Главная Контакты Добавить в избранное Авторы Вопросы и ответы
,

УДК 681.527.2

РАЗРАБОТКА МЕТОДА УПРЕЖДАЮЩЕЙ КОМПЕНСАЦИИ ИСКАЖЕНИЙ СТАТОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ АД, ВНОСИМЫХ ВЫХОДНЫМИ СИЛОВЫМИ ФИЛЬТРАМИ

Соломаха А.В.

Введение. Для питания АД в настоящее время используются инверторы напряжения с ШИМ. Выходные напряжения ПЧ с ШИМ представляют собой последовательность прямоугольных импульсов малой длительности. Крутые фронты напряжения с ШИМ (порядка 10 кВ/мкс) вызывают старение изоляции двигателя, питающих кабелей и ухудшение их диэлектрических свойств. Это также приводит к дополнительному нагреву обмоток двигателя и появлению высокочастотного акустического шума.

Устранение вышеназванных проблем особенно актуально для мощных приводов [1, 2]. Поэтому на выходе преобразователя частоты для сглаживания выходного напряжения устанавливают силовые LC-фильтры [3]. Пассивные фильтры улучшают гармонический состав тока и напряжения (скорость фронта импульса становиться менее 500 В/мкс), уменьшают акустический шум, имеют простую конструкцию и относительно дешевы в изготовлении. Ограничение скорости изменения напряжения и снижение перенапряжений позволяет отказаться от увеличения номиналов напряжений инверторов за счет учета явления обратной волны в кабелях. Без фильтра, ограничивающего производную напряжения, срок службы двигателя уменьшается на 10% по отношению к его декларированному сроку работы [4]. В основном, пассивные фильтры используются в потребителях мощности более 1 мегавольтампера. Пассивные фильтры не требуют технического обслуживания, экономичны, при условии, что сопротивление фильтра должно быть меньше, чем сопротивление системы [1]. Но, наряду с перечисленными положительными эффектами, пассивные фильтры искажают амплитуды и фазы главных гармоник выходных напряжений и токов, что приводит к ухудшению динамики електропривода, особенно с векторным управлением. В работе [3] проблема решается методом, построенным с помощью фильтра Калмана, которому присуща большая вычислительная сложность. Для восстановления динамики привода можно построить алгоритмически простой компенсатор введением перекрестных связей, что было сделано в работе [5], но без учета параметров нагрузки. 

Целью данной статьи является разработка метода упреждающей компенсации искажений статорного напряжения АД, вносимых силовыми фильтрами, учитывающей параметры нагрузки.

Постановка задачи. На рис. 1 представлена функциональная схема автономного инвертора с силовым фильтром, где СУ – система управления автономным инвертором с ШИМ (АИН с ШИМ); ПСФ – пассивный силовой LC-фильтр; АД – двигатель переменного тока; ,  – управляющие (программные) сигналы системы управления АИН, ,  – программные сигналы с учетом компенсации,  – фазовые управляющие сигналы. 

 

Рис. 1 Функциональная схема цепи компенсации неидеальностей ПСФ

 

Параметры ПСФ выбираются из условия устранения на их выходах высокочастотных помех, обусловленных ШИМ. Поэтому они являются известными, т.е. можно считать известными искажения амплитуды и фазы напряжения на выходах ПСФ. Задача состоит в упреждающем изменении программных сигналов по амплитуде и фазе таким образом, чтобы они компенсировали искажения, вносимые ПСФ. Таким образом, коэффициент передачи системы компенсатор – пассивный фильтр будет равен 1. Такая возможность имеется за счет введения перекрестных связей между фазами многофазных сигналов. Это удобнее делать с двухфазными сигналами.

Синтез упреждающего компенсатора фильтра. Программный двухфазный сигнал имеет вид

,                     (1)

где  – угловая скорость вектора напряжения , которая обычно используется в методах управления двигателями переменного тока и считается известной.

            После пропускания двухфазного сигнала (1) или эквивалентного ему трехфазного сигнала через фильтр, эквивалентный двухфазный сигнал примет вид

,      (2)

где  и  – АЧХ и ФЧХ фильтра соответственно.

Упреждающий компенсатор фильтра (УК) предназначен для устранения искажений в (2), связанных с наличием  и . Для этого УК должен иметь следующие частотные характеристики:

                                                 (3)

а его выходные сигналы с учетом (1) должны иметь вид

                              (4)

Для получения передаточной функции ПСФ рассмотрим одну фазу системы ПЧ-ПСФ-АД, которая показана на рис. 2. АД можно представить как нелинейную RL-нагрузку, параметры которой () зависят от параметров двигателя, режима работы двигателя, скольжения.

Рис. 2 Функциональная схема одной фазы системы ПЧ-ПСФ-АД

 

Передаточная функция системы имеет вид

,     (5)

где  – фазное напряжение АД,  – фазное напряжение на выходе ПЧ,  – активное сопротивление дросселя, или при необходимости, специально введенное в состав фильтра для получения необходимой фильтрации выходного напряжения ПЧ,  – индуктивность и емкость фильтра.

Передаточной функции (5) будет соответствовать АФЧХ вида

       (6)

где  – угловая скорость напряжения ,

 – действительные и мнимые части в числителе и знаменателе соответственно, введенные для упрощения расчета.

АЧХ и ФЧХ передаточной функции (5) с учетом введенных обозначений имеют вид

            ,                                                                          (7)

            .                                                    (8)

Воспользовавшись выражением  для (8), найдем

.                                                               (9)

Используя тригонометрические преобразования

,       ,                         (10)

и выражение

,                                                     (11)

полученное из (7), найдем

,                                           (12)

            .                                          (13)

Подставив значения  в (12), (13) и упростив, получим

,                                    (14)

            .                           (15)

Подставляя (14), (15) в (4), получим уравнения работы упреждающего компенсатора фильтра.

   ,

.            (16)

Результаты моделирования. Моделировалась система (рис. 3), состоящая из следующих последовательно соединенных звеньев: источник сигнала с переменной частотой, УК, преобразователь координат ()/(А,В,С), блок формирования ШИМ-сигналов, LC-фильтров и RL-нагрузки, имитирующей АД. Напряжения  - являются желаемыми сигналами, с которыми будем сравнивать выходные сигналы фильтра .

 

Рис. 3 Структурная схема моделирования работы упреждающего компенсатора фильтра

 

Источник генерировал периодический двухфазный сигнал амплитудой 100 В и переменной частотой, которая изменялась как показано на рис. 4.

Рис. 4 График изменения частоты сигнала источника в процессе моделирования

 

Моделирование проводилось со следующими параметрами фильтра: R=0.01 Ом, L=0.01 Гн, C=40 мкФ. Перед LC-фильтрами в блоке формирования ШИМ-сигналов на сигнал накладывались шумы, имитирующие ШИМ, амплитудой в 2 раза большей амплитуды полезного сигнала и частотой 4 кГц. Дискретность алгоритма УК составляла 200 мкс. На рис. 5 приведены графики ошибок, то есть рассогласований между желаемыми и выходными сигналами, по каналам  и .

а)                                                                                 б)

Рис. 5  Результаты моделирования УК:

а, б – ошибки по каналам  и  соответственно.

 

            Как видно из рис. 5, компенсационный фильтр работоспособен во всем диапазоне частот ±50 Гц, при этом имеет 3% ошибку в амплитуде, обусловленную шумами, имитирующими ШИМ. Компенсационный фильтр снижает амплитуду шумов, при этом практически отсутствуют искажения главной гармоники по амплитуде и фазе. По сравнению с прототипом [3], построенным с помощью фильтра Калмана, разработанный метод отличается алгоритмической простотой (не содержит операций интегрирования и дифференцирования).

Выводы. Разработан метод упреждающей компенсации искажений статорного напряжения АД, вносимых силовыми фильтрами, учитывающий параметры нагрузки. Компенсатор отличается алгоритмической простотой по сравнению с прототипом, построенным с помощью фильтра Калмана. Система компенсации входит в состав основной программы управления ПЧ и не требует дополнительных затрат. Связка компенсатор – пассивный фильтр снижает амплитуду шумов, при этом ошибка главной гармоники по амплитуде не превышает 3% и отсутствует по фазе. Разработанный метод работоспособен в диапазоне частот сигнала от 0 до 50 Гц. Предложенный метод компенсации искажений, обусловленных пассивным фильтром, применим для управления всеми типами двигателей, питаемых от АИН с ШИМ.

 

The predictive compensation method with load parameters accounting  for eliminating distortions of induction motor stator voltage, which brought in the output passive filter, is designed. The proposed compensation method may used for control of all kind of motors, powered by VSI with PWM.  Numerical modeling of serviceability of the designed algorithm has confirmed.

 

1.      Das J.C. Passive Filters – Potentialities and Limitation // IEEE Trans. Ind. Applicat.– 2004.–Vol.40, № 1.– Р.232–241.

2.      Kojima M., Hirabayashi K., Kawabata Y., Ejiogu E.C., Kawabata T. Novel Vector Control System Using Deadbeat-Controlled PWM Inverter With Output LC Filter // IEEE Trans. Ind. Applicat.– 2004.–Vol.40, № 1.– Р.162–169.

3.      Salomaki J., Hinkkanen M., Luomi J. Sensorless Control of Induction Motor Drives Equipped With Inverter Output Filter // IEEE Trans. on Ind. Electronics.– 2006.– Vol.53, № 4.– P.1188–1197.

4.      Хойджен П. Фильтры для частотных инверторов // Chip News. – 2002. – № 8. – С. 58–60.

5.      Потапенко Е.М., Соломаха А.В. Синтез и анализ компенсатора пассивного LC-фильтра на выходе преобразователя частоты // Радіоелектроніка. Інформатика. Управління. – 2007. – №2. – С. 148151.

 





Ответы на вопросы [_Задать вопроос_]

Информационно-управляющие комплексы и системы

Теленик С.Ф., Ролік О.І., Букасов М.М., Андросов С.А. Генетичні алгоритми вирішення задач управління ресурсами і навантаженням центрів оброблення даних

Богушевский В.С., Сухенко В.Ю., Сергеева Е.А., Жук С.В. Реализация модели управления конвертерной плавкой в системе принятия решений

Бень А.П., Терещенкова О.В. Применение комбинированных сетевых методов планирования в судоремонтной отрасли

Цмоць І. Г., Демида Б.А., Подольський М.Р. Методи проектування спеціалізованих комп’ютерних систем управління та обробки сигналів у реально-му час

Теленик С.Ф., РолікО.І., Букасов М.М., РимарР.В., Ролік К.О. Управління навантаженням і ресурсами центрів оброблення даних при виділених серверах

Селякова С. М. Структура інтелектуальної системи управління збиральною кампанією

Еременко А.П., Передерий В.И. Принятие решений в автоматизированных системах с учетом психофункциональных характеристик оператора на основе генетических алгоритмов

Львов М.С. Алгоритм перевірки правильності границь змінення змінних у послідовних програмах

Ляшенко Е.Н. Анализ пожарной опасности сосновых насаждений в зоне Нижне-днепровских песков – самой большой пустыни в Европе

Кучеров Д.П., Копылова З.Н. Принципы построения интеллектуального автору-левого

Касаткина Н.В., Танянский С.С., Филатов В.А. Методы хранения и обработки нечетких данных в среде реляционных систем

Ходаков В.Е., Жарикова М.В., Ляшенко Е.Н. Применение когнитивного подхода для решения задачи поддержки принятия управленческих решений при ликвидации лесных пожаров

Гончаренко А.В. Моделювання впливу ентропії суб’єктивних переваг на прийняття рішень стосовно ремонту суднової енергетичної установки

Фарионова Н.А. Системный подход построения алгоритмов и моделей систем поддержки принятия решений при возникновении нештатных ситуаций

Биленко М.С., Серов А.В., Рожков С.А., Буглов О.А. Многоканальная система контроля качества текстильных материалов

Мотылев K.И., Михайлов M.В., Паслен В.В. Обработка избыточной траекторной информации в измерительно-вычислительных системах

Гончаренко А.В. Вплив суб’єктивних переваг на показники роботи суднової енергетичної установки

Гульовата Х.Г., Цмоць І.Г., Пелешко Д.Д. Архітектура автоматизованої системи моніторингу і дослідження характеристик мінеральних вод

ПотапенкоЕ.М., Казурова А.Е. Высокоточное управление упругой электромеханической системой с нелинейным трением.

Кузьменко А.С., Коломіц Г.В., Сушенцев О.О. Результати розробки методу еквівалентування функціональних особливостей fuzzy-контролерів

Кравчук А. Ф., Ладанюк А.П., Прокопенко Ю.В. Алгоритм ситуационного управления процессом кристаллизации сахара в вакуум-аппарате периодического действия с механическим циркулятором

Абрамов Г.С., Иванов П.И., Купавский И.С., Павленко И.Г. Разработка навигационного комплекса для автоматического наведения на цель системы груз-управляемый парашют

Литвиненко В.И., Четырин С.П. Компенсация ошибок оператора в контуре управления следящей системы на основе синтезируемых вейвелет-сетей

Бардачев Ю.Н., Дидык А.А. Использование положений теории опасности в искусственных иммунных системах

Рожков С.О., Кузьміна Т.О., Валько П.М. Інформаційна база як основа для створення асортименту лляних виробів.

Ускач А.Ф., Становский А.Л., Носов П.С. Разработка модели автоматизированной системы управления учебным процессом

Мазурок Т.Л., Тодорцев Ю.К. Актуальные направления интеллектуализации системы управления процессом обучения.

Ускач А.Ф., Гогунский В.Д., Яковенко А.Е. Модели задачи распределения в теории расписания.

Сідлецький В.М., Ельперін І.В., Ладанюк А.П. Розробка алгоритмів підсистеми підтримки прийняття рішень для контролю якості роботи дифузійного відділення.

Пономаренко Л.А., Меликов А.З., Нагиев Ф.Н. Анализ системы обслуживания с различными уровнями пространственных и временных приоритетов.

Коршевнюк Л.О. Застосування комітетами експертів системи нечіткого логічного виводу із зваженою істинністю.. – С. 73 – 79.

Кирюшатова Т.Г., Григорова А.А Влияние направленности отдельных операторов и направленности всей группы на конечный результат выполнения поставленной задачи.

Петрушенко А.М., Хохлов В.А., Петрушенко І.А. Про підключення до мови САА/Д деяких засобів паралельного програмування пакету МРІСН.

Ходаков В.Е., Граб М.В., Ляшенко Е.Н. Структура и принципы функционирования системы поддержки принятия решений при ликвидации лесных пожаров на базе новых геоинформационных технологий.

Сидорук М.В., Сидорук В.В. Информационные системы управления корпорацией в решении задач разработки бюджета.

Нагорный Ю.И. Решение задачи автоматизированного расчета надежности иасуп с использованием модифицированного метода вероятностной логики

Козак Ю.А. Колчин Р.В. Модель информационного обмена в автоматизированной системе управления запасами материальных ресурсов в двухуровневой логистической системе

Гожий А.П., Коваленко И.И. Системные технологии генерации и анализа сценариев

Вайсман В.А., Гогунский В.Д., Руденко С.В. Формирование структур организационного управления проектами

Бараненко Р.В., Шаганян С.М., Дячук М.В. Аналіз алгоритмів взаємних виключень критичних інтервалів процесів у розподілених системах

Бабенко Н.И., Бабичев С.А. Яблуновская Ю.А. Автоматизированная информационная система управления учебным заведением

Яковенко А.Е. Проектирование автоматизированных систем принятия решений в условиях адаптивного обучения с учетом требований болонского процесса

Бараненко Р.В Лінеаризація шкали і збільшення діапазону вимірювання ємностей резонансних вимірювачів

Головащенко Н.В. Математичні характеристики шумоподібно кодованих сиг-налів.

Шерстюк В.Г. Формальная модель гибридной сценарно-прецедентной СППР.

Шекета В.І. Застосування процедури Append при аналізі абстрактних типів даних модифікаційних запитів.

Цмоць І.Г. Алгоритми та матричні НВІС-структури пристроїв ділення для комп'-ютерних систем реального часу.

Кухаренко С.В., Балтовский А.А. Решение задачи календарного планирования с использованием эвристических алгоритмов.

Бараненко Р.В., Козел В.Н., Дроздова Е.А., Плотников А.О. Оптимизация рабо-ты корпоративных компьютерных сетей.

Нестеренко С.А., Бадр Яароб, Шапорин Р.О. Метод расчета сетевых транзакций абонентов локальных компьютерных сетей.

Григорова А.А., Чёрный С. Г. Формирование современной информационно-аналитической системы для поддержки принятия решений.

Шаганян С.Н., Бараненко Р.В. Реализация взаимных исключений критических интервалов как одного из видов синхронизации доступа процессов к ресурсам в ЭВМ

Орлов В.В. Оценка мощности случайного сигнала на основе корреляционной пространственной обработки

Коджа Т.И., Гогунский В.Д. Эффективность применения методов нечеткой логики в тестировании.

Головащенко Н.В., Боярчук В.П. Аппаратурный состав для улучшения свойств трактов приёма – передачи информации в системах промышленной автоматики.