Идентификация структуры ПИ-регулятора для платформы нейро-сетевых компонентов в системе обеспечения стабильности

Благодаря значительному прогрессу в области силовой электроники и микроконтроллеров, управление электрическими машинами переменного тока имеет существенные достижения, которые позволяют применить приложения с высокой производительностью в реальном времени.

Электроприводы переменного тока с частотным регулированием в последнее время оказывают огромное влияние на промышленную автоматизацию стран. Быстрое развитие технологии стало возможным благодаря множеству нововведений в силовых полупроводниковых устройствах, топологиях силовых преобразователей, микропроцессорах, специализированных информационных систем, методах управления и автоматизированного проектирования. Для управления трехфазным асинхронным двигателем наиболее распространенным алгоритмом является скалярный метод управления, который заключается в генерации переменного напряжения от источника постоянного напряжения с использованием естественной техники широтно-импульсной модуляции. Однако скалярный метод с линейной и вентиляторной передаточной характеристикой не обеспечивает оптимального управления электроприводом с переменной нагрузкой на валу.

Для упрощения и удешевления замкнутых систем управления используются бездатчиковые векторные преобразователи. Одним из составляющих таких систем является блок наблюдателя состояний, представляющий из себя математическую модель электропривода, на основе которой происходит определение его текущих параметров, таких как положение вала и угловая скорость. Для работы блока наблюдателя требуются точные параметры электродвигателя. Некоторые элементы системы управления можно настроить экспериментальным путем. Однако в устройствах с переменным моментом нагрузки на валу требуется точное и быстрое определение состояний нагрузки. Следовательно, необходима разработка алгоритма точной начальной идентификации параметров асинхронного электропривода и непрерывной идентификации параметров нагрузки.

Актуальность темы обоснована значительным ростом на экономичные, дешевые в обслуживании системы электропривода, предназначенные для использования на объектах общепромышленного и морского назначения, таких как поршневые компрессоры холодильных установок, применяемых на предприятиях и судах.

1. Научный задел исследования

В статье [1] произведена оценка нагрузки электропривода поршневого компрессора судовой рефрижераторной установки. Нагрузка рассчитана с использованием индикаторной диаграммы поршневого компрессора мощностью 10.3 кВт [2]. Получен график изменения момента нагрузки на валу компрессора в зависимости от угла поворота, который будет использоваться при моделировании векторной системы управления АД. 

В работе [3] осуществлено построение и исследование пусковых характеристик электропривода поршневого компрессора судовой холодильной установки с использованием математической модели неравномерного момента нагрузки. Зависимость момента нагрузки на валу электропривода поршневого компрессора от угла поворота представлена в виде математической модели. Построены графики переходных процессов по скорости и по току при различных значениях момента инерции двигателя и маховика. Численное моделирование позволило утверждать, что при неравномерной периодической нагрузке без маховика, пуск асинхронного электродвигателя выполняется в рамках номинальных значений, но в установившемся режиме работы наблюдаются значительные пульсации тока более 10%. Определено, что при добавлении момента инерции маховика в модель, создающим дополнительный момент инерции, пульсации скорости вращения и тока уменьшаются, но в свою очередь увеличивается время пуска электропривода.

2. Имитационная модель системы векторного управления асинхронным двигателем в программе Simulink

Исследование системы векторного управления производится с использованием математической имитационной модели асинхронного электродвигателя с частотным векторным управлением [4]. Созданная модель представлена на рисунке 1 и состоит из нескольких структурных блоков. Основным устройством является асинхронный электродвигатель, который получает питание от IGBT инвертора.

Подсистема Блок управления (рис.2.) создана для управления силовыми ключами инвертора. Для создания сигнала управления используется обратная связь по моменту и скорости вращения электропривода. Блоки подсистемы приведены на рисунке 2. В подсистеме производится пересчет координат из трехфазной системы токов статора в двухфазную систему магнитного потока ротора. В блоке Регулятор скорости встроен пропорционально интегрирующий (ПИ) регулятор, определяющий величину необходимого электромагнитного момента электродвигателя.

Рисунок 1 – Общий вид имитационной модели в программе MATLAB/Simulink

На выходе блока Генерации импульсов создается сигнал управления для трехфазного мостового 6-ти импульсного инвертора, представленного в виде универсального IGBT-моста.

Рисунок 2 – Подсистема векторного управления

На блок Инвертор подается постоянное напряжение с блока источника питания напряжением 460В. Получая импульсы с широтной модуляцией от системы управления, блок преобразует постоянное напряжение в синусоидальное переменное напряжение с изменяемой частотой и амплитудой. Данное напряжение поступает на блок асинхронного двигателя.

В качестве момента нагрузки для моделирования пуска и работы электродвигателя применялся постоянный и переменный моменты. Выбор блоков Постоянная нагрузка и Переменная нагрузка (рис.3) определяет тип подаваемой нагрузки на вал электродвигателя. При выборе постоянной нагрузки на вал двигатель запустится в холостом режиме и при 2 с подключится момент нагрузки в 170 Нм.

Блок асинхронного двигателя характеризуется следующими основными параметрами (таблица 1):

Таблица 1 – Параметры блока асинхронного двигателя

Номинальная мощность
50*746 Вт
Напряжение питания
460 В
Частота тока
50 Гц
Активное сопротивление статора
0.087 Ом
Активное сопротивление ротора
0.228 Ом
Начальная индукция
0.0347 Гн
Количество пар полюсов
2
Инерция
1.662 кг*м2
 

При выборе нелинейного режима нагрузки на вал электродвигателя будет подаваться изменяемый периодично момент нагрузки, который представлен в виде формулы [5]:

             (2)

Таким моментом нагрузки характеризуются сложные механические устройства, обладающие кривошипно-шатунным механизмом (например, поршневые компрессоры и насосы). На рисунке 3 представлена подсистема «Переменная нагрузка». Входным сигналом для блоков синусоидальных гармоник является угол поворота вала электродвигателя.

Рисунок 3 - Результаты моделирования при переменной нагрузке на валу. (а – скорость вращение вала, б – среднеквадратичное значение тока статора, в - нагрузка на валу, г – электромагнитный момент)

Рисунок 4 - Результаты моделирования при переменной нагрузке на валу (время 2,93-2,96 с.). (1 – скорость вращение вала, 2 – среднеквадратичное значение тока статора, 3 -нагрузка на валу, 4 – электромагнитный момент)

Рисунок 5– Зависимость времени запуска электродвигателя от коэффициентов ПИ-регулятора

Заключение. В результате проведенного исследования в среде имитационного моделирования Simulink реализована модель асинхронного электропривода с векторным управлением, которая функционирует на постоянную и переменную нагрузку.

Моделирование системы при работе привода на постоянную нагрузку на валу позволяет утвердить вывод о корректности настройки регуляторов по параметрам схемы замещения двигателя и возможности применения модели для дальнейших исследований.

Результаты моделирования при переменной нагрузке показали наличие пульсаций скорости вращения и тока статора. Определено, что настройки ПИ-регулятора не позволяют уменьшить пульсации скорости вращения при работе двигателя на переменной нагрузке. Предложено использование в системе управления нейро-сетевого регулятора для снижения коэффициента пульсаций.

Разработанная модель электропривода с применением векторного управления может использоваться для создания программной части системы управления частотного преобразователя с обратной связью (с использованием энкодера или датчика Холла). Также дальнейшее развитие разработанная модель управления может получить добавлением алгоритмов идентификации параметров асинхронного двигателя, добавлением систем сглаживания пульсаций скорости вращения с применением активного фильтра гармоник и реализацией бездатчикового управления с применением нейронных сетей. Тип нейронной сети будет аккредитован согласно необходимости адаптивного решения и реализации задачи.

Список литературы

1. A. Vyngra, B. Avdeyev, Calculation of the Load of an Electric Drive of a Reciprocating Compressor of a Ship Refrigeration Unit. // IEEE International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies. (FarEastCon), 2018.  DOI: 10.1109/FarEastCon.2018.8602830.
2. Ruselprom group. [электронный ресурс] режим доступа: http://ruselprom.com/. (дата обращения 25.10.2018).
3. A. Vyngra, B. Avdeyev,  R. Abdurakhmanov, V. Yenivatov, Igor K. Ovcharenko, Mathematical Model of Start for a Piston Compressor Electric Drive of a Ship Refrigerator. // IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElConRus), 2019, pp. 369-372
4. Sokolova E.A., Dzhioev G.A. Development of an algorithm for automated enhancement of digital prototypes in machine engineering. // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 10. Series "International Conference on Mechanical Engineering, Automation and Control Systems 2016", 2017, pp. 012-037.
5. Авдеев Б. А. Расчёт индуктивности для двунаправленного преобразователя постоянного напряжения в автономных подводных аппаратах // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология, 2018. № 4. С. 107-114.
6. Вершинин В.И., Махонин С.В., Паршиков В.А., Хомяк В.А. Создание систем электродвижения для судов различного назначения // Труды Крыловского государственного научного центра. 2019. Вып. 1(387). С. 107-122.
7. Grasso F., Allotta B., Rindi A., Pugi L., Fusi A.  and Ussi A., Transient power pulse calculation in electric motor driving reciprocating compressor. // 2016 IEEE 16th International Conference on Environment and Electrical Engineering (EEEIC), pp. 1 – 5.
8. Герман-Галкин С.Г. Matlab & Simulink. Проектирование мехатронных систем на ПК. - Спб.: Коронавек, 2008. – 368 с., ил.
9. Шрейнер Р. Т. Системы подчиненного регулирования электроприводов. - Екатеринбург: Изд-во ГОУ ВПО «рос. гос. проф.-пед. ун-т», 2008. 279 с.

Базовая модель публикации основана на материалах журнала RSCI Датчики и системы 2021 № 8

Идентификация настройки ПИ-регулятора на платформе нейро-сетевой структуры

Авторы: А.В. Вынгра,  С.Г. Черный

а также представлена на междуранодной конференции sigma 2020 где публикация получила номинацию TOP-10 и отобрана в журнал Q1-2&