Король Сергій Вікторович. Векторне керування механічними координатами та реактивною потужністю в електромеханічних системах на основі машини подвійного живлення

Короткий опис

Король Сергій Вікторович. Векторне керування механічними координатами та реактивною потужністю в електромеханічних системах на основі машини подвійного живлення : Дис... канд. наук: 05.09.03 2007

Король С. В. Векторне керування механічними координатами та реактивною потужністю в електромеханічних системах на основі машини подвійного живлення. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 Електротехнічні комплекси та системи. Національний технічний університет України „КПІ”, Київ, 2007.
Дисертація присвячена питанням розробки, теоретичного та практичного дослідження нових законів векторного керування моментом (кутовою швидкості) та реактивною потужністю електромеханічних систем на основі машини подвійного живлення (МПЖ).
Для повної моделі МПЖ синтезовано та досліджено новий алгоритм керування моментом та реактивною потужністю статора МПЖ. Синтезовано та досліджено два динамічних регулятора кутової швидкості МПЖ, які базуються на запропонованому рішенні та алгоритмі [1]. Показано, що запропоновані рішення забезпечують асимптотичне відпрацювання траєкторій кутової швидкості одночасно з вільним регулюванням реактивної потужності при підвищених показниках грубості до варіації опору ротора.
У відповідності з новою концепцією керування ПН за рахунок формування повної енергії перетворення синтезовано та досліджено новий лінеаризуючий зворотнім зв’язком закон векторного керування ПН. В роботі показано, що запропоноване рішення забезпечує незалежну з високою точністю стабілізацію напруги в ланці постійного струму і реактивної потужності на вході ПН, а також розширену область стійкості та однакові зі стандартним рішенням значення інтегральної квадратичної помилки стабілізації напруги, при меншому в 4.4 рази значенні ємності.
Результати даної роботи можуть бути використані при розробці систем керування МПЖ та ПН.

У дисертаційній роботі одержала подальший розвиток теорія векторного керування ЕМС із МПЖ, і на цій основі вирішена актуальна науково-технічна задача синтезу, теоретичного й практичного дослідження нових алгоритмів векторного керування МПЖ. Отримані алгоритми забезпечують незалежне високоточне регулювання моменту (кутової швидкості) і реактивної потужності розглянутої системи, а також підвищені показники енергетичної ефективності при синусоїдальних (з малим вмістом вищих гармонік) струмах на вході системи. При цьому отримані наступні основні результати:
1. В результаті аналізу теоретичних рішень в області векторного керування МПЖ визначено, що більшість існуючих алгоритмів ґрунтуються на спрощуючи припущеннях, а задача одночасного керування моментом (кутовою швидкістю) і реактивною потужністю статора в повному обсязі не розглядалася.
2. Огляд існуючих алгоритмів керування ВУП показав відсутність теоретично обґрунтованого, з можливістю вільного формування динамічних показників, закону керування ВУП, що враховує нелінійності й гарантує асимптотичне регулювання напруги в ланці постійного струму на заданому рівні з одночасною стабілізацією одиничного коефіцієнта потужності на вході перетворювача.
3. На основі теоретичних досліджень статичних показників якості регулювання моменту у випадку ненульового завдання для реактивної потужності встановлено, що при використанні існуючих рішень регулювання цих координат здійснюється зі статичними помилками, які пропорційні завданню для реактивної компоненти струму статора й можуть досягати 13% від номінального.
4. Уперше синтезований і досліджений новий закон векторного керування моментом і реактивною потужністю статора, що базується на моделі МПЖ повного порядку, та гарантує асимптотичне регулювання заданого моменту і реактивної потужності статора, не використовуючи спрощуючи припущень, про можливість зневаги активним опором статора.
5. Запропоновано два нових, теоретично обґрунтованих рішення завдачі керування кутовою швидкістю ротора МПЖ, що гарантують асимптотичне відпрацьовування заданих траєкторій кутової швидкості при дії постійного невідомого моменту навантаження. Синтезовано регулятор швидкості 3-го порядку, що базується на запропонованому законі керування моментом і реактивною потужністю, а також зниженого, 2-го, на основі прямого керування активною й реактивною потужностями статора МПЖ. Запропоновані динамічні регулятори забезпечують асимптотичну лінеаризацію механічної підсистеми, що дозволяє використовувати стандартні методи налагодження лінійних систем для формування необхідних показників якості, і мають властивості грубості до основних збурень, обумовлених помилками визначення кута між осями статора й ротора, а також зміною активного опору ротора при нагріванні машини. Виконані дослідження запропонованих алгоритмів підтвердили висновки, отримані теоретичним шляхом.
6. Відповідно до нової концепції керування перетворювачем, що базується на формуванні повної енергії перетворення, синтезований новий теоретично обґрунтований закон векторного керування ВУП, що гарантує стабілізацію напруги в ланці постійного струму на заданому рівні та реактивної потужності на вході ПН на нульовому рівні, а також дозволяє розв'язати процеси керування активною й реактивною потужностями, що циркулюють у перетворювачі напруги. За рахунок лінеаризації зворотним зв'язком по повному векторові стану, еквівалентна структура системи керування є лінійною з вільно формованими показниками якості регулювання напруги. Завдяки цьому спрощується процедура налагодження регулятора, а також підвищується точність стабілізації напруги. Запропоноване рішення дозволяє досягти однакових зі стандартним рішенням значень інтегральної квадратичної помилки стабілізації напруги, при меншому в 4.4 рази значенні ємності. Запропонований закон керування ВУП є уніфікованим і може бути використаний у системах перетворення енергії з рекуперацією енергії в мережу, гарантуючи розширену область стійкості й високі динамічні показники точності стабілізації вихідних координат при меншому на порядок і більше значенні ємності в ланці постійного струму.
7.Створено комп'ютерні моделі систем керування МПЖ і ПН для комплексного дослідження методом математичного моделювання синтезованих структур, які містять повну модель АД із ФР 6-го порядку, модель роторного ПН із ШИМ, модель ВУП 3-го порядку, а також нелінійний багатомірний динамічний регулятор 5-го порядку.
8. Виконані експериментальні дослідження динамічних характеристик ЕМС на основі МПЖ при регулюванні моменту (кутової швидкості) і реактивної потужності, повністю підтверджують висновки, отримані теоретичним шляхом, а також допомогою математичного моделювання. У результаті встановлено, що запропоновані закони векторного керування дозволяють одночасно з відпрацьовуванням заданої траєкторії моменту (кутової швидкості) забезпечити асимптотичне регулювання реактивної потужності статора у всіх режимах роботи МПЖ.
9. Результати, виконаних у дисертації досліджень, знайшли застосування в навчальному процесі в Національному технічному університеті України «КПІ», а також при розробці електрогенеруючих вітроустановок на ДНВП «Електронмаш».
10. Обґрунтованість і вірогідність наукових досліджень, висновків і рекомендацій підтверджена збігом з 10 % точністю результатів теоретичних досліджень із експериментальними даними.