Современные тенденции развития в системах управляемых автоматизированных электроприводов

мерно соответствует средней частоте свипа, что свидетельствует об отсутствии заметного избирательного поглощения в диапазоне до 500 Гц. При этом в диапазоне частот 120-500 Гц, волны-помехи верхней части разреза существенно ослаблены по сравнению с низкочастотным диапазоном. В ходе названных работ были приняты меры ослабления сторонних помех.

При наблюдениях на поверхности ими в основном являлись: микросейсмические колебания ветрового и индустриального происхождения с максимумом энергии в области 40 Гц. Эти помехи ослаблялись применением в канале ФВЧ с соответствующей частотой левого среза.

Достигнуто существенное повышение эффективности метода при выявлении и оконтуривании целевых геологических неоднородностей с размерами от первых метров до первых десятков метров.

На основе большого объема наблюдений с высокочастотными невзрывными импульсными источниками в диапазоне частот 100-800 Гц оценены параметры затухания, свидетельствующие о высокой добротности пород разреза и отсутствии аномально высоких потерь энергии высокочастот-

ных компонент волнового поля. Установлена реальная возможность повышения разрешающей способности сейсморазведки почти на порядок, за счет применения высокочастотного маломощного вибрационного источника с вертикальной направленностью в сочетании с трехкомпонент-ной регистрацией и накоплением.

Дальнейшее повышение эффективности сейсморазведки может быть достигнуто за счет согласования всех звеньев сейсмического канала с сейсмологическими особенностями изучаемого объекта и между собой.

Примечание

* Под ВЧС (высокочастотная сейсморазведка) Г А. Гамбурцев предложил понимать сейсмические исследования в диапазоне частот 70-500 Гц.

Библиографический список

1. ГамбурцевГ.А. Основы сейсморазведки. -М., Гостоптехиздат, 1959.

2. Уотерс К. Отражательная сейсмология. -М.: Мир, 1981.

3. ГурвичИ.И. Сейсморазведка. - М.: Недра 1964.

К.В. Шевченко

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЯЕМЫХ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Автоматизация - это внедрение в производство технических средств, которые управляют процессами без непосредственного участия человека. Автоматизация приводит к улучшению показателей эффективности производства, улучшению качества, увеличению количества и снижению себестоимости выпускаемой продукции. Высокие темпы развития промышленности неразрывно связанно с проведением автоматизации. Задачи, которые решаются при автоматизации современных производств, весьма сложны и требуют от специалистов знания не только устройства различных приборов, но и общих принципов составления систем автоматического управления [3]. Внедрение АСУ в производство обеспечивает: сокращение потерь от брака и отходов, уменьшение численности основных рабочих, увеличение межремонтных сроков работы оборудования. Энергетическую основу производства со-

ставляет электрический привод, технический уровень которого определяет эффективность функционирования технологического оборудования. Развитие электрического привода идет по пути повышения экономичности и надежности за счет дельнейшего совершенствования двигателей, аппаратов, преобразователей, аналоговых и цифровых средств управления. Прогрессивным явлением в этом процессе является применение микропроцессора и микроЭВМ, позволяющих существенно расширить функциональные возможности автоматизированного электропривода и улучшить его технические и экономические характеристики [2].

Значительное число объектов управления (до 20%) обладает непостоянными (дрейфующими) во времени параметрами. Дрейф параметров, как правило, вызывается рядом факторов:

1) сменой нагрузки на технологический агрегат;

© К.В. Шевченко, 2006

Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова ♦ № 3, 2006

43

2) изменением состава или качества сырья, используемого в технологическом процессе;

3) старением оборудования;

4) влияние окружающей температуры и влажности, связанной со сменой времен года;

5) реконструкция или замена части оборудования, входящего в технологический комплекс и т. д.

Такие объекты требуют использования адаптивных регуляторов, позволяющих осуществлять непрерывную подстройку своих параметров под изменяющиеся характеристики объекта [5].

Таким образом, тема работы является актуальной и представляет интерес для специалистов в области управления и регулирования технологическими процессами и объектами

Успехи в развитии полупроводниковой техники позволили широко использовать в производстве регулируемые источники питания на базе тиристоров с бесконтактными системами автоматического управления. Мощность отдельных ти-ристорных преобразователей достигает десятков тысяч киловатт. Большая гибкость управления и широкие возможности в отношении полноты автоматизации обеспечиваются благодаря широкому применению интегральных аналоговых и дискретных устройств, вычислительной техники, унифицированных блочных систем регуляторов.

Электротехнические установки, машины, агрегаты, в частности дуговые, индукционные, плазменные, электронно-лучевые печи, автоматизированный электропривод, непосредственно участвуют в технологических процессах. От технического уровня, режима работы, условий эксплуатации электрооборудования зависит производительность, качество и себестоимость продукции, т.е. все основные показатели, характеризующие эффективность работы, как отдельных цехов, так и всего предприятия в целом [6].

На сегодняшний день наибольшее распространение получили следующие типы двигателей: АД с короткозамкнутым ротором, АД с фазным ротором, СД, ДПТ. На современном производстве существуют такие технологические процессы, которые требуют глубокого регулирования скорости, её постоянства в течение определенного времени и высокой перегрузочной способности электрической машины. ДПТ наиболее полно отвечает всем этим требованиям, но имеет существенный недостаток - коллектор. Коллекторные машины критичны к большим пусковым токам (круговой огонь) и их коллектор

подвержен подгоранию, истиранию и загрязнению, в металлургических же цехах зачастую присутствует и металлическая и угольная пыль, что отрицательно влияет на срок службы двигателей. АД с фазным ротором имеет значительный диапазон регулирования скорости, но реализация её регулирования не отличается экономичностью -на активных сопротивлениях, вводимых в ротор, происходят ненужные потери энергии. Поддержание максимального момента при разгоне может быть реализовано путем плавного изменения частоты. Такой метод управления асинхронной машиной называется частотным управлением. Он реализуется методом широтно-импульс-ной модуляции напряжения цепи постоянного тока автономного инвертора. Одним из важных параметров инвертора является несущая частота ШИМ. От этой частоты зависит качество кривой тока двигателя, и чем выше синусоидальность, тем меньше помех в радиодиапазоне тем меньше потери на гистерезис и вихревые токи в магнитной системе машины. Для создания синусоидально-подобной кривой тока используется изменение ширины импульсов в сторону увеличения от начала до середины полупериода, затем следует уменьшение ширины каждого импульса, и, наконец, изменение полярности выходного напряжения. Для увеличения величины выходного напряжения происходит лишь пропорциональное увеличение ширины импульсов. Этот метод изменения выходного напряжения называется методом широтно-импульсного регулирования. Метод широтно-импульсной модуляции позволяет получить высокую синусоидальность. В дорогих моделях инверторов, предназначенных для использования с электродвигателями большой мощности используется также метод векторного управления. Суть этого метода состоит в том, что инвертор получает от двигателя четыре параметра:

1) на зажимах - напряжение;

2) выходной ток;

3) угловую частоту;

4) положение ротора.

На основании этих параметров происходит построение математической модели электрической машины в микропроцессорном блоке инвертора, определяется необходимый сдвиг между током и напряжением, что позволяет работать с cos ф = 1 во всем диапазоне выходных частот инвертора. Cos ф = 1 позволяет получить макси-

мальный момент даже на низких частотах, а при использовании инвертора для питания двигателя с вентиляторной нагрузкой инвертор выбирает минимально возможный рабочий момент путем снижения выходного напряжения, что позволяет экономить электроэнергию. В последних моделях инверторов возможен также режим, когда не используется ни тахогенератор, ни сельсин. Построение математической модели происходит по двум параметрам: по току и напряжению на выходных зажимах инвертора. Такой способ векторного управления требует высокого быстродействия процессорного блока инвертора. Инверторы также имеют преимущество перед тиристорными преобразователями, так как не потребляют реактивную мощность из питающей сети. В современных станках с числовым программным управлением (ЧПУ) функции, выполняемые электроприводом главного движения, значительно усложнены.

При работе от преобразователя частоты (ПЧ) в ряде случаев необходимо предусматривать защиту двигателя от перенапряжения (если это не предусмотрено в системе) путем усиления вит-ковой и корпусной изоляции. Большинство выпускаемых и применяемых в настоящее время ПЧ, рассчитанных на среднюю мощность до 3000 кВт, по своей структуре являются инверторами. Выходное трехфазное напряжение в этих ПЧ формируется методом широтно-импульсной модуляции, что приводит к воздействию на изоляцию (витковую, межфазовую) электродвигателя напряжения импульсной формы, амплитуда которого значительно превышает амплитуду первой гармоники выходного напряжения. Это приводит к преждевременному старению изоляции и снижению срока службы обмотки и двигателя в целом. Увеличение срока службы асинхронного двигателя общепромышленного применения в составе регулируемого привода может и должно быть обеспечено схемотехническими решениями ПЧ или введением специальных фильтрующих устройств в цепь питания электродвигателя. При регулировании частоты вращения, превышающей синхронную, следует применять подшипники соответствующей быстроходности [1].

В основе частотного преобразователя лежит технология векторного управления без обратной связи, связанная с адаптивной моделью двигателя и специализированной интегральной схемой. Работа математической модели двигателя

базируется на данных о величине тока, измеряемого в каждой фазе и уровня рабочего напряжения, выдаваемого цепями блока управления. В модели автоматически идентифицируются параметры электродвигателя, как для бездатчико-вого векторного режима, так и для скалярного управления, при этом отслеживаются текущие изменения параметров во времени. Векторное управление основывается на системе координат вектора потока статора, которая слабо восприимчива к небольшим отклонениям в измерениях показателей и параметров двигателя, что упрощает расчёты. Цепи блока управления также осуществляют контроль за обменом информацией по внутренним шинам и отдельными внешними функциями, тем самым высвобождая процессор для решения других задач. Принцип работы преобразователя заключается в следующем: трёхфазный дроссель переменного тока с конденсатором промежуточного звена постоянного тока образует индуктивно-ёмкостной фильтр, который совместно с диодным мостом обеспечивает постоянное напряжение на входе инвертора на транзисторах ЮВТ (биполярные транзисторы с изолированным затвором). Дроссель переменного тока фильтрует также высокочастотные помехи приходящие из сети в преобразователь и генерируемые преобразователем в сеть. Кроме того, он улучшает форму кривой тока, подаваемого на преобразователь. Инвер-торный мост на транзисторах формирует симметричное трёхфазное напряжение регулируемое методом широтно-импульсной модуляции, подаваемого на электродвигатель. Мощность, потребляемая из сети является практически активной. Блок прикладных функций и управления двигателем реализован с использованием микропроцессорных средств. Микропроцессор управляет двигателем в соответствии с замеренными значениями, установками соответствующих параметров, а также управляющими командами, формируемыми цепями платы ввода-вывода и панелью управления. Блок прикладных функций в свою очередь выдаёт команды на блок управления двигателем, который определяет параметры коммутации транзисторов. Драйверы усиливают управляющие сигналы, обеспечивая коммутацию модулей. Панель управления обеспечивает связь между оператором и преобразователем частоты. С помощью панели управления оператор может устанавливать параметры,

Рис. Структурная схема системы релейно-векторного управления

читать информацию о состоянии оборудования и формировать управляющие команды [8].

Если регулятор работает вблизи предела устойчивости, то даже незначительные отклонения в характеристике объекта регулирования могут вызвать снижение качества функционирования всей системы. Поэтому требуется автоматическая оптимизация регулятора в условиях функционирующего производства. Но адаптация или самонастройка (self-tuning) сопряжены с рядом дополнительных технических требований: разработчик должен хорошо владеть математическими методами и учитывать различные логические сопряжения. Структуры моделей регулирования и управления становятся более сложными. Пользователь вынужден будет при традиционно применяемых системах использовать дополнительные параметры, помимо параметров обычного ПИД-регулятора. Этот факт до настоящего времени затруднял широкое распространение математически высококачественных методов самонастройки [4].

Структурная схема системы релейно-векторного управления приводом представлена на рисунке. Контур тока статора входит в систему управления как автономный элемент, реа-

лизованный в естественной для трехфазной машины системе координат (А, В, С). Это позволяет применять его в различных структурах векторного управления асинхронным приводом, как с датчиком положения/скорости, так и без него, а также в системах управления вентильным, синхронным, синхронно-реактивным и другими типами двигателей с трехфазной симметричной обмоткой статора. Замечу, что структура контура тока не содержит координатных преобразований.

Синтез базовой структуры, параметров и алгоритмов работы регуляторов выполнен на основе принципов подчиненного регулирования с учетом дискретного характера процессов, с использованием методов компенсации влияния перекрестных связей и структурной линеаризации контуров регулирования. Базовыми именуются структуры, параметры и алгоритмы, которые получены в результате синтеза системы управления с некоторыми начальными значениями параметров силового канала привода, рассчитанными из каталожных данных, либо определенными в результате автонастройки или другим экспериментальным способом. Базовые алгоритмы дополняются элементами адаптации и авто-

настройки, входящими в состав системы управления в виде опций [7].

Таким образом, асинхронный двигатель, при его использовании с частотным преобразователем, является лучшей системой привода. Увеличение срока службы асинхронного двигателя общепромышленного применения в составе регулируемого привода может и должно быть обеспечено схемотехническими решениями ПЧ или введением специальных фильтрующих устройств в цепь питания электродвигателя

При проектировании и внедрении автоматизированных систем управления часто возникает задача настройки регуляторов, решение которой затрудняется как априорной неопределенностью характеристик объекта управления и, зачастую, невозможностью проведения достаточных исследований для их определения, так и не стационарностью этих характеристик. Развитие средств вычислительной техники даст возможность реализации на практике сложных адаптивных законов управления, что потребует дальнейшего развития теории управления и разработки новых алгоритмов. Разработка ПЧ и регулируемого электродвигателя в едином конструктивном исполнении позволит оптимизировать систему электропривода не только по массогабаритным показателям и удобству обслуживания, но и с позиций единой системы независимого тепло-

отвода решить вопрос охлаждения машины на малых частотах вращения.

Библиографический список

1. Буйлов Г. П. Методические указания для выполнения курсовой работы по курсу «Основы автоматики и автоматизации производственных процессов» ЛТИ ЦБП. - Л., 1974.

2. ГолубятниковВ.А., ШуваловВ.В. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности. - М.: Химия, 1985.

3. Справочник по автоматизированному электроприводу / Под ред. В.А. Елисеева, А.В. Ши-нянского. - М.: Энергоатомиздат, 1983.

4. Камразе А.И., Фитерман М.Я. Контрольно-измерительные приборы и автоматика. -М.: Высшая школа, 1980.

5. Клюев А.С., Глазов Б.В., Дубровский А.Х. Проектирование систем автоматизации технологических процессов. - М.: Энергия, 1980.

6. Кузьминов Г.П. Основы автоматики и автоматизации производственных процессов. ЛТА им. С.М. Кирова. - Л., 1974.

7. Автоматические приборы, регуляторы и вычислительные системы / Под ред. Б.Д. Кошар-ского. - Л.: Машиностроение, 1976.

8. Польке М., БухнерХ., Лаубер Е. Электропривод и силовая электроника // Электротехника. - 1997.