Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Опыт создания системы управления асинхронным двигателем для гидропривода крано-манипуляторной установки

Полный текст:

Аннотация

Представлена математическая модель системы управления асинхронным двигателем для гидропривода крано-манипуляторной установки, реализованная в пакете Matlab Simulink. Отмечены особенности выбора частоты широтно-импульсной модуляции и компонентов регулируемого электропривода в зависимости от нагрузочной диаграммы и характеристик нового электродвигателя. Приведены выходные характеристики работы электродвигателя с питанием от источника синусоидального напряжения и преобразователя частоты, являющегося источником модулированного широтно-импульсного напряжения

Для цитирования:


Шестаков И.В., Сафин Н.Р. Опыт создания системы управления асинхронным двигателем для гидропривода крано-манипуляторной установки. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2018;(4):52-66.

For citation:


Shestakov I.V., Safin N.R. The experience of creating an asynchronous motor control system for the hydraulic drive of a crane-manipulator. Journal of «Almaz – Antey» Air and Defence Corporation. 2018;(4):52-66. (In Russ.)

Области использования крано-манипулятор- ных установок (КМУ) достаточно широки и включают в себя промышленное производство, энергетику, строительство и т. д. Благодаря своей универсальности большинство таких установок является машинами двойного на­значения [1]: они могут быть использованы в составе транспортно-заряжающих машин ар­тиллерийских и ракетных комплексов, инже­нерных машин для прокладки колонных путей и дорог, оборудования артиллерийских и ра­кетных огневых позиций, командных пунктов и др. В данной статье под КМУ понимается крановый механизм военного назначения, ис­пользующийся для последовательного перезаряжания пусковых (ПУ) и пуско-заряжающих установок (ПЗУ). КМУ состоит из следующих основных частей, связанных между собой кинематическими связями: базы, поворотного основания, стойки, стрелы, телескопической части и оголовки (лебедки) (рис. 1).

 

Рис. 1. Внешний вид КМУ: 1 - телескопическая часть; 2 - лебедка; 3 - стрела; 4 - выведение стрелы; 5 - вы­ведение стойки в рабочее положение; 6 - поворотное основание; 7 - база; 8 - стойка

 

В самоходных грузоподъемных агрегатах распределение потока энергии от первичного двигателя и регулирование траекторий движе­ния исполнительных механизмов с различной нагруженностью осуществляется воздействи­ем на гидравлическую часть, в состав которой вводятся гидрораспределительное и регули­рующее (дросселирующее) оборудование. В частности, на рис. 2 в качестве примера представлена работа такого гидропривода КМУ в динамике. При различных режимах возникают повышенные пульсации в ги­дросистеме, приводящие к местным поте­рям различного рода и ненужному нагреву, а это, в свою очередь, снижает эффектив­ность, срок службы и, главное, надежность гидропривода КМУ военной техники (ВТ). В данном КМУ (патент РФ на полезную мо­дель № 162251) в приводе применяется но­вый тяговый асинхронный двигатель (АД) (получен патент РФ на полезную модель № 184734) с характеристиками: мощность Pn = 15 кВт (Pmax = 18 кВт); фазное напряже­ние UsN = 127 В; фазный ток IsN = 50,38 А; частота питающего напряжения fN = 400 Гц; КПД ηΝ = 0,8651; коэффициент мощности cos φΝ = 0,8351; число пар полюсов zp = 4; скольжение βΝ = 0,0269; скорость вращения ротора Ων = 611,42 рад/c.

 

 

При условии сохранения общей гидрав­лической схемы трансмиссии рациональным решением представляется переход от дрос­сельного (дискретного) вида регулирования к объемному регулированию, для реализации которого необходим привод насосной станции, регулируемый по скорости. Решение этой зада­чи оказывается возможным на основе исполь­зования АД, подключаемого к электрическому генератору трансмиссии через преобразова­тель частоты (ПЧ) - контроллер.

Внедрение ПЧ позволяет получить необ­ходимый для крановых механизмов диапазон регулирования скорости (1:5-1:10) как в дви­гательном, так и в тормозном режимах рабо­ты. Повышается удобство управления краном, существенно увеличивается ресурс механиче­ских передач, тормозов и металлоконструкций из-за снижения динамических нагрузок при пусках и торможениях механизмов [2]. Для достижения этой цели в данной работе выпол­няется моделирование системы управления АД для гидропривода КМУ.

Проектирование частотно-регулируемо­го электропривода для крановых механизмов зачастую проводится интуитивно, без четкого обоснования выбора основных компонентов электропривода [2]. В данном случае выбор основных компонентов электропривода вы­полнялся на базе основных параметров (мощ­ность, напряжение и ток) приводного АД и нагрузочной диаграммы, а также на основе теплового расчета силового модуля (выходит за рамки настоящей статьи).

В настоящее время на российском рын­ке превалируют импортные ПЧ. В связи со сложившейся внешнеполитической обстанов­кой в стране взят курс на импортозамещение. Соответственно, для расширения доли рынка российскими производителями требуется раз­работка отечественных конструкций и систем управления для КМУ [3]. С учетом военной специфики применения к контроллеру должны быть предъявлены значительно повышенные требования (согласно комплексам государ­ственных военных стандартов «Климат-6» и «Мороз-7»).

На основе сопоставления достоинств и недостатков разных типов ПЧ [4] принимаем, что наиболее целесообразным является вариант двухзвенного преобразователя частоты (ДПЧ) с промежуточным звеном постоянного тока и автономным инвертором напряжения (АИН).

В данной работе при математическом мо­делировании используется система базисных величин (для обеспечения общности результа­тов моделирования и внесения рационального масштабирования уравнений), в долях от которых выражаются параметры и переменные состояния АД. Используя методику, представ­ленную в работах [4, 5], приведем результаты расчета базисных величин (табл. 1).

 

Таблица 1

Результаты расчета базисных величин

При проектировании системы управле­ния АД необходима информация о его параме­трах для представления ее в виде Т-образной схемы замещения. Согласно источнику [5], были определены параметры схемы заме­щения и электромеханической модели элек­тродвигателя, а результаты расчета сведены в табл. 2.

 

Таблица 2

Результаты расчета параметров схемы замещения и электромеханической модели АД

Наименование

Система физических единиц

Система относительных единиц

Обозначение

Значение

Единицы измерения

Обозначение

Значение

Активное сопротивление обмотки статора

Rs

0,0412

Ом

rs

0,02

Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора

X

0,2186

Ом

x

0,0867

Индуктивность рассеяния обмотки статора

L

0,0867

мГн

l

0,0867

Активное сопротивление обмотки ротора

Rr

0,0743

Ом

rr

0,0289

Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора

X

0,1887

Ом

x

0,0749

Индуктивность рассеяния обмотки ротора

L

0,075

Ом

l

0,0749

Номинальное индуктивное сопротивление намагничивания

XmN

5,7

Ом

xmN

2,261

Номинальная индуктивность намагничивания

LmN

2,27

мГн

lmN

2,261

Номинальное скольжение

βΝ

0,0269

-

βΝ

0,0269

Коэффициенты уравнений модели электродвигателя

ζΝ

1,215

-

ζN

1,215

Ks

0,9631

-

ks

0,9631

Kr

0,968

-

kr

0,968

Lσэ

0,165

мГн

lσэ

0,1645

Ar

31,16

с-1

αr

0,0124

Для разработки системы управления АД для гидропривода КМУ необходимо математи­ческое моделирование режимов работы АД, происходящие в несколько этапов:

  • прямое преобразование входных воз­действий (фазных напряжений статора) к вра­щающейся системе координат;
  • решение системы уравнений электро­магнитных контуров (токов и потокосцеплений), записанных для переменных во вращаю­щейся двумерной свободно ориентированной системе координат;
  • вычисление электромагнитного момен­та электродвигателя;
  • обратное преобразование переменных состояния электромагнитных контуров к фаз­ным значениям для согласования модели АД с моделью АИН, которая записывается от­носительно мгновенных значений фазных величин.

Для реализации этих этапов электроме­ханическая модель АД должна включать со­ответствующие уравнения, которые рассмот­рены далее.

Преобразование координат переменных АД включает два этапа. На первом этапе фаз­ные напряжения преобразуются в неподвиж­ную относительно статора двумерную орто- тональную систему координат в соответствии с выражениями:

где U, U - мгновенные значения преобра­зованных переменных в системе координат;

Usa, Usb, Usc - мгновенные значения фаз­ных напряжений на зажимах статора АД.

На втором этапе выполняется переход к вращающейся со скоростью ωk системе коор­динат 0xy, угол поворота которой относитель­но неподвижной системы обозначается θk . На этом этапе используются формулы:

где Usx, Usy - мгновенные значения преобразо­ванных переменных в системе координат 0 xy;

ρx = cos θk, ρy = sin θk - координатные функ­ции. При этом pθk = ωk .

Преобразованная к двумерной, свободно ориентированной системе координат система уравнений электромагнитных контуров АД в физических единицах [4]:

где Rs, Rr- активные сопротивления обмоток статора и ротора;

p - оператор дифференцирования по от­носительному времени;

Ψrx, Ψry - потокосцепления статора по осям x, y;

Ωk - скорость вращения ротора;

Ls - полная индуктивность обмотки ста­тора Ls = Lm + Z;

L - индуктивность рассеяния обмоток статора;

Lm - главная индуктивность;

Lr - полная индуктивность обмотки рото­ра, Lr = Lm + L ;

L - индуктивность рассеяния обмоток ротора;

Ψmx, Ψmy - главные потокосцепления по осям x, y;

Irx, Iry - токи намагничивания по осям x, y.

При вычислении электромагнитного момента АД используется соотношение [4]:

где ζΝ - нормирующий энергетический ко­эффициент, равный отношению полной мощ­ности на зажимах обмотки статора SN к электромагнитной мощности АД PN .

В системе относительных единиц урав­нения электромагнитных контуров АД следу­ющие:

где lm - переменный коэффициент, имеющий смысл динамической намагничивающей ин­дуктивности, который определяется по кри­вой намагничивания по формуле (13).

Для получения корректных результатов математического моделирования режимов частотного управления АД требуется учет не­линейности характеристики намагничивания электродвигателя, т. е. насыщения главной магнитной цепи. Для этого в процессе реше­ния уравнений электромагнитных контуров необходимо определять значения главного по- токосцепления, определяющего значение коэф­фициента взаимоиндукции обмоток статора и ротора. В практических расчетах используют аппроксимацию нелинейной зависимости lm от главного потокосцепления ψm следующим выражением:

где g1, g2, g3, g4 - коэффициенты полиномиаль­ной аппроксимации кривой намагничивания электродвигателя im = f (ψ m).

При учете насыщения (в стали статора и ротора) уравнение связи для данной системы выглядит следующим образом [4]:

Потери в стали ротора (для учета сум­марных магнитных потерь) учитывались ана­литически [5].

В системе уравнений переменных «пото­косцепления статора - потокосцепления рото­ра» уравнения электромагнитных контуров в относительных единицах имеют вид [5]:

где kr = 1/(1 + l / l) - коэффициент связи ро­тора;

ks = 1/(1 + l / lm) - коэффициент связи ста­тора.

Для расчета токов АД и электромагнит­ного момента в относительных единицах

где lσэ  - коэффициент потокосцепления [4],

В системе уравнений переменных «токи статора - потокосцепления ротора» уравнения электромагнитных контуров имеют вид [4]:

Уравнения (1)-(12), (14)-(26) в относи­тельных единицах закладываются в блоках

электромеханической модели (AM Model_no_ iteration, Static moment) системы управления АД в пакете Matlab Simulink (рис. 3).

 

Рис. 3. Структурная схема скалярной системы управления АД гидропривода КМУ:

КУ - командное устройство; ЗИ - задатчик интенсивности; ФР - формирователь режимов; ПК - преобразование ко­ординат; УПК - блок управления преобразователем координат; УАИ - блок управления АИН; ФОС - блок формиро­вания сигнала обратной связи по току статора; PT - регулятор тока статора

 

Математическая модель АИН с ши­ротно-импульсной модуляцией (ШИМ) для построения в пакете Matlab Simulink была реализована на основе уравнений векторно­матричных форм и связывающих мгновенные значения входных, промежуточных и выходных переменных трехфазного мостового полупро­водникового коммутатора с системой управле­ния [4, 5]. Модель ПЧ была построена с учетом компенсации влияния падения напряжения на ключах АИН и «мертвого времени» [4].

Выбор принципа управления определя­ется совокупностью требований к электро­приводу. Электропривод кранового механизма должен ограничивать ускорение до допусти­мых пределов при минимальной длительности переходных процессов, а также иметь жест­кие механические характеристики, чтобы ско­рость мало зависела от нагрузки. Скалярный принцип управления является наиболее прак­тичным в асинхронном электроприводе ввиду простоты измерения и регулирования пере­менных АД. Управляемость АД при этом может обеспечиваться совместным регули­рованием либо частоты и напряжения, либо частоты и тока статорной обмотки. Первый способ управления принято трактовать как частотное управление, второй - как частотно­токовое управление [6]. При частотно-токовом управлении АД питается от ПЧ, работающего в режиме источника тока, как правило, реа­лизуемого на основе автономного инвертора тока (АИТ). Положительные свойства АД при его питании от ПЧ на базе АИТ могут быть реализованы лишь в замкнутой системе с ис­пользованием датчика скорости [6]. В тяже­лых условиях эксплуатации наличие датчика скорости снижает определенную надежность и лимитирует область применения (в услови­ях ограниченного пространства). При исполь­зовании частотного управления, изменение скорости АД достигается путем воздействия на частоту напряжения на статоре при одно­временном изменении модуля (амплитуды) этого напряжения. В системе регулирования электроприводом закладывается опреде­ленное соотношение между амплитудой и частотой напряжения на зажимах обмотки статора, основой для которых является закон пропорционального частотного управления (U / f -регулирование). При формировании данного закона учитываются особенности [5]: при понижении частоты (в сравнении с но­минальной) следует пропорционально умень­шать амплитуду питающего напряжения ста­тора, так как это предотвращает насыщение главной магнитной цепи АД (перегрев); уве­личение частоты при неизменной амплитуде напряжения приводит к уменьшению магнит­ного потока, т. е. ослаблению магнитного поля АД во второй зоне регулирования скорости.

Оптимальный выбор частоты модуляции ШИМ является вариационной задачей.

Увеличение частоты ШИМ дает ряд по­ложительных эффектов: повышает динамиче­скую точность воспроизведения широтно­импульсными модуляторами входных за­дающих воздействий (в системах частотно­го управления это переменные величины, из­меняющиеся не только в переходных, но и в установившихся режимах работы); уменьшает амплитуды модуляционных пульсаций токов, потокосцеплений и электромагнитного момен­та АД, а также зависящие от них составляющие модуляционных потерь в электродвигателе и цепи питания; создает условия для повыше­ния быстродействия и их использования для управления технологическими процессами с повышенными требованиями к электроприводу.

Вместе с этим повышение частоты ШИМ усугубляет ряд отрицательных эффектов, а именно: вследствие повышения частоты ком­мутаций пропорционально увеличиваются коммутационные потери в АИН и снижается его допустимая полезная мощность; увеличи­ваются действующие значения емкостных то­ков в кабелях питания и элементах конструк­ции АД; усложняется проблема ограничения перенапряжений от наложения блуждающих электромагнитных волн в цепи нагрузки.

Уменьшение частоты ШИМ дает обрат­ный эффект - снижает коммутационные по­тери, увеличивает полезную мощность АИН, уменьшает потери от емкостных токов и упро­щает задачу ограничения перенапряжений от блуждающих волн. Однако при этом сужается диапазон рабочих частот, возрастают пуль­сации токов, потокосцеплений и электромагнитного момента и уровень акустического давления при работе АД. Для снижения этих факторов требуются материальные затраты на дополнение ПЧ выходными фильтрами и ухуд­шается использование выходного напряжения преобразователя.

На рис. 4 приведена структурная схе­ма скалярной системы управления электро­приводом гидрогенератора электрогидрав- лической трансмиссии КМУ в программном обеспечении (ПО) Matlab Simulink. Исполь­зуется решатель ode23 (Bogacki-Shampine). Шаг интегрирования 0,000001 с. Построен­ная модель позволяет моделировать режим работы АД при питании от источника сину­соидального напряжения (NOT INVERTER) и ПЧ (INVERTER). В структурной схеме ЗИ (блок Intensity Control Device) представляет собой нелинейное устройство, которое вклю­чается в цепь задания регулируемых величин и ограничивает темп (интенсивность) изме­нения во времени сигнала задания на входе системы регулирования. ЗИ формирует плав­ное изменение задающего воздействия по внешнему командному сигналу, поступающего с командного устройства. В структурной схеме формирователь режимов (блок Mode Shaper) позволяет задать необходимый закон частот­ного управления, т. е. зависимость амплитуды питающего АД напряжения от частоты. Также в структурной схеме для формирования сигна­ла отсечки по току используются блоки Sign of Active Current и Subsysteml.

 

Рис. 4. Структурная схема скалярной системы управления АД в пакете Matlab Simulink

 

На рис. 5 представлены структурная схема подсистемы ПЧ (блок INVERTER, см. рис. 4) и структурная схема подсистемы АД (блок AM Model_no_iteration, см. рис. 4). В модели управляемыми переменными состо­яниями электропривода являются модуль век­тора напряжений на зажимах обмотки статора и угловая частота вращения этого вектора от­носительно статора. На рис. 5 внутри подси­стем ПЧ и АД определены уравнения матема­тической модели в относительных единицах по данным из табл. 1 и 2.

 

Рис. 5. Структурные схемы в пакете Matlab Simulink: а - подсистемы ПЧ; б - подсистемы АД

В математической модели системы управления АД гидропривода КМУ реализу­ется условный тестовый график работы элек­тропривода, включающий, согласно экспериментальным данным (см. рис. 2): частотный пуск до номинальной частоты и амплитуды питающего напряжения (0...0,5 с); холостой ход - 0,2mN (0,5...1,0 с); опускание каната лебедки - 0,225mN (1,0...2,5 с); подъем гру­за - 0,425mN (2,5...4,5 с); опускание стрелы с грузом - 0,625mN (4,5...6,0 с); подъем стрелы с грузом - 0,7mN (6,0...8,0 с); опускание гру­за - 0,35mN (8,0...9,5 с) и 0,25mN (9,5...11,0 с); манипуляции крана с крюком весом 50 кг - 0,3mN (11,0...12,0 с), 0,275mN (12,0...13,0 с) и 0,3mN (13,0...14,0 с); поворот основания - 0,4mN (14,0...16,0 с); подъем качающейся час­ти - 0,75mN (16,0...18,0 с); поворот основа­ния - 0,4mN (18,0...20,0 с).

На рис. 6 и 7 приведены выходные харак­теристики АД гидропривода КМУ с условным тестовым циклом при питании АД от ПЧ с час­тотой ШИМ (/ШИМ), равной 1 и 4 кГц (так­же были получены выходные характеристи­ки при /ШИМ, равной 2 и 8 кГц). На графиках приведены кривые: тока статора, тока ротора, электромагнитного момента и частоты напря­жения. Значения по оси ординат отмечены в относительных единицах (о. е.), по оси абс­цисс приведено время в секундах.

 

 

Ввиду импульсного характера питающе­го напряжения появляются высокочастотные пульсации токов статора и, соответственно, составляющие электромагнитного момента с основными высшими гармониками в области 2...6 кГц (рис. 8). Причем с изменением наг­рузки размах пульсаций несколько варьирует­ся, что особенно видно при работе АД от ПЧ с частотой ШИМ 1 кГц (см. рис. 6 и 8). В от­носительно нагруженных режимах, например подъем стрелы с грузом (6,0...8,0 с) и подъем качающейся части (16,0...18, 0 с), размах пуль­саций электромагнитного момента ниже, чем при работе в малонагруженных режимах, в том числе холостой ход (0,5...1,0 с), опускание ка­ната лебедки (1,0...2,5 с) и манипуляции крана с крюком весом 50 кг (11,0...14,0 с), в которых амплитуды пульсаций токов статора и электро­магнитного момента АД местами превышают 10 о. е.

Рис. 8. Спектральный анализ тока статора при работе АД от ПЧ с частотой ШИМ fШИМ = 1 кГц

В табл. 3 приведены количественные ре­зультаты спектрального анализа при питании АД от ПЧ с частотами ШИМ 1, 2, 4 и 8 кГц, получен­ные посредством блока Powergui - FFT Analysis (БПФ - быстрое преобразование Фурье).

 

Таблица 3

Данные спектрального анализа при работе АД от ПЧ

Параметр

Моменты нагрузок на валу АД согласно условному циклу КМУ, о. е.

Среднее значение, о. е.

0,2

0,225

0,425

0,625

0,7

0,35

0,25

0,3

0,275

0,3

0,4

0,75

0,4

fШИМ = 1 кГц

KВГН,  о. е.

0,9333

1,7746

1,152

1,1117

1,116

1,611

2,122

0,7465

1,762

2,066

1,089

1,876

1,2875

1,4344

KВГТ,  о. е.

0,418

0,5718

0,631

0,5672

0,5766

0,5986

1,448

0,4158

0,6968

2,243

0,5989

1,6164

0,7775

0,858

fШИМ = 2 кГц

KВГН,  о. е.

0,7788

0,7807

0,7864

0,7899

0,7946

0,7947

0,7969

0,8001

0,7999

0,7996

0,8009

0,8022

0,8023

0,7944

KВГТ,  о. е.

1,5873

1,5549

1,2343

0,9937

0,9555

1,5555

1,9098

1,8652

1,9724

1,9834

1,8016

1,1477

2,0515

1,5856

fШИМ = 4 кГц

KВГН,  о. е.

0,6904

0,6953

0,6894

0,6971

0,6985

0,6926

0,6954

0,6836

0,6947

0,6920

0,6927

0,6974

0,6940

0,6933

KВГТ,  о. е.

0,6024

0,5937

0,4859

0,3988

0,3731

0,5185

0,5789

0,5440

0,5636

0,5601

0,5044

0,3494

0,5036

0,5504

fШИМ = 8 кГц

KВГН,  о. е.

0,7060

0,7092

0,7083

0,7094

0,7093

0,7019

0,7051

0,7104

0,7076

0,7084

0,7108

0,7126

0,7128

0,7086

KВГТ,  о. е.

0,2823

0,2864

0,2315

0,1870

0,1730

0,2411

0,2723

0,2642

0,2653

0,2640

0,2386

0,1632

0,2437

0,2394

По результатам спектрального анализа (см. табл. 3) усредненные коэффициенты выс­ших гармоник напряжения ^ВГН и тока ХВГТ в зависимости от частоты ШИМ равны:

  • KВГН = 1,4344 и KВГТ = 0,8584 при fШИМ = 1 кГц;
  • KВГН = 0,7944 и KВГТ = 1,5856 при fШИМ = 2 кГц;
  • KВГН = 0,6933 и KВГТ = 0,5504 при fШИМ = 4 кГц;
  • KВГН = 0,7086 и KВГТ = 0,2394 при fШИМ = 8 кГц.

Соответственно, наиболее оптимальны­ми (с точки зрения минимума коэффициентов высших гармоник напряжения и тока статора) являются частоты с ШИМ fШИМ = 4 и 8 кГц. При этом следует учитывать, что вследствие повышения частоты коммутаций пропорцио­нально увеличиваются коммутационные по­тери в инверторе и снижается его допустимая полезная мощность. Поэтому в настоящей ра­боте, для данного КМУ по результатам мо­делирования наиболее оптимальной часто­той ШИМ при питании АД от ПЧ принята fШИМ = 4 кГц, так как при данной частоте ШИМ также возникают относительно мень­шие коэффициенты высших гармоник (напря­жения и тока статора) в АД.

Согласно техническим характеристи­кам АД по обеспечению требуемого напря­жения силовой части, диапазона регулиро­вания скорости электродвигателя (1:5), а также необходимых интенсивности разгона (10 Гц/c) и торможения электродвигателя, для системы управления контроллером выбран инвертор - силовой IGBT модуль М2ТКИ- 100-12К. Силовая часть контроллера представ­ляет собой систему неуправляемый выпря­митель - автономный инвертор напряжения.

В качестве неуправляемого выпрямителя вы­брана модель М6Д-100.

На рис. 9 представлена принципиаль­ная электрическая схема системы управления АД для гидропривода КМУ. Плата управле­ния включает микроконтроллер AT90CAN128- 16AU. Параметры модели электропривода в пакете Matlab Simulink могут быть загружены в микроконтроллер. В системе управления применяется отсечка по току статора, обеспе­чивающая эффективное токоограничение в переходных режимах на валу АД. Компоновка была выполнена на плате датчика тока, вклю­чающей три датчика (UI1, UI2 и UI3, подклю­ченные к входам X9, X10 и X11 платы управ­ления А1, см. рис. 9).

 

Рис. 9. Принципиальная электрическая схема системы управления АД для гидропривода КМУ:

VDl - выпрямительный модуль М6Д-100; VT1-VT3 - силовой IGBT-модуль М2ТКИ-100-12К; A1 - плата управления с принципом скалярного управления; A 2 - плата драйверов IGBT с выбранной частотой ШИМ fШИМ  = 4 кГц

 

В целях апробации результатов матема­тического моделирования были разработаны и изготовлены опытные образцы (3 шт.) си­лового контроллера. Для минимизации затрат при их изготовлении были применены компо­ненты, не входящие в перечень ЭКБ, такие как М2ТКИ-100-12К, М6Д-100 и AT90CAN128- 16AU. В изделиях гражданской техники (ГТ) можно использовать компонентную базу, реа­лизованную на опытных образцах. В изделиях ВТ приведенные компоненты могут быть заме­нены на аналоги, входящие в перечень ЭКБ, в частности, силовой IGBT-модуль можно заме­нить на аналог производства АО «Ангстрем» (AnM100HBA12M), а микроконтроллер - на аналог производства АО «ПКК Миландр» (се­рия 1886BE).

При ШИМ выходное напряжение форми­руется в виде импульсов переменной длитель­ности, модулированных по синусоидальному закону. Регулирование напряжения осуществляется изменением длительности импульсов при сохранении закона модуляции.

Диапазон модуляции современных тран­зисторных ПЧ с ШИМ для электропривода лежит в пределах от единиц до десятков кило­герц. По результатам моделирования отмеча­ется, что уменьшение момента сопротивления на валу АД гидропривода КМУ приводит к воз­растанию пульсаций электромагнитного мо­мента электродвигателя, а увеличение частоты ШИМ позволяет их снизить. Следовательно, автоматическая подстройка частоты ШИМ на максимальную при уменьшении нагрузки на АД, и наоборот, когда нагрузка на АД высо­кая, - снижение частоты ШИМ (для умень­шения коммутационных потерь при вклю­чение/отключении силовых ключей, и как следствие, снижения энергопотребления и тепловыделения силового модуля), позволит уменьшить пульсации электромагнитного мо­мента на валу АД и оптимизировать энерго­потребление.

На рис. 10 приведена структурная схема электрогидропривода КМУ, реализованная с помощью библиотеки Simscape. В данной схе­ме подсистема Model Inverter Asynchronous motor включает модель электропривода, раз­работанную на предыдущем этапе (см. рис. 4 и 5). Следующим шагом было моделирование совместной работы гидросхемы, механической части и созданной модели электропривода.

 

Рис. 10. Структурная схема электрогидропривода КМУ в пакете Matlab Simulink

 

На рис. 11 показаны выходные характери­стики работы системной модели КМУ по ско­рости и перемещениям отдельных агрегатов.

 

Рис. 11. Выходные характеристики работы системной модели КМУ: а - S1 , перемещение штока в цилиндре стойки, м; б - S2, перемещение штока в цилиндре стрелы, м; в - V1, скорость навивки каната на барабан лебедки, рад/c; г - S3, перемещение каната лебедки (опускание/подъем), м; д - V2, скорость подъема каната лебедки, м/мин; е - F , угол поворота основания, град.; ж - S4 , перемещение штока в цилиндре телескопа, м

 

Построенная в пакете Matlab Simulink имитационно-математическая модель КМУ позволяет исследовать в зависимости от изме­нения нагрузки, параметров и элементов механизма характеристики и переходные процессы гидропривода (давление, расход), механиче­ской части (траектории перемещений, реакции в шарнирах, скорость подъема груза, нагру­зочный момент от лебедки), электромагнит­ные характеристики и переходные процессы электропривода (силового контроллера и АД) до стадии натурных стендовых испытаний (и, соответственно, без возникающих реальных затрат на их проведение).

Таким образом, после проведения всего комплекса научно-исследовательских и опыт­но-конструкторских работ были спроектиро­ваны, изготовлены и испытаны опытные образцы силового контроллера. На ПО управлением частотным преобразователем (силовым кон­троллером) получено свидетельство Роспа­тента о госрегистрации программы для ЭВМ № 2016617322. По результатам испытаний опытных образцов силового контроллера по­грешность матмодели электропривода состав­ляет не более 5 % по сравнению с фактическими показателями. В процессе испытаний отмечал­ся локальный перегрев корпуса силового кон­троллера, связанный как с особыми внешними условиями эксплуатации (в ограниченном тер­монагруженном отсеке), так и с отсутствием системы принудительного охлаждения (для ох­лаждения используется оребренный радиатор).

В дальнейшем силовой контроллер мо­жет применяться в составе мобильной ВТ, он отвечает требованиям комплексов государст­венных военных стандартов «Климат-6» и «Мороз-7» и имеет практические возможно­сти для совершенствования и модификации. Следует также добавить, что изделия ВТ, для которых планируется введение данного сило­вого контроллера, являются экспортными.

В «Перечне поручений по реализации Послания Президента РФ Федеральному соб­ранию» от 5 декабря 2016 г. № Пр-2346 (п. 1 ж) указано, что Правительству Россий­ской Федерации необходимо с учетом ранее данных поручений обеспечить увеличение доли высокотехнологичной продукции граж­данского и двойного назначения в общем объеме продукции, выпускаемой организаци­ями оборонно-промышленного комплекса, к 2020 г. - не менее чем до 17 %, к 2025 г. - не ме­нее чем до 30 %, к 2030 г. - не менее чем до 50 %.

В связи с этим предполагается модерни­зация разработанной системы управления АД для использования также в составе конверсион­ной ГТ Кроме того, планируется модификация системы управления АД гидропривода КМУ для снижения пульсаций высших гармони­ческих составляющих напряжений и токов с целью дальнейшего снижения энергопотреб­ления и нагрева системы электропривода при работе как в составе ВТ, так и в составе ГТ.

Об авторах

И. В. Шестаков
ОКБ Публичного акционерного общества «Машиностроительный завод имени М.И. Калинина»
Россия


Н. Р. Сафин
ОКБ Публичного акционерного общества «Машиностроительный завод имени М.И. Калинина»
Россия


Для цитирования:


Шестаков И.В., Сафин Н.Р. Опыт создания системы управления асинхронным двигателем для гидропривода крано-манипуляторной установки. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2018;(4):52-66.

For citation:


Shestakov I.V., Safin N.R. The experience of creating an asynchronous motor control system for the hydraulic drive of a crane-manipulator. Journal of «Almaz – Antey» Air and Defence Corporation. 2018;(4):52-66. (In Russ.)

Просмотров: 62


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2542-0542 (Print)