Енергоформуюче керування електромеханічними системами на базі синхронної машини з постійними магнітами

Abstract

Дисертація присвячена вирішенню наукової задачі синтезу системи енергоформуючого керування (СЕФК) нелінійними електромеханічними системами (ЕМС) на базі СМПМ. Проведено дослідження та аналіз наявних структур ФКВ для СЕФК електроприводами на базі СМПМ. Запропоновано спосіб введення додаткових впливів у ланки механічної частини ЕМС, за яким одержано нові структури ФКВ з параметром механічного демпфування. Проведено аналіз та порівняльні дослідження роботи СЕФК за різних структур ФКВ з відомою системою векторного керування СМПМ на основі підпорядкованого регулювання. Запропоновано спосіб оптимального параметричного синтезу гамільтонових систем, який перевірено на СЕФК електроприводів постійного струму та на базі СМПМ. Виконано синтез СЕФК двомасовою ЕМС. Одержано ФКВ для СЕФК електричним навантаженням вітроелектроустановки (ВЕУ) з на базі синхронного генератора з постійними магнітами та одно- і двомасовою механічною частинами. Запропоновано режим «оптимальної швидкодії» ВЕУ. Проведено порівняння результатів експериментальних та комп’ютерних досліджень роботи СЕФК з різними структурами ФКВ. Диссертация посвящена решению важной научной задачи синтеза системы енергоформуючого управления (СЭФУ) нелинейными электромеханическими системами (ЭМС) на базе синхронной машины с постоянными магнитами (СМПМ). Освещена проблема синтеза систем управления нелинейными объектами и приведен краткий обзор подходов к их синтезу. Особое внимание сосредоточено на энергетических подходах. Описано процедуру одного из них – синтезу СЭФУ. Подробно описана процедура построения СЭФУ электропривода на базе векторно управляемой СМПМ как гамильтоновой системы с управляемыми портами и получены выражения формирователя управляющих воздействий (ФУВ). Исследованы существующие структуры ФУВ для СЭФУ электроприводами на базе СМПМ. Предложены новые структуры ФУВ путем введения в матрицы системы управления параметра механического демпфирования, что обеспечивает форсирование переходных процессов. Проведены анализ и сравнительные исследования работы СЭФУ для различных структур ФУВ с известной системой векторного управления СМПМ на основе системы подчиненного регулирования. Разработаны алгоритм ручной настройки СЭФУ и процедура оптимального параметрического синтеза ФУВ. Представлены результаты сравнительных исследований с другими известными системами. Выполнен синтез СЭФУ двухмассовой ЭМС, приведены возможные структуры ФУВ и выделены наиболее эффективные из них, также найдены выражения для параметрического синтеза ФУВ. Проведены сравнительные исследования работы СЭФУ, настроенных вручную и по полученным выражениям параметризации, с системой модального управления. Исследования проводились при наличии щелей в зацеплениях редуктора и без них. Предложено осуществлять синтез СЭФУ сложными ЭМС (на примере двухмассовой ЭМС с векторно управляемой СМПМ) путем разбития системы на простые подсистемы, синтеза ФУВ для СЭФУ каждой из них в СЭФУ. В качестве примера использования полученных теоретических результатов они применены к реальному нелинейному объекту – ветроэлектроустановке (ВЭУ) с синхронным генератором с постоянными магнитами, электрическая нагрузка которого оптимально регулируется с помощью активного выпрямителя. Описаны особенности маломощных ВЭУ и задачи управления ими, обоснована актуальность синтеза СЭФУ для ВЭУ как нелинейной ЭМС. Получены ФУВ для ВЭУ как с одно-, так и двухмассовой механическими частями, усовершенствованы структуры ФУВ для осуществления управления ВЭУ без датчика скорости ветра. Проведены сравнительные исследования с известной системой управления по Morimoto. Предложен режим «оптимального быстродействия» ВЭУ. Разработаны полифункциональные СЭФУ для работы ВЭУ на порывчастых ветрах. Приведено описание экспериментальной установки для исследования СЭФУ электроприводом на базе СМПМ. Проведено сравнение результатов физических и компьютерных экспериментов работы СЭФУ с разными структурами ФУВ. Dissertation is devoted to solution of scientific task of synthesis of energy-shaping control system (ESCS) for nonlinear electromechanical systems (EMS) based on permanent magnet synchronous machine (PMSM). There were conducted the analysis and the researches of present control signal former (CSF) structures for ESCS with PMSM. There was proposed the way of injecting the additional actions to the mechanical part of EMS, by which the new CSF structures with mechanical damping parameter were obtained. The analysis and the comparative researches of various CSF structures of ESCS with a known vector control system were conducted. The way of optimal parametric synthesis of port-controlled Hamiltonian systems was proposed and tested on ESCSs of DC and PMSM electric drives. The synthesis of ESCS was made for two-mass EMS. Different CSFs were obtained for ESCS of PMSG for wind turbine with a single and twomass mechanical parts. There was proposed the optimal performance mode for wind turbines. The comparison results of experimental and computer researches of ESCSs work with different CSF structures is shown.