CC BY
93
УДК 621.313.333
ПОВЫШЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С БЕЗДАТЧИКОВОЙ СКАЛЯРНОЙ СИСТЕМОЙ УПРАВЛЕНИЯ ПРИ ПРОВАЛАХ НАПРЯЖЕНИЯ СЕТИ
О.Б. Шонин, Н.Г. Новожилов, С.Б. Крыльцов
Исследуется бездатчиковый частотно-регулируемый асинхронный электропривод со скалярной системой управления применительно к задаче обеспечения работоспособности привода при провалах напряжения сети. Сохранение управляемости приводом достигается за счет перевода системы управления в режим управляемой рекуперации кинетической энергии, которая используется для поддержания напряжения в звене постоянного тока на требуемом уровне. Управление приводом в нормальном и аварийном режиме осуществляется по принципу подчиненного регулирования. В аварийном режиме внешний контур регулирования скорости заменяется контуром регулирования напряжения звена БС. При этом внутренний контур, регулирующий активную составляющую тока статора, остается неизменным. Исследование привода с предложенной системой управления в нормальном и аварийном режиме выполнено с помощью компьютерного моделирования в среде Ма^аЪ $1ти11пк.
Ключевые слова: частотно-регулируемый привод, рекуперация, звено постоянного тока, активная составляющая тока статора, провал напряжения.
1. Введение. Одним из направлений развития частотно-регулируемого электропривода (ЧРП) является совершенствование структур привода и систем управления, способных обеспечить работоспособность привода при отклонении параметров качества напряжения сети от нормируемых значений, которые устанавливаются регламентирующими документами по таким факторам как содержание высших гармоник, степень асимметрии трехфазной системы напряжений, уровень снижения фазных напряжений [1]. В наибольшей степени частотно-регулируемый привод чувствителен к провалам напряжения, параметры которых зависят от типа короткого замыкания в передающих и распределительных линиях, топологии сети, места возникновения аварии, параметров срабатывания релейной защиты, отключающей поврежденные участки. Средняя длительность провалов составляет от 0,1 до 3 секунд, глубина провалов 10...90 % от номинального значения, число провалов 15 - 20 в год.
Появление провалов приводит к срабатыванию реле минимального напряжения (РМН) и отключению привода от сети - в противном случае при восстановлении питания могут возникнуть броски, как зарядных токов конденсатора, так и пусковых токов двигателя при отсутствии синхронизации сети и процессов в двигателе [2 - 5]. Для ЧРП общепромышленного применения на основе двухзвенного преобразователя частоты (ПЧ) время срабатывания РМН составляет 0,02...0,04 с. [6,7], что на порядок меньше длительности кратковременных провалов.
Одним из способов сохранения работоспособности привода во время провалов напряжения является использование дополнительных источников и накопителей энергии различного типа. Экономическая целесообразность применения таких устройств определяется соотношением между ущербом от нарушения технологического процесса и затратами на установку дополнительного оборудования.
В тех случаях, когда установка дополнительного оборудования не имеет достаточного экономического обоснования, основным критерием успешного прохождения приводом аварийного состояния сети является минимизация времени повторного пуска привода, которое в идеальном случае должно совпадать с длительностью провалов напряжения.
Одним из надежных и перспективных способов сохранения управляемости привода является преобразование кинетической энергии, запасенной во вращающихся массах привода и приводного механизма, в электрическую энергию конденсатора с целью поддержания напряжения звена постоянного тока на уровне, близком к номинальному значению [8-10]. Основное достоинство способа заключается в его реализации программными средствами за счет изменения структуры системы управления приводом без установки дополнительного оборудования в силовую часть преобразователя, что делает этот способ наименее затратным. Сохранение непрерывного взаимодействия преобразователя частоты и двигателя во время провалов напряжения позволяет приблизить длительность выбега двигателя ко времени существования аварийного режима сети и обеспечить тем самым минимизацию ущерба от временного пропадания напряжения.
Особый интерес представляет реализация режима рекуперации энергии в рамках современной тенденции развития "бездатчиковых" систем управления электроприводом [11 - 16]. Известны способы реализации режима рекуперации в системах векторного управления электроприводом [17,18]. В разработках систем скалярного частотного управления без датчиков скорости вращения ротора, реализации режимов рекуперации уделено недостаточно внимания. В тоже время задача обеспечения непрерывной связи преобразователя и двигателя в таких системах во время провалов напряжения является ключевым моментом обеспечения работоспособности привода в целом.
Целью работы является разработка и исследование системы управления бездатчикового асинхронного ЧРП со скалярной системой управления, реализующей режим рекуперации запасенной энергии привода в условиях провалов напряжения в сети. Работа построена следующим образом. Дается краткое описание работы системы скалярного управления на основе наблюдателя скорости вращения ротора, на базе компьютерной модели рассматривается работа привода в основном и аварийном режимах, приводятся результаты исследования режима рекуперации, которые сравниваются с теоретической оценкой параметров выбега.
2. Система управления приводом. В работе рассматривается модифицированная система скалярного частотного управления асинхронным приводом, в которой используется наблюдатель скорости вращения ротора, основанный на соотношении между скольжением и активной составляющей тока статора. Структура двухконтурной системы починенного регулирования показана на рис. 1.
Рис. 1. Структура бездатчиковой скалярной системы управления асинхронным приводом в нормальном режиме и в режиме рекуперации кинетической энергии приводного механизма во время провалов
напряжения сети
Модификация системы управления, описанная в работе [16] , состоит в том, что в режиме рекуперации в систему управления вводится дополнительный контур для регулирования напряжения звена постоянного тока по сигналу внешнего устройства контроля напряжения. В нормальных условиях переключатель находится в положении 1, в котором система
управления работает в режиме поддержания заданной скорости вращения
* т
ротора ю путем регулирования активной составляющей тока статора 18а.
При обнаружении провалов напряжения переключатель переходит в положение 2, в котором задание для внутреннего контура регулирования тока формируется дополнительным контуром регулирования напряжения ЗПТ. Регулирование напряжения достигается за счет изменения частоты
основной гармоники выходного напряжения ПЧ в зависимости от скорости
*
вращения ротора. При сравнении напряжения ЗПТ и^с с заданием и^с формируется сигнал ошибки Ли^с, который поступает на вход регулятора напряжения. Выходом регулятора напряжения является задание активной
составляющей тока статора ^, которое сравнивается с текущим значением этой величины ^. Все остальные преобразования осуществляются, так же как и в исходной структуре управления.
Сигналы датчиков тока ^Дь,^ преобразуются в проекции Дф
вращающегося вектора ^ на оси а, Р стационарной системы координат. Используя данные о положении 0 обобщенного вектора трехфазной системы модулирующих напряжений Es, компоненты тока Дф проецируются на ось x вращающейся системы координат (рис. 2), что позволяет определить активную составляющую тока в виде
^ = Ьа + V ^ 0 (1)
Рис.2. Схема вычисления активной составляющей тока статора
Частота тока ротора оценивается по линейной зависимости wr = wrnom Isa jIsanom . Сравнение вычисленной частоты вращения ротора
est / \ / ^ * г- к * est
w = (ws -wr)/ zp с заданной величиной w дает ошибку Dw = w -w
, которая поступает на вход ПИ-регулятора скорости (РС). Выходом РС
*
является задание по активной составляющей тока Isa для внутреннего контура регулирования тока. Выходным сигналом ПИ-регулятора тока (РТ) является величина Dws, с помощью которой формируется частота модулирующего напряжения ws = wsom - Dws, где wsom - номинальная частота. Частота ws используется для формирования угла 0 и коэффициента модуляции m, который при законе регулирования E/ws = const определяется как отношение частот m = wsjwsnom . По амплитуде m и текущему углу 0(t) формируется симметричная трехфазная система модулирующих сигналов ea(t),eb(t),ec(t), которая затем корректируются слагаемыми,
510
учитывающими 1Я — компенсацию. Сравнение полученных модулирующих напряжений йа(1:),йь(1),йс(1:) с опорным сигналом ШИМ дает последовательность управляющих импульсов для ключей инвертора 8а,8ь,8С.
3. Особенности работы привода в нормальном режиме и в случае провалов напряжения. Рассмотрим основные процессы в системе «выпрямитель - конденсатор - ШИМ инвертор - асинхронный двигатель» в двигательном режиме. Осциллограммы входного тока инвертора и фазных токов двигателя, полученные при моделировании процессов в среде БтыНпкЫМЬаЪ, показаны на рис. 3.
Рис. 3. Осциллограммы токов на входе инвертора (а) и в обмотках статора (б)
Входной ток инвертора {вх (1) представляет собой последовательность импульсов, которые имеют как положительную, так и отрицательную полярность. Положительной полярности соответствует проводящее состояние ключей, отрицательной полярности в течение времени 1 - проводящее состояние обратных диодов. Положительному значению усредненного входного тока инвертора 1вх соответствует поток энергии от источника к нагрузке, который определяет мощность, развиваемую двигателем Р = 3Рф. Мощность фазы двигателя определяется основными гармониками тока и напряжения и углом сдвига фаз между ними. Для идеального инвертора мощность, отдаваемая звеном постоянного тока Рвх = и¿С1 вх ,
равна мощности двигателя Р = 3/2ит11т1С0Вф. Учитывая связь между амплитудой первой гармоникой фазного напряжения и напряжением ЗПТ ит1 = ти^с/2, где т — коэффициент модуляции, получим, что усреднен-
511
ный ток инвертора 1вх пропорционален активной составляющей тока двигателя, отвечающей за преобразование электрической энергии в механическую энергию
1вх = 3/4 т1т1Ф = 3/4 т1та. (2)
В нормальных условиях напряжение конденсатора поддерживается на требуемом уровне за счет энергии, потребляемой преобразователем от сети. При симметричных провалах напряжения диоды выпрямителя переходят в закрытое состояние и блокируют поступление энергии из сети, что приводит к разряду конденсатора на нагрузку. Механическая мощность привода в процессе разряда конденсатора изменяется незначительно и при оценке времени разряда из уравнения баланса мощности ее можно считать постоянной [19-21]. Такое допущение позволяет получить кривую разряда в следующем виде:
1 3т
ЩсО) = иёс пот - • ^а •t, (3)
где Ц^спот - номинальное напряжение, В; С - емкость конденсатора, Ф; 1$а - активная составляющая тока статора, А; т - коэффициент модуляции ШИМ инвертора до провала напряжения.
На рис. 4 показаны кривая выбега двигателя (2) и кривая разряда конденсатора ПЧ (1) для привода мощностью Р = 37 кВт при напряжении ЗПТ = 540В и ёмкости конденсатора С = 0.02Ф. До возникновения в момент ^1 = 5с. симметричного провала напряжения глубиной 100 % привод работал в номинальном режиме.
Если преобразователь не имеет защиты минимального напряжения, то конденсатор за короткое время полностью разряжается до нулевого уровня (кривая 1, рис. 4). Время разряда зависит от удельного значения
емкости С = С1Рпот и загруженности привода по мощности Р = Р/Рпот . Повторный пуск в этом случае возможен после полной остановки двигателя и предварительного заряда конденсатора.
Современные частотно-регулируемые приводы снабжены реле минимального напряжения, которое блокирует ключи инвертора при достижении напряжения конденсатора и^ф напряжения срабатывания реле
итп в момент ^тп. Значение напряжения итп выбирается из условия снижения бросков тока заряда до максимально допустимых значений токов входного преобразователя, значение времени ^тп, как отмечалось выше, зависит от ёмкости конденсатора и режима работы привода. В номинальном режиме работы привода это время составляет порядка двух периодов напряжения сети (тп » 40мс., что значительно меньше длительности провалов напряжения [5,6]. После отключения инвертора двигатель переходит в режим свободного выбега (кривая 2, рис. 4). При восстановле-
512
нии напряжения приходится осуществлять повторный пуск двигателя при неизвестной скорости вращения. Для уменьшения пусковых токов вращающегося двигателя, в системе управления приводом должен быть предусмотрен блок синхронизации модулирующего сигнала ШИМ инвертора с процессами, протекающими в выбегающем двигателе. Восстановление управляемости привода достигается сканированием двигателя с целью поиска частоты модулирующего сигнала по критерию минимума тока. Такой способ перезапуска требует заметного времени и не отличается высокой надежностью.
*>> Е/йг, рад/с в 50
40
30
20
10 0
5 I 5.2 5.4 5.6 5.8 б Бремя, с.
Рис. 4. Напряжение конденсатора (кривая 1) и частота вращения вала электродвигателя (кривая 2) при провале напряжения сети
Описанных выше проблем с перезапуском двигателя можно избежать, если сохранить управляемость привода на время провалов напряжения сети за счет поддержания напряжения звена постоянного тока за счет преобразования кинетической энергии вращающихся частей привода в электрическую энергию конденсатора. Управление этим процессом в рассматриваемом приводе (рис.1) достигается использованием внешнего контура регулирования напряжения звена постоянного тока, на который переключается внешний контур регулирования скорости вращения двигателя в момент появления провала напряжения.
4. Исследование работы привода в режиме рекуперации. Исследование разработанной системы управления проводилось при помощи компьютерной модели привода, построенной в среде Matlab/Simulink.
В модели были приняты следующие параметры привода: Рном=37 кВт, Цф.н.=220 В, 0^=45,2 рад/с, ¿=0,02, Я,=0,084 Ом, ¿3(Т=0,0009 Гн, Я/=0,0564 Ом, =0.0011 Гн, Ьп=0М09 Гн, ис=540 В, ^18 кг-м, С=22 мФ.
Регулятор напряжения ЗПТ в дополнительном контуре должен обеспечивать минимальную длительность переходного процесса, минимальное перерегулирование и максимальную точность. Совокупность требований, предъявляемых к разрабатываемой системе управления, приводит к необходимости использовать во внешнем контуре регулирования напряжения ПИД-закон управления.
Настройка ПИД-регулятора напряжения (рис.1) производилась по методу Зиглера - Никольса [22]. В результате были получены следующие параметры регулятора:
коэффициент пропорциональной составляющей Юр =6,07; коэффициент интегральной составляющей Ю = 109,5 ; коэффициент дифференциальной составляющей Ы = 0,215. Результаты моделирования работы привода в режиме рекуперации представлены на рис. 5 и 6.
До аварии в сети привод работал с угловой скоростью ю=35,6 рад с. В момент времени 11 = 5 с. произошел трёхфазный провал напряжения глубиной 100 %
Если обнаружение провала напряжения производится по кривой разряда конденсатора то коммутация системы управления для пе-
рехода привода в режим рекуперации происходит, когда контролируемое напряжение сравняется с напряжением срабатывания реле реку-
перации игес в момент ¿1. Уставка игес выбирается из условия
итт £ игес £ Udcnom, где итт — уставка РМН.
Если обнаружение и идентификация типа провала напряжения осуществляется быстродействующим анализатором симметричных составляющих напряжения входе привода, тогда переход системы управления в режим рекуперации происходит без задержки во времени относительно момента возникновения провала напряжения. В этом случае блок рекуперации поддерживает напряжение ЗПТ на номинальном уровне. На рис. 5 представлены временные зависимости скорости вращения ротора, электромагнитного момента, среднего значения входного тока инвертора и активной составляющей тока двигателя, напряжения ЗПТ и осциллограмма тока фазы А, на рис. 6 - осциллограммы ток инвертора и токов фаз двигателя. Анализ полученных результатов позволяет выделить следующие особенности работы привода в режиме рекуперации. Переход в режим рекуперации сопровождается уменьшением электромагнитного момента до нулевого значения, изменением знака и последующим возрастанием в связи с необходимостью компенсации потерь энергии в сопротивлении статора. Активная составляющая тока статора и входной ток инвертора изменяются аналогичным образом. Изменение знака этих величин соответствует пере-
514
ходу привода от двигательного режима к генераторному режиму работы. Переход привода в режим рекуперации происходит в течение времени
ts = 0,4 c.
Рис. 5. Осциллограммы: а - скорости вращения двигателя w(t); б - электромагнитного момента Tem(t); в - активной составляющей тока статора Isa(t) и среднего значения тока инвертора 1вх(t);
г - фазного тока статора i(t); д - напряжения ЗПТ U^c(t)
Переходный процесс сопровождается снижением напряжения ЗПТ на 2 %, которое затем восстанавливается до заданного значения U^cnom и
поддерживается на этом уровне до момента восстановления нормального режима сети. При этом перерегулирование не превышает 0,5 %.
Особенностью работы привода в режиме рекуперации является форма входного тока инвертора iex(t) (рис.6, а), для которой харктерна симметрия относительно оси времени и равенство длительности проводящего состояния обратных диодоа X и длительности проводящего состояния транзисторов моста инвертора, что примерно соответствует предельному режиму работы инвертрора [23]. Равенство среднего
515
значения тока на входе инвретора означает сохранение напряжения конденсатора ЗПТ на заданном уровне. Фазные токи двигателя в режиме рекуперации (рис. 6, б) носят реактивный характер. Амплитуда тока равна амплитуде реактивного тока статора в нормальном режиме до перехода привода в режим рекуперации.
а) ток на входе инвертора^
5.84 5.845 5.85 5.855 5.86 5.865 5.87 5.875 5.88
Рис. 6. Осциллограммы: а - входного тока инвертора; б - фазных токов
двигателя
Приведенные кривые показывают, что при провале напряжения сети синхронизация преобразователя и двигателя не прерывается, что позволяет осуществить контролируемый повторный пуск в момент восстановления напряжения сети 12 = 6 с. К моменту повторного пуска угловая скорость уменьшилась на 38 % и составила = 22 рад с.
После восстановления напряжения система управления переходит к структуре, соответствующей нормальному режиму работы, и осуществляет разгон привода до скорости, которая была до возникновения провала напряжения. Необходимо отметить, что при повторном пуске потребляемый приводом ток не превышает значения тока в нормальном режиме работы более чем в 1,5 раза, что является максимально допустимым значением для большинства ЧРП. Отсутствие кратных бросков тока при повторном пуске снижает негативное влияние аварийного режима работы привода на полупроводниковые ключи преобразователя. Равномерная загруженность элементов преобразователя по току в условиях частого возникнове-
ния провалов напряжения позволяет сохранять нормальный тепловой режим этих элементов и в перспективе способствует увеличению срока эксплуатации.
Заключение. В работе исследована предложенная система скалярного управления асинхронным частотно-регулируемым электроприводом без датчика скорости, построенная по принципу подчиненного регулирования и реализующая режим рекуперации запасенной энергии привода для поддержания напряжения ЗПТ на номинальном уровне при возникновении провалов напряжения в сети. Приведены результаты компьютерного моделирования привода в нормальном и аварийном режиме, дано описание процессов, характерных для перехода в режим рекуперации, стационарного режима рекуперации и для повторного пуска. Показано, что разработанная система управления позволяет поддерживать напряжение ЗПТ на номинальном уровне при глубине провала напряжения 100 % и длительности 1 с. Использование в контуре регулирования напряжения ЗПТ ПИД-регулятора обеспечивает длительность переходного процесса в режим рекуперации 0,4 с. и перерегулирование 0,5 %. Во время провала напряжения сохраняется управляемость приводом, что позволяет после восстановления питания обеспечить плавный разгон двигателя от скорости 22 рад с до первоначальной скорости 35,6 рад с. и восстановление тем самым нормального режима работы привода. При повторном пуске вращающегося двигателя ток не превышает предельно допустимых значений.
Список литературы
1. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в сетях общего назначения М.: Изд-во стандартов, 20013. 16 с.
2. Корнилов Г.П. Ограничение провалов напряжения в сетях промышленных предприятий // ЭСиК. 2014. №2. Т. 23. С. 44 - 48.
3. Теличко Л.Я., Басов П.М. Влияние провалов напряжения в распределительных сетях промышленных предприятий на работу современных регулируемых электроприводов // Электротехнические комплексы и системы управления. 2009. № 2. С. 16-20.
4. Ершов С.В., Жабин Б.А. Особенности определения провалов на-пряженияв системах электроснабжения // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 8. 2014. С. 97102.
5. Гуревич Ю.Е., Файбисович ДЛ., Хвощинская З.Г. О бесперебойности электроснабжения промышленных потребителе // Электричество. 1995. № 8. С. 2-10.
6. Milutin P. Petronijevi'c, Borislav I. Jefteni'c, Nebofsa M. Mitrovi'c, and Vojkan Z. Kosti'c Voltage Sag Drop in Speed Minimization in Modern Adjustable Speed Drives // FACTA UNIVERSITATIS (NFS) SER.: ELEC. ENERG, 2006. V. 16. P. 231-237.
7. Sensitivity of AC Adjustable Speed Drives to Voltage Sags and Short Interruptions / S.Z'. Djokic, K. Stockman, J.V'. Milanovic, J.J. Desmet and R. Belmans // IEEE Transactions on Power Delivery. 2005. 20(1). P. 494-505.
8. Joachim Holtz, Wolfgang Lotzkat Controlled AC Drives with Ride-Through Capability at Power Interruption // IEEE Transactions on Industry Applications. 1994. Vol. 30. No. 5. P. 1275-1283.
9. Annette von Jouanne Prasad N. Enjeti, Basudeb Banerjee Assessment of Ride-Through Alternatives for Adjustable-Speed Drives // IEEE Transactions on Industry Applications. 1999. V. 35, № 4. P. 908-916.
10. Deswal S.S., Ratna Dahiya, Jain D.K. Ride through topology of ASD's during power systems faults // Journal of Science, Informatics and Electrical engineering. 2008. V.2 (1). P. 2-10.
11. Holtz J. Sensorless Control of Induction Motor Drives // Proceedings of the IEEE, 2002. V. 90, № 8. P. 1359-1394.
12. Nagasekhar Reddy P., Linga Reddy P., Amarnath J. Sensorless control of induction motor using Simulink by direct synthesis technique // International Journal of Electrical Engineering. 2011. V. 4. № 1. P. 23-32.
13. Виноградов А.Б., Сибирцев А., Колодин И. Адаптивно-векторная система управления бездатчикового асинхронного электропривода серии ЭПВ // Силовая электроника, 2006. №3. С. 50-55.
14. Cравнительное экспериментальное тестирование систем бездатчикового управления асинхронными двигателями / С.М. Пересада, С.Н. Ковбаса, А.Б. Воронко, Д.Л. Приступа // Електромехашчш i енергозберiгаючi системи. 2012. Т. 19. № 3. С. 137-141.
15. Умурзакова А. Д. Косвенный контроль выходных механических переменных асинхронного электродвигателя в электроприводе: дис. ... канд. техн. наук. Томск, 2015. 116 с.
16. Шонин.О.Б., Новожилов Н.Г., Крыльцов С.Б. Наблюдатель частоты вращения ротора в скалярной системе управления асинхронным электроприводом // Электротехнические системы и комплексы. 2016. №2(31). С. 15-19.
17. Rajagopalan Lakshmi Narayan Behavior of variable speed drives under influence of voltage sags: Master of engineering degree thesis: University of Wollongong, 1999. 158 p.
18. Виноградов А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока. Иваново: Изд-во ИГЭУ, 2008. 298 с.
19. Bose B. Power electronics and motor drives // Elsevier inc., 2008.
P. 935.
20. Kurt Stockman Ride-through of adjustable speed drives during voltage dips / Frederik D'hulster, Kevin Verhaege, Marcel Didden, Ronnie Bel-mans// Electric Power Systems Research. 2003. 66. P. 49-58.
21. Kurt Stockman Voltage sag imunity test setup for induction motor/ Frederik D'hulster, Kevin Verhaege, Marcel Didden, Ronnie Belmans// Proc. of 11th International symposium on Power Electronics.(Ugoslavia, Novi Sad), 2001. P. 1 - 5.
22. Жмудь В. А. О методах расчетов ПИД-регуляторов // Автоматика и программная инженерия, 2013. №2 (4). С. 118-124.
23. Гельман М.В., Дудкин М.М., Преображенский К.А. Преобразовательная техника: учеб. пособие // Челябинск: Издательский центр ЮУр-ГУ, 2009. 425 с.
Шонин Олег Борисович, д-р техн. наук, проф., ninosh_eltech@,mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет,
Новожилов Никита Геннадьевич, асп., nikita_novozhilov@,mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет,
Крыльцов Сергей Борисович, асп., kryltcov@outlook.com, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет
ENHANCING THE STABILITY OF A SENSORLESS V/f CONTROLLED VFD UNDER
VOLTAGE SAGS
O.B. Shonin, N.G. Novozhilov, S.B. Kryltcov
The paper is devoted to the study of a sensorless frequency-controlled asynchronous electric drive with a scalar control system in relation to the task of ensuring the drive operation when brownouts in the power grid occur. Controllability of the drive is kept through the translation of control system in a controlled kinetic energy recovery mode, which is used to maintain the voltage in the DC link of the frequency converter to the required level. The control system is designed on the principle of the subordinate regulation. In emergency mode, the external speed control loop is replaced by the control loop of DC bus voltage. The internal loop that regulates the active component of the stator current remains unchanged. The study of the drive with proposed control system under normal and emergency conditions is carried out by computer simulation in an environment MatLab Simulink.
Key worlds: variable-frequency drive, kinetic energy recovery, DC-link, active component of the stator current, voltage dip.
Shonin Oleg Borisovich, doctor of technical sciences, professor, ni-nosh_eltech@,mail. ru, Russia, St Petersburg, Saint-Petersburg Mining University,
Novozhilov Nikita Gennadievich, postgraduate, nikita_novozhilov@,mail. ru, Russia, St Petersburg, Saint-Petersburg Mining University,
519
Kryltcov Sergei Borisovich, postgraduate, kryltcov@outlook. com, Russia, St Petersburg, Saint-Petersburg Mining University
УДК 62-523
ВЫБОР КРИТЕРИЯ ОПТИМАЛЬНОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ДВУХМАССОВОЙ СИСТЕМЫ «ГЕНЕРАТОР-ДВИГАТЕЛЬ»
П.Э. Подборский, Э.Н. Подборский
Анализируются системы управления электромеханическими системами на примере электропривода постоянного тока двухмассовой системы генератор-двигатель. Разработан критерий оптимальности и получена аналитическая формула регулятора, позволяющего учесть ограничения на координаты и входной сигнал. Учтено ограничение на скорость нарастания тока и исключены резкие переключения напряжения управления.
Ключевые слова: электропривод постоянного тока, оптимальное управление, критерий оптимальности, аналитическое конструирование регулятора.
При построении систем оптимального управления важнейшим этапом проектирования является выбор критерия оптимальности. При этом сформулированные требования к качеству регулирования довольно трудно перенести на конкретную математическую формулировку. Зачастую выбирают интегральную оценку качества переходных процессов и используют популярные функционалы. Однако данные критерии оптимальности лишь удобны математически:
- критерий оптимального быстродействия максимально упрощает подынтегральную функцию и при отсутствии ограничений на координаты и комплексных корней позволяет сразу знать вид оптимального управления. Неэффективность его использования показана в [1];
- критерий с линейной по фазовым координатам подынтегральной функцией позволяет для задачи со свободным правым концом при отсутствии ограничений на координаты вариационными методами определить оптимальное управление всего после решения двух задач Коши. Нецелесообразность использования данного критерия показывается в [2];
- квадратичный критерий приводит к линейному по фазовым координатам закону оптимального управления и т.д. Теория аналитического конструирования на основе данного функционала развита для электропривода в [3] и [4].
