Оптимальное по затратам энергии управление электроприводами переменного тока в технологических процессах машиностроения

Асинхронные машины представляют собой наиболее распространенный тип электрических машин. Особенно широко они используются в качестве электродвигателей и являются основными преобразователями электрической энергии в механическую. В настоящее время асинхронные двигатели широко применяются в составе электроприводов большинства механизмов народного хозяйства и потребляют более половины всей вырабатываемой в мире электроэнергии. В Табл. В. 1 [49] приведено примерное распределение асинхронных двигателей различной мощности и данные о потреблении ими электроэнергии.

Табл. В.1. Примерное распределение асинхронных двигателей различной мощности и данные о потреблении ими электроэнергии.

Мощность, кВт % от общего количества асинхронных двигателей % к общему потреблению ими электроэнергии.

До 1 10 5.

От 1 до 5 60 40.

От 5 до 20 20 30.

От 20 до 100 9 20.

Свыше 100 1 5.

При этом электродвигатели мощностью от 0,75 до 100 кВт потребляют более 90% от общего потребления электроэнергии асинхронными двигателями [49]. Таким образом, очевидно, что большую долю всей вырабатываемой электроэнергии потребляют асинхронные электродвигатели малой (единицы киловатт) и средней (десятки киловатт) мощности. Такие двигатели имеют, как правило, короткозамкнутый ротор.

Широкое распространение асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором вызвано тем, что он имеет ряд важных преимуществ перед другими типами электродвигателей: простота конструкции, надежность, технологичность, малые масса и металлоемкость, высокий КПД при постоянной нагрузке и синусоидальном питающем напряжении. Эти преимущества способствуют широкому использованию асинхронного двигателя в составе электропривода переменного тока. Примерное распределение асинхронных двигателей в составе приводов по механизмам приведено в Табл. В. 2 [49].

Табл. В.2. Примерное распределение асинхронных двигателей в составе приводов по механизмам.

Механизмы % от общего количества двигателей Механизмы % от общего количества двигателей.

Вентиляторы 37,7 Транспортеры 19,9.

Насосы 17,0 Смесители 5,5.

Обрабатывающие станки 7,0 Компрессоры 2,8.

Механизмы перемещения 4,0 Дробилки 2,4.

Затворы, задвижки 3,7.

Очевидно, что для подавляющего большинства механизмов желательно, а для многих — просто необходимо (например, в технологических процессах машиностроительной промышленности: при выполнении операций ковки, горячей штамповки, обработки резанием и пр.). обеспечить возможность регулирования выходных координат привода. Тем не менее, использование асинхронного электродвигателя в составе регулируемого электропривода переменного тока осложнено рядом факторов, среди которых следует особо отметить сложность математического описания объекта управления. Модель асинхронного двигателя даже в простейшем случае описывается системой дифференциальных уравнений 5-го порядка с существенными нелинейностями. Эта трудность преодолевается путем различных попыток линеаризации модели объекта управления, что, естественно, сказывается на качестве регулирования и КПД привода, а также ограничивает область его применения.

Неотъемлемой частью регулируемого электропривода переменного тока является силовое средство управления двигателем, способное формировать переменный ток или переменное напряжение некоторой формы. Как известно, получить управляющий аналоговый сигнал высокого качества и большой мощности средствами силовой преобразовательной техники крайне трудно. Применение аналоговых усилителей в этом случае невозможно из-за отсутствия таковых либо из-за недопустимо низкого КПД такого усилителя. По этому на практике в качестве средства управления двигателем используются преобразователи частоты, способные формировать некоторый периодический управляющий сигнал напряжения (тока) с регулируемой амплитудой и частотой основной гармоники.

В настоящее время создана промышленная база для применения преобразователей частоты с полностью управляемыми транзисторными ключами (ВРТ-, МОЗБЕТ-, ЮВТ-модулями) в электроприводах различной мощности [77−79, 92−98, 100]. Приводы с такими преобразователями все чаще применяются в общем, в станкостроительном и в других видах электропривода. Для получения управляющего сигнала, близкого к желаемому аналоговому, используются разные способы широтно-импульсной модуляции (ШИМ): линейная, синусоидальная и их модификации. Основным недостатком этих преобразователей с ШИМ является сравнительно высокий уровень потерь мощности в их ключах в диапазоне регулирования переменных состояния привода. Кроме того, формируемый ими управляющий сигнал содержит множество высокочастотных гармоник напряжения, для уменьшения которых следует применять сглаживающие фильтры нижних частот, описываемые, как минимум, дифференциальным уравнением второго порядка, что дополнительно усложняет модель объекта управления. Пренебрежение же этим фактом приводит к росту потерь мощности в двигателе от высокочастотных гармоник тока, не участвующих в преобразовании полезной энергии.

С точки зрения минимизации потерь в регулируемом электроприводе переменного тока целесообразно проводить синтез законов оптимального слежения за желаемым изменением частоты вращения и желаемым изменением угла поворота вала этого привода, обеспечивающих минимизацию интеграла от суммы квадратов ошибок его переменных состояния и квадратов управляющих воздействий. Такой критерий как раз характеризует затраты энергии на достижение цели управления.

Синтез указанных законов предполагает, что все переменные состояния и возмущения в объекте измеряются, а отыскиваемые управления представляют собой функции от мгновенных значений переменных состояния и возмущений. К сожалению, не все переменные состояния и возмущения электропривода переменного тока в производственных условиях могут быть измерены, решение же задачи их наблюдения традиционными методами не удается выполнить с приемлемой точностью из-за высокого порядка и существенной нелинейности модели объекта управления. Следует также отметить, что используемые в приводах технологических процессов промышленности преобразователи частоты способны формировать лишь многофазные квазипериодические напряжения фиксированной формы, усредненной по периоду дискретизации ШИМ, т. е. не способны формировать произвольные мгновенные фазные (или линейные) напряжения. Это вынуждает разработчика синтезировать законы управления в предположении, что напряжения, питающие привод, и токи в его обмотках синусоидальны (квазисинусоидальны). Данное допущение на самом деле далеко от истины и вряд ли может быть обосновано при синтезе оптимального управления.

Все перечисленные выше обстоятельства и особенности создают предпосылки для поиска новых путей синтеза наблюдателей переменных состояния и возмущений в электроприводе переменного тока, а так же поиска новых экономичных средств и способов управления асинхронным электродвигателем.

Автор считает своим долгом выразить искреннюю признательность научным руководителям: к. т. н., доценту кафедры «Автоматизация и информационные технологии» (АиИТ) Камского политехнического института (КамПИ), Асанову А. 3. и д. т. н., профессору, ректору КамПИ Хайруллину А. X. за ценные замечания и содействие при выполнении настоящей работыа также коллегам, сотрудникам кафедры АиИТ и заведующему кафедрой, к. т. н., доценту Гумерову А. Ф. за поддержку и полезную критику результатов выполнения работы.

Заключение

.

Асинхронные двигатели по сравнению с другими типами двигателей наиболее дешевы, просты по конструкции, надежны, технологичны, экологичны, имеют наиболее высокий КПД, а также наиболее высокий удельный момент по отношению к своей массе. В связи с этим существенно возрастает роль регулируемых электроприводов переменного тока, которые в силу актуальности в настоящее время проблемы экономии энергии должны выполнять работу в различных сферах народного хозяйства с минимальными затратами этой энергии.

В работе получены законы оптимального по затратам энергии управления регулируемым электроприводом переменного тока на основе асинхронного электродвигателя с корот-козамкнутым ротором. Полученные законы обеспечивают минимизацию затрат энергии на слежение за желаемым изменением частоты вращения или на слежение за желаемым изменением угла поворота вала двигателя в, соответственно, частотно-регулируемом или позицион-но-регулируемом электроприводах переменного тока. Такое управление не может привести к ухудшению других показателей качества (точность, долговечность и пр.), т. к. обеспечивает минимизацию квадратов ошибок отклонений переменных привода от желаемого движения. При этом установлено, что экономически выгодным такое управление может быть при применении в приводах переменного тока мощностью более 1−2 кВт, работающих на переменную нагрузку. Такими приводами в составе технологических процессов машиностроения являются электромеханические приводы главного движения кузнечно-штамповочного технологического оборудования и станков для обработки деталей резанием.

Для обеспечения практической реализации полученных законов решена задача наблюдения неизмеряемых переменных состояния и возмущений в приводе. Решение данной задачи выполнено в работе на основе метода каскадного синтеза наблюдателей состояния нелинейных многомерных систем. В процессе исследований получены два наблюдателя состояния привода: 1) при измеряемых токах статора и 2) при измеряемых токах статора и частоте вращения вала ротора. При этом модель объекта предварительно приводится к блочнонаблюдаемой квазилинейной форме и наддиагональному виду, что позволяет разбить задачу наблюдения на независимо и последовательно решаемые подзадачи меньшей размерности. На основе второго метода исследования устойчивости Ляпунова показана принципиальная возможность решения задачи наблюдения переменных состояния и возмущений в приводе с любой требуемой точностью. При этом предлагается практическую реализацию наблюдателей в силу значительных требований к их быстродействию и объему вычислений на каждом шаге наблюдения выполнять на специализированных аналоговых микросхемах (на базе операционных усилителей).

Реализация предложенных законов управления регулируемым электроприводом переменного тока в составе технологических процессов предполагает также, что автономный инвертор напряжения, управляющий асинхронным двигателем, способен формировать произвольные мгновенные значения фазных напряжений с заданной точностью с малыми потерями в своих ключах. Для обеспечения этой возможности предложена концепция многоуровневой структуры автономных инверторов напряжения, на основе которой исследованы два новых типа схем инверторов: многоуровневый инвертор линейных напряжений и многоуровневый инвертор фазных напряжений.

Показано, что многоуровневый автономный инвертор линейных напряжений не может быть использован для формирования напряжений произвольной формы.

В случае, когда момент сопротивления на валу двигателя меняется в значительных пределах по некоторому закону, следует применять в качестве инвертора многоуровневый автономный инвертор фазных напряжений. Для такого инвертора разработаны законы управления с квантованием по уровню без широтно-импульсной модуляции и с квантованием по уровню с широтно-импульсной модуляцией. Второй закон обеспечивает требуемое качество отработки желаемых фазных напряжений для питания двигателя в значительном диапазоне их возможных значений.

Для расчета потерь в многоуровневых инверторах разработаны методики определения статических и динамических потерь в ключах инвертора. Проведен сравнительный анализ потерь в различных типах инверторов, подтверждающий, что суммарные потери в ключах многоуровневого инвертора фазных напряжений не превышают суммарных потерь в других типах инверторов и имеют больше возможностей быть сниженными.