Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,899

ОПТИМИЗАЦИЯ КОНТУРОВ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ШНЕКА ЗАГРУЗКИ ПЛАМЕННОГО РЕАКТОРА

Дементьев Ю.Н. 1 Власов А.И. 1 Кояин Н.В. 1 Умурзакова А.Д. 1
1 Национальный исследовательский Томский политехнический университет
В статье проведено исследование частотно-управляемого асинхронного электропривода для шнека загрузки с целью получения желаемых динамических характеристик электропривода при известных параметрах объекта регулирования. Проведены исследования на имитационных моделях основных контуров регулирования, оптимизация контуров регулирования и представлены динамические показатели качества регулирования. Полученные результаты подтверждают возможность применения частотно-регулируемого асинхронного электропривода для шнека загрузки пламенного реактора. Частотно-регулируемый асинхронный электропривод позволяет обеспечить динамические показатели качества регулирования, сравнимые с электроприводом постоянного на базе двигателя с независимым возбуждением, а анализ динамических показателей качества регулирования основных контуров системы частотно- регулируемого асинхронного электропривода, полученных в результате моделирования и ожидаемых, показывает, что они практически не отличаются друг от друга и качество переходных процессов в контуре скорости с фильтром на входе несколько лучше, чем без него.
оптимизация
асинхронный электродвигатель
электропривод
частотное управление
1. Панкратов В.В., Зима Е.А. Энергооптимальное векторное управление асинхронными электроприводами. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2005. – 120 с.
2. Удут Л.С., Мальцева О.П., Кояин Н.В. Проектирование и исследование автоматизированных электроприводов. Теория оптимизации непрерывных многоконтурных систем управления электроприводов. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2007. – 164 с.
3. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. – Екатеринбург: УРО РАН, 2000. – 654 с.
4. Dementyev Yu.N., Bragin A.D., Koyain N.V., Udut L.S. Control system with sinusoidal PWM three-phase inverter with a frequency scalar control of induction motor // 2015 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON): proceedings, Omsk, May 21–23, 2015. – Новосибирск: IEEE Russia Siberia Section, 2015 – Р. 1–6.
5. Dementyev Y.N., Umurzakova A.D. The engine mechanical coordinates measuring in the asynchronous motor // MATEC Web of Conferences 19, 010027 (2014) DOI: 10.1051/matecconf/20141901027. – URL: http://dx.doi.org/10.1051/matecconf/20141901027.

Технологический процесс фторирования урана требует точного дозирования оксида урана, надёжности и безопасности электропривода шнека загрузки.

В настоящее время в качестве электропривода (ЭП) шнека загрузки, служащего для подачи в пламенный реактор оксида урана в виде мелкокристаллического вещества при фторировании урана, используется ЭП постоянного тока, недостатками которого является низкая надёжность машины постоянного тока из-за наличия щёточно-коллекторного узла, сложность в обслуживании, высокая стоимость эксплуатации и массогабаритные показатели [4]. Использование ЭП на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (АД) и реализация современных методов управления им даёт высокие показатели эффективности и работоспособности таких электроприводов [5]. Широкое использование АД в массовом и специализированном электроприводе можно объяснить его высокой надежностью, обусловленной отсутствием щеточно-коллекторного узла и постоянных магнитов, простотой конструкции, малыми габаритами и моментом инерции ротора, отсутствием коммутационных ограничений по скорости и току и т.д. [1].

Поэтому разработка, исследование и внедрение современного частотно-регулируемого асинхронного ЭП для шнека загрузки пламенного реактора является актуальной и соответствует требованиям времени.

Оптимизация контуров регулирования системы частотно-управляемого асинхронного электропривода

Характерной особенностью частотно-регулируемых ЭП переменного тока является относительно большая инерционность в цепи обратной связи контуров регулирования тока, потокосцепления и скорости [3]. Поэтому для их оптимизации не может быть применена классическая теория оптимизации систем подчиненного регулирования с безынерционной обратной связью. Для оптимизации контуров регулирования с инерционной обратной связью используем методы, изложенные в [2]. Упрощенная структурная схема системы частотно-управляемого асинхронного ЭП приведена на рис. 1.

pic_16.tif

Рис. 1. Упрощенная структурная схема системы частотно-векторного управления асинхронным двигателем

pic_17.tif

Рис. 2. Структурная схема контура для управления составляющей тока статора isx

Из структурной схемы видно, что в системе имеются контуры регулирования составляющей тока статора по оси х (с регулятором РТх), составляющей тока статора по оси у (с регулятором РТу), контур регулирования скорости двигателя (с регулятором РС) и контур регулирования, определяющий магнитный поток обмотки ротора машины (с регулятором РYr).

Оптимизация контура тока

Оптимизацию контура тока осуществляем без учёта перекрёстных связей двигателя и при нулевых заданиях на скорость и поток. Структурная схема контура приведена на рис. 2.

С учётом параметров контура выбираем пропорционально-интегральный (ПИ) – регулятор с передаточной функцией

dementeva01.wmf

где Tpm = Te = Treg – постоянная времени регулятора; dementeva02.wmf – коэффициент усиления регулятора; kinv – коэффициент обратной связи по току; am – коэффициент оптимизации контура тока по модульному оптимуму (МО).

Передаточная функция разомкнутого контура тока

dementeva03.wmf (1)

Передаточная функция замкнутого контура тока

dementeva04.wmf (2)

При моделировании в качестве АД используется двигатель D09SA4 со следующими каталожными данными: синхронная скорость вращения n0 = 1500 об/мин, номинальное фазное напряжение U = 220 В, номинальная мощность двигателя Pн = 1,1 кВт, номинальное скольжение S = 0,067, коэффициент полезного действия в режиме номинальной мощности ηн = 76,3 %, коэффициент мощности в режиме номинальной мощности cos φн = 0,78, кратность максимального момента dementeva05.wmf, кратность пускового момента dementeva06.wmf, кратность минимального момента dementeva07.wmf, кратность пускового тока dementeva08.wmf.

pic_18.tif

Рис. 3. Имитационная модель контура тока для управления составляющей тока статора isx

pic_19.wmf

Рис. 4. Переходная характеристика i(t) контура тока

Таблица 1

Динамические показатели качества регулирования контура тока

Показатели

Ожидаемые

Полученные

σ, %

4,32

4,34

dementeva09.wmf о.е.

0,00041

0,000415

dementeva10.wmf, o.e.

7100

7120

pic_20.tif

Рис. 5. Структурная схема контура потокосцепления

Результаты моделирования переходных процессов в контуре тока, настроенного на модульный оптимум при отработке ступенчатого входного воздействия UЗМ UЗМ = 1 о.е., представлены в виде переходной характеристики i(t) на рис. 4.

Показатели качества работы контура тока сведены в табл. 1.

Анализ полученных результатов моделирования показывает, что настройка контура тока с ПИ-регулятором близка к настройке на МО системы 2-го порядка. Контур является астатической системой 1-го порядка по управлению.

Оптимизация контура потокосцепления

Структурная схема контура потокосцепления приведена на рис. 5.

С учетом параметров контура выбираем ПИ-регулятор с передаточной функцией

dementeva11.wmf (3)

где kрп – коэффициент усиления; dementeva12.wmf – постоянная времени регулятора.

Полная передаточная функция разомкнутого контура потокосцепления

По структурной схеме контура потокосцепления (рис. 5) составим имитационную модель, которая приведена на рис. 6.

Результаты моделирования переходных процессов в контуре потокосцепления, настроенного на МО, при отработке ступенчатого входного воздействия Uзп.макс = 1 В приведены в виде переходной характеристики Yr(t) на рис. 7.

Показатели качества работы замкнутого контура потокосцепления приведены в табл. 2.

dementeva13.wmf (4)

Полная передаточная функция замкнутого контура потокосцепления

dementeva14.wmf (5)

pic_21.tif

Рис. 6. Имитационная модель контура потокосцепления

pic_22.wmf

Рис. 7. Переходная характеристика контура потокосцепления

Таблица 2

Динамические показатели качества регулирования замкнутого контура потокосцепления

Показатели

Ожидаемые

Полученные

σ

8,14

6,39

dementeva15.wmf о.е.

0,0007

0,000581

dementeva16.wmf о.е.

0,0012

0,00117

dementeva17.wmf о.е.

5000

4640

dementeva18.wmf о.е.

3500

3440

Анализ полученных результатов моделирования контура потокосцепления показывает, что они практически совпадают с ожидаемыми качественными показателями работы контура тока. Небольшие расхождения в величинах качественных показателей контура потокосцепления и тока находятся в пределах допустимой погрешности.

Оптимизация контура скорости

Структурная схема контура скорости приведена на рис. 8.

С учётом параметров контура выбираем ПИ-регулятор с передаточной функцией

dementeva19.wmf (6)

где kрс – коэффициент усиления; ac – коэффициент оптимизации контура скорости на СО; Tμc = aт?Tтп (о.е.) – малая постоянная времени контура; T2 = Tрс (о.е.) – большая постоянная времени контура.

pic_23.tif

Рис. 8. Структурная схема контура скорости, настроенного на симметричный оптимум

Передаточная функция разомкнутого контура скорости, настроенного на СО:

dementeva20.wmf

Передаточная функция замкнутого контура скорости без фильтра на входе:

dementeva21.wmf

Передаточная функция замкнутого контура скорости с фильтром на входе:

dementeva22.wmf

По структурной схеме контура скорости, настроенного на СО (рис. 8), построена имитационная модель, представленная на рис. 9.

pic_24.tif

Рис. 9. Имитационная модель контура скорости, настроенного на СО

pic_25.wmf

Рис. 10. Переходные характеристики υ(t) контура скорости, настроенного на СО

Таблица 3

Динамические показатели качества регулирования замкнутого контура скорости с фильтром на входе

Показатели

Ожидаемые

Полученные

σ, %

8,1

8,1

dementeva23.wmf о.е.

0,02176

0,0212

dementeva24.wmf о.е.

0,03248

0,046

dementeva25.wmf о.е.

141,24

124

dementeva26.wmf о.е.

101,69

103

Результаты моделирования переходных процессов в контуре скорости, настроенного на симметричный оптимум (c фильтром и без фильтра на входе), при отработке ступенчатого входного воздействия Uзс.макс = 1 В приведены в виде переходных характеристик υ(t) на рис. 10.

Динамические показатели качества регулирования замкнутого контура скорости с фильтром на входе приведены в табл. 3.

Выводы

1. Установлено, что применение частотно-регулируемого асинхронного электропривода для шнека загрузки пламенного реактора позволяет обеспечить динамические показатели качества регулирования, сравнимые с электроприводом постоянного на базе двигателя с независимым возбуждением.

2. Анализ динамических показателей качества регулирования основных контуров системы частотно-регулируемого асинхронного электропривода, полученных в результате моделирования и ожидаемых, показывает, что они практически не отличаются друг от друга. Небольшая погрешность между ними связана с введением упрощений в расчетах при оптимизации контуров. Следует отметить, что качество переходных процессов в контуре скорости с фильтром на входе несколько лучше, чем без него.


Библиографическая ссылка

Дементьев Ю.Н., Власов А.И., Кояин Н.В., Умурзакова А.Д. ОПТИМИЗАЦИЯ КОНТУРОВ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ШНЕКА ЗАГРУЗКИ ПЛАМЕННОГО РЕАКТОРА // Современные наукоемкие технологии. – 2016. – № 4-2. – С. 235-241;
URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=35809 (дата обращения: 30.11.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074