Теория, способы и системы векторного и оптимального векторного управления электроприводами переменного тока научная

На правах рукописи

МИЩЕНКО ВЛАДИСЛАВ АЛЕКСЕЕВИЧ

ТЕОРИЯ, СПОСОБЫ И СИСТЕМЫ ВЕКТОРНОГО

И ОПТИМАЛЬНОГО ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ

ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Научная специальность:

05.09.03. - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва

2010 г.

Работа выполнена в ОАО «Авиационная электроника и коммуникационные

системы» Государственной корпорации «Ростехнологии».

Официальные оппоненты:

Заслуженный деятель науки РФ,

Доктор технических наук, профессор Онищенко Георгий Борисович

Доктор технических наук, профессор Попов Борис Николаевич

Доктор технических наук, профессор Слепцов Владимир Владимирович

Ведущая организация: ОАО «Научно-исследовательский, проектно-

конструкторский и технологический институт

электромашиностроения» (НИПТИЭМ)

Защита состоится «01» июня 2010 г. в 11 часов на заседании

Диссертационного совета Д212.125.07 Московского авиационного института

(Государственного технического университета) МАИ

по адресу:, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 4, корпус 3

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписями, заверенными печатью, просим направлять на имя ученого секретаря Диссертационного совета по адресу:

125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 4

Автореферат разослан

"____" _____________ 2010 г.

Ученый секретарь

Диссертационного Совета

Д.212.125.07 к.т.н., доцент Кондратьев Александр Борисович

Общая характеристика работы

Актуальность. Современное серийное производство и широкое применение электроприводов переменного тока с векторным управлением являются результатом длительного и сложного этапа становления векторного управления как самостоятельного научного направления, дальнейшее мировое развитие которого на долгосрочную перспективу относится к основным проблемам теории и практики регулируемых электроприводов, электротехнических комплексов и систем.

Несмотря на длительное развитие в XX веке асинхронных электроприводов с частотным управлением и вентильных электроприводов, лишь в начале XXI века многие ранее исследованные, но трудно реализуемые принципиально новые пути повышения точности, диапазонов регулирования скорости, быстродействия и энергетической эффективности бесконтактных регулируемых электроприводов стали востребованы и получили мощный импульс развития. Это вызвано появлением и быстрым обновлением поколений принципиально новой элементной базы автоматизированного электропривода – специализированных для электроприводов высокопроизводительных однокристальных микроконтроллеров, быстродействующих интеллектуальных транзисторных ключей (IGBT-модулей) и трехфазных транзисторных преобразователей на их основе, используемых для регулирования скорости электродвигателей переменного тока в широком диапазоне мощностей.

В связи с этим в настоящее время особенно актуальной становится проблема создания научной методологии векторного управления, включающей теорию, методы синтеза, законы, способы и системы векторного управления транзисторными электроприводами с микропроцессорным управлением, обладающими все большей эффективностью по точности и быстродействию регулирования скорости при оптимальном использовании энергетических и динамических возможностей электродвигателей в предельно высоких диапазонах изменения момента и скорости.

Теоретической основой векторного управления являются теория двух реакций Блонделя-Парка, координатные преобразования дифференциальных уравнений Парка, теория электромеханических преобразователей, развитая в трудах R. Doherty, C. Nickle, Г.Крона, Ч. Конкордиа, E.Кларка, Е.Я. Казовского, А.А. Горева, Р. Рюденберга, Б.А. Адкинса, К.П. Ковача, И. Раца, Д.Уайта, Г.Вудсона, И.П. Копылова, А.В. Иванова-Смоленского и других.

В начале 60-х годов в ФРГ (AEG) предложено частотно-токовое управление асинхронным двигателем с регулированием частоты тока и частоты скольжения, вытесненное за рубежом в конце 60-х–начале 70-х годов регулированием вектора тока в координатах вектора потокосцепления с реализацией координатных преобразований уравнений Парка (работы K.Hasse, патенты «Siemens» на систему «Transvektor» F. Blaschke, статьи F. Blaschke, H.Ripperger, H.Steinkonig, W.Flotter и других).

Однако асинхронные приводы, реализованные как по принципу ориентирования вектора тока по измеренному полю в системе «Transvektor», так и по способу частотно-токового управления с регулированием частоты тока и частоты скольжения, распространенному в нашей стране в 70-90-е годы, уступают по точности регулирования приводам постоянного тока и вентильным приводам с диапазоном регулирования скорости 1000 и не применимы для более высоких диапазонов 10000 и выше.

Развитие точного машиностроения и специальной техники выдвинуло задачи, связанные с необходимостью достижения максимальной надежности электроприводов для необслуживаемого функционирования автоматических комплексов при высокой точности регулирования скорости бесконтактных электродвигателей в диапазонах от 10000 до 106 108. При этом требуется минимизировать массу, габариты, стоимость и энергозатраты как высокоточных приводов, так и общепромышленных

приводов для большинства отраслей промышленности, для электротранспорта.

Многие научные исследования, публикации, изобретения и промышленные разработки в передовых странах за последние 30 лет направлены на решение этих задач с широким конкурентным развитием асинхронных приводов, синхронных приводов с возбуждением от постоянных магнитов, вентильных и индукторных приводов.

Предпочтение по надежности, стоимости и технологической подготовленности массового серийного производства двигателей в большинстве отраслей получил асинхронный электропривод. Однако известные способы управления не обеспечивали асинхронному приводу конкурентоспособность в точном машиностроении, а синхронные приводы с постоянными магнитами требуют развития способов управления для возрастающих требований по быстродействию, точности и диапазонам регулировании момента и скорости. В связи с этим актуальной становится проблема создания новых способов управления, методов синтеза систем управления и методов оптимизации регулировочных, динамических и энергетических свойств асинхронных и синхронных электроприводов с точным регулированием момента и скорости.

Решению проблем высокоточного асинхронного электропривода, в том числе для робототехники и станкостроения, с начала 70-х годов посвящены разработки автора настоящей работы по созданию теории, способов и систем векторного управления. Предлагаемое автором направление отличается от систем типа «Trans-vektor» и систем частотно-токового управления новым - фазовым принципом управления моментом в динамике, способами векторного управления фазой тока, что защищено автором многими патентами, в том числе в РФ, ФРГ, США, в других странах. В отличие от многих вариантов устройств и систем эти способы имеют наиболее общий для широкого класса приводов комплекс принципиально новых отличительных свойств, относящихся к научной методологии векторного управления.

Решению задач и разработке многих вариантов систем векторного управления посвящены изобретения и научные публикации К. Hasse, F. Blaschke, R. Jtten, W.Fltter, H. Ripperger, G. Pfaff, A. Wick, G. Kaufman, L. Garces, T. Barton, D. Novotny, T. Lipo, V. Stefanovic, R. Gabriel, C. Schauder, D. Naunin, K. Nordin, K. Bayrer, W. Leonhard, R. Lorenz, M.Depenbrock, T. Matsuo, M. Matsumoto, Katsuo Kobary, Hiroshi Ishida, S. Morimoto, T. Ohtami и многих других. Ведущие компании мира серийно производят приводы и микроконтроллеры с векторным управлением.

Научные труды Г.Б. Онищенко, В.И. Ключева, В.А. Шубенко, O.B. Слежановского, Н.Л.Архангельского, И.И. Эпштейна, А.Д. Поздеева, А.Е. Козярука, В.А. Дартау, В.В. Рудакова, В.В. Слепцова, Н.И. Мищенко, А.Б. Виноградова и других способствовали становлению и применению в нашей стране векторного управления электроприводами в разных областях техники.

Актуальность создания научной методологии векторного управления обусловлена многими нерешенными проблемами высокоточного регулирования момента и скорости, связанными с неопределенностью параметров, законов и способов управления полем и моментом, с отсутствием способов совместимой оптимизации статики и динамики для достижения предельных энергодинамических возможностей.

Особую актуальность приобретает создание фазового принципа управления моментом, отыскание оптимальных фазовых законов при магнитном насыщении, векторные методы синтеза замкнутых по скорости систем регулирования с диапазонами регулирования скорости выше 10000, электроприводов без датчика скорости, а также систем воспроизведения момента с форсировками момента в диапазонах до 4-8-кратных, с максимальной выходной мощностью при ограничении тока и потерь.

Цель работы.

Целью работы является качественное повышение быстродействия, точности, диапазонов регулирования скорости и энергетической эффективности электроприводов переменного тока по сравнению с известными способами управления.

Для достижения указанной цели в работе решается проблема создания научной методологии векторного управления, включающей физико-математические основы и фазовый принцип векторного управления, векторные методы синтеза и оптимизации управления полем и моментом, векторную теорию асинхронного двигателя, фазовые законы, способы и системы векторного и оптимального векторного управления высокоточными быстродействующими приводами переменного тока на основе асинхронных двигателей и синхронных двигателей на постоянных магнитах с датчиком скорости и без датчиков, связанных с двигателем.

Цель работы и проблема методологии векторного управления обусловлены практическими задачами, решаемыми автором при создании высокоэффективных приводов по государственным программам и гособоронзаказам в 1970-2000-х годах.

Для достижения цели поставлен и решен комплекс теоретических задач инвариантного векторного управления динамикой с фазовым принципом управления током и полем по найденным в полярных и декартовых координатах законам фазовых смещений векторов токов и потокосцеплений в новых способах и системах управления, оптимальных по комплексу энергетических и динамических критериев.

Методы исследования. В основу предлагаемой методологии векторного управления положены опыт и результаты разработок автора по заказам промышленности в направлении создания транзисторных асинхронных электроприводов с диапазонами регулирования скорости выше 10000 с полосой пропускания выше 300 Гц.

При создании методологии использованы методы описания электромагнитных переходных процессов, известные из теории электромеханических преобразователей, и методы теории автоматического управления: метод пространства состояний, метод аналитического конструирования регуляторов, аналитические методы оптимизации, метод координат, методы синтеза систем подчиненного регулирования.

Использованы частотные методы оптимизации асинхронного электропривода, в том числе, методы, ранее разработанные автором: в 60-е годы- метод оптимизации частотно-управляемого асинхронного электропривода по минимуму тока и по минимуму потерь при магнитном насыщении асинхронного двигателя, и в 70-е годы - метод определения оптимальной частоты и оптимального потока по критерию максимума выходной мощности при ограничении потерь в асинхронном двигателе.

Научная новизна.

1. Научная новизна полученных результатов заключается в том, что создан фазовый принцип векторного управления электроприводами переменного тока с регулированием фаз и взаимных фазовых смещений электромагнитных векторов, обеспечивающий инвариантное управление моментом, оптимальное управление полем и высокоточное регулирование скорости с подтверждением мировой новизны комплекса основных способов векторного управления патентами автора в РФ, США, ФРГ, Англии, Франции, Швеции, Швейцарии по отношению к мировому уровню, к системе «Трансвектор» и к способу частотно-токового управления.

2. Впервые были созданы высокоточные транзисторные асинхронные электроприво-

ды с векторным управлением с диапазоном регулирования скорости 10000, 20000, удовлетворяющие требованиям по точности, быстродействию и стабильности регулировочных характеристик при подтверждении наибольшей эффективности в сравнительных испытаниях приводов постоянного и переменного тока для роботов и станков, чем доказана возможность применения асинхронного привода для высокоточных систем воспроизведения движения взамен другим типам приводов.

3. Предложен векторный метод управления взаимными фазовыми смещениями моментообразующих векторов электромеханического преобразователя в полярных и декартовых координатах с регулируемой фазой синхронизации без измерения поля.

4. Создана методология векторного управления, включающая развитие теории электромеханических преобразователей и третий закон электромеханики, векторные методы синтеза и оптимизации систем векторного управления, векторную теорию асинхронного электродвигателя, фазовые законы, комплекс способов и систем векторного и оптимального векторного управления электроприводами переменного тока с датчиком скорости и без датчика скорости, методы построения систем адаптивно-оптимального многозонного векторного управления и методы достижения предельных энергодинамических характеристик электроприводов переменного тока.

5. Разработаны новые теоретические положения и новые, защищенные патентами способы векторного управления синхронным электродвигателем с возбуждением от постоянных магнитов, позволяющие повысить точность, быстродействие и диапазоны регулирования скорости микропроцессорных синхронных электроприводов.

6. Разработана математическая основа векторного управления в различных координатах ориентации, способ и система векторной ориентации и векторного мониторинга «Векторинг» по измеренным токам и напряжениям, сформулированы основные направления перспективного развития микропроцессорных электроприводов на основе асинхронных и синхронных электродвигателей с оптимизацией энергодинамических качеств приводов для высокоточных систем воспроизведения движения.

Практическая значимость.

Созданная методология векторного управления позволяет разработчикам микропроцессорных систем управления повысить точность, быстродействие, диапазоны регулирования и энергодинамические качества перспективных электроприводов.

Предложенные в работе теория и способы векторного управления применимы в качестве математической основы для разработки алгоритмов и управляющих программ микропроцессорных систем приводов переменного тока в различных вариантах как с датчиком скорости, так и в высоконадежном исполнении без датчика.

Результаты исследований данной работы внедрены в промышленных разработках, выполненных автором в 70-90-е годы и в 2000-е годы:

- первые многокоординатные асинхронные электроприводы с векторным управ-

лением для универсальных и сборочных роботов,

- асинхронные электроприводы сварочных автоматов и сварочных роботов,

- асинхронные электроприводы механизмов подачи прецизионных металлообра-

батывающих станков,

- электроприводы и системы управления подачи основы для ткацких станков,

- электроприводы для специальных быстродействующих следящих систем,

- асинхронные электроприводы для электромобилей и электробусов,

- комплектный асинхронный электропривод и система автоматического управле-

ния для корабельных технических комплексов (завершенные ОКР внедрены в

серийном производстве и поставке корабельных асинхронных электроприводов).

Достоверность полученных результатов.

Основные результаты теоретических исследований подтверждены многими результатами экспериментальных исследований статических и динамических характеристик разработанных асинхронных электроприводов, совпадением расчетных зависимостей с экспериментальными данными и осциллограммами, а также результатами промышленных испытаний электроприводов на нескольких видах технических комплексов в разных отраслях: в робототехнике, в станкостроения, в электромобилях, в корабельных технических комплексах для военно-морского флота, что подт-верждено актами и протоколами испытаний.

Апробация работы.

Результаты исследований и разработок докладывались на научно-технических конференциях по проблемам развития асинхронных электроприводов в 60-90 годы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на V Международной (16 Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2007 в Санкт-Петербурге в 2007 г., на 4-х Международных конференциях и Российской научной школы «Системные проблемы надежности в инновационных проектах» «Инноватика-2006», «Инноватика-2007», «Инноватика-2008», «Инноватика-2009», на научных советах ФГУП НПП «ВНИИЭлектромеханики им. А.Г. Иосифьяна (2002 г.), кафедры электропривода МЭИ (2003 г.), ОАО «Электропривод» (2006 г.), кафедры 310 Московского авиационного института (2008 г.).

Результаты разработок демонстрировались на международных выставках в Москве в 1977 году «Электро-77», в 2000 г. «Электро-2000», в 1994 году в Вашингтоне на выставке «Технологии из России».

Публикации.

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 47 научных трудах и изобретениях, в том числе, в одноименной монографии 2002 года, 8 статьях в журналах, рекомендованных ВАК РФ, в том числе, в журналах «Электротехника» 2004-2008 годов, в 9 патентах РФ и 8 зарубежных патентах автора на комплекс способов и систем векторного управления, выданных США, ФРГ, Англией, Францией, Швецией, Швейцарией в 1988-1993 годах.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, заключения с выводами по работе и списка литературы. Общий объем работы составляет 315 страниц, в том числе, 298 страниц текста диссертации, включая 91 рисунок и 500 математических формул и уравнений. Список литературы состоит из 193 наименований.

На защиту выносятся.

1. Методология векторного управления, включающая векторный метод управления, методы синтеза законов, способов и систем векторного управления, векторные методы оптимизации режимов электроприводов переменного тока на основе сформулированного третьего закона электромеханики и фазового принципа управления моментообразующими векторами, обеспечивающего инвариантное управления моментом и оптимальное изменение поля при насыщении магнитопровода двигателя.

2. Векторная теория асинхронного двигателя, включающая теорию векторных взаимодействий в восьми системах координат, фазовые и векторные уравнения статики и динамики асинхронного электродвигателя при насыщении магнитопровода, фазовые зависимости изменений индуктивностей при насыщении и фазовые ограничения.