автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование вентильно-индукторного электропривода с независимым возбуждением и микроконтроллерным управлением

0031В5МJ

На правах рукописи

ЖАРКОВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С НЕЗАВИСИМЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ И МИКРОКОНТРОЛЛЕРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Специальность 05 09 03 - электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2008

003165916

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированного электропривода» Московского энергетического института (Технического Университе-

Защита диссертации состоится 18 апреля 2008 года в 14 час 00 мин в аудитории М-611 на заседании диссертационного совета Д 212 157 02 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу И1250, Москва, Красноказарменная ул , д 13, корп М

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (Технического Университета)

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печагью, просим отправлять по адресу. 111250, г Москва, Красноказарменная ул , д 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ)

та)

Научный руководитель доктор технических наук, доцент

Козаченко Владимир Филиппович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Красовский Александр Борисович,

Ведущая организация

кандидат технических наук, Чуеа Павел Вячеславович ОАО «ВНИИКП»

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212 15 к т н , доцент

Цырук С А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время силовая электроники и микропроцессорная техника достигли таких результатов, что при упоминании современного регулируемого электропривода подразумевается комплектный электропривод, состоящий из электромеханического преобразователя энергии, силового преобразователя, цифровой системы управ тения Для всех известных типов двигателей получение хороших динамических, энергетических и точностных характеристик невозможно без разработки качественных алгоритмов прямого цифрового, з том числе векторного управления Во всем мире ведутся активные исследования новых типов машин, в которых определяющее значение имеет надежная силовая и управляющая электроника, прежде всего - индукторных машин (ИМ) Перспективы этого направления связаны с существенным упрощением конструкции машины и ее стоимости В работе решается задача создания и исследования комплектного вентильно-индукторного электропривода (ВИП) с независимым возбуждением (НВ), особенно перспективного для тяговых, станочных и робототехнических применений

Современные ИМ могут быть трех типов с самовозбуждением, за

счет постоянной составляющей тока в обмотке якоря, с независимым возбуждением, т е со специальной обмоткой возбуждения, расположенной на статоре, с магнитоэлектрическим возбуждением

В мире наибольшее внимание из-за простоты конструкции и технологичности их изготовления уделяется ИМ с самовозбуждением, более известным как БЫ) Однако разработчики этого направления сталкиваются со значительными трудностями.

- отсутствие специализированной силовой элементной базы, что ведет к значительному увеличению габаритов инвертора по сравнению с частотно-регулируемым электроприводом на базе АД;

- увеличение числа проводов для подключения двигателя по сравнению с АД,

- значительные пульсации момента при малом числе фаз, усложнение инвертора при увеличении числа фаз,

- сложность реализации полноценного векторного управления с качественным поддержанием электромагнитного момента

Значительный вклад в развитие теории и практики этого типа привода внесли Ильинский Н.Ф, Бычков М Г, Кузнецов В А, Фисенко В Г (Москва), Термирев А Л , Лозицкий О Е , Коломийцев Л Ф. (Новочеркасск), Miller Т , Lawrenson Р

ВИЛ на базе ИМ с постоянными магнитами развиваются, главным образом, для прецизионной техники и следящих систем (Балковой А П., Луценко В.Е) Это направление перспективно для малых мощностей (меньше 1 кВт)

В последнее время на кафедрах АЭП, ЭКАО, ЭМ МЭИ(ТУ) (Р\ саков А М, Козаченко В Ф , Остриров В Н, Фисенко В Г ) ведутся исследования вентильно-индукторных двигателей (ВИД) с независимым возбуждением (НВ) Технологически эти двигатели сложнее, однако, привода на их основе, имеют следующие преимущества

- возможность использования стандартной силовой элементной базы, в том числе мостовых инверторов, как для асинхронных 3-х фазных двигагелей,

- возможность реализации современных методов управления, таких, как векторное, с качественным формированием момента,

- возможность секционирования как машины, так и силового преобразователя и построения мощного ВИЛ (до 1МВт) на низковольтной элементной базе с высоким уровнем надежности и резервирования

В настоящей работе обосновываются эти преимущества, в том числе доказывается теоретически и экспериментально возможность создания 4-х квадрантного широкорег>лируемого электропривода на базе ВИГ1 с НВ

Актуальность работы состоит в ориентации на создание hoboi о, отечественного конкурентоспособного электропривода для энергосберегающих технологий, станкостроения и электрической тяги

Цель диссертационной работы Создание модульных программно-аппаратных средств оптимального, в том числе векторного, управления вентильно-индукторными двигателями с независимым возбуждением

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были решены следующие задачи

1 Создана чеиемашческая модель ВИД с НВ Выполнен анализ электромагнитных связей в двига!елях этого типа,

2 Создана компьютерная модель ВИЛ с НВ в среде Simulink MatLab для исследования 2-х структур управления в режиме классического вентильного двигателя, в режиме векторного управления;

3 Для этих структур разработаны алгоритмы управления и базовое модульное программное обеспечение (ПО),

4 Разработаны модульные аппаратные средства построения системы управления ВИН. высокопроизводительные контроллеры привода (150 млн оп-'сек), модули дискретного ввода/вывода, модули сопряжения с несколькими типами датчиков положения, в том числе с интеллектуальными абсолютными, встраиваемые датчики положения,

5 Проведены экспериментальные исследования на опытно-промышленных образцах ВИП

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовались

- теория электропривода и цифрового управления,

- современные методы анализа и синтеза ЭМП (схемы замещения магнитных цепей, векторные диаграммы),

- методы компьютерного моделирования (Simulink MatLab),

— методы интерактивной отладки микропроцессорных систем управления с использованием среды разработки Code Composer Studio,

- компьютерные методы экспериментальных исследований опытных образцов ВИП с использованием интеллектуальных датчиков, в том числе электромагнитного момента

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждена внедрением разработанных СУ в опытно-промышленную эксплуатацию.

Научная новизна работы заключается в следующем

- на основе анализа схем замещения ВИД с HB предложено математическое описание, обоснована оптимальная структура векторного управления, в том числе в режиме ослабления поля,

- предложен метод прямого токового управления инвертором ВИП для расширения допустимого скоростного диапазона в два раза,

- разработаны оригинальные конструкции встроенных датчиков положения ВИД и модули сопряжения с контроллером пристраиваемых датчиков положения, программно-аппаратные средства идентификации скорости и электрического положения,

- разработана архитектура и схемотехника высокопроизводительного контроллера для реализации векторного управления ВИП Основные практические результаты диссертации состоят в экспериментальных исследованиях опытно-промышленных образцов ВИП малой мощности, во внедрении разработанной системы управления в мощные многосекционные ВИП для районных тепловых станций (315, 400, 630 кВт;, а так же испытательного оборудования (500 кВт)

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на заседании кафедры «Автоматизированного электропривода» Московского энергетического института (Технического Университета)

Публикации. По теме диссертации опубликованы 5 печатных работ Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения; количество страниц 150, иллюстраций 74, число наименований использованной литературы 55 на 4 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Рис.1

Получена схема замещения магнитной цепи базовой конструкции 2-х пакетного вентильно-индукторного двигателя. На основе ее анализа сделан вывод о том, что 2-х пакетный ВИД с НВ по структуре магнитных связей

Во введении обоснована актуальность работы и показаны преимущества использования ВИД с НВ с векторной системой управления, а так же преимущества в использовании многосекционных ВИД при создании электроприводов повышенной надежности большой мощности на низковольтной элементной базе. Поставлены цели и задачи исследования.

В первой главе проведена, классификация индукторных двигателей по способу возбуждения и рассмотрен принцип работы ВИД с НВ. Показаны преимущества выбранного типа двигателя.

Приведены варианты конструкций двигателей с аксиально-радиальным потоком и обоснованы преимущества 2-х пакетной конструкции ВИД с НВ (Рис.1), Проанализированы варианты конструктивного размещения кольцевой обмотки возбуждения на статоре.

подобен синхронному двигателю с неявновыраженными полюсами, за исключением дополнительных взаимных связей между фазными обмотками

Рассмотрены варианты конструкций ВИД с НВ с минимизацией электромагнитных связей между фазами, а также между отдельными секциями в многосекционных машинах

Выбраны несколько перспективных конструкций ВИД с НВ для которых

- Взаимоиндуктивности фаз отсутствуют (по первой гармонике),

- Отсутствуют электромагнитные связи между секциями что позволяет организовать независимое векторное управление каждой секцией ВИД с НВ, рассматривая многосекционную машину в виде совокупности «элементарных» машин, имеющих общий контур возбуждения,

- Индуктивность контура возбуждения не зависит от положения ротора, а взаимоиндуктивности фазных обмоток с обмоткой возбуждения меняются от положения ротора по синусоидальному закону, как в классических синхронных машинах

На основе проведенного анализа создана компьютерная модель ВИД с НВ для целей синтеза систем управления

Во второй главе известные и уже внедренные методы управления ВИД в режиме БДПТ (бездатчиковый двигатель постоянного тока) распространены на многосекционные двигатели

Предложена структура системы управления (СУ) 3-х секционного электропривода мощностью 500 кВт на базе стандартных Г1Ч «Универсал» мощностью 220 кВт с цифровой системой управления на базе контроллеров МК10 5 (40 млн оп /сек), разработанных с участием автора (Рис 2 )

Электронный преобразователь ВИЛ состоит из 3-х независимых секций, связанных между собой промышленным интерфейсом связи CAN Датчик положения ~ общий для всех секций

Особенностью привода является согласованное совместное управление контуром возбуждения от трех преобразователей частоты (ПЧ) секций с поддержанием тока при аварии в любой секции неизменным

Предложена структура системы управления ВИП в режиме автокоммутации по датчику положения (Рис 3 )

if

Рис 3

Имеется 3 контура регулирования: быстродействующий контура регулирования тока статора, контур регулирования скорости и контур регулирования тока возбуждения.

В предложенной структуре системы управления ВИП з режиме автокоммутации по датчику положения объяснено использование основных узлов. Структура управления ВИП имеет 3 контура регулирования: быстродействующий контур регулятора тока статора, контур регулятора скорости и контур тока в ОВ.

Применительно к двигателям большой мощности совместно с Русаковым A.M. разработана конструкция встраиваемого в двигатель датчика положения ротора на дискретных элементах Холла. Разработанный цифровой модуль интерполяции сигнала с датчика обеспечивает точность управления углом коммутации в функции скорости не хуже 3-4 эл. град.

Разработано модульное ПО межсекционного взаимодействия секций привода по интерфейсу CAN с учетом выравнивания нагрузок секций.

Онытно-промышленный образец ВИД-500 изготовлен на Тирасполь-ском электромеханическом заводе, а силовой преобразователь ООО «Энергосбережение» (г. Пущине). ВИП установлен на заводе «Салют» (г. Москва) в испытательной лаборатории (Рис. 4).

Рис, 4

и

В третьей главе обосновывается и разрабатывается структура 4-х квадрантного 2-х зонного ВИП с НВ с векторным управлением Основываясь на математическом описании ВИД в естественных координатах. обоснован переход к вращающимся с1-ц координатам Показано, что момент ВИД с НВ пропорционален току возбуждения и составляющей тока статора по оси что позволяет предложить структуру векторного управления ВИД с НВ для каждой из секций машины, близкую к струи уре векторного управления синхронными двигателями

Система секторного управления ВРЦП с НВ состоит из следующих блоков координатных преобразований, управления инвертором в режиме ШИМ-модуляции базовых векторов, компенсации ЭДС вращения, измерения скорости и электрического положения, вычисления потокосцеплений (Ч^, Ч-'сП, а так же 3-х цифровых регуляторов тока статора по осям d и q и возбуждения В большинстве практических задач в систему добавляется регулятор скорости и регулятор технологической переменной, например давления (Рис 5).

Рис 5

Рассмотрена специфика синтеза контура тока с адаптивной компенсацией ЭДС вращения (Рис 6)

Предложена оригинальная структура работы ВИЛ в режиме ослабления потока двигателя (Рис 7)

Ее суть сводится к автоматическому поддержанию с заданным коэффициентом запаса 1,1-1,5 амплитуды вектора результирующего напряжения статора в зоне ослабления поля (начиная с некоторой скорости) По-сушеству, реализуется скользящий режим вдоль граничной механической характеристики с автоматическим уменьшением, как тока возбуждения, так и составляющей тока статора по оси Предложенный метод управления в зоне ослабления поля явтяется робастным и не требует параметри-ровани? машины, он работает как в двигательном, так и в генераторном режимах

С рссшм максимальной скорости, на которой должен работать привод, усложняется работа регуляторов тока в системе векторного управления вплоть до потери устойчивости Теоретически и экспериментально

установлена граница устойчивости в зависимости от числа пар полюсов ВИД и несущей частоты ШИМ

Г""'ГГи1=р п™х1об!мин} ^/штЛгч] т

Jэ, I Ч\ У* 60 - 10 20 I, )

Таким образом, видно, что с ростом максимальной скорости требуется увеличение несущей частоты работы ШИМ Однако, допустимая частота для общепромышленных преобразователей частоты не превышает 10-20 кГц С учетом этого факта, базовая структура системы векторного управления модернизируется В зоне высоких скоростей производится автоматический переход на прямое токовое управление вектором тока с использованием 3-х канального релейного регулятора тока (Рис 8)

Рис 8

Разработана соответствующая математическая, алгоритмическая и программная поддержка системы управления ВИЛ с переменной структурой, в том числе алгоритмов управления инвертором тока Сформулированы требования к аппаратной части системы управления Предложено распределение программных ресурсов управляющего контроллера На опытном макете двигателя ДВИ-3 произведены испытания системы векторного управления с переключаемой структурой На рис 9 показано высокое качество формирования тока в фазе на скоростях, при которой обычная СВУ становится неустойчивой

г t.Gmc a; ki \ 260mB

Рис 9.

i 1рСДЛ0ЖСНа МСТОДИКа НаСТрОИКК Парамс 1рОБ ДИСКрсхНЫХ аяТОМй i О и.

управляющих инвертором тока.

В четвертой главе рассмотрены вопросы разработки модульных аппаратных средств системы управления ВИП.

Рассмотрен вопрос выбора микропроцессорного устройства, которое отвечало бы требованиям по производительности и набору встроенной периферии. Анализируются 2 типа микроконтроллеров фирмы Texas Instruments семейства Motor Control (управление двигателями). Приводится сравнительная таблица характеристик микроконтроллеров, в которой отмечаются преимущества нового семейства TMS320F2810 по производительности, внутренней памяти, скорости работы АЦП, а так же по технологиям отладки программного обеспечения и осциллографирования параметров.

Формулируются требования к аппаратным функциям контроллера с учетом специфики силового преобразователя, интерфейса пользователя и датчика положения ротора. Распределяются аппаратные функции контроллера между отдельными блоками.

Разрабатывается архитектура контроллеров привода МК13.1 и МК17.1, ориентированных на построение модульных систем управления многосекционным ВИД с НВ. Контроллер МК17.1 является доработанной версией МК13.1, в котором существенно улучшена помехозащищенность аналоговых каналов, интерфейсов связи, модифицирован интерфейс датчиков положения. Предложен алгоритм калибровки аналоговых входов, позволяющий существенно поднять точность приема аналоговых сигналов. Контроллер МК17.1 (Рис. 10) запущен в мелкосерийное производство и является базовым для отечественной серии ВИП с НВ.

Рис. 10

Исследованы и оптимизированы конструкции 2-х типов встроенных датчиков положения ротора ВИД на дискретных элементах Холла и на аналоговых элементах Холла.

Преимущества датчиков на элементах Холла: число пар полюсов первичного датчика (магнитного кольца) совпадает с полюсной структурой электрической машины, что позволяв! сразу получить датчик электрического положения; надежность первичного датчика; высокая предельная частота вращения вала; технологичность и простота изготовления; один уровень питания (+5В); невысокая стоимость.

Для обработки сигналов датчиков первого типа предложено использовать модуль захвата процессора событий с дополнительным программно-реализуемым блоком идентификации скорости и интерполятором электрического положения ротора. Этот тип датчика рекомендуется при диапазоне регулирования скорости до 100:1. Для более высокого диапазона регулирования (несколько тысяч к 1) предложены конструкции датчиков 2-ого типа. Приведены оценки по точности и максимальной скорости работы таких датчиков. Рассмотрены способы расположения чувствительных элементов (рис. 11 а, б).

Экспериментально выявлены недостатки аналоговых датчиков и показаны способы их устранения. Разработано схемотехническое решение для повышения помехозащищенности передачи информации с датчика положения на аналоговых элементах.

Предложен алгоритм Калмановской цифровой фильтрации для синусно-косинусных сигналов датчиков положения. Рассмотрено математическое описание алгоритма. Реализована математическая модель фильтра в пакете моделирования МаШ.аЪ, показаны результаты моделирования (Рис. 12).

А

Л

: г/1 'V % •• 0".....Л

¡1

I

\у ~ ..........-IV - -Л

Л

м

Л' ■'/ ч г

\...../......V /

..Л.....Л..........л\______1..

ш

X

\ Л

Ч „ \ г/,

-V

Я

' I : \ I I \ /

'+ V ■ А-

I №

У

Л

4>

\\

. Л .... '00

л

Рис. 12

Алгоритм цифровой фильтрап.ии, реализованный в контроллерах МК17.1, показал свою работоспособность даже б придельных ситуациях

треугольного входного сигнала Достигнутая на практике точность датчика положения с фильтром 1-2 эл град

Датчик абсолютного положения со скоростным помехозащищенным интерфейсом предложен для использования в мощных многосекционных ВИЛ Он удовлетворяет главному условию - возможность подключения к нескольким принимающим устройствам Рассмотрен ряд интерфейсов, обосновано использование SSI интерфейса Разработан модуль сопряжения датчика положения с контроллером МК17 1 Приведены технические характеристики модуля. Главное преимущество предложенного решения -возможность удаленной установки двигателя (до 20-40м) от преобразователя Отсутствие запаздывания обеспечивается местным тактированием датчика от периферийного контроллера

В пятой главе приведены результаты испытаний опытных образцов вентильно-индукторных двигателей с независимым возбуждением ДВИ-3. Экспериментальные исследования проводились для подтверждения расчетных механических характеристик двигателей, правильности работы созданной векторной системы управления

На Ярославском электромеханическом заводе были изготовлены два экспериментальных вентильно-индукторных двигателя с независимым возбуждением ДВИ-3 номинальной мощностью 0 75 кВт, разработанных на кафедре ЭК АО в научной группе Русакова A M , а так же два унифицированных силовых преобразователя «Универсал 7 5 ВИД», разработанных на кафедре АЭП

Разработан автоматизированный стенд для исследования экспериментальных образцов, который представлял собой 2 соединенных через датчик момента испытуемых двигателя получающих питание от ПЧ с созданной системой векторного управления (рис 13) Информация о внутренних переменных системы передается через внутрисхемный эмулятор в компьютер со специальной программной средой разработки Code Composer Studio

Рис. 13

Проведены исследования в режимах холостого хода, короткого замыкания, а так же экспериментально определены механические потери в двигателях, КПД составил 84%. Подтверждена правильность работы векторной системы управления.

Произведены исследования статических и динамических характеристик ВИП с векторной системой управления. Результаты исследований отображены в осциллограммах разгона и реверса вала двигателя при различных значениях задания токов статора (Рис. 14).

Рис. 14

ВИП с векторной системой подтвердил хорошие показатели по динамике, что подтверждает возможность его использования в высокодинамичных электроприводах.

Достигнуты следующие показатели привода

- диапазон регулирования скорости 5000 1,

- в том числе в зоне ослабления поля 4 1,

- кратность пускового момента 2,5 1,

- точность поддержания скорости не хуже 0 0001% от максимальной скорости.

- КПД двигателя 85% (ДВИ-3 0,75 кВт)

В заключении обобщены основные результаты работы.

В приложении приведены электрические схемы встраиваемых датчиков положения,

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В работе получены следующие научные результаты:

1 Разработаны 2-х типа системы управления ВИД с НВ

- система управления в режиме автокоммутации по датчику положения ротора с коррекцией угла коммутации в функции скорости,

- векторная 2-х зонная 4-х квадрантная система управления,

2 Разработано модульное ПО, включенное в состав библиотеки программ для комплектных ВИП, запускаемых в опытно-промышленную эксплуатацию,

3 Предложен алгоритм работы ВИП с НВ с векторной системой управления в режиме ослабления поля и разработано соответствующее ПО,

4 Разработаны алгоритмы и программное обеспечение СУ при работе ВИП на скоростях выше номинальной с использованием прямого токового управления, расширяющие вдвое диапазон регулирования скорости,

5 Разработаны и запущены в производство унифицированные контроллеры МК13 1 и МК17 1, предназначенные для построения модульных преобразователей частоты для ВИД с НВ.

6 Разработаны конструкции встраиваемых датчиков положения на основе эффекта Холла (с аналоговым и дискретным выходом сенсоров), устройства сопряжения для пристраиваемых датчиков в многосекционных электроприводах, математическое обеспечение идентификации положения и скорости цифровой фильтрации помех,

7. Проведены испытания опытных образцов ВИП с векторной системой управления, которые подтвердили высокие точностные и динамические показатели этого типа привода

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. Козаченко В.Ф., Жарков A.A., Дроздов A.B. Серия модульных встраиваемых микроконтроллерных систем управления для современного комплектного электропривода// Приводная техника - 2007. -Вып. 5.-С.З-8

2 Козаченко В Ф , Обухов Н А , Ан>чин А С . Жарков А А Модульная микроконтроллерная система управления для отечественной серии преобразователей частоты «Универсал»// Труды V Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение» МКЭЭЭ-2003 Ч 1 Крым, -2003 С 725-726

3 Анучин А С , Жарков А А Синхронный электропривод с векторным управлением в режиме ослабления поля// Труды МЭИ Электропривод и системы управления - 2002 - Вып 678 - С.72

4 Анучин А С , Дроздов А В , Козаченко В Ф , Жарков А А. Цифровое векторное управление вентильным - индукторным двигателем с независимым возбуждением// Компоненты и технологии - 2004 - Вып 8 -С 190

5 Козаченко В Ф , Жарков А А , Дроздов А В Мультипроцессорная система управления многосекционным вентильно-индукторным электроприводом // Труды XI Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» г Алушта, -2006 С 56-57

Печ л

Тираж ^

Заказ

Введение.

Глава 1. Устройство, принцип действия и типы конструкций вентильных индукторных двигателей с независимым возбуждением.

1.1 Введение.

1.2 Базовая конструкция двухпакетного вентильного индукторного двигателя с радиально аксиальным замыканием потока.

1.3 Многосекционные вентильные индукторные двигатели с независимым возбуждением и компенсацией взаимных индуктивных связей между секциями.

Выводы по главе.

Глава 2. Разработка системы управления многосекционного вентильного индукторного двигателя с независимым возбуждением с автокоммутацией по датчику положения.

2.1 Структура построения силового преобразователя и информационных цепей.

2.2 Обоснование структуры системы управления для одной секции.

2.3 Система управления с многосекционными ВИД.

Выводы по главе.

Глава 3. Разработка системы векторного управления вентильного индукторного двигателя с независимым возбуждением.

3.1. Математическое описание ВИД с независимым возбуждением для системы векторного управления в осях d,q.

3.2. Обоснование структуры векторного управления ВИП с контуром возбуждения.

3.3 Работа ВИП с векторной системой управления в режиме ослабления поля.

3.4 Разработка и исследование прямого токового управления ВИП с НВ для расширения частотного диапазона.

3.4.1 Обоснование перехода на прямое токовое управление.

3.4.2 Структура системы прямого токового управления.

3.4.3 Распределение программных ресурсов контроллера.

3.4.4 Требования к аппаратной части при использовании алгоритмов прямого токового управления.

3.4.5 Испытания работы вентильного индукторного привода с системой прямого токового управления на опытном макете двигателя.

Выводы по главе.

Глава 4. Разработка специализированных аппаратных средств для реализации системы управления ВИП с НВ.

4.1 Разработка высокопроизводительных контроллеров для системы управления ВИП с НВ.

4.1.1 Обоснование выбора микропроцессорного устройства.

4.1.2 Требования к архитектуре контроллера для системы векторного управления.

4.1.3 Состав модулей, основные интерфейсы и технические данные контроллера МК13.1.

4.1.4 Состав модулей, основные интерфейсы и технические данные контроллера МК 17.1.

4.2 Разработка специализированных измерителей положения ротора для ВИД с НВ.

4.2.1 Встраиваемый датчик положения на дискретных элементах Холла.

4.2.2 Встраиваемый датчик положения на аналоговых элементах Холла.

4.2.3 Датчики абсолютного положения с помехозащищенным интерфейсом связи.

4.2.4 Повышение точности измерения скорости и положения ротора с использованием фильтра Кальмана.

Выводы по главе.

Глава 5. Экспериментальные исследование ВИП с векторной системой управления на базе экспериментального ВИД с ИВ ДВИ-3.

5.1 Введение.

5.2 Компьютерный автоматизированный стенд для исследований комплектных ВИП.

5.2.1 Силовой преобразователь для управления экспериментальными двигателями.

5.2.2 Структура экспериментального стенда.

5.3 Снятие электромагнитных параметров двигателя и сверка их с расчетными данными.

5.4 Исследования опытного образца двигателя ДВИ-3 в генераторном режиме работы.

5.5 Исследование механических потерь в опытном образце двигателя.

5.6 Исследования экспериментального двигателя в режиме короткого замыкания.

5.7 Статические механические характеристики в режиме векторного управления и энергетические показатели опытного образца.

5.8 Испытания опытного образца двигателя на зависимость тока возбуждения от предельного момента при последовательном включении обмотки возбуждения.

5.9 Тепловые испытания.

5.10 Исследования диапазона регулирования скорости.

5.11 Исследования динамических режимов работы.

Выводы по главе.

В настоящее время силовая электроники и микропроцессорная техника достигли таких результатов, что при упоминании современного регулированного электропривода подразумевается комплектный электропривод, состоящий из электромеханического преобразователя энергии и силового преобразователя. Для всех известных типов двигателей получение хороших динамических, энергетических и точностных характеристик невозможно без использования статического преобразователя электрической энергии. Поэтому активно развиваются электромеханические преобразователи, которые могут дать^ новые свойства и преимущества современному электроприводу [11]. К таким электромеханическим преобразователями относятся вентильно-индукторные двигатели (ВИД) [35].

По оценкам экспертов во всем мире эти двигатели могу стать, двигателями 21 века и потеснить с лидирующих позиций асинхронные двигатели и синхронные с постоянными магнитами. В качестве главных преимуществ выступают простота и гибкость конструкции, безконтактность, высокие динамические показатели и надежность.

Вентильно-индукторные двигатели разделяют на 3 типа: с самовозбуждением, с независимым возбуждением и магнитоэлектрическим возбуждением [14].

Двигатели с самовозбуждением отличаются простотой конструкции, статор и ротор имеют явнополюсную зубчатую структуру. Машина может быть представлена как совокупность электромагнитов, работающих последовательно, где ротор всегда будет стремиться занять положение с максимальной проводимостью воздушного зазора. Машина работает в зоне насыщения, поэтому реализация сложных алгоритмов управления, таких как векторное, затруднительно, что связано в первую очередь с нелинейностью математического описания. Каждая фаза двигателя питается током одного направления, поэтому питание двигателя осуществляется от инвертора, состоящего из полумостов, которые серийно большинство фирм не производит (только фирма Semikron выпускает серийно). Поэтому силовой преобразователь получается более громоздким.

Двигатели с независимым возбуждением и магнитоэлектрические двигатели имеют одинаковую по физическому типу структуру контура возбуждения. Постоянный магнит или катушка, установленная на статоре двигателя, наводят аксиальный (реже радиальный) магнитный поток, который модулируется зубцами статор и ротора. Свойства этих 2-х типов двигателей примерно одинаковы, однако ВИД с самовозбуждением имеют возможность изменять поток возбуждения, что удобно использовать в режимах ослабления поля. Двигатели с магнитоэлектрическим возбуждением рационально использовать в маломощных приводах, так как с ростом мощности увеличивается цена машины из-за высокой стоимости редкоземельных магнитов и технологического оборудования для производства ВИД [40].

На кафедре ЭКАО в научной группе Русакова A.M. создана методика проектирования ВИД с независимым возбуждением (НВ), в том числе и многосекционных, в которых исключены взаимные магнитные связи, как между фазными обмотками, так и меж секциями. Новые двигатели по структуре магнитных связей подобны синхронным двигателям с неявновыраженными полюсами. Отсутствие межфазных магнитных связей принципиально упрощает математическое описание, что создает предпосылки для реализации качественного векторного управления с применением современных специализированных микроконтроллеров [25].

Диссертация является итогом НИР 2х кафедр: АЭП и ЭКАО. Перед соискателем были поставлены 2 задачи. Первая задача заключается в разработке системы управления мощного 3-х секционного ВИП, предназначенного для работы в агрессивных взрывоопасных средах. Опытный образец двигателя мощностью 500 кВт спроектирован на кафедре ЭКАО, силовой преобразователь разработан на кафедре АЭП в научной группе д.т.н. Острирова В.Н. Проектируемый ВИП, исходя из предназначения, должен соответствовать требованиям безконтактно-сти и повышенной надежности. К приводу не предъявляется требований к динамике и диапазону регулирования. ВИП должен работать с вентиляторной нагрузкой.

Вторая задача заключается' в разработке и исследовании высокодинамичных ВИП с НВ для работы с активной нагрузкой, то есть работе в 4-х квадрантах механической характеристики. Для исследований были созданы 2 опытных образца ВИД мощностью 0.75 кВт (тип ДВИ-3), на которых проводилась отработка алгоритмов векторного управления.

В диссертации приводятся результаты исследований ВИП с векторным управлением, причем в полном объеме проведены эксперименты по энергетике и динамике, в которых подтверждается высокий КПД, даже на небольших мощностях, а так же высокие диапазоны регулирования скорости и момента, что создает предпосылки для использования данного типа приводов в робототехнике, станкостроении и спецтехнике.

Многосекционные ВИД, благодаря специальному проектированию, исключающему магнитное взаимодействие между секциями, могут работать с наращиванием мощности. Каждая секция двигателя работает от своего силового преобразователя, а механическая энергия от всех секций суммируется на валу двигателя. В результате ВИП приобретает повышенную надежность из-за дополнительного резервирования секций двигателя, когда при выходе из строя одной из них или части силового преобразователя, остальные секции работают без потери выходной мощности. Кроме того, ВИП большой мощности могут проектироваться на общедоступной низковольтной элементной базе, что представляет существенную альтернативу современным высоковольтным частотно-регулируемым асинхронным электроприводам [8].

В диссертации рассматривается разработка системы управления 3-х секционным ВИП мощностью 500кВт. Силовой канал состоит из 3-х типовых преобразователей мощностью 160кВт, которые работают в вентильном режиме по встроенному датчику положения. Разработаны правила взаимодействия секций друг с другом по промышленной сети. Учтена специфика взаимодействия возбудителей.

Актуальность задачи состоит в ориентации на создание нового, отечественного конкурентоспособного электропривода для энергосберегающих технологий, станкостроения и электрической тяги.

Цель данной работы:

Создание модульных программно-аппаратных средств оптимального, в том числе векторного, управления вентильно-индукторными двигателями с независимым возбуждением.

Для достижения цели в диссертации поставлены следующие основные задачи:

1. Создание математической модели ВИД с НВ на основании анализа магнитных связей. Обоснование и разработка структур системы управления вентильно-индукторного привода: в режима классического вентильного двигателя, в режиме векторного управления. '

2. Разработка модульных аппаратных средств построения системы управления ВИЛ:

• высокопроизводительные контроллеры системы управления электроприводами;

• встраиваемые датчики положения, а так же модули сопряжения контроллера со специализированными датчиками положения;

3. Экспериментальные исследования на опытно-промышленных образцах ВИЛ:

• снятие электрических характеристик опытного макета ВИД с независимым возбуждением в двигательных режимах работы;

• исследование динамических характеристик работы электропривода;

• опытное определение энергетических показателей ВИЛ.

Для решения поставленных задач в первой главе рассмотрены вопросы устройства и типы конструкций вентильно-индукторных двигателей с независимым возбуждением с аксиально-радиальным замыканием потока. Подробно рассмотрена базовая конструкция ВИД, а так же принцип действия двигателя. Освещены вопросы конструкции многосекционных вентильных индукторных двигателей с независимым возбуждением. Показано отсутствие взаимных индуктивных связей, что обеспечивает независимое управление каждой секцией у двигателя и может использоваться для наращивания мощности ВИП.

Во второй главе рассмотрена разработка системы управления многосекционным ВИП в режиме автокоммутации по датчику положения. Приведена структура построения силового преобразователя и информационных цепей для одной секции ВИП. Дано обоснование структуры системы управления для одной секции ВИП и предложена структура построения программного обеспечения. Преложен алгоритм работы секций многосекционного ВИП.

В третьей главе рассмотрена разработка векторной системы управления для ВИП. Приведено математическое описание ВИД с НВ, адаптированное для векторного управления. Предложена структура четырехквадрантного векторного управления и рассмотрен вопрос синтеза регуляторов для контуров токов. Предложен алгоритм компенсации ЭДС в контурах токов. Разработан алгоритм работы ВИП в режиме ослабления поля. Рассмотрена разработка прямого токового управления. Предложена замена векторного управления прямым токовым управлением при высоких частотах вращения. Предложена модификация системы векторного управления под прямое токовое. Рассмотрено распределение программных ресурсов контроллера. Приведены результаты работы ВИП с прямым токовым управлением.

В четвертой главе рассмотрена разработка специализированных аппаратных средств для реализации системы управления ВИП. Дано обоснование выбора микропроцессорного устройства. Предложены требования к архитектуре контроллера системы управления ВИП. Приведены технические данные разработанных контроллеров для управления ВИП. Рассмотрены разработанные специализированные измерители положения для ВИП. Предложен алгоритм повышения точности измерения скорости и положения с использованием фильтра Кальмана.

В пятой главе приведены результаты исследований опытного образца ВИД с НВ с векторной системой управления. Рассмотрено устройство экспериментального стенда. Приведены результаты снятия электрических характеристик ВИД, механических потерь и статических механических характеристик. Приведены энергетические характеристики ВИП с векторной системой управления. Приведены результаты динамических исследований привода.

В заключении обобщены основные результаты работы.

В приложении приведены принципиальные электрические схемы специализированных датчиков положения на аналоговых элементах Холла с помехозащи-щенным интерфейсом передачи

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах;

1. Анучин А.С., Жарков А.А. Синхронный электропривод с векторным управлением в режиме ослабления поля// Труды МЭИ. Электропривод и системы управления - 2002. — Вып.678. - с.72

2. Козаченко В.Ф., Обухов Н.А., Анучин А.С., Жарков А.А. Модульная микроконтроллерная система управления для отечественной серии преобразователей частоты «Универсал»// Труды V Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение» МКЭЭЭ-2003. 4.1. Крым, -2003. с.725-726

3. Анучин А.С., Дроздов А.В., Козаченко В.Ф., Жарков А.А. Цифровое векторное управление вентильно-индукторным двигателем с независимым возбуждением// Компоненты и технологии. - 2004. - Вып.8. - с.190

4. Козаченко В.Ф., Жарков А.А., Дроздов А.В. Мультипроцессорная система управления многосекционным вентильно-индукторным электроприводом // Труды XI Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты», г. Алушта, -2006. с.56-57

5. Козаченко В.Ф., Жарков А.А., Дроздов А.В. Серия модульных встраиваемых микроконтроллерных систем управления для современного комплектного электропривода// Приводная техника - 2007. — Вып. 5. - с.3-8

Состав диссертации: введение, пять глав, заключение, список литературы, приложения, количество страниц 150, рисунков 60, число наименований используемой литературы 55 на 3 стр.

Выводы

1. Для проведения экспериментальных исследований опытных образцов ВИП и его элементов на кафедре АЭП МЭИ был разработана оригинальная конструкция стенда, в которой 2 опытных образца ВИП работают друг на друга через датчик момента. Испытательный стенд, включает полный комплект измерительной и коммутирующей аппаратуры, а также специализированный бесконтактный датчик момента.

2. В процессе экспериментальных испытаний были получены основные параметры опытного двигателя: сопротивление якорной цепи и цепи возбуждения, собственные и взаимные индуктивности. Данные экспериментов подтвердили правомерность допущений, принятых при выводе уравнений ИД с НВ,

3. Большая часть исследований посвящена энергетическим, динамическим и точностным показателям ВИП с векторной системой управления. В энергетических показателях двигателя определено, что даже с учетом существенных недочетов при производстве опытных образцов ВИД КПД в номинальном режиме превышает 80%.

4. Выявленные при испытаниях технологические недостатки опытных образцов демонстрируют, что, несмотря на простоту конструкции, машина сложна для серийного производства и требует конструкторских доработок.

5. При последовательном подключении ОВ со статорной обмоткой, форси-ровка токов в ОВ дает оптимальные результаты по получению предельной динамики и предельной перегрузочной способности ВИП. Таким образом, для моментных приводов, требующих максимальной кратности пускового момента, целесообразно проектировать ВИП с последовательным возбуждением.

Заключение

1. На основе анализа схем замещения предложено математическое описание нового типа вентильно-индукторного двигателя с независимым возбуждением. На основе разработанной математической модели многосекционного ВИД с НВ доказана возможность создания двухзонного 4-х квадрантного привода для широкого спектра применений;

2. Создана компьютерная модель ВИП с НВ в среде Simulink MatLab для исследования 2-х структур управления: в режиме классического вентильного двигателя, в режиме векторного управления. Компьютерное моделирование позволило синтезировать контуры регулирования систем управления, а также отработать алгоритм управления двигателем в зоне ослабления поля при максимальном использовании ресурсов по напряжению в звене постоянного тока

3. Разработаны алгоритмы управления и базовое модульное программное обеспечение для работы ВИП в режиме вентильного двигателя и с векторной системой управления;

4. Предложен метод прямого токового управления инвертором ВИП, который позволяет получить устойчивую работу системы управления на скоростях выше номинальной. Предложенный метод дает расширение допустимого скоростного диапазона в два раза. Разработана соответствующая математическая, алгоритмическая и программная поддержка системы управления ВИП в режиме прямого токового управления;

5. Разработаны модульные аппаратные средства построения системы управления ВИП: высокопроизводительные контроллеры привода (150 млн. оп./сек.); модули дискретного ввода/вывода; модули сопряжения с контроллером пристраиваемых датчиков положения, программно-аппаратные средства идентификации скорости и электрического положения. Контроллеры и модули сопряжения с датчиками доведены до этапа серийного производства;

6. Предложены оригинальные датчики абсолютного электрического положения ротора двигателя и программно-аппаратные средства повышения точности измерения до 1-2 эл. град;

7. Создан автоматизированный компьютерный стенд для снятия статических, динамических и энергетических характеристик экспериментальных образцов ВИП с НВ

8. Проведены экспериментальные исследования опытно-промышленных образцов ВИП малой мощности. Разработанная система управления внедрена в мощные многосекционные ВИП для районных тепловых станций (315, 400, 630 кВт), а так же испытательного оборудования (500 кВт).

9. Экспериментально подтверждена возможность создания ВИП с векторным управлением и диапазоном регулирования скорости до 5000:1, электромагнитного момента до 50:1

1. Альпер Н. Я., Терзян А. А. Индукторные генераторы.-М.:Энергия, 1970.190 С.;

2. Анучин А.С. Разработка системы управления многофазного вентильно-индукторного привода с промежуточным регулируемым звеном постоянного тока: Дис. на соискание ученой степени к-та техн. наук. — М.: 2004.-200 С.;

3. Анучин А.С. Реализация на микроконтроллере TMS320x24xx ПИ-регулятора повышенной точности для электропривода//Труды МЭИ. Электропривод и системы управления 2002. - Вып.678. - С.42-48;

4. Анучин А.С., Жарков А.А. Синхронный электропривод с векторным управлением в режиме ослабления поля// Труды МЭИ. Электропривод и системы управления 2002. - Вып.678. - С.72;

5. Бродовский В.Н., Иванов Е.С. Приводы с частотно-токовым управлением Под ред В.Н. Бродовского.-М.:Энергия, 1974.- 168С;

6. Бычков М.Г. Оптимизация режимов вентильно-индукторного электропривода средствами управления. // Вестник МЭИ.- 1998.- № 3- С. 73-81;

7. Бычков М.Г. Основы теории, управление и проектирование ВИП.: Автореф. дис. Д-ра техн.наук.-М.,1999;

8. Бычков М.Г. Элементы теории вентильно-индукторного электропривода.// Электричество-1997.-№8- С.35-44;

9. Бычков М.Г., Миронов JI.M., Козаченко В.Ф., Остриров В.Н., Садовский JI.A. Новые направления развития регулируемых ЭП. //Приводная техника-1997.- №5.-С. 15;

10. Ю.Вольдек А.И. Электрические машины: Учебник для ВУЗов.-3-е изд., перераб. и доп.- Д.: Энергия, 1978;

11. П.Гандшу В.М., Лебедев Н.И., Явдошак Я.И. Датчик положения ротора электрической машины:- Пат. 1617553. Б.И.-1990- №48;

12. Домрачеев В.Г. Схемотехника цифровых преобразователей перемещений: Справочное пособие М.: Энергоатомиздат, 1987 - 392 С;

13. Жданкин В.К. Поворотные шифраторы фирмы Pepperl+Fuchs // Современные технологии автоматизации. — 2001. — С.З;

14. Ивоботенко Б. А., Козаченко В. Ф. Проектирование шагового электропривода.- М.: МЭИ, 1985.-100 С.;

15. Ивоботенко Б.А., Ильинский Н.Ф., Копылов И.П. Планирование эксперимента в электромеханике. М.: Энергия, 1975.- 184 С.;

16. Ильинский Н.Ф. Вентильно-индукторные машины в современном электроприводе.// Научно-технич. семинар "Вентильно-индукторный электропривод-проблемы развития и перспективы применения".:Тез.докл.-М., 1996;

17. Ключев В.И. Теория электропривода.-2-е изд., перераб. и доп.- М.: Энергоатомиздат, 1998;

18. Кононенко Е. В. Синхронные реактивные машины.- М.: Энергия, 1990.208 С.;

19. Корпусов Д.Е. «Разработка и исследование мощного вентильно-индукторного электропривода»: Дис. на соискание ученой степени к-та техн. наук. М.: 2002. - 211 С.;

20. Кузнецов В.А., Садовский Л.А., Лопатин В.В., Виноградов В.Л. Особенности расчета ИД для вентильного электропривода.// Электротехника.-1998.- №6.- С. 8;

21. Курбасов А.С. Опыт создания, индукторных реактивных электрических двигателей. // Электричество- 1997- №7.- С. 46-49;

22. Лебедев А. С., Остриров- В. Н., Садовский Л. А. Электроприводы для станков и промышленных роботов.- М.: МЭИ, 1991.-100 С.;

23. Ледовский А. Н. Электрические машины с высококоэрцитивными магнитами.- М.: Энергоатомиздат, 1995.- 168 С.;

24. Маттью Пейт (Matthew Pate) Калибровка АЦП для процессоров TMS320x280x и TMS320x2801x //Компоненты TI 2007. - Вып. 3(15). -С.11 -18;

25. Миронов Л.М., Постников С.Г. Вентильный индукторный двигатель с независимым возбуждением в системе электропривода. // 5 Московская студ. Научно-технич. Конф. «Радиоэлектроника и электротехника в народном хоз-ве»: Тез.докл.-М.,1999:;

26. Постников С.Г. Разработка и исследования электропривода на базе индукторного двигателя с независимым возбуждением: Дис. на соискание ученой степени к-та техн. наук. М.: 2002. - 211 С.;

27. Русаков А. М. Разработка вентильных электродвигателей на базе магнитных систем индукторных машин.Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук,- М., 1982г.;

28. Садовский JI. А., Виноградов B.JI. Электродвигатели с переменным магнитным сопротивлением для современного регулируемого электропривода (РЭП)//. Электротехника .-2000.-№2;

29. Садовский JI.A., Виноградов B.JL, Черенков А.В. Новые типы двигателей для регулируемого электропривода// Информэлектро.-1999.- октябрь- С. 23;

30. Терехов В.М. Управляющие элементы.- М.: МЭИ, 1978;

31. Уайт Д., Вудсон Г. Электромеханическое преобразование энергии. М.: Энергия. 1964.-526 С.;

32. Зб.Чиликина М. Г (ред.) Дискретный электропривод с шаговыми двигателями.-М: Энергия, 1971.- 624 С.;

33. A.Bado, S.Bolognani, M.Zigliotto "Effective Estimation of speed and rotor position of a PMSM drive by a Kalman filtering technique", Proc. Of 1992 Power Electronics Specialists Conference, pp.951-957;

34. CiA 102 DS V2.0: CAN physical layer for industrial applications

35. CiA 201 to CiA 207 DS Vl.l: CAN Application Layer (CAL) for industrial applications;

36. G.Welch, G.Bishop. An Introduction to the Kalman Filter, TR 95-041, North Carolina;

37. Honeywell. HALL EFFECT SENSING AND APPLICATION. Application Notes;

38. Honeywell. Perry A. Holman, Ph.D. Magnetoresistance (MR) Transducers And How to Use Them as Sensors 1st. Edition, July 2004;

39. Honeywell. SS4/SS5/SS400/SS500 Low Gauss Bipolar Hall Effect Sensors. Data Sheet;

40. Massimiliano Labbate, Roberto Petrella, Marco Tursini Fixed point implementation of Kalman filtering for AC drives: a case study using TMS320F24x DSP. University of LAquila, Italy;

41. Michael T. DiRenzo, Switched Reluctance Motor Control Basic Operation and Example Using the TMS320F240, Texas Instruments, SPRA420A -February 2000;

42. Texas Instruments. David Dart. DSP/BIOS Kernel Technical Overview. Application Report SPRA780. August 2001;

43. Texas Instruments. Digital signal processing solution for permanent magnet synchronous motor. Application note. BPRA044. 2000;

44. Texas Instruments. Digital signal processing solutions for the switched reluctance motor. Application note. BPRA058. 2000;

45. Texas Instruments. DSP solution for BLDC motors. Application note. BPRA055. 2000;f)

46. Texas Instruments. Motor Speed Measurement Considerations Using TMS320C24x DSPs. Application note. spra771;

47. Texas Instruments. TMS320F240 DSP Solution for Obtaining Resolver Angular Position and Speed. Application note. SPRA605;

48. Texas Instruments. TMS320F2810, TMS320F2812 DSP (Rev. H). Data Sheet;

49. Texas Instruments. TMS320F28x Multichannel Buffered Serial Port (McBSP) Peripheral Reference Guide, May 2002;

50. Texas Instruments. TMS320LF2407A, LF2406A, LF2403A, LF2402A LC2406A, LC2404A, LC2403A, LC2402A DSP (Rev. K).