Принцип построения отказоустойчивой системы управления асинхронным электроприводом Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Удут Л.С., Мальцева О.П., Кояин Н.В. Проектирование и исследование автоматизированных электроприводов. Часть 8. Асинхронный частотно-регулируемый электропривод. -Томск: Изд-во ТПУ, 2000. - 448 с.

2. Glazyrin A.S., Bolovin E.V. Time delay adjustment for the method of parameter identification of dynamic object // Aktualne problemy nowjczesnych nauk-2012: Materialy VIII Miedzynarodowej nau-kowi-praktycznej konferencji. - Пшемысль, 7-15 czerwca 2012. -Przemysl: Nauka i studia, 2012. - Т 45. - C. 79-81.

3. Копченова Н.В., Марон И.А. Вычислительная математика в примерах и задачах. - М.: Изд-во «Наука», 1972. - 367 с.

4. Кирьянов Д.В. Многоточечные аппроксимации производных // YouTube. 2011. URL: http://www.youtube.com/watch?v=oJ-EFFCfNeHU&list=PL1516D0C35386B45A&index=8&featu-re=plpp_video (дата обращения 05.10.2012).

5. Глазырин А.С., Боловин Е.В. Разработка и лабораторное опробирование метода идентификации параметров электродвигателей на основе разностых схем // Известия Томского политехнического университета. - 2012. - Т. 321. - № 4. - С. 112-115

Поступила 15.10.2012 г.

УДК 621.313.333.2

ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ ОТКАЗОУСТОЙЧИВОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

Р.Ю. Ткачук*, А.С. Глазырин

Томский политехнический университет *ОАО «НПО «Карат», г. Санкт-Петербург E-mail: Tkachuk.R.U@npo-karat.ru

Предложен метод построения отказоустойчивой системы управления асинхронным электроприводом. Рассмотрены способы адаптации системы управления к переходным процессам, возникающим в электроприводе при смене метода управления. Исследованы переходные процессы в разработанной системе электропривода посредством имитационного моделирования.

Ключевые слова:

Асинхронный электропривод, устойчивость к неисправности, отказоустойчивая система управления.

Key words:

Induction motor drive, fault tolerance, fault-tolerant control system.

Введение

В последнее время большое внимание привлекают отказоустойчивые системы управления (fault-tolerant control - FTC) электроприводами, способные выявлять зарождающиеся неисправности датчиков и исполнительных механизмов и оперативно адаптировать закон управления таким образом, чтобы сохранить заданные характеристики (качество производства, безопасность и т. д.). Для достижения этой цели система управления реорганизуется таким образом, чтобы использовать наилучший метод управления в соответствии с имеющимися сигналами обратных связей [1].

Одним из способов повышения надежности электропривода с помощью FTC является функциональное резервирование, при котором функция регулирования скорости асинхронного электродвигателя может выполняться с использованием замкнутой системы управления с датчиками, замкнутой бездатчиковой системы и разомкнутой системы.

Функциональная схема электропривода переменного

тока с отказоустойчивой системой управления

Функциональная схема асинхронного электропривода с отказоустойчивой системой управления приведена на рис. 1. На рис. 1 приняты следующие

обозначения: ПЧ - преобразователь частоты; М -асинхронный электродвигатель; ДС - датчик скорости; ДН - датчик напряжения; ДТ - датчик тока; И1, И2, ИЗ - системы идентификации; ПКП, ОКП - прямой и обратный координатные преобразователи.

Система управления реорганизуется таким образом, чтобы использовать наилучший метод управления в соответствии с имеющимися сигналами обратных связей. В случае отказа датчика скорости, он заменяется наблюдателем, который преобразует сигналы напряжения и тока статора в необходимую информацию о потокосцеплении и скорости двигателя. В случае отказа датчиков тока и датчика скорости, применяется разомкнутая система со скалярным управлением, чтобы гарантировать работоспособность электропривода.

Система FTC включает три модуля идентификации необходимых координат, и две системы управления - векторную и скалярную, переключение между которыми осуществляется в соответствии с табл. 1.

Таким образом, система FTC поддерживает электропривод в работоспособном состоянии при отказах датчиков тока и скорости. При таком подходе надежность системы электропривода значительно возрастает.

Сеть

со* Скалярное управление U1 ABC *

9 Р

Векторное управление

Ulxy *

/ч

0ч

СО

А

I

1xy

окп

ABC

-xy)

пкп

(x,y-

A,B,Q

Выбор

метода U1 ABC

управ-

ления

/ч

I

1ABC

Выбор

системы

иденти-

фикации

А

4*2

У\

0Ф

И1

(Ib Uu ю 0*)

СО

И2

(1ь Ui-<в)

3

I^B£ +-

ИЗ

(Ui, со-^2, 0^ Ii)

ПЧ

U1 ABC

1 ABC

со

Рис. 1. Функциональная схема электропривода переменного тока с отказоустойчивой системой управления

e

e

Таблица 1. Выбор систем идентификации и управления

Логический сигнал неисправности датчика тока, e, Логический сигнал неисправности датчика скорости, em Система иденти- фикации Система управле- ния

0 0 №1 Векторная

0 1 №2 Векторная

1 0 №3 Векторная

1 1 - Скалярная

Адаптация системы управления к переходны м процессам, возникающим в электроприводе при смене метода управления

В электроприводе с FTC (рис. 1) при переходе с векторной системы управления на скалярную возникают ударные моменты, превышающие номинальный момент Мн более чем в 2 раза (рис. 2, 3), что может привести к повреждению электропривода. Броски момента являются следствием мгновенного изменения сигналов задания напряжения ста-

Рис. 2. Графики переходных процессов электромагнитного момента АД в электроприводах с адаптированной (1) и обычной (2) системой скалярного управления при переходе с векторной системы управления на скалярную (ю *=юн, Мс =М)

Рис. 3. Графики переходных процессов электромагнитного момента АД в электроприводах с адаптированной (1) и обычной (2) системой скалярного управления при переходе свекторной системы управления на скалярную (ю*=0,1юн, Мс=М)

тора. Для их уменьшения необходимо внести изменения в скалярную систему управления, позволяющие принудительно задать вектор напряжений в момент переключения систем управления и ограничить скорость изменения амплитуды напряжения. Адаптированная система скалярного управления представлена на рис. 4, 5.

При появлении сигналов неисправности датчиков тока e¡ и скорости еш в ЯП записывается угол поворота вектора напряжения статора 0О на предыдущем шаге дискретизации. Одновременно с этим начинается расчет угла вектора напряжения в соответствии с частотой, заданной скалярной системой управления, при этом в качестве начально-

Рис. 4. Функциональная схема системы скалярного управления, адаптированной к переходным процессам, возникающим в электроприводе при смене метода управления (ЯП ~ ячейка памяти, ЗИС ~ задатчик интенсивности скорости, ПЧН -преобразователь «частота-напряжение», ЗИН - задатчик интенсивности напряжения)

Рис. 5. Имитационная модель системы скалярного управления, адаптированной к переходным процессам, возникающим в электроприводе при смене метода управления

го значения угла принимается записанное в ЯП значение 00. Также производится переключение сигнала задания амплитуды напряжения статора с текущей амплитуды напряжения на заданную скалярной системой управления. Благодаря линейному ЗИН переключение сигнала задания амплитуды напряжения статора происходит плавно. Постоянную времени ЗИН приняли n

T = c max t = t = 0 17 с

ТЗИН ТЗИС ТЗИС 0,17 с,

n

н max

так как при ГЗИН>ГЗИС скорость изменения U1 при пуске и изменении задания на скорость будет меньше, чем заданная ЗИС, при ТЗИН<ТЗИС возрастет амплитуда колебаний момента.

Амплитуду колебаний момента при смене метода управления можно регулировать, изменяя ТЗИН.

На рис. 6 приведена зависимость относительной АМ

просадки по моменту мтах от ГЗИН, полученная

с помощью имитационного моделирования переходных процессов при переходе с векторной системы управления на скалярную при работе электропривода на номинальной скорости юн.

Реакция системы диагностики на неисправность не является мгновенной. Для уменьшения влияния задержки выдачи сигнала неисправности на динамические характеристики электропривода были введены в цепи обратных связей дополнительные сглаживающие фильтры.

Найдены постоянные времени дополнительных фильтров в цепях обратных связей. В худшем случае

временная зависимость сигнала обратной связи при повреждении датчика описывается уравнением:

I

Х(*) = Хтахе ^

где хтах - максимальное значение сигнала; 7ф.ос - постоянная времени фильтра в цепи обратной связи.

AM тах< Мн - 0,40,3 -0,2-од -

U ” 1 1 1 0 0,2 0,4 0,6 7зис, с

ln(1 -S^y

где /рн - время реакции на неисправность; Ах

дДоп ----- - допустимое относительное отклоне-

Хтах

ние сигнала.

Суммарное время реакции на неисправность интеллектуального токового датчика для управления драйвером электродвигателей НСРЬ-1881 компании Не^4ей Раскагё составляет 3,4 мкс [2]. Было принято /рн=10-5 с. Имитационное моделирование показало, что для улучшения динамических характеристик электропривода достаточно 5доп=0,2. Тогда:

10-5

Г, =------0-----= 4,48-10-5 с.

фс 1п(1 - 0,2)

На рис. 8 приведены графики переходных процессов скорости в бездатчиковом асинхронном электроприводе при переключении с системы идентификации № 1 на систему идентификации № 3 при работе электропривода на номинальной скорости юн. Для исследования переходных процессов при внезапном отказе датчика скорости по цепи обратной связи подавался сигнал, равный 0.

Рис. 6. Зависимость относительной просадки по моменту АМ

----тах от величины постоянной времени задатчика

М„

интенсивности напряжения Тш.

График зависимости х(/) приведен на рис. 7. Отсюда найдена Тфос:

T >-

ф.ос

Рис. 7. Временная зависимость сигнала обратной связи при повреждении датчика

Рис. 8. Графики переходных процессов скорости в бездат-чиковом асинхронном электроприводе при переключении с системы идентификации № 1 на систему идентификации № 3 с имитацией повреждения датчика скорости с фильтром (1) и без фильтра (2) в цепи обратной связи

Инерционности в цепях обратных связей необходимо учитывать при оптимизации контуров регулирования векторной системы управления. Их введение приведет к незначительному уменьшению быстродействия электропривода.

Выводы

Разработана отказоустойчивая система управления асинхронным электроприводом, гарантирующая работоспособность электропривода при отказах датчиков токов статора и скорости двигателя.

Применение функционального резервирования датчиков позволило повысить надежности электропривода без увеличения его себестоимости.

t

рн

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Diallo D., Benbouzid M.E.H., Makouf A. A fault-tolerant control architecture for induction motor drives in automotive applications // IEEE Transactions on Vehicular Technology. - 2004. - № 6. - P. 1847-1855.

2. Интеллектуальный токовый датчик для управления драйвером электродвигателей // CHIPINFO. 2012. URL: http://www.chi-

pinfo.ru/literature/chipnews/199901/34.html (дата обращения: 19.11.2012).

3. Никифоров В.О., Ушаков А.В. Управление в условиях неопределенности: чувствительность, адаптация, робастность. -СПб.: СПб ГИТМО (ТУ), 2002. - 232 с.

Поступила 20.11.2012 г.