Системы интеллектуального электропривода переменного тока с релейными регуляторами и адаптивными корректирующими устройствами


СИСТЕМЫ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С РЕЛЕЙНЫМИ РЕГУЛЯТОРАМИ И АДАПТИВНЫМИ КОРРЕКТИРУЮЩИМИ УСТРОЙСТВАМИ



Монография



Под общейредакцией доктора технических наук О. В. Крюкова и доктора технических наук В. НМещерякова

















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 621.3
ББК31.2
    С40


Авторы:
О. В. Крюков, В. Н.Мещеряков, М. Н. Сычев, Н. И. Сычев, В. А. Ипполитов

Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, профессор кафедры электрооборудования, электропривода и автоматики НГТУ им. Р. Е. Алексеева В. Г.Титов;
доктор технических наук, профессор, руководитель
НОЦ «Энергоэффективные двигатели двойного питания» НИ Мордовского государственного университета, эксперт РАН РФ И. В. Гуляев




С40 Системы интеллектуального электропривода переменного тока с релейными регуляторами и адаптивными корректирующими устройствами : монография / [О. В. Крюков и др.] ; под общ. ред. д-ра техн. наук О. В. Крюкова и д-ра техн. наук В. Н. Мещерякова. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 140 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0788-5

      Рассмотрены принципы организации современных электротехнических систем на базе регулируемого электропривода переменного тока с частотнотоковым релейным управлением. Предложены результаты комплексного исследования особенностей частотного регулирования асинхронных и синхронных электродвигателей с инверторами тока и напряжения, а также нелинейных корректирующих устройств. Приведено теоретическое обоснование инновационных методов векторного управления частотно-регулируемыми электроприводами с использованием интеллектуальных САР и микропроцессорных идентификаторов нагрузки с адаптивными корректирующими элементами.
      Для специалистов электротехнических, электроэнергетических и радиотехнических направлений. Может быть использовано студентами при выполнении дипломных проектов.


УДК 621.3
ББК31.2


ISBN 978-5-9729-0788-5    © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

        СОДЕРЖАНИЕ


СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ............................................4
ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРОВ...................................................5
ВВЕДЕНИЕ..............................................................6
ГЛАВА 1. СИСТЕМЫАСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА БАЗЕ ИНВЕРТОРА НАПРЯЖЕНИЯ С ЧАСТОТНО-ТОКОВЫМ РЕЛЕЙНЫМ
УПРАВЛЕНИЕМ...........................................................8
   1.1. Релейный принцип формирования тока на выходе инвертора напряжения..8
   1.2. Система асинхронного электропривода с частотно-токовым управлением.12
   1.3. Система асинхронного электропривода с частотно-токовым управлением
   и коррекцией сигнала задания тока статора...............................24
   1.4. Исследование системы частотного асинхронного электропривода
   с двухканальной системой коррекции сигналов задания амплитуды и частоты тока
   статора на основе измерения тока и напряжения статора.............29
ГЛАВА 2. СИСТЕМЫ ЧАСТОТНОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
С РЕЛЕЙНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ НА БАЗЕ ИНВЕРТОРА ТОКА........................36
   2.1. Однофазный параллельный инвертор тока с релейным управлением.36
   2.2. Система частотно-токового управления асинхронным двигателем на базе инвертора тока с релейным регулятором тока................39
   2.3. Система частотного электропривода на базе инвертора тока
   с релейным регулятором напряжения.......................................52
ГЛАВА 3. РЕГУЛИРУЕМЫЙ СИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД.............................66
   3.1. Общая характеристика систем синхронного электропривода
   с частотным управлением.................................................66
   3.2. Релейное управление током статора в системе частотного синхронного электропривода на базе инвертора тока...................................70
   3.3. Релейное управление напряжением статора в системах частотного синхронного электропривода на базе инвертора тока.................85
ГЛАВА 4. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМИЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ.....................................94
   4.1. Принципы построения и архитектура мультипроцессорных систем управления частотно-регулируемыми электроприводами......................94
   4.2. Организация МПСУ АЭП на базе алгоритмов быстрого преобразования Фурье,
   Уолша и Хаара....................................................100
   4.3. Микропроцессорная реализация идентификатора угла нагрузки регулируемых синхронных электроприводов..........................109
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................116
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ....................................118
ПРИЛОЖЕНИЯ..........................................................132

3

        СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ


АД - асинхронный двигатель
АИН - автономный инвертор напряжения
АИТ - автономный инвертор тока
АСУ - автоматизированная система управления
АРВ - автоматизированный регулятор возбуждения
АЭП - автоматизированный электропривод
БПК - блок преобразования координат
БПФ (БПУ) - быстрое преобразование Фурье (Уолша)
ВВ - высоковольтный (выключатель, преобразователь)
ВИЭ - возобновляемый источник электроэнергии
ВСМП - встроенная система мониторинга и прогнозирования
ГСМ - горюче-смазочные материалы
ДАБ - двунаправленный асинхронный буфер
ДПР - датчик положения ротора
ИНС - искусственные нейронные сети
КП - координатный преобразователь
МК - микроконтроллер
МПСУ - микропроцессорная система управления
МПЧ - матричный преобразователь частоты
МТ - малолюдные (безлюдные) технологии
П-, ПИ-, ПИД- - пропорциональный, пропорционально-интегральный, пропорционально-интергально-дифференциальный (регулятор)
ПФ - преобразователь фаз
ПЧ - преобразователь частоты
РРТ - релейный регулятор тока
РРН - релейный регулятор напряжения
САР - система автоматического регулирования
САУ - система автоматического управления
СД - синхронный электродвигатель
СЭС - система электроснабжения
ТА - тригонометрический анализатор
ТОиР - техническое обслуживание и ремонт
ТЭК - топливно-энергетический комплекс
ШИМ - широтно-импульсная модуляция
ЧРП - частотно-регулируемый электропривод
ЭДС - электродвижущая сила
ЭМП - электромагнитный подвес вала (электромагнитные подшипники)
DSP - Digital Signal Processor (контроллер цифровой обработки информации)
GTO - Gate Turn Off thyristor (выключаемый тиристор)
IGBT - Insulated-Gate Bipolar Transistor (биполярный транзистор с изолированным затвором)
RISC - Reduce Instruction Set Computer (архитектура МК для выполнения функций за 1-2 машинных цикла)

4

        ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРОВ

      Энергосбережение и энергоэффективность отечественной экономики являются приоритетными и комплексными задачами всей электротехники и электроэнергетики России [1-7]. В части использования выработанной электроэнергии сегодня более 2/3 расходуется электроприводом [8-17]. Поэтому от совершенствования энергетических, динамических и функциональных показателей автоматизированного электропривода (АЭП) и использования всех инновационных достижений зависит эффективность и конкурентоспособность отечественной экономики [18-20]. Особенно эти задачи актуальны для мощных энергоемких технологических установок [21-24] и электроприводов мегаваттного класса [25-31].
      Представленная книга является попыткой решения ряда поставленных выше задач на основе результатов многолетних исследований авторов в области теоретического обоснования [32-36], новых схемотехнических решений [37-44] и алгоритмов управления [45-48] частотно-регулируемых электроприводов. В ней систематизированы новые разработки топологии преобразователей частоты [49-53] на основе автономных инверторов тока [54-57], напряжения [58-60] и матричных преобразователей [61-63] для управления асинхронными [64-73] и синхронными машинами [74-81] с использованием современных интеллектуальных [82-85] микропроцессорных систем управления [86-92].
      Большой спектр рассматриваемых проблем преобразовательной техники для автоматизированного электропривода обусловил необходимость участия авторов в различных аспектах создания энергоэффективных, оптимальных и экономически оправданных локальных технологических ком-плексов оборудования с адресным использованием IT-алгоритмов управления [93-100]. При этом применение высокотехнологичных и адекватных систем частотно-регулируемых электроприводов с релейным управлением выгодно не только технически и экономически, но и несет системный синергетический эффект, который заключается в реализации инновационных технологий малолюдного и безлюдного обслуживания технологических процессов любой сложности и отраслевого применения [101-105], а также повышении надежности и ресурса всех установок производственного процесса [106-110].
      Примеры успешной реализации проектов и технических решений с использованием программно-технических средств и автоматизированных систем управления частотно-регулируемым электроприводом объектов промышленности всесторонне и достаточно подробно описаны в настоящей книге. Кроме того, приведены характерные результаты компьютерного моделирования функциональных особенностей и параметров рассматриваемых систем. Систематизация новых аппаратных и алгоритмических возможностей частотно-регулируемых электроприводов различных технологических установок и производственных процессов производится адаптировано к конкретным агрегатам с возможностью реализации систем комплексной автоматизации.
Авторы

5

        ВВЕДЕНИЕ


      Системы асинхронного электропривода с частотно-токовым управлением могут быть построены на базе преобразователей частоты со звеном постоянного тока как с автономными инверторами тока (АИТ), так и с автономными инверторами напряжения (АИН). В этих системах ключевые элементы мостового инвертора осуществляют интервальное перераспределение постоянного тока, поступающего на вход инвертора по фазным цепям обмоток статора двигателя.
      Силовая часть типового трехфазного преобразователя частоты на базе АИН состоит из трех блоков: неуправляемого (в редких случаях управляемого) выпрямителя, силового фильтра в звене постоянного тока (С - или LC -типа) и автономного инвертора, составленного из высокочастотных ключевых элементов со встречно параллельно включенными диодами, образующими обратный диодный мост, обеспечивающий непрерывность тока в обмотках двигателя. Выходное напряжение АИН с неуправляемым выпрямителем регулируется путем широтно-импульсной модуляции (ШИМ) за счет модуляции напряжения несущей частоты (частоты коммутации силовых ключей) сигналом требуемой частоты. Импульсный характер напряжения, прикладываемого к обмоткам двигателя, негативно сказывается на сроке службы изоляции. Для рекуперации энергии, вырабатываемой при торможении двигателя, необходим дополнительный регулируемый преобразователь, связывающий звено постоянного тока с питающей сетью.
      В преобразователях частоты на базе АИТ стандартные инверторы тока, реализованные на базе обычных тиристоров, не обеспечивают синусоидальную форму кривой напряжения и тока. Однако появление полностью управляемых ключевых элементов, таких как GTO-тиристоры, позволило осуществить принцип импульсного релейно-гистерезисного управления вы-ходным током инвертора, что позволило значительно улучшить форму кривой напряжения и тока в обмотках статора асинхронного двигателя. В ПЧ с АИТ используется управляемый выпрямитель, который работает в режиме источника тока, а инвертор обеспечивает коммутацию обмоток статора АД силовыми ключами. Главные технические отличия ПЧ с АИТ от ПЧ с АИН заключаются в отсутствии емкостного фильтра на выходе выпрямителя и наличии индуктивного L-фильтра в звене постоянного тока, отсутствии обратных диодов, шунтирующих силовые ключи - GTO-тиристоры, и наличии конденсаторов на выходе инвертора, являющихся источником реактивной энергии для асинхронного двигателя, являющегося нагрузкой для преобразователя частоты. Использование управляемого выпрямителя позволяет регулировать ток в выпрямленной цепи путем изменения напряжения в звене постоянного тока, при этом инвертору отводится роль лишь коммутатора фаз, формирующего требуемую частоту и амплитуду тока (система АИТ с амплитудно-импульсной модуляцией). При переходе асинхрон

6

ного двигателя в генераторный режим изменяется направление его ЭДС, инвертор переводится в режим выпрямителя, а питающий преобразователь переводится в режим инвертора, ведомого сетью, ток в выпрямленной цепи сохраняет прежнее направление, обеспечивая тем самым режим рекуперативного торможения АД.
     Применение ШИМ позволило получить близкие к синусоидальной формы инвертируемых тока и напряжения, поскольку конденсаторный фильтр на выходе инвертора, поглощая высокочастотные гармоники, обеспечивает формирование в двигателе квазисинусоидальных тока и напряжения. Однако релейный принцип формирования выходных токов инвертора основан на более простом алгоритме формирования управляющих сигналом на ключевые элементы инвертора и имеет достаточно простую техническую реализацию, что делает его конкурентоспособным традиционно применяемом системам управления с ШИМ.
     При реализации частотного регулирования электроприводами для эффективности и быстрой окупаемости новой техники необходимо использовать все возможные схемные и алгоритмические инновации, применяемые в современных мультипроцессорных системах автоматического регулирования и IT-законах управления.
     Анализ функциональных схем, реализующих векторное управление преобразователями частоты на основе автономных инверторов тока и напряжения с ориентацией по вектору потокосцепления, приводит к большим возможностям по построению соответствующей архитектуры МПСУ электроприводны-ми агрегатами. Выбор объектоориентированных систем мультипроцессорного управления электроприводами должен отражать и резервы наращивания вычислительных функций и возможности реализации новых алгоритмов на базе быстрых преобразований Фурье, Уолша и Хаара, а также методов искусственных нейронных сетей.

7

        ГЛАВА 1. СИСТЕМЫ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА БАЗЕ ИНВЕРТОРА НАПРЯЖЕНИЯ
        С ЧАСТОТНО-ТОКОВЫМ РЕЛЕЙНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ


1 .1. Релейный принцип формирования тока на выходе инвертора напряжения

     Типовые широко применяемые в промышленности преобразователи частоты со звеном постоянного тока выполняются на базе инвертора напряжения, они содержат нерегулируемый диодный мостовой выпрямитель, емкостный фильтр и регулируемый мостовой инвертор на IGBT-транзисторах с обратными диодами [25, 32, 60, 66]. Высокочастотная коммутация транзисторов инвертора, выполняемая в соответствие с заданным алгоритмом, позволяет получать на трехфазных выходах инвертора импульсы на-пряжения постоянной амплитуды, полярность которых зависит от того, какой ключ инвертора (рис. 1.1), верхний или нижний, находится во включенном состоянии.


     Из импульсов напряжения заданной полярности и скважности на выходе инвертора в типовых инверторах напряжения с помощью ШИМ-регулятора тока формируется поступающее на статорную обмотку асинхронного двигателя переменное трехфазное напряжение, имеющее сложный гармонический состав [25, 60]. На рисунке 1.2, а показаны мгновенные значения импульсного напряжения, поступающего на фазную обмотку двигателя и синусоидальная огибающая 1-й гармоники кривой фазного напряжения, а также ток, протекающий через фазную обмотку двигателя в системе с ШИМ-регулятором тока.
     Формировать ток статора асинхронного двигателя на заданном уровне (рис. 1.2, 6) можно с помощью системы управления мгновенными значениями фазных токов статора, выполненной на базе двухпозиционных релейногистерезисных регуляторов фазных токов статора (рис. 1.3), которые в дальней

8

шем будем сокращенно называть «релейными регуляторами тока (РРТ)». Релейный принцип регулирования тока статора двигателя находит реализацию в системах частотного управления, построенных не только на базе инвертора тока, но и на базе инвертора напряжения [54]. Преобразователь частоты, выполненный на базе инвертора напряжения, при построении замкнутых контуров регулирования фазных токов с РРТ приобретает некоторые свойства, присущие инвертору тока, и обеспечивает частотно-токовое управление асинхронным двигателем. Замкнутый контур релейного регулирования фазных токов статора (рис. 1.4) содержит преобразователь частоты 1 с АИН, к выходу которого подключена обмотка статора двигателя 2 через датчики тока статора 3 и 4, выходы которых подключены к сумматору 5. На положительные входы узлов сравнения релейного регулятора тока 6 поступают сигналы задания фазных токов статора, на отрицательные входы узлов сравнения поступают измеренные сигналы фазных токов статора.
      Релейный регулятор тока (рис. 1.4) выполняет управление очередностью включения силовых IGBT транзисторов мостового инвертора напряжения, и обеспечивает формирование синусоидальной формы первой гармоники выходного тока.


Рис. 1.2. Временные диаграммы приработе преобразователя частоты на базе инвертора напряжения: а - фазного напряжения, огибающей 1-й гармоники кривой фазного напряжения и тока фазы статора при ШИМ-регуляторе тока

9

б

Рис. 1.2. Временные диаграммы приработе преобразователя частоты на базе инвертора напряжения: б - линейного напряжения и тока фазы статора при релейномрегуляторе тока


Рис. 1.3. Блок-схема двухпозиционного гистерезисного регулятора фазных токов статора

10

Рис. 1.4. Функциональная схема соединения блоков частотного асинхронного электропривода: контуроврелейно-гистерезисногорегулирования фазных токов статора, блока задания фазных токов статора, датчика скорости

      Отклонения мгновенных значений тока от заданной синусоидальной кривой находятся в пределах заданной допустимой зоны гистерезиса (рис. 1.4). РРТ работает по принципу релейно-гистерезисного управления, осуществляемого путем сравнения заданных мгновенных значений синусоидальных фазных токов статора i* 1 a, i* 1 в, i* 1 с, с измеренными реальными фазными токами i 1 a, i 1 в, i 1 c и определения на выходах сумматоров 1, 2, 3 разницы между заданным и действительным значениями тока в фазах:


Aⁱ1 А ⁼ i 1А ~ i1 А
Aⁱ1в ⁼ i 1 в ~ h в
Aⁱ1C ⁼ i 1С ~ i1C

(1.1)

11