Идентификация параметров ЭТК, экспресс-анализ
Содержание
1.1.1 Разработка и исследование алгоритмов идентификации и векторного управления в асинхронном электроприводе
1.2 Динамическая идентификация параметров и управление состоянием электродвигателей приводов горных машин
1.3 Разработка способов экспериментального определения параметров и механических характеристик асинхронных двигателей
1.4 Система экспресс-анализа состояния маслонаполненных трансформаторов
1.5 Исследование алгоритмов идентификации для систем бездатчикового векторного управления асинхронными электроприводами
1.6 Разработка способов экспериментального определения параметров и механических характеристик асинхронных двигателей
1.7 Комплекс методик определения места повреждения в распределительных электрических сетях напряжением 6 - 35 кВ по параметрам установившихся и переходных режимов
1.8 Исследование законов управления асинхронным электроприводом с частотным управлением на компьютерных моделях
1.9 Параметрическая идентификация асинхронного электропривода в режиме реального времени
1.10 Развитие методов расчета несинусоидальности напряжения в точке общего присоединения
1.1Идентификация параметров ЭТК, экспресс-анализ
1.1.1 Разработка и исследование алгоритмов идентификации и векторного управления в асинхронном электроприводе
Цель работы:
Разработать и исследовать алгоритмы идентификации и векторного управления, обеспечивающих высокое качество регулирования координат АЭП и ориентированных на микропроцессорную реализацию.
В работе требуется решить следующие задачи:
1. Разработать математическое описание силового преобразователя и АД, пригодного для обоснования на его основе новых алгоритмов управления и идентификации АЭП, предназначенных для программно-аппаратной реализации с использованием микропроцессорных средств.
2. Разработать на основе полученной модели АД идентификатора состояния, в котором задача получения информации об объекте решается автономно от задачи управления его координатами .
3. Разработать замкнутую систему векторного управления АЭП с упрощенным идентификатором состояния и электромеханическим датчиком на валу, в которой задачи управления и идентификации решаются не автономно, а в неразрывной взаимосвязи друг с другом.
4. Разработать замкнутую систему векторного управления АЭП с датчиком скорости, в которой необходимость решения задачи идентификации недоступных для прямого измерения координат отсутствует.
5. Провести исследование динамических режимов и определение точностных показателей качества регулирования координат в условиях вариации параметров двигателя в системах АЭП, реализующих предложенные алгоритмы управления и идентификации.
Методы исследования, используемые в работе:
Методы векторного анализа, элементы тензорного анализа, метод преобразования координатного базиса, методы пространства состояний и фазовой плоскости, метод имитационного эксперимента.
Актуальность работы:
Регулируемый электропривод на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (АД) в силу своих технико-экономических показателей является в настоящее время одним из самых перспективных для применения в условиях современного промышленного производства. Современные системы управления, построенные на цифровых микроконтроллерах, позволяют эффективно управлять как разомкнутыми асинхронными электроприводами (АЭП), предназначенными для общепромышленного применения, так и замкнутыми АЭП специального применения, характеризующимися высокими точностью и быстродействием. Появление высокопроизводительных микропроцессорных средств дало возможность эффективно реализовать сложные законы управления АД, которые ранее считались нерациональными.
В последние годы наблюдалось заметное изменение приоритетов, которым отдавали предпочтение разработчики АЭП при решении задач управления. На первый план были выдвинуты вопросы улучшения потребительских свойств электропривода. Решались задачи создания удобства для пользователя, автоматического приспособления к новым условиям применения АЭП, реализации углублённых контроля, диагностики и защиты. Прорабатывались вопросы реализации автоматической самонастройки и оптимизации параметров, унифицированного ввода-вывода данных и команд, группового управления, индикации. Другими словами, определяющее значение имело обеспечение сервисных функций и введение в АЭП элементов «интеллекта». Сама постановка этих вопросов ранее, при «старых» технических средствах, была практически бесперспективной.
Вместе с тем, традиционные задачи обеспечения требуемых диапазона регулирования, точности, быстродействия и прочих показателей эффективности управления при этом чаще отодвигались на второй план. Поэтому несмотря на повышение общего технико-экономического уровня АЭП, вызванного улучшением элементной базы, уровень решения собственно задач регулирования в последнее время изменился незначительно.
При построении систем АЭП с высоким качеством регулирования чаще всего продолжают использоваться принципы векторного управления координатами асинхронной машины в своих классических вариантах. Вместе с тем, классические варианты построения систем векторного управления в условиях существенной нелинейности АД как объекта управления, его информационной недостаточности, наличия большого количества внутренних и внешних возмущающих воздействий очень часто оказываются неспособными эффективно выполнять возложенные на них задачи в плане обеспечения требуемых высоких показателей качества регулирования координат.
Использование известных косвенных методов получения информации о трудно доступных для прямого измерения переменных АД с помощью идентификаторов состояния, а также известных способов компенсации присущих двигателю нелинейных связей и, в частности, перекрёстных связей между каналами регулирования момента и стабилизации потока приводит на практике к усложнению структуры классической системы векторного управления и к её повышенной чувствительности по отношению к действию возмущений, связанных, например, с изменением параметров двигателя в процессе работы. Указанная чувствительность приводит к нарушению расчётных режимов функционирования системы и, в конечном счёте, не даёт эффективно реализовать потенциальные регулировочные возможности АД.
В связи с этим работа, посвящённая вопросам разработки и исследования новых алгоритмов векторного управления и идентификации координат АЭП, является актуальной.
Рекомендации по содержанию работы (содержание теоретической и экспериментальной частей корректируется по указанию научного руководителя или по заданию предприятия-заказчика при выдаче задания на выполнение работы) :
Введение
Глава 1. Моделирование процесса электромеханического преобразования энергии в асинхронном электроприводе.
1.1. Построение модели автономного инвертора напряжения в полярных координатах
1.2. Основные подходы к моделированию асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.
1.3. Обоснование упрощенной модели ЭМП в виде системы двух магнитосвязанных витков
1.4. Вывод уравнений математической модели системы «ЭМП – Механическая часть АЭП» в цилиндрических координатах.
1.5. Построение модели системы «АИН - ЭМП-Механическая часть АЭП» в цилиндрических координатах.
1.6. Выводы.
Глава 2. Разработка алгоритмов идентификации переменных АД.
2.1. Анализ известных способов построения идентификаторов состояния АД.
2.2. Разработка идентификатора потокосцепления ротора в системе с датчиком скорости.
2.3. Разработка идентификатора потокосцепления ротора и скорости АД.
2.4. Анализ динамической ошибки восстановления координат.
2.5. Введение в структуру идентификатора обратной связи по угловой невязке
2.6. Выводы.
Глава 3. Разработка замкнутой системы векторного управления АЭП с упрощенным идентификатором состояния.
3.1. Обзор существующих способов управления переменными АЭП
3.2. Преобразованная модель электромагнитных процессов в АД.
3.3. Оптимизация регулировочных характеристик АЭП.
3.1. Реализация условия двойной ориентации векторных переменных АД.
3.5. Совершенствование закона управления переменными АЭП.
3.6. Некоторые особенности разработанного закона управления.
3.7. Разработка системы векторного управления АД с ориентацией относительно переменных ротора.
3.8. Исследование динамических режимов разработанного АЭП.
3.9. Выводы.
Глава 4. Разработка АЭП с векторной ориентацией относительно неконтролируемых переменных ротора.
4.1. Обоснование возможности непосредственного управления моментом АД в системе с ориентацией относительно неконтролируемых векторов тока и потокосцепления ротора
4.2. Адаптация системы с ориентацией относительно неконтролируемых векторных переменных ротора по отношению к вариации параметров роторной цепи
4.3. Разработка функциональной схемы АЭП с ориентацией относительно неконтролируемых векторных переменных ротора.
4.4. Исследование разработанного алгоритма управления АЭП
4.5. Разработка блока коррекции управления с пониженной чувствительностью к вариации параметра активного сопротивления статора и исследование его работы.
4.6. Выводы.
Расширенный список рекомендуемой литературы:
1. Агеев Ш.Р. Оборудование для добычи нефти с высоким содержанием свободного газа и опыт его эксплуатации / Ш.Р. Агеев, А.В. Берман,
2. A.M. Джалаев, А.Н. Дроздов, А.Г. Кан, В.Н. Маслов // Техника и технология добычи. Проблемы и пути их решения: Труды III науч.-практ. конф. — Нефтеюганск, 2005.
3. Адлер Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский. М.: Наука, 1976. -279 с.
4. Аррилага Дж. Гармоники в электрических системах / Дж. Аррилага, Д. Брэдли, П. Боджер; пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 320 с.
5. Белоусенко И.В. Новые технологии и современное оборудование в электроэнергетике нефтегазовой промышленности / И.В. Белоусенко, Г.Р. Шварц, С.Н. Великий, М.С. Ершов, А.Д. Яризов. М.: ООО «Недра-Бизнессцентр», 2007. - 478 с.
6. Беспалов В.Я. Перспективы создания отечественных электродвигателей нового поколения для частотно регулируемого электропривода // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. — 2006. № 3. ~ С. 3-14.
7. Богданов А.А. Погружные центробежные электронасосы для добычи нефти. М.: Недра, 1968. - 272 с.
8. Борисов Ю.П. Особенности проектирования разработки нефтяных месторождений с учетом их неоднородности / Ю.П. Борисов, З.К. Рябинина,
9. B.В. Воинов. М.: Недра, 1976. - 285 с.
10. Бочарников В.Ф. Погружные скважинные центробежные насосы с электроприводом. — Тюмень: «Вектор Бук», 2003. — 336 с.
11. Браславский И.Я. Сравнительный анализ способов регулирования подачи центробежных насосов / И.Я. Браславский, A.M. Зюзев, Н.П. Трусов // ЭП. Электропривод. 1983. - № 2 (112). - С. 8-10.
12. П.Бруслова О.В. Классификация отказов скважин после капитального ремонта по статическим данным // Изв. вузов. Нефть и газ. — 1998. — № 6. — С. 23.
13. Важнов А.И. Электрические машины. — Л.: Энергия, 1968. — 768 с.
14. Ведерников В.А. Модели и методы управления режимами работы и электропотреблением погружных центробежных установок: Автореф. дис. д-ра техн. наук. Тюмень, 2006. - 32 с.
15. Ведерников В.А. Оптимизация системы электропривода погружного насоса / В.А. Ведерников, О.А. Лысова // Изв. вузов. Нефть и газ. 2002. — № 5. - С. 88-92.
16. Ковалев В.З. Моделирование электротехнических комплексов и систем как совокупности взаимодействующих подсистем различной физической природы: Дис. д-ра техн. наук. Омск, 2000. - 312 с.
1.1.2 Динамическая идентификация параметров и управление состоянием электродвигателей приводов горных машин
Цель работы:
Повысить эксплуатационную надежность электроприводов горных машин на основе использования разработанного комплекса методов динамической идентификации электродвигателей приводов горных машин при управлении их состоянием, контроле и функциональном диагностировании.
В работе требуется решить следующие задачи:
1. Выявить закономерности процессов, протекающих в АД, позволяющих разработать математические модели состояния и цепи измерения с приведением их к виду, необходимому для использования методов идентификации.
2. Разработать методы для определения значений активного сопротивления и потокосцепления статора, индуктивности цепи намагничивания и реальной формы кривой намагничивания на этапе предварительной идентификации состояния АД.
3. Разработать комплекс методов для динамической идентификации электродвигателей на основе математических методов оценивания, а также разработать для них алгоритмическое и программное обеспечение.
4. Разработать структуру компьютеризированного испытательного стенда, проанализировать шумы измерительной системы стенда для проверки соответствия их параметров требованиям фильтра Калмана и провести серию испытаний с целью проверки работоспособности и точности предложенных методов динамической идентификации электродвигателей.
5. Разработать теоретические основы для реализации благоприятного пуска нерегулируемого асинхронного электропривода, в том числе с использованием результатов динамической идентификации АД.
6. Разработать методику тепловых расчетов силовых полупроводниковых приборов с кондуктивной системой охлаждения для изготовления пускового устройства во взрывозащищенном исполнении.
7. На основе результатов динамической идентификации разработать методы функционального диагностирования замыканий в обмотках статоров электродвигателей.
Методы исследования, используемые в работе:
Рекомендуется использовать математические методы оценивания (рекуррентный метод наименьших квадратов, расширенный фильтр Калмана и поисковые методы); теория обобщенной электрической машины; методы аналитического и численного решения систем дифференциальных уравнений; методы матричной алгебры; методы анализа случайных процессов; математический аппарат искусственных нейронных сетей; теория оптимального управления; компьютерное моделирование динамических процессов в электродвигателях при реализации разработанных методов динамической идентификации и проведение проверочных вычислительных экспериментов; лабораторные и промышленные испытания разработанных устройств.
Актуальность работы:
Надежность и эффективность электроприводов горных машин: очистных и проходческих комбайнов, скребковых и ленточных конвейеров, буровых станков, экскаваторов и других машин, производящих разрушение и транспортирование угля и горной породы, в значительной степени определяет эффективность работы угледобывающих предприятий в целом.
При этом в подземных горных машинах в основном применяется нерегулируемый асинхронный электропривод, обеспечение высокой эксплуатационной надежности которого является трудной задачей в связи с тяжелыми условиями эксплуатации, обусловленными спецификой технологического процесса со случайным характером резкопеременных нагрузок, частыми пусками под нагрузкой и перегрузками электропривода, а также стопорениями рабочего органа.
Это является причиной высокодинамичных переходных процессов в электродвигателях и значительных вибрационных и ударных механических нагрузок в трансмиссии, которые приводят к ухудшению состояния изоляции обмотки статора и интенсивному накоплению усталостных повреждений в механических элементах, преждевременному износу, поломкам, авариям и, в результате, наносят большой экономический ущерб.
Наиболее перспективными направлениями повышения надежности этих электроприводов в настоящее время являются следующие: использование устройств благоприятного пуска для нерегулируемых асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором (АД) на основе силовых полупроводниковых приборов, переход к частотно-регулируемому электроприводу, а также применение современных высокоэффективных систем для контроля состояния, функционального диагностирования и защиты.
Первые два направления базируются на управлении состоянием электродвигателей, заключающемся в изменении их фазовых координат с помощью управляющих воздействий. Электродвигатели являются основными элементами приводов, формирующими потоки механической энергии для разрушения и перемещения горной массы и движения горных машин, поэтому им должно быть уделено особое внимание.
Возможности нерегулируемого асинхронного электропривода при постоянном росте энерговооруженности горных машин для повышения их производительности в настоящее время практически уже исчерпаны и замена его на современный частотно-регулируемый электропривод позволит при соответствующем управлении не только оптимизировать технологический процесс, но и успешно решать вопросы ресурсосбережения и энергосбережения.
Для находящихся в эксплуатации карьерных экскаваторов и буровых станков, в которых в основном применяется регулируемый электропривод постоянного тока, также особенно важной является проблема повышения эксплуатационной надежности и эффективности приводов. Эта проблема решается путем совершенствования приводов на современной элементной и информационной базе и переходом, в перспективе, к частотно-регулируемому электроприводу.
Известно, что эффективность работы систем управления электроприводов и электротехнических комплексов, содержащих электродвигатели, зависит от знания текущих значений электромагнитных параметров электродвигателей - активных сопротивлений, индуктивностей и взаимных индуктивностсй обмоток. В то же время, например, на этапе приемо-сдаточных испытаний АД измеряется только активное сопротивление обмотки статора, а значения параметров, которые приводятся в каталогах, являются расчетными при проектировании и могут сильно отличаться от реальных значений параметров конкретных электродвигателей.
Кроме того, параметры АД зависят от режима его работы и теплового состояния. Так, в режиме прямого пуска активное сопротивление ротора может изменяться более чем в 1,5 раза, а индуктивности - на 30-40%. Активное сопротивление обмотки статора зависит от теплового состояния и может изменяться при работе АД на 20-30%, что особенно характерно для повторно-кратковременного режима.
Из этого следует, что текущие значения параметров электродвигателей необходимо определять непосредственно в процессе работы электропривода. Это возможно при проведении динамической идентификации параметров и переменных состояния электродвигателя (везде далее - динамическая идентификация электродвигателя), заключающейся в определении в реальном времени, в процессе рабочего функционирования горной машины, текущих значений электромагнитных параметров и переменных величин электродвигателя, характеризующих его состояние. Основой динамической идентификации при этом является компьютерная обработка информации, содержащейся в напряжениях и токах электродвигателя на основе математической модели электродвигателя и математических методов идентификации.
Необходимость проведения динамической идентификации определяется тем, что большая часть электромагнитных параметров и переменных состояния электродвигателей, требуемых для решения перечисленных задач, недоступна прямому измерению. Например, для асинхронных электродвигателей - это активное сопротивление и индуктивность ротора, индуктивность цепи намагничивания и потокосцепления статора и ротора, а в процессе работы АД также становятся недоступными для прямого измерения и параметры статора. Измерение магнитного потока в воздушном зазоре АД, электромагнитного момента и частоты вращения ротора технически возможно, но из-за тяжелых условий работы электроприводов горных машин их также целесообразно вычислять, а не измерять. Существует также проблема определения текущих значений параметров электродвигателей постоянного тока (ДГТТ) непосредственно в процессе их работы.
Известно значительное количество публикаций по идентификации параметров и состояния электродвигателей, а также технических решений для их реализации. Однако, в основном, они предназначены для использования в составе конкретных систем управления электроприводов и позволяют определять лишь те параметры и переменные состояния, которые необходимы для их работы. В тоже время существует необходимость разработки комплексного подхода
к созданию методов динамической идентификации электродвигателей горных машин для мониторинга их параметров и состояния с целью использования получаемой при этом информации как для контроля и управления состоянием электродвигателей, так и для решения задач функционального диагностирования, защиты, прогнозирования, а также использования на этапе приемосдаточных испытаний электродвигателей с определением их индивидуальных данных и для контроля качества технологического процесса при изготовлении или ремонте. Это является важной научной проблемой и ее актуальность определяется как потребностями практики, так и необходимостью использования результатов динамической идентификации для научных исследований.
Решению этой научной проблемы посвящена данная диссертация. Особое внимание в работе уделено разработке методов динамической идентификации электродвигателей, обладающих низкой чувствительностью к уровню шумов и их статистическим характеристикам и обеспечивающих устойчивость вычислительных процессов оценивания. Эти качества необходимы для создания устройств идентификации, предназначенных для работы в составе информационной части привода горной машины.
|
