Особенности синтеза систем управления тяговыми электроприводами на базе асинхронной машины при ограниченных вычислительных ресурсах управляющего контроллера
Ключевые слова:
комплект тягового электрооборудования, асинхронная машина, полеориентированное векторное управление, оптимизация работы электропривода, оценивание обмоточных параметров
Аннотация
В современном тяговом электроприводе на базе асинхронной машины зачастую используется полеориентированное векторное управление (ПВУ) при ориентации по вектору потокосцепления ротора.
При синтезе структуры системы ПВУ решается ряд задач, направленных на улучшение энергетической эффективности и повышение качества регулирования момента, частоты и тока тяговой машины. Такими задачами являются оценка сигналов, не поддающихся прямому измерению, оценка параметров обмоток, а также оптимизация работы электрической машины по заданному критерию.
К другой немаловажной задаче относится обеспечение бесперебойной и отказоустойчивой работы замкнутой системы управления. Для этого структура системы управления должна содержать блоки ограничений, накладываемых на регулируемые сигналы.
В то же время в некоторых случаях контроллер, отвечающий за управление силовым преобразователем частоты в составе тягового электропривода, обладает ограниченной вычислительной мощностью. Более того, зачастую на один контроллер возлагается функция управления несколькими (двумя и более) приводами. В связи с этим управляющий программный код должен быть максимально оптимизирован.
Вопрос оптимизации программного кода тесно связан с упрощением структуры системы управления электроприводом. Число ее элементов обязано быть минимальным, однако при этом система управления должна выполнять все возложенные на нее функции.
Для решения описанных практических задач проводятся предварительные процедуры оценивания параметров, а также оптимизации работы асинхронной машины. Выполнение указанных процедур требует использования определенного оборудования, на базе которого строится экспериментальный стенд.
Данные, получаемые в результате проведения процедур оценки параметров и оптимизации, в дальнейшем используются в тексте программного кода управляющего контроллера при эксплуатации электропривода.
Цель настоящей работы — анализ особенностей структуры системы высокоэффективного полеориентированного векторного управления тяговым электроприводом на базе асинхронной машины с учетом ограниченных вычислительных ресурсов управляющего контроллера.
Литература
1. Флоренцев С.Н. и др. Комплект тягового электрооборудования для асинхронного электропривода мотовоза МПТГ-2 // Труды XX Всерос. конф. по автоматизированному электроприводу. Пермь: Пермский Национ. исслед. политехн. ун-т, 2016. С. 522—526.
2. Florentsev S., Izosimov D., Makarov L., Baida S., Belousov A. Complete Traction Electric Equipment Sets of Electro-mechanical Drive Trains for Tractors // Proc. IEEE Region VIII Intern. Conf. Computational Technol in Electrical and Electronics Eng. Irkutsk, 2010. Pp. 611—616.
3. Florentsev S.N., Polyukhovich V.S. Traction Electric Equipment Set for Industrial Shunting Locomotives // Proc. XVII Intern. Ural Conf. on AC Electric Drives. Ekaterinburg, 2018. Pp. 1—8.
4. Zhurov I., Bayda S., Florentsev S. Parameters Estimation Technique of the Induction Motor Electric Drive with the Field-oriented Control Tacking Into Account Core Losses // Proc. Intern. Ural Conf. Electrical Power Eng. Magnitogorsk, 2022. Pp. 164—169.
5. Zhurov I., Bayda S., Florentsev S. Modeling of a Diesel Locomotive Induction Motor Drive with the Field-oriented Control when Operating in a Limited Voltage and High Rotation Frequency Mode // Proc. XXVIII Intern. Workshop on Electric Drives: Improving Reliability of Electric Drives. Moscow, 2021. Pp. 1—5.
6. Zhurov I., Bayda S., Florentsev S. Field-oriented Control of the Induction Motor as Part of the Shunting Locomotive Powertrain Considering Core Losses and Magnetic Saturation // Proc. XXIX Intern. Workshop Electric Drives: Advances in Power Electronics for Electric Drives. Moscow, 2022. Pp. 1—6.
7. Журов И.О., Байда С.В., Флоренцев С.Н., Розкаряка П.И. Синтез оптимального управления тяговым электроприводом на базе асинхронного двигателя с учетом магнитного насыщения и потерь в стали // Электричество. 2023. № 3. С. 71—79.
8. Анучин А.С. Системы управления электроприводов. М.: Издат. дом МЭИ, 2015.
9. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. Екатеринбург: УРО РАН, 2000.
10. Фираго Б.И., Павлячик Л.Б. Регулируемые электроприводы переменного тока. Минск: Техноперспектива, 2006.
11. Schröder P. Elektrische Antriebe — Regelung von Antriebssystemen. Berlin: Springer, 2001.
12. Пересада С.М., Ковбаса С.Н., Приступа Д.Л. Алгоритм идентификации электрических параметров асинхронного двигателя на основе адаптивного наблюдателя полного порядка // Труды Института электродинамики Национальной академии наук Украины. 2013. № 34. С. 27—34.
13. Laowanitwattana J., Uatrongjit S. Induction Motor States and Parameters Estimation Using Extended Kalman Filter with Reduced Number of Measurements // Proc. XVIII Intern. Conf. Electrical Machines and Systems. Pattaya, 2015. Pp. 1631—1635.
14. Stinga F., Soimu A., Marian M. Online Estimation and Control of an Induction Motor // Proc. XIX Intern. Conf. System Theory, Control and Computing. 2015. Pp. 742—746.
15. Bhowmick D., Manna M., Chowdhury S.K. Online Estimation and Analysis of Equivalent Circuit Parameters of Three Phase Induction Motor Using Particle Swarm Optimization // Proc. IEEE VII Power India International Conf. 2016. Pp. 1—5.
16. Naganathan P., Srinivas S. Maximum Torque Per Ampere Based Direct Torque Control Scheme of IM Drive for Electrical Vehicle Applications // Proc. IEEE XVIII Intern. Power Electronics and Motion Control Conf. 2018. Pp. 256—261.
17. Peresada S., Kovbasa S., Dymko S., Bozhko S. Dynamic Output Feedback Linearizing Control of Saturated Induction Motors with Torque Per Ampere Ratio Maximization // Proc. II Intern. Conf. Intelligent Energy and Power Syst. 2016. Pp. 1—6.
18. Mousavi M.S., Davari S.A. A Novel Maximum Torque Per Ampere and Active Disturbance Rejection Control Considering Core Saturation for Induction Motor // Proc. IX Annual Power Electronics, Drives Systems and Technol. Conf. 2018. Pp. 318—323.
19. Kwon C. Performance of Adaptive MTPA Torque Per Amp Control at Multiple Operating Points for Induction Motor Drives // Proc. 44th Annual Conf. IEEE Industrial Electronics Soc. 2018. Pp. 637—641.
20. Popov A., Popova V., Gulyaev I., Briz F. Dynamic Response of FOC Induction Motors Using MTPA Considering Voltage Constraints // Proc. XXVI Intern. Workshop Electric Drives: Improvement in Efficiency of Electric Drives. 2019. Pp. 1—5.
21. Salahmanesh M.-A., Zarchi H.A., Hesar H.M. A Non-linear Technique for MTPA-based Induction Motor Drive Considering Iron Loss and Saturation Effects // Proc. XI Power Electronics, Drive Systems, and Technol. Conf. 2020. Pp. 1—6.
---
Для цитирования: Журов И.О., Розкаряка П.И., Байда С.В., Флоренцев С.Н. Особенности синтеза систем управления тяговыми электроприводами на базе асинхронной машины при ограниченных вычислительных ресурсах управляющего контроллера // Вестник МЭИ. 2024. № 2. С. 39—46. DOI: 10.24160/1993-6982-2024-2-39-46
#
1. Florentsev S.N. i dr. Komplekt Tyagovogo Elektrooborudovaniya dlya Asinkhronnogo Elektroprivoda Motovoza MPTG-2. Trudy XX Vseros. Konf. po Avtomatizirovannomu Elektroprivodu. Perm': Permskiy Natsion. Issled. Politekhn. Un-t, 2016:522—526. (in Russian).
2. Florentsev S., Izosimov D., Makarov L., Baida S., Belousov A. Complete Traction Electric Equipment Sets of Electro-mechanical Drive Trains for Tractors. Proc. IEEE Region VIII Intern. Conf. Computational Technol in Electrical and Electronics Eng. Irkutsk, 2010:611—616.
3. Florentsev S.N., Polyukhovich V.S. Traction Electric Equipment Set for Industrial Shunting Locomotives. Proc. XVII Intern. Ural Conf. on AC Electric Drives. Ekaterinburg, 2018:1—8.
4. Zhurov I., Bayda S., Florentsev S. Parameters Estimation Technique of the Induction Motor Electric Drive with the Field-oriented Control Tacking Into Account Core Losses. Proc. Intern. Ural Conf. Electrical Power Eng. Magnitogorsk, 2022:164—169.
5. Zhurov I., Bayda S., Florentsev S. Modeling of a Diesel Locomotive Induction Motor Drive with the Field-oriented Control when Operating in a Limited Voltage and High Rotation Frequency Mode. Proc. XXVIII Intern. Workshop on Electric Drives: Improving Reliability of Electric Drives. Moscow, 2021:1—5.
6. Zhurov I., Bayda S., Florentsev S. Field-oriented Control of the Induction Motor as Part of the Shunting Locomotive Powertrain Considering Core Losses and Magnetic Saturation. Proc. XXIX Intern. Workshop Electric Drives: Advances in Power Electronics for Electric Drives. Moscow, 2022:1—6.
7. Zhurov I.O., Bayda S.V., Florentsev S.N., Rozkaryaka P.I. Sintez Optimal'nogo Upravleniya Tyagovym Elektroprivodom na Baze Asinkhronnogo Dvigatelya s Uchetom Magnitnogo Nasyshcheniya i Poter' v Stali. Elektrichestvo. 2023;3:71—79. (in Russian).
8. Anuchin A.S. Sistemy Upravleniya Elektroprivodov. M.: Izdat. Dom MEI, 2015. (in Russian).
9. Shreyner R.T. Matematicheskoe Modelirovanie Elektroprivodov Peremennogo Toka s Poluprovodnikovymi Preobrazovatelyami Chastoty. Ekaterinburg: URO RAN, 2000. (in Russian).
10. Firago B.I., Pavlyachik L.B. Reguliruemye Elektroprivody Peremennogo Toka. Minsk: Tekhnoperspektiva, 2006. (in Russian).
11. Schröder P. Elektrische Antriebe — Regelung von Antriebssystemen. Berlin: Springer, 2001.
12. Peresada S.M., Kovbasa S.N., Pristupa D.L. Algoritm Identifikatsii Elektricheskikh Parametrov Asinkhronnogo Dvigatelya na Osnove Adaptivnogo Nablyudatelya Polnogo Poryadka. Trudy Instituta Elektrodinamiki Natsional'noy Akademii Nauk Ukrainy. 2013;34:27—34. (in Russian).
13. Laowanitwattana J., Uatrongjit S. Induction Motor States and Parameters Estimation Using Extended Kalman Filter with Reduced Number of Measurements. Proc. XVIII Intern. Conf. Electrical Machines and Systems. Pattaya, 2015:1631—1635.
14. Stinga F., Soimu A., Marian M. Online Estimation and Control of an Induction Motor. Proc. XIX Intern. Conf. System Theory, Control and Computing. 2015:742—746.
15. Bhowmick D., Manna M., Chowdhury S.K. Online Estimation and Analysis of Equivalent Circuit Parameters of Three Phase Induction Motor Using Particle Swarm Optimization. Proc. IEEE VII Power India International Conf. 2016:1—5.
16. Naganathan P., Srinivas S. Maximum Torque Per Ampere Based Direct Torque Control Scheme of IM Drive for Electrical Vehicle Applications. Proc. IEEE XVIII Intern. Power Electronics and Motion Control Conf. 2018:256—261.
17. Peresada S., Kovbasa S., Dymko S., Bozhko S. Dynamic Output Feedback Linearizing Control of Saturated Induction Motors with Torque Per Ampere Ratio Maximization. Proc. II Intern. Conf. Intelligent Energy and Power Syst. 2016:1—6.
18. Mousavi M.S., Davari S.A. A Novel Maximum Torque Per Ampere and Active Disturbance Rejection Control Considering Core Saturation for Induction Motor. Proc. IX Annual Power Electronics, Drives Systems and Technol. Conf. 2018:318—323.
19. Kwon C. Performance of Adaptive MTPA Torque Per Amp Control at Multiple Operating Points for Induction Motor Drives. Proc. 44th Annual Conf. IEEE Industrial Electronics Soc. 2018:637—641.
20. Popov A., Popova V., Gulyaev I., Briz F. Dynamic Response of FOC Induction Motors Using MTPA Considering Voltage Constraints. Proc. XXVI Intern. Workshop Electric Drives: Improvement in Efficiency of Electric Drives. 2019:1—5.
21. Salahmanesh M.-A., Zarchi H.A., Hesar H.M. A Non-linear Technique for MTPA-based Induction Motor Drive Considering Iron Loss and Saturation Effects. Proc. XI Power Electronics, Drive Systems, and Technol. Conf. 2020:1—6
---
For citation: Zhurov I.O., Rozkariaka P.I., Baida S.V., Florentsev S.N. On the Synthesis of Induction Motor Based Traction Electric Drive Control Systems Implemented on a Controller with Limited Computing Resources. Bulletin of MPEI. 2024;2:39—46. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2024-2-39-46
2. Florentsev S., Izosimov D., Makarov L., Baida S., Belousov A. Complete Traction Electric Equipment Sets of Electro-mechanical Drive Trains for Tractors // Proc. IEEE Region VIII Intern. Conf. Computational Technol in Electrical and Electronics Eng. Irkutsk, 2010. Pp. 611—616.
3. Florentsev S.N., Polyukhovich V.S. Traction Electric Equipment Set for Industrial Shunting Locomotives // Proc. XVII Intern. Ural Conf. on AC Electric Drives. Ekaterinburg, 2018. Pp. 1—8.
4. Zhurov I., Bayda S., Florentsev S. Parameters Estimation Technique of the Induction Motor Electric Drive with the Field-oriented Control Tacking Into Account Core Losses // Proc. Intern. Ural Conf. Electrical Power Eng. Magnitogorsk, 2022. Pp. 164—169.
5. Zhurov I., Bayda S., Florentsev S. Modeling of a Diesel Locomotive Induction Motor Drive with the Field-oriented Control when Operating in a Limited Voltage and High Rotation Frequency Mode // Proc. XXVIII Intern. Workshop on Electric Drives: Improving Reliability of Electric Drives. Moscow, 2021. Pp. 1—5.
6. Zhurov I., Bayda S., Florentsev S. Field-oriented Control of the Induction Motor as Part of the Shunting Locomotive Powertrain Considering Core Losses and Magnetic Saturation // Proc. XXIX Intern. Workshop Electric Drives: Advances in Power Electronics for Electric Drives. Moscow, 2022. Pp. 1—6.
7. Журов И.О., Байда С.В., Флоренцев С.Н., Розкаряка П.И. Синтез оптимального управления тяговым электроприводом на базе асинхронного двигателя с учетом магнитного насыщения и потерь в стали // Электричество. 2023. № 3. С. 71—79.
8. Анучин А.С. Системы управления электроприводов. М.: Издат. дом МЭИ, 2015.
9. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. Екатеринбург: УРО РАН, 2000.
10. Фираго Б.И., Павлячик Л.Б. Регулируемые электроприводы переменного тока. Минск: Техноперспектива, 2006.
11. Schröder P. Elektrische Antriebe — Regelung von Antriebssystemen. Berlin: Springer, 2001.
12. Пересада С.М., Ковбаса С.Н., Приступа Д.Л. Алгоритм идентификации электрических параметров асинхронного двигателя на основе адаптивного наблюдателя полного порядка // Труды Института электродинамики Национальной академии наук Украины. 2013. № 34. С. 27—34.
13. Laowanitwattana J., Uatrongjit S. Induction Motor States and Parameters Estimation Using Extended Kalman Filter with Reduced Number of Measurements // Proc. XVIII Intern. Conf. Electrical Machines and Systems. Pattaya, 2015. Pp. 1631—1635.
14. Stinga F., Soimu A., Marian M. Online Estimation and Control of an Induction Motor // Proc. XIX Intern. Conf. System Theory, Control and Computing. 2015. Pp. 742—746.
15. Bhowmick D., Manna M., Chowdhury S.K. Online Estimation and Analysis of Equivalent Circuit Parameters of Three Phase Induction Motor Using Particle Swarm Optimization // Proc. IEEE VII Power India International Conf. 2016. Pp. 1—5.
16. Naganathan P., Srinivas S. Maximum Torque Per Ampere Based Direct Torque Control Scheme of IM Drive for Electrical Vehicle Applications // Proc. IEEE XVIII Intern. Power Electronics and Motion Control Conf. 2018. Pp. 256—261.
17. Peresada S., Kovbasa S., Dymko S., Bozhko S. Dynamic Output Feedback Linearizing Control of Saturated Induction Motors with Torque Per Ampere Ratio Maximization // Proc. II Intern. Conf. Intelligent Energy and Power Syst. 2016. Pp. 1—6.
18. Mousavi M.S., Davari S.A. A Novel Maximum Torque Per Ampere and Active Disturbance Rejection Control Considering Core Saturation for Induction Motor // Proc. IX Annual Power Electronics, Drives Systems and Technol. Conf. 2018. Pp. 318—323.
19. Kwon C. Performance of Adaptive MTPA Torque Per Amp Control at Multiple Operating Points for Induction Motor Drives // Proc. 44th Annual Conf. IEEE Industrial Electronics Soc. 2018. Pp. 637—641.
20. Popov A., Popova V., Gulyaev I., Briz F. Dynamic Response of FOC Induction Motors Using MTPA Considering Voltage Constraints // Proc. XXVI Intern. Workshop Electric Drives: Improvement in Efficiency of Electric Drives. 2019. Pp. 1—5.
21. Salahmanesh M.-A., Zarchi H.A., Hesar H.M. A Non-linear Technique for MTPA-based Induction Motor Drive Considering Iron Loss and Saturation Effects // Proc. XI Power Electronics, Drive Systems, and Technol. Conf. 2020. Pp. 1—6.
---
Для цитирования: Журов И.О., Розкаряка П.И., Байда С.В., Флоренцев С.Н. Особенности синтеза систем управления тяговыми электроприводами на базе асинхронной машины при ограниченных вычислительных ресурсах управляющего контроллера // Вестник МЭИ. 2024. № 2. С. 39—46. DOI: 10.24160/1993-6982-2024-2-39-46
#
1. Florentsev S.N. i dr. Komplekt Tyagovogo Elektrooborudovaniya dlya Asinkhronnogo Elektroprivoda Motovoza MPTG-2. Trudy XX Vseros. Konf. po Avtomatizirovannomu Elektroprivodu. Perm': Permskiy Natsion. Issled. Politekhn. Un-t, 2016:522—526. (in Russian).
2. Florentsev S., Izosimov D., Makarov L., Baida S., Belousov A. Complete Traction Electric Equipment Sets of Electro-mechanical Drive Trains for Tractors. Proc. IEEE Region VIII Intern. Conf. Computational Technol in Electrical and Electronics Eng. Irkutsk, 2010:611—616.
3. Florentsev S.N., Polyukhovich V.S. Traction Electric Equipment Set for Industrial Shunting Locomotives. Proc. XVII Intern. Ural Conf. on AC Electric Drives. Ekaterinburg, 2018:1—8.
4. Zhurov I., Bayda S., Florentsev S. Parameters Estimation Technique of the Induction Motor Electric Drive with the Field-oriented Control Tacking Into Account Core Losses. Proc. Intern. Ural Conf. Electrical Power Eng. Magnitogorsk, 2022:164—169.
5. Zhurov I., Bayda S., Florentsev S. Modeling of a Diesel Locomotive Induction Motor Drive with the Field-oriented Control when Operating in a Limited Voltage and High Rotation Frequency Mode. Proc. XXVIII Intern. Workshop on Electric Drives: Improving Reliability of Electric Drives. Moscow, 2021:1—5.
6. Zhurov I., Bayda S., Florentsev S. Field-oriented Control of the Induction Motor as Part of the Shunting Locomotive Powertrain Considering Core Losses and Magnetic Saturation. Proc. XXIX Intern. Workshop Electric Drives: Advances in Power Electronics for Electric Drives. Moscow, 2022:1—6.
7. Zhurov I.O., Bayda S.V., Florentsev S.N., Rozkaryaka P.I. Sintez Optimal'nogo Upravleniya Tyagovym Elektroprivodom na Baze Asinkhronnogo Dvigatelya s Uchetom Magnitnogo Nasyshcheniya i Poter' v Stali. Elektrichestvo. 2023;3:71—79. (in Russian).
8. Anuchin A.S. Sistemy Upravleniya Elektroprivodov. M.: Izdat. Dom MEI, 2015. (in Russian).
9. Shreyner R.T. Matematicheskoe Modelirovanie Elektroprivodov Peremennogo Toka s Poluprovodnikovymi Preobrazovatelyami Chastoty. Ekaterinburg: URO RAN, 2000. (in Russian).
10. Firago B.I., Pavlyachik L.B. Reguliruemye Elektroprivody Peremennogo Toka. Minsk: Tekhnoperspektiva, 2006. (in Russian).
11. Schröder P. Elektrische Antriebe — Regelung von Antriebssystemen. Berlin: Springer, 2001.
12. Peresada S.M., Kovbasa S.N., Pristupa D.L. Algoritm Identifikatsii Elektricheskikh Parametrov Asinkhronnogo Dvigatelya na Osnove Adaptivnogo Nablyudatelya Polnogo Poryadka. Trudy Instituta Elektrodinamiki Natsional'noy Akademii Nauk Ukrainy. 2013;34:27—34. (in Russian).
13. Laowanitwattana J., Uatrongjit S. Induction Motor States and Parameters Estimation Using Extended Kalman Filter with Reduced Number of Measurements. Proc. XVIII Intern. Conf. Electrical Machines and Systems. Pattaya, 2015:1631—1635.
14. Stinga F., Soimu A., Marian M. Online Estimation and Control of an Induction Motor. Proc. XIX Intern. Conf. System Theory, Control and Computing. 2015:742—746.
15. Bhowmick D., Manna M., Chowdhury S.K. Online Estimation and Analysis of Equivalent Circuit Parameters of Three Phase Induction Motor Using Particle Swarm Optimization. Proc. IEEE VII Power India International Conf. 2016:1—5.
16. Naganathan P., Srinivas S. Maximum Torque Per Ampere Based Direct Torque Control Scheme of IM Drive for Electrical Vehicle Applications. Proc. IEEE XVIII Intern. Power Electronics and Motion Control Conf. 2018:256—261.
17. Peresada S., Kovbasa S., Dymko S., Bozhko S. Dynamic Output Feedback Linearizing Control of Saturated Induction Motors with Torque Per Ampere Ratio Maximization. Proc. II Intern. Conf. Intelligent Energy and Power Syst. 2016:1—6.
18. Mousavi M.S., Davari S.A. A Novel Maximum Torque Per Ampere and Active Disturbance Rejection Control Considering Core Saturation for Induction Motor. Proc. IX Annual Power Electronics, Drives Systems and Technol. Conf. 2018:318—323.
19. Kwon C. Performance of Adaptive MTPA Torque Per Amp Control at Multiple Operating Points for Induction Motor Drives. Proc. 44th Annual Conf. IEEE Industrial Electronics Soc. 2018:637—641.
20. Popov A., Popova V., Gulyaev I., Briz F. Dynamic Response of FOC Induction Motors Using MTPA Considering Voltage Constraints. Proc. XXVI Intern. Workshop Electric Drives: Improvement in Efficiency of Electric Drives. 2019:1—5.
21. Salahmanesh M.-A., Zarchi H.A., Hesar H.M. A Non-linear Technique for MTPA-based Induction Motor Drive Considering Iron Loss and Saturation Effects. Proc. XI Power Electronics, Drive Systems, and Technol. Conf. 2020:1—6
---
For citation: Zhurov I.O., Rozkariaka P.I., Baida S.V., Florentsev S.N. On the Synthesis of Induction Motor Based Traction Electric Drive Control Systems Implemented on a Controller with Limited Computing Resources. Bulletin of MPEI. 2024;2:39—46. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2024-2-39-46
Опубликован
2023-12-21
Выпуск
Раздел
Электротехнические комплексы и системы (технические науки) (2.4.2)
