ротора» уравнения электромагнитных контуров имеют вид [4]:
1S3P'sx = Usx - rJSx + a'rVrx + ЮКVry + ЮklJsy ; (23)
1S3 pi y = Usy - rs3 hy + ry - ¥ rx - ®klJSx ; (24)
P¥ rx = kMx - a r ¥ rx + Ю k ¥ ry - ®¥ ry ; (25)
P¥ ry = KrÀy ¥ry - Ю k ¥ rx + ®¥ rx, (26)
где ls3 = L+ kJm ;
rs3 = rs + krrr + pkrlro;
a' = kr ar - pkr ;
kr = 1/(1 + lr 0 / lm );
ar = krrr / lm-
Уравнения (1)-(12), (14)-(26) в относительных единицах закладываются в блоках
электромеханической модели (AM Model_no_ iteration, Static moment) системы управления АД в пакете Matlab Simulink (рис. 3).
Математическая модель АИН с ши-ротно-импульсной модуляцией (ШИМ) для построения в пакете Matlab Simulink была реализована на основе уравнений векторно-матричных форм и связывающих мгновенные значения входных, промежуточных и выходных переменных трехфазного мостового полупроводникового коммутатора с системой управления [4, 5]. Модель ПЧ была построена с учетом компенсации влияния падения напряжения на ключах АИН и «мертвого времени» [4].
Выбор принципа управления определяется совокупностью требований к электроприводу. Электропривод кранового механизма должен ограничивать ускорение до допустимых пределов при минимальной длительности переходных процессов, а также иметь жесткие механические характеристики, чтобы скорость мало зависела от нагрузки. Скалярный принцип управления является наиболее практичным в асинхронном электроприводе ввиду
Сеть -
-£4-
в
КУ
G
\ зи
• РТ А.
h max AZe
«от
ОТ
ФР jj*
щ
Ud
ПК
и;
*Fs
УПК
Pk
ФОС
5 УАИ
ç,*Fs "и
jFs
дн
АИН
)ДТ
АД
Рис. 3. Структурная схема скалярной системы управления АД гидропривода КМУ: КУ - командное устройство; ЗИ - задатчик интенсивности; ФР - формирователь режимов; ПК - преобразование координат; УПК - блок управления преобразователем координат; УАИ - блок управления АИН; ФОС - блок формирования сигнала обратной связи по току статора; РТ - регулятор тока статора
V
о о.
I-
Ü о
Э
те
о см
<
I
о га
s
о ^
со га г о. ф
о
и ф
со
см ■ci-io
о ■
см ■ci-io см
(П (П
простоты измерения и регулирования переменных АД. Управляемость АД при этом может обеспечиваться совместным регулированием либо частоты и напряжения, либо частоты и тока статорной обмотки. Первый способ управления принято трактовать как частотное управление, второй - как частотно-токовое управление [6]. При частотно-токовом управлении АД питается от ПЧ, работающего в режиме источника тока, как правило, реализуемого на основе автономного инвертора тока (АИТ). Положительные свойства АД при его питании от ПЧ на базе АИТ могут быть реализованы лишь в замкнутой системе с использованием датчика скорости [6]. В тяжелых условиях эксплуатации наличие датчика скорости снижает определенную надежность и лимитирует область применения (в условиях ограниченного пространства). При использовании частотного управления, изменение скорости АД достигается путем воздействия на частоту напряжения на статоре при одновременном изменении модуля (амплитуды) этого напряжения. В системе регулирования электроприводом закладывается определенное соотношение между амплитудой и частотой напряжения на зажимах обмотки статора, основой для которых является закон пропорционального частотного управления ( и / /-регулирование). При формировании данного закона учитываются особенности [5]: при понижении частоты (в сравнении с номинальной) следует пропорционально уменьшать амплитуду питающего напряжения статора, так как это предотвращает насыщение главной магнитной цепи АД (перегрев); увеличение частоты при неизменной амплитуде напряжения приводит к уменьшению магнитного потока, т. е. ослаблению магнитного поля АД во второй зоне регулирования скорости.
Оптимальный выбор частоты модуляции ШИМ является вариационной задачей.
Увеличение частоты ШИМ дает ряд положительных эффектов: повышает динамическую точность воспроизведения широтно-импульсными модуляторами входных задающих воздействий (в системах частотного управления это переменные величины, изменяющиеся не только в переходных, но и в
установившихся режимах работы); уменьшает амплитуды модуляционных пульсаций токов, потокосцеплений и электромагнитного момента АД, а также зависящие от них составляющие модуляционных потерь в электродвигателе и цепи питания; создает условия для повышения быстродействия и их использования для управления технологическими процессами с повышенными требованиями к электроприводу.
Вместе с этим повышение частоты ШИМ усугубляет ряд отрицательных эффектов, а именно: вследствие повышения частоты коммутаций пропорционально увеличиваются коммутационные потери в АИН и снижается его допустимая полезная мощность; увеличиваются действующие значения емкостных токов в кабелях питания и элементах конструкции АД; усложняется проблема ограничения перенапряжений от наложения блуждающих электромагнитных волн в цепи нагрузки.
Уменьшение частоты ШИМ дает обратный эффект - снижает коммутационные потери, увеличивает полезную мощность АИН, уменьшает потери от емкостных токов и упрощает задачу ограничения перенапряжений от блуждающих волн. Однако при этом сужается диапазон рабочих частот, возрастают пульсации токов, потокосцеплений и электромагнитного момента и уровень акустического давления при работе АД. Для снижения этих факторов требуются материальные затраты на дополнение ПЧ выходными фильтрами и ухудшается использование выходного напряжения преобразователя.
На рис. 4 приведена структурная схема скалярной системы управления электроприводом гидрогенератора электрогидравлической трансмиссии КМУ в программном обеспечении (ПО) Matlab Simulink. Используется решатель ode23 (Bogacki-Shampine). Шаг интегрирования 0,000001 с. Построенная модель позволяет моделировать режим работы АД при питании от источника синусоидального напряжения (NOT INVERTER) и ПЧ (INVERTER). В структурной схеме ЗИ (блок Intensity Control Device) представляет собой нелинейное устройство, которое включается в цепь задания регулируемых величин и ограничивает темп (интенсивность) изме-
Рис. 4. Структурная схема скалярной системы управления АД в пакете Matlab Simulink
нения во времени сигнала задания на входе системы регулирования. ЗИ формирует плавное изменение задающего воздействия по внешнему командному сигналу, поступающего с командного устройства. В структурной схеме формирователь режимов (блок Mode Shaper) позволяет задать необходимый закон частотного управления, т. е. зависимость амплитуды питающего АД напряжения от частоты. Также в структурной схеме для формирования сигнала отсечки по току используются блоки Sign of Active Current и Subsystem1.
На рис. 5 представлены структурная схема подсистемы ПЧ (блок INVERTER, см. рис. 4) и структурная схема подсистемы АД (блок AM Model_no_iteration, см. рис. 4). В модели управляемыми переменными состояниями электропривода являются модуль вектора напряжений на зажимах обмотки статора и угловая частота вращения этого вектора относительно статора. На рис. 5 внутри подсистем ПЧ и АД определены уравнения математической модели в относительных единицах по данным из табл. 1 и 2.
Рис. 5. Структурные схемы в пакете Matlab Simulink: а - подсистемы ПЧ; б - подсистемы АД
ф о о.
I-
Ü о
Э
те
| Машиностроение | -
В математической модели системы управления АД гидропривода КМУ реализуется условный тестовый график работы электропривода, включающий, согласно экспериментальным данным (см. рис. 2): частотный пуск до номинальной частоты и амплитуды питающего напряжения (0...0,5 с); холостой ход - 0,2т* (0,5...1,0 с); опускание каната лебедки - 0,225т* (1,0...2,5 с); подъем груза - 0,425т* (2,5...4,5 с); опускание стрелы с грузом - 0,625т* (4,5...6,0 с); подъем стрелы с грузом - 0,7т* (6,0...8,0 с); опускание груза - 0,35т* (8,0...9,5 с) и 0,25т* (9,5...11,0 с);
манипуляции крана с крюком весом 50 кг -0,3т* (11,0...12,0 с), 0,275т* (12,0...13,0 с) и 0,3т* (13,0...14,0 с); поворот основания -0,4т* (14,0...16,0 с); подъем качающейся части - 0,75т* (16,0...18,0 с); поворот основания - 0,4т* (18,0...20,0 с).
На рис. 6 и 7 приведены выходные характеристики АД гидропривода КМУ с условным тестовым циклом при питании АД от ПЧ с частотой ШИМ (/ШИМ ), равной 1 и 4 кГц (также были получены выходные характеристики при /ШИМ, равной 2 и 8 кГц). На графиках приведены кривые: тока статора, тока ротора,
о. е.
о см
<
I
о га
г
о
со га г
.
<и
о
и <и со
см ■ч-ю о
I
см ■ч-ю см
(П (П
Рис. 6. Выходные характеристики АД при питании от ПЧ с частотой ШИМ /ШИМ = 1 кГц: - ток статора; — — - ток ротора;..........- электромагнитный момент; - частота напряжения
Рис. 7. Выходные характеристики АД при питании от ПЧ с частотой ШИМ /ШИМ = 4 кГц: - ток статора;------ток ротора; ■•■•»■•" - электромагнитный момент; - частота напряжения
электромагнитного момента и частоты напряжения. Значения по оси ординат отмечены в относительных единицах (о. е.), по оси абсцисс приведено время в секундах.
Ввиду импульсного характера питающего напряжения появляются высокочастотные пульсации токов статора и, соответственно, составляющие электромагнитного момента с основными высшими гармониками в области 2...6 кГц (рис. 8). Причем с изменением нагрузки размах пульсаций несколько варьируется, что особенно видно при работе АД от ПЧ с частотой ШИМ 1 кГц (см. рис. 6 и 8). В относительно нагруженных режимах, например подъем стрелы с грузом (6,0...8,0 с) и подъем качающейся части (16,0...18, 0 с), размах пульсаций электромагнитного момента ниже, чем при работе в малонагруженных режимах, в том числе холостой ход (0,5...1,0 с), опускание каната лебедки (1,0...2,5 с) и манипуляции крана с крюком весом 50 кг (11,0...14,0 с), в которых амплитуды пульсаций токов статора и электро-
магнитного момента АД местами превышают 10 о. е.
В табл. 3 приведены количественные результаты спектрального анализа при питании АД от ПЧ с частотами ШИМ 1, 2, 4 и 8 кГц, полученные посредством блока Powergui - FFT Analysis (БПФ - быстрое преобразование Фурье).
По результатам спектрального анализа (см. табл. 3) усредненные коэффициенты высших гармоник напряжения КВГН и тока КВГГ в зависимости от частоты ШИМ равны:
• КВГН = 1,4344 и КВГГ = 0,8584 при /шим = 1 кГщ
• КВГН = 0,7944 и КВГГ = 1,5856 при
/ШИМ = 2 кГц;
• КВГН = 0,6933 и КВГГ = 0,5504 при
/ШИМ = 4 кГц;
• КВГН = 0,7086 и КВГГ = 0,2394 при /шим = 8 кГц.
Соответственно, наиболее оптимальными (с точки зрения минимума коэффициентов высших гармоник напряжения и тока статора)
Рис. 8. Спектральный анализ тока статора при работе АД от ПЧ с частотой ШИМ /ШИМ = 1 кГц
V
о
.
I-
ü о
Э
те
Таблица 3
Данные спектрального анализа при работе АД от ПЧ
Параметр Моменты нагрузок на валу АД согласно условному циклу КМУ, о. е. Среднее значение, о. е.
0,2 0,225 0,425 0,625 0,7 0,35 0,25 0,3 0,275 0,3 0,4 0,75 0,4
/ШИМ = 1 кГц
^ВГН , е- 0,9333 1,7746 1,152 1,1117 1,116 1,611 2,122 0,7465 1,762 2,066 1,089 1,876 1,2875 1,4344
^вгт , о* е. 0,418 0,5718 0,631 0,5672 0,5766 0,5986 1,448 0,4158 0,6968 2,243 0,5989 1,6164 0,7775 0,858
/шим = 2 кГц
^вгн , е. 0,7788 0,7807 0,7864 0,7899 0,7946 0,7947 0,7969 0,8001 0,7999 0,7996 0,8009 0,8022 0,8023 0,7944
^вгт , о. е. 1,5873 1,5549 1,2343 0,9937 0,9555 1,5555 1,9098 1,8652 1,9724 1,9834 1,8016 1,1477 2,0515 1,5856
/ШИМ = 4 кГц
^ВГН , о. е. 0,6904 0,6953 0,6894 0,6971 0,6985 0,6926 0,6954 0,6836 0,6947 0,6920 0,6927 0,6974 0,6940 0,6933
^вгт , о. е. 0,6024 0,5937 0,4859 0,3988 0,3731 0,5185 0,5789 0,5440 0,5636 0,5601 0,5044 0,3494 0,5036 0,5504
/ШИМ = 8 кГц
^ВГН , о. е. 0,7060 0,7092 0,7083 0,7094 0,7093 0,7019 0,7051 0,7104 0,7076 0,7084 0,7108 0,7126 0,7128 0,7086
^вгт , о. е. 0,2823 0,2864 0,2315 0,1870 0,1730 0,2411 0,2723 0,2642 0,2653 0,2640 0,2386 0,1632 0,2437 0,2394
являются частоты с ШИМ /ШИМ = 4 и 8 кГц. При этом следует учитывать, что вследствие
СО
5 повышения частоты коммутаций пропорционально увеличиваются коммутационные по-Ц тери в инверторе и снижается его допустимая полезная мощность. Поэтому в настоящей ра-£ боте, для данного КМУ по результатам мо-< делирования наиболее оптимальной часто-« той ШИМ при питании АД от ПЧ принята /ШИМ = 4 кГц, так как при данной частоте ® ШИМ также возникают относительно меньшие коэффициенты высших гармоник (напря-щ жения и тока статора) в АД. о Согласно техническим характеристи-
ка кам АД по обеспечению требуемого напря-* жения силовой части, диапазона регулиро-¡Е вания скорости электродвигателя (1:5), а $ также необходимых интенсивности разгона (10 Гц/с) и торможения электродвигателя, для ^г системы управления контроллером выбран инвертор - силовой IGBT модуль М2ТКИ-53 100-12К. Силовая часть контроллера представ-^ ляет собой систему неуправляемый выпря-^ митель - автономный инвертор напряжения.
В качестве неуправляемого выпрямителя выбрана модель М6Д-100.
На рис. 9 представлена принципиальная электрическая схема системы управления АД для гидропривода КМУ. Плата управления включает микроконтроллер AT90CAN128-16AU. Параметры модели электропривода в пакете Matlab Simulink могут быть загружены в микроконтроллер. В системе управления применяется отсечка по току статора, обеспечивающая эффективное токоограничение в переходных режимах на валу АД. Компоновка была выполнена на плате датчика тока, включающей три датчика (Ш1, Ш2 и Ш3, подключенные к входам X9, X10 и X!! платы управления ^1, см. рис. 9).
В целях апробации результатов математического моделирования были разработаны и изготовлены опытные образцы (3 шт.) силового контроллера. Для минимизации затрат при их изготовлении были применены компоненты, не входящие в перечень ЭКБ, такие как М2ТКИ-100-12К, М6Д-100 и AT90CAN128-16AU. В изделиях гражданской техники (ГТ)
Рис. 9. Принципиальная электрическая схема системы управления АД для гидропривода КМУ: VD1 - выпрямительный модуль М6Д-100; VT1-VT3 - силовой IGBT-модуль М2ТКИ-100-12К; A1 - плата управления с принципом скалярного управления; A2 - плата драйверов IGBT с выбранной частотой ШИМ
/ШИМ = 4 кГц
можно использовать компонентную базу, реализованную на опытных образцах. В изделиях ВТ приведенные компоненты могут быть заменены на аналоги, входящие в перечень ЭКБ, в частности, силовой ЮВТ-модуль можно заменить на аналог производства АО «Ангстрем» (AnM100HBA12M), а микроконтроллер - на аналог производства АО «ПКК Миландр» (серия 1886BE).
При ШИМ выходное напряжение формируется в виде импульсов переменной длительности, модулированных по синусоидальному закону. Регулирование напряжения осуществляется изменением длительности импульсов при сохранении закона модуляции.
Диапазон модуляции современных транзисторных ПЧ с ШИМ для электропривода лежит в пределах от единиц до десятков килогерц. По результатам моделирования отмечается, что уменьшение момента сопротивления на валу АД гидропривода КМУ приводит к воз-
растанию пульсаций электромагнитного момента электродвигателя, а увеличение частоты ШИМ позволяет их снизить. Следовательно, автоматическая подстройка частоты ШИМ на максимальную при уменьшении нагрузки на АД, и наоборот, когда нагрузка на АД высокая, - снижение частоты ШИМ (для уменьшения коммутационных потерь при включение/отключении силовых ключей, и как следствие, снижения энергопотребления и тепловыделения силового модуля), позволит уменьшить пульсации электромагнитного момента на валу АД и оптимизировать энергопотребление.
На рис. 10 приведена структурная схема электрогидропривода КМУ, реализованная с £ помощью библиотеки Simscape. В данной схе- g ме подсистема Model InverterAsynchronous ь motor включает модель электропривода, раз- | работанную на предыдущем этапе (см. рис. 4 | и 5). Следующим шагом было моделирование ^
й!
Рис. 10. Структурная схема электрогидропривода КМУ в пакете ЫайаЬ БШиН^
совместной работы гидросхемы, механической части и созданной модели электропривода.
На рис. 11 показаны выходные характеристики работы системной модели КМУ по скорости и перемещениям отдельных агрегатов.
Построенная в пакете Ыа^аЬ Simulink имитационно-математическая модель КМУ позволяет исследовать в зависимости от изменения нагрузки, параметров и элементов механизма характеристики и переходные процессы
о см
<
I
(0 га
г |
о ^
со га г о.
<и
о
и <и со
см ■ч-ю о
I
см ■ч-ю см
(П (П
$1, м
0,5 0,3 ОД
0 20
Ц, рад/с 2 0 -2
20
15, м/мин
41-
0
&(, м
20
2,0 1,0 0
0
20
40
60 80 а
100
120
40
60 80 в
100
120
40
60 80
Д
100 120
40
60 80 ж
100
120
$2, м/мин
г
50 0
-50 -100
20
(,с
40
60 80 е
100 120
Рис. 11. Выходные характеристики работы системной модели КМУ: а - 51, перемещение штока в цилиндре стойки, м; б - 52, перемещение штока в цилиндре стрелы, м; в - V , скорость навивки каната на барабан лебедки, рад/с; г - 53, перемещение каната лебедки (опускание/подъем), м; д - У2, скорость подъема каната лебедки, м/мин; е - И , угол поворота основания, град.; ж - 54 , перемещение
штока в цилиндре телескопа, м
гидропривода (давление, расход), механической части (траектории перемещений, реакции в шарнирах, скорость подъема груза, нагрузочный момент от лебедки), электромагнитные характеристики и переходные процессы электропривода (силового контроллера и АД) до стадии натурных стендовых испытаний (и, соответственно, без возникающих реальных затрат на их проведение).
Таким образом, после проведения всего комплекса научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ были спроектированы, изготовлены и испытаны опытные образцы силового контроллера. На ПО управлением частотным преобразователем (силовым контроллером) получено свидетельство Роспатента о госрегистрации программы для ЭВМ № 2016617322. По результатам испытаний опытных образцов силового контроллера погрешность матмодели электропривода составляет не более 5 % по сравнению с фактическими показателями. В процессе испытаний отмечался локальный перегрев корпуса силового контроллера, связанный как с особыми внешними условиями эксплуатации (в ограниченном тер-монагруженном отсеке), так и с отсутствием системы принудительного охлаждения (для охлаждения используется оребренный радиатор).
В дальнейшем силовой контроллер может применяться в составе мобильной ВТ, он отвечает требованиям комплексов государственных военных стандартов «Климат-6» и «Мороз-7» и имеет практические возможности для совершенствования и модификации. Следует также добавить, что изделия ВТ, для которых планируется введение данного силового контроллера, являются экспортными.
В «Перечне поручений по реализации Послания Президента РФ Федеральному собранию» от 5 декабря 2016 г. № Пр-2346 (п. 1 ж) указано, что Правительству Российской Федерации необходимо с учетом ранее данных поручений обеспечить увеличение
доли высокотехнологичной продукции гражданского и двойного назначения в общем объеме продукции, выпускаемой организациями оборонно-промышленного комплекса, к 2020 г. - не менее чем до 17 %, к 2025 г. - не менее чем до 30 %, к 2030 г: - не менее чем до 50 %.
В связи с этим предполагается модернизация разработанной системы управления АД для использования также в составе конверсионной ГТ. Кроме того, планируется модификация системы управления АД гидропривода КМУ для снижения пульсаций высших гармонических составляющих напряжений и токов с целью дальнейшего снижения энергопотребления и нагрева системы электропривода при работе как в составе ВТ, так и в составе ГТ. Список литературы
1. Лагерев И. А. Сравнительный анализ гидравлических кранов-манипуляторов транспор-тно-технологических машин и гидравлических манипуляторов промышленных роботов // Научно-технический вестник БГТУ. 2016. № 3. С. 16-49.
2. Попов Е. В., Онищенко Г. Б. Частотно-регулируемый электропривод механизмов грузоподъемных кранов // Известия ТулГУ Технические науки. 2010. Вып. 3. С. 179-184.
3. Бандурин Р. А. Рынок кранов-манипуляторов в России // Проблемы современной экономики. 2015. № 26. С. 138-142.
4. Шрейнер Р. Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. Екатеринбург: УРО РАН, 2000. 654 с.
5. Шрейнер Р. Т., Костылев А. В., КривовязВ. К., Шилин С. И. Электромеханические и тепловые режимы асинхронных двигателей в системах частотного управления. Екатеринбург: ГОУ ВПО РГППУ, 2008. 361 с.
6. Терехов В. М., Осипов О. И. Система управления электроприводов. М.: Академия, 2006. 304 с.
Поступила 04.10.18
Шестаков Игорь Владимирович - заместитель главного конструктора по науке и инновациям ОКБ Публичного акционерного общества «Машиностроительный завод имени М. И. Калинина», г. Екатеринбург. Область научных интересов: теория управления наукоемкими бизнес-процессами, математическое моделирование, динамика и прочность конструкций, регулируемый электропривод.
ф о о.
I-
Ü о
Э
те
ш
Сафин Наиль Рамазанович - кандидат технических наук, ведущий инженер-конструктор бюро расчетов и компьютерного моделирования ОКБ Публичного акционерного общества «Машиностроительный завод имени М. И. Калинина», г. Екатеринбург.
Область научных интересов: математическое моделирование, динамика и прочность конструкций, регулируемый электропривод.
The experience of creating an asynchronous motor control system for the hydraulic drive of a crane-manipulator
The study introduces a mathematical model of an asynchronous motor control system for a hydraulic drive of a crane-manipulator, the model being implemented in the Matlab Simulink package. The choice of the frequency of the pulse-width modulation and the components of the controlled electric drive depends on the load diagram and the characteristics of a new electric motor. The paper emphasizes some features of this choice and also demonstrates the output characteristics of the motor powered by a sinusoidal voltage source and a frequency converter, which is a source of modulated pulse-width voltage.
Keywords: asynchronous motor, frequency converter, controller, scalar control, pulse-width modulation.
Shestakov Igor Vladimirovich - Deputy Chief Designer for Science and Innovation, Public Joint-Stock Company "Kalinin machinery plant Yekaterinburg", Yekaterinburg.
Science research interests: theory of science-based business process control, mathematical simulation, structural dynamics and integrity, controlled electric drive.
Safin Nail Ramazanovich - Candidate of Engineering Sciences, Leading Design Engineer, bureau of calculations and computer simulation, Public Joint-Stock Company "Kalinin machinery plant Yekaterinburg", Yekaterinburg. Science research interests: mathematical simulation, structural dynamics and integrity, controlled electric drive.
