- Дата начала : 10 сентября 2013 г.
- Дата окончания : 31 декабря 2017 г.
- Руководитель : Томасов Валентин Сергеевич
Этап 1. Анализ современных подходов к созданию многоуровневых полупроводниковых преобразователей
- Произведен подбор силовых ключей, удовлетворяющих требованиям, а также анализ переходных процессов в драйвере в момент коммутации силовых ключей, с целью реализации полностью управляемого полумостового модуля, на базе которого в дальнейшем будет разработан лабораторный стенд трехуровневого инвертора по схеме с фиксированной нулевой точкой.
- Получены расчетные соотношения, позволяющие минимизировать габариты и массу батареи конденсаторов силового фильтра (СФ) звена постоянного тока (ЗПТ) энергоподсистемы (ЭП) замкнутой системы (ЗС) электропривода постоянного тока (ЭППТ) с широтно-импульсным преобразователем (ШИП) при работе в режиме периодического реверса скорости с токоограничением. Достоверность соотношений подтверждается моделированием в пакете MATLAB/Simulink.
- Рассмотрен метод расчета тормозного сопротивления через определение величин рекуперируемой энергии и средней мощности, возвращаемой в звено постоянного тока. Разработана математическая модель энергоподсистемы: «неуправляемый выпрямитель напряжения– силовой фильтр – инвертор с синусоидальной ШИМ – трех- секционный вентильный двигатель», учитывающая параметры электропривода азимутальной оси телескопа траекторных измерений.
- Рассмотрен новый адаптивный регулятор для компенсации периодических возмущений, вызванных конструктивными особенностями СМПМ. Наиболее эффективная работа предложенного адаптивного регулятора достигается при его использовании в составе линейных систем управления.
Этап 2. Исследование энергоэффективного полупроводникового преобразователя для систем электроприводов с обратимым характером энергопотребления
- Проведено аналитическое и модельное исследование активного полупроводникового преобразователя в системах электропривода.
- Разработана методика синтеза параметров энергоподсистемы электропривода с двигателем постоянного тока из условия токоограничения.
- Проведено исследование динамического режима работы трехфазного активного выпрямителя напряжения в системе электропривода постоянного тока.
- Проведено исследование работы активного фильтра в корабельной электрической сети.
- Разработана методика определения времени рекуперации систем электропривода телескопов траекторных измерений.
- Осуществлен синтез системы управления для прецизионных электроприводов с компенсацией периодических возмущений.
- Проведен расчет и моделирование режима периодического реверса скорости с токоограничением замкнутой системы электропривода постоянного тока с ШИП.
- Проведено исследование динамических моделей системы с распределенными параметрами.
- Проведен анализ неисправностей в энергетической подсистеме вентильного электропривода по параметрам пространственного вектора в стационарной системе координат.
Этап 3. Разработка экспериментального стенда для исследования систем автоматизированного электропривода
- В испытательных стендах, где основным требованием является энергоэффективность, можно использовать простые алгоритмы управления машиной двойного питания. Диапазон изменения скольжений МДП следует выбирать в зависимости от назначения системы.
- Для испытательных стендов энергетически эффективней проектировать МДП в диапазоне положительных скольжений.
- В ходе исследования в результате геометрических построений были получены математические соотношения, связывающие величины дополнительных динамических возмущений и текущие ускорения задающего воздействия, а также текущее положение осей опорно-поворотного устройства телескопа.
- Проведенное математическое моделирование динамических возмущающих воздействий для различных координат объекта наблюдения позволило определить, в каких точках возмущения максимальны, а в каких минимальны. Также определен характер зависимости средних и максимальных величин возмущений от угловых координат цели.
- Предложенная модель для расчета динамических возмущающих воздействий, вызванных морской качкой, может быть использована для других опорно-поворотных устройств с морским базированием.
- На основе существующих требований к качеству электроэнергии были созданы модели неидеального напряжения трехфазной сети при помощи программного пакета MATLAB.
- Разработаны три способа генерации зашумленного, несинусоидального сигнала, отличающиеся параметрами задания несинусоидальности: по табличным данным амплитуд гармоник ГОСТ, с помощью пилообразного зашумляющего сигнала со случайными параметрами; по опорной форме искаженного сигнала.
- Проведено моделирование трехфазного АВН в режиме потребления энергии с неидеальным сетевым напряжением.
- Показано, что применение АВН позволяет уменьшать коэффициент гармоник тока.
- Проведены измерения составляющих полной мощности и коэффициентов КЭ.
- Модифицированная процедура синтеза оптимального управления обеспечивает в замкнутой системе получение степени устойчивости, не меньшей заданной. Она снимает проблему выбора матриц штрафа квадратичного функционала качества.
- Экспериментальная проверка предлагаемой процедуры для построения системы управления физическим макетом объекта с упругими связями показала хорошие с практической точки зрения результаты.
- Проведено исследование динамического режима работы трехфазного активного выпрямителя напряжения в системе электропривода постоянного тока.
Этап 4. Разработка универсальных методов настройки систем управления сложными многоэлементными объектами
- Решена задача поиска оптимального регулятора численным методом по экспериментально полученным частотным характеристикам. Решение этой задачи является этапом разработки полностью автоматизированного процесса настройки прецизионных электроприводов оптических осей телескопов траекторных измерений с высокой точностью позиционирования и сопровождения космических объектов. Предложен новый алгоритм численного поиска оптимального регулятора для систем управления сложными многоэлементными объектами. Получены удовлетворительные результаты на модели.
- Разработано математическое описание электромагнитных процессов в активном преобразователе, произведена верификация полученного аналитического описания с помощью модели в Matlab Simulink. Это дает возможность моделировать работу активного выпрямителя в виде математической модели без необходимости использования библиотеки SimPowerSystems в Simulink, а также возможность аналитического определения максимально возможного регулируемого тока в сети переменного тока, и наконец аналитической настройки контуров управления по сетевому току и напряжению в звене постоянного тока.
- Произведен синтез и исследование модели активного выпрямителя с параметрами лабораторного стенда, произведен качественный анализ ее работы в условиях неидеального питающего напряжения. На модели воспроизведен лабораторный стенд, а также произведено математическое описание датчиков тока и напряжения. Проведен анализ работы ФАПЧ по сигналу напряжения, получаемого с датчиков экспериментального стенда.
- Степень внедрения – Разработка новых разделов дисциплин «Полупроводниковые преобразователи систем управления» ФГОС 3-го поколения по направлению подготовки 140400 «Электроэнергетика и электротехника».
- Разработанные методики используются в рамках выдущихся в центре ОКР.
Этап 5. Разработка методов диагностики и повышения энергоэффективности вторичных источников питания
- Проведен анализ влияния «мертвого времени» переключения ключей инвертора на результаты идентификации электрических параметров СМПМ. Показано, что использование моделей без учета влияния «мертвого времени» может привести к отличию результатов идентификации электрического сопротивления R и электромагнитной постоянной времени Te от оцениваемых параметров на один порядок. Предложено несколько алгоритмов идентификации учитывающих влияние «мертвого времени».
- Предложен алгоритм проведения эксперимента, необходимого для идентификации электрических параметров. Данный алгоритм учитывает ограничения, которые нужно соблюдать при проведении эксперимента на реальном объекте, что позволяет полностью автоматизировать процесс идентификации.
- Рассмотрены несколько вариантов идентификации угла рассогласования показаний датчика положения и положения магнитной оси ротора. Показано, что при наличии существенных активных сил сопротивления, действующих на ротор, будут присутствовать значительные ошибки, которые принципиально не могут быть устранены при идентификации в разомкнутой системе электропривода. Предложена релейная система регулирования, которая позволяет провести эксперимент при отсутствии информации о параметрах электропривода оптического телескопа с ограничением скорости вращения, угла поворота и ускорения ротора СМПМ.
- Рассмотрены особенности идентификации АФЧХ объекта управления при наличии возмущающего воздействия от сил сухого трения. Показаны причины возникновения ошибок идентификации АФЧХ объекта управления в разомкнутой системе электропривода, а также в замкнутой системе управления с релейным регулятором скорости. Предложен алгоритм идентификации АФЧХ объекта управления в замкнутой системе электропривода с ПИ-регулятором скорости, нечувствительным к исследуемому синусоидальному сигналу.
- Описан алгоритм настройки регуляторов для систем векторного управления следящего электропривода с вентильным двигателем. При настройке рассмотрены два алгоритма векторного управления: алгоритм частотно-токового векторного управления и алгоритм векторного управления с управлением по напряжению. Каждый алгоритм определяется типом инвертора и структурой системы управления. Двигатель и исполнительное устройство представлены двухмассовой системой. Рассмотрен метод настройки регуляторов с использованием упрощенной модели двигателя и исполнительного механизма. Приводится сравнительный анализ результатов в рассматриваемых системах векторного управления после проведенной настройки. Работоспособность предлагаемых алгоритмов подтверждена компьютерным моделированием.
- Предложен алгоритм нечеткого адаптивного ПИД-контроллера и рассмотрено его применение в двухмассовой движущейся системе. Проведено сравнение производительности предложенного контроллера и классического ПИД-контроллера. Имитационное моделирование подтвердило превосходство предложенной стратегии построения нечеткого контролера. Результаты исследования показывают, что предложенный нечеткий адаптивный ПИД-контроллер обеспечивает требуемую точность слежения за сигналом в двухмассовой системе
Этап 6. Анализ современных подходов к созданию многоуровневых полупроводниковых преобразователей
- Производен подбор силовых ключей, удовлетворяющих требованиям, а также анализ переходных процессов в драйвере в момент коммутации силовых ключей, с целью реализации полностью управляемого полумостового модуля, на базе которого в дальнейшем будет разработан лабораторный стенд трехуровневого инвертора по схеме с фиксированной нулевой точкой.
- Получены расчетные соотношения, позволяющие минимизировать габариты и массу батареи конденсаторов силового фильтра (СФ) звена постоянного тока (ЗПТ) энергоподсистемы (ЭП) замкнутой системы (ЗС) электропривода постоянного тока (ЭППТ) с широтно-импульсным преобразователем (ШИП) при работе в режиме периодического реверса скорости с токоограничением. Достоверность соотношений подтверждается моделированием в пакете MATLAB/Simulink.
- Рассмотрен метод расчета тормозного сопротивления через определение величин рекуперируемой энергии и средней мощности, возвращаемой в звено постоянного тока. Разработана математическая модель энергоподсистемы: «неуправляемый выпрямитель напряжения– силовой фильтр – инвертор с синусоидальной ШИМ – трех- секционный вентильный двигатель», учитывающая параметры электропривода азимутальной оси телескопа траекторных измерений.
- Рассмотрен новый адаптивный регулятор для компенсации периодических возмущений, вызванных конструктивными особенностями СМПМ. Наиболее эффективная работа предложенного адаптивного регулятора достигается при его использовании в составе линейных систем управления.