автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Частотно-регулируемые бесконтактные электроприводы

На правах рукописи

Грузов Владимир Леонидович

УДК 62-83:621313333

ЧАСТОТНО - РЕГУЛИРУЕМЫЕ БЕСКОНТАКТНЫЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ

(вопросы теории, проектирования, применения, производства)

Специальность: 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы,

включая их управление и регулирование.

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт - Петербург - 1998

Работа выполнена в Вологодском политехническом институте.

Официальные оппоненты

Доктор технических наук, профессор Ковчин С.А. Доктор технических наук, профессор Козярук А.Е. Доктор технических наук, профессор Хрисанов В.И.

Ведущая организация - НИИ Электромашиностроения, Санкт-Петербург

Защита состоится " " 1998 г. в часов 3^*-/

на заседании диссертационного совета Д 063.36.01 Санкт-Петербургского Государственного электротехнического университета по адресу: 197376, г.Санкт-Петербург, ул. проф. Попова, 5.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке университета.

Диссертация разослана " £ Ч " С 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Демидович В.Б.

Общая характеристика работы

Диссертация представляет собой обобщение результатов научно-исследовательской работы, а также опыта работ по проектированию, изготовлению и внедрению образцов бесконтактных электроприводов, в которых участвовал автор с 1960 года в институте Электромеханики АН СССР, ВНИИЭлектромаш, Вологодском политехническом институте, научно-внедренческом предприятии "ЭЛКОМ", научно-производственном предприятии "НОВТЕХ".

К 1990 году элементная база и технические средства сделали очередной шаг в своем развитии. Это прежде всего относится к силовой электронике и микропроцессорным средствам управления. В результате появилась возможность сократить разрыв между результатами научных исследований и их реализацией в промышленных образцах электроприводов. Однако разработка, изготовление и внедрение современных бесконтактных электроприводов на предприятиях России сдерживается как по объективным, так и по субъективным причинам. Из объективных причин следует выделить и то, что свободное владение информацией, которую вобрало в себя понятие "современный автоматизированный электропривод", требует подготовки инженеров по 3 - 4 традиционным специальностям. Поэтому в этой области необходима новая концепция подготовки научных и инженерных кадров. Из субъективных причин следует выделить часто одностороннюю оценку результатов исследований: только по достигаемым показателям качества регулирования без учета технико - экономических показателей как на стадии изготовления, так и при эксплуатации на предприятиях. В то же время зарубежные фирмы на Российском рынке предлагают широкий ассортимент бесконтактных электроприводов с микропроцессорным управлением. Однако многие зарубежные электроприводы используют принцип "абсолютной унификации", что делает их функционально-избыточными для большинства производственных установок. В результате при их объектной ориентации необходима разработка и запись дополнительных управляющих программ, что приводит к затратам, иногда соизмеримым со стоимостью электроприводов. Таким образом, специалисты в области электроприводов и автоматизации поставлены перед выбором,- либо использовать зарубежные системы,- либо искать пути, методы и средства для организации производства и внедрения отечественных электроприводов.

История и современное состояние проблемы. Создание первых промышленных образцов асинхронных и синхронных машин определило начало исследований, поисков методов и технических средств реализации регулируемых электроприводов переменного тока. В своих работах М.П. Костенко, Н.С. Ямпольский, О.Г. Вегнер, Д.А. Завалишин, И.М. Садовский,

R.H. Park, E. Rodewald, Г. Крон, А.Я. Бергер, JI.H. Грузов, A.C. Коган, Е.Д. Несговорова, А. Глязер, К. Мюллер, К. Любек к середине 50-х годов создали теоретическую базу для дальнейших исследований. Развитие работы в этом направлении получило в трудах A.A. Булгакова, В.А. Шубенко, A.A. Янко -Триницкого, Е.Я. Казовского, A.A. Горева, A.B. Иванова-Смоленского, В.Т. Касьянова, Г.Н. Штурмана, Ф.И. Бутаева, E.JI. Этингера. В результате к началу 60-х годов был создан теоретический базис для разработки электроприводов переменного тока и сформировалось три основных направления:

- частотно-регулируемые электроприводы с асинхронными двигателями;

- частотно - регулируемые приводы с синхронными двигателями;

- вентильные преобразователи частоты.

С разработкой транзисторов, тиристоров, а затем и интегральных микросхем электроприводы переменного тока получили реальную возможность конкурировать с электроприводами постоянного тока. Благодаря работам научных коллективов, прежде всего Москвы, Санкт-Петербурга, Новосибирска, Екатеринбурга, Иванова, Киева, Харькова, Минска, в период с I960 г. по 1996 г. создан научный базис в области анализа и синтеза систем модульного, частотно-токового и векторного управления электроприводами переменного тока, полупроводниковых преобразователей частоты, микропроцессорной реализации систем управления.

Однако инженеры, занимающиеся проектированием электроприводов, а тем более руководители, определяющие техническую политику предприятий, по-прежнему испытывают трудности в принятии решений:

- какой тип электропривода выбрать;.

- что выиграет от этого предприятие;

- как организовать обслуживание современных электроприводов.

Отсюда следует актуальность темы диссертации, что подтверждается

потребностями предприятий в современных регулируемых электроприводах переменного тока и дефицитом электроприводов отечественного производства на Российском рынке.

Целью диссертации является разработка методов идентификации, анализа, синтеза и проектирования объектно-ориентированных бесконтактных электроприводов, обеспечивающих их реализацию минимальными средствами.

Для достижения этой цели были решены следующие задачи:

• разработаны обобщенные модели вентильно-электромеханических систем и выполнена их идентификация на основе общности и различий энергетических и функциональных преобразований;

• выполнен сравнительный анализ характеристик вентильно-электромеханических систем и характеристик механизмов и предложен принцип минимальной достаточности при выборе типа привода и способа регулирования;

• выполнены исследования характеристик электроприводов с синхронными и асинхронными электроприводами и синтезированы оптимизированные законы частотного управления, ориентированные на различные группы механизмов;

• разработаны алгоритмы и системы управления электроприводами с переменной структурой;

• исследованы переходные процессы в асинхронных электроприводах и разработаны способы оптимизации в системах с модульным управлением;

• разработана методика проектирования асинхронных электроприводов для станков и общепромышленных механизмов;

• выполнены исследования электромагнитных процессов в вентильных преобразователях частоты и синтезированы новые способы и устройства управления;

• разработаны устройства диагностирования и контроля исправности преобразователей, увеличивающие время безотказной работы;

• выполнен анализ энергетического баланса в системах преобразователь-двигатель и предложены методы расчета силовых цепей преобразователя;

• предложены принципы принятия решений на этапах проектирования, изготовления и внедрения на основе обобщенных технико-экономических критериев;

• обслуживание электроприводов с асинхронными двигателями.

Методы исследований основаны на разделах теории вероятности,

алгебры логики, тензорного анализа, использовались положения теории пространства состояний и метода энергетического баланса. Были применены методы суперпозиции, кусочно-линейной аппроксимации и активного эксперимента.

Научная новизна работы заключается в следующем :

1. Разработана методика системно-функционального анализа и идентификации автоматизированных электроприводов с вентильными преобразо вателями.

2. Предложены принципы постоянства функциональных и энергетических преобразований и минимальной достаточности для принятия решений при проектировании объектно-ориентированных электроприводов.

3. Разработана методика проектирования частотно-регулируемых электроприводов с управлением модулями переменных.

4. Предложены методы анализа, идентификации и проектирования полупроводниковых преобразователей частоты.

5. Уточнены динамические и регулировочные свойства частотно-управляемых двигателей переменного тока и предложено их математическое

описание.

6. Разработаны новые способы и устройства управления преобразователями и частотно-регулируемыми электроприводами.

7. Предложены принципы организации производства и маркетинга частотно-регулируемых электроприводов.

8. Новизну подтверждают 47 авторских свидетельств на изобретения и комплексы изобретений.

Практическая значимость результатов исследований заключается в разработке (с учетом реальной производственной базы), изготовлении и организации производства полупроводниковых преобразователей частоты и частотно-регулируемых электроприводов:

1. Преобразователи повышенной частоты (200-400 Гц) серии ПСП для питания электроинструмента, а также бортовых систем стратосферной астрономической станции (ВНИИЭлектромаш).

2. Бесконтактный микроэлектропривод возвратно-поступательного движения для систем жизнеобеспечения скафандров (НИИХиммаш).

3. Сверхвысокоскоростной электропривод электрошпинделя шлифовального станка (240000 об/мин, ЭНИМС).

4. Низкоскоростной частотно-регулируемый электропривод с синхронным двигателем для поворота антенны.

5. Устройства диагностирования преобразователей.

6. Электроприводы судовых грузовых лебедок.

7. Система управления асинхронно-вентильным каскадом.

8. Устройства управления электропривода кругового мостового крана.

9. Устройства управления и контроля электроприводов Ново-Воронежской АЭС.

10. Высокоскоростной электропривод с бесконтактным вентильным двигателем.

И. Тяговые электроприводы и системы управления электротрансмиссией пневмоколесного восьмиосного транспортного средства.

12. Унифицированные электроприводы с модульной архитектурой MS-MR с бесконтактными вентильными двигателями для станков с ЧПУ и MS-MA с асинхронными двигателями для общепромышленных механизмов, участие в организации серийного производства.

13. Частотно-регулируемые электроприводы серии ЭЧР для станков и общепромышленных механизмов (разработка, организация серийного производства и сбыта).

Личный вклад автора. Начиная с 1961 года автор участвовал в исследованиях и разработке частотно-регулируемых электроприводов в Институте электромеханики Академии Наук СССР (Ленинград, ИЭМ). С 1965 года автор руководил научными коллективами в ИЭМ, ВНИИЭлектромаш,

СЗПИ, Вологодском политехническом институте. Он принимал участие в изготовлении, наладке и испытаниях полупроводниковых преобразователей частоты и электроприводов в Г.Александрии (преобразователи серии ПСП), в Москве (приводы роботов, ЭНИМС), в Казахстане (электроприводы для стрижки овец), в Бюрокане (преобразователи для стратосферной астрономической станции), в Казани, в Вологде (электроприводы MS-MR и MS-MA). В настоящее время под руководством автора разработаны электроприводы нового поколения семейства ЭЧР и при его участии организовано их производство. Преобразователи серии ПСП экспонировались на ВДНХ и были отмечены медалью ВДНХ, по результатам изобретательской деятельности автору было присвоено звание "Изобретатель СССР", а за научную и педагогическую работу присвоено звание "Отличник высшей школы" и ученое звание профессора.

Реализация результатов работы. Начиная с 1965 года научные исследования были ориентированы на обеспечение опытно - конструкторской работы и использование результатов исследований при создании опытных и промышленных образцов электроприводов и полупроводниковых преобразователей. Кроме перечисленных ранее устройств результаты работы используются (судя по цитированию) авторами других научных коллективов. Разработанные автором схемы и системы применяются не только в реализованных при его участии установках, но и в электроприводах, выпускаемых предприятиями других регионов (ТПТР - Ставрополь, РЭН). Принципы, использованные при разработке микродвигателей возвратно-поступательного движения, применяются в магнитном подвесе высокоскоростных электрошпинделей, бесконтактные датчики тока построены по схеме, использованной автором в системе контроля состояния вентилей преобразователей. Материалы диссертации внедрены и внедряются в учебный процесс. На их основе подготовлены и изданы учебные пособия, отдельные разделы включены в лекционные курсы "Преобразовательная техника", "Системы управления электроприводами", предложенные методики применяются в курсовом и дипломном проектировании. Начиная с 1975 года в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах активно участвуют студенты. Одиннадцать студентов, работавших под руководством автора, получили авторские свидетельства на изобретения, 3 аспиранта под руководством автора подготовили и защитили кандидатские диссертации.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методы идентификации и сравнительного анализа автоматизированных электроприводов на основе обобщенных моделей вентильно-электромеханических систем с учетом характеристик различных групп механизмов.

2. Принципы постоянства функциональных энергетических преобразований при синтезе простейших технических решений в процессе разработки серии объектно-ориентированных электроприводов.

3. Анализ регулировочных свойств и переходных процессов в частотно-регулируемых электроприводах и синтез оптимизированных законов управления.

4. Методы оптимизации переходных процессов в асинхронных электроприводах общего применения.

5. Методы обеспечения требуемого качества регулирования на основе систем с переменной структурой.

6. Приближенные методы расчета асинхронных электроприводов с модульным управлением.

7. Методы расчета вентильных преобразователей частоты на основе энергетического баланса и эквивалентных величин.

8. Способы и устройства управления и диагностирования электроприводов и вентильных преобразователей.

9. Организация разработки, производства и внедрения частотно-регулируемых электроприводов с микропроцессорным управлением.

Апробация работы. По отдельным разделам диссертационной работы было сделано более 25 докладов на Всесоюзных, республиканских, отраслевых и межвузовских научно-технических и научно-методических конференциях и семинарах в Москве, Ленинграде, Санкт-Петербурге, Иванове, Орджоникидзе, Риге, Тольятти, Вологде.

Целиком диссертация докладывалась на расширенном научно- техническом Совете электроэнергетического факультета ВоПИ, на кафедре электрических машин и автоматизированного электропривода Санкт-Петербургскогс Государственного Горного института, на научном семинаре пс электромеханическим системам (Международная энергетическая Академия, НТО энергетиков и электриков, Санкт-Петербург).

Публикации. Автором опубликовано (единолично и в соавторстве^ по теме диссертации и смежным проблемам более 120 работ, в том числе 41 авторских свидетельств на изобретения и комплексы изобретений Использована при составлении рукописи 71 работа. Список работ приведен I конце текста диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

1 .ВЕНТИЛЬНО-ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

1.1 Энергетические преобразования в ваггилыю-элекгромеханических

системах.

Многообразие технических решений при синтезе автоматизированных электроприводов привело к серьезным трудностям не только при организации подготовки инженеров, но и при сравнительном анализе и идентификации различных систем в процессе проектирования. Принцип последовательного анализа систем, отличающихся конструкцией двигателей и вентильных преобразователей, затрудняет освоение учебных курсов и может привести к некорректным решениям [4] в процессе исследований. Поэтому в современных условиях целесообразно анализ и идентификацию автоматизированных электроприводов реализовать на общих признаках: общности и различии энергетических и функциональных преобразований, а затем в рамках обобщенных систем рассматривать варианты их исполнения.

Автоматизированный электропривод (АЭП) представляет собой сложную наукоемкую систему, которую условно можно разделить на две части,-информационную и энергетическую. Энергетическая часть современных АЭП выполняется на основе вентильных преобразователей и двигателей различного типа, образующих вентильно-элеюромеханические системы (ВЭМС). Таким образом, структура энергетических каналов ВЭМС содержит вентильные преобразователи (П) и электромеханический преобразователь энергии (ЭМП), причем каждый из преобразователей может представлять собой как отдельное устройство, так и входить в состав более сложного устройства, объединяющего два преобразователя энергии.

При современном уровне элементной базы предельные регулировочные возможности и реальные ограничения АЭП определяются прежде всего типом ВЭМС и структурой ее энергетической части.

Поскольку управляемое электромеханическое преобразование энергии в ВЭМС любого типа основано на общих законах электромагнитной индукции, при синтезе и идентификации ВЭМС необходимо учитывать следующее :

- для организации непрерывного движения (вращения) ротора ЭМП необходимо, чтобы пространственные векторы электромагнитных переменных хотя бы одной части ЭМП, статора (э) или ротора (г) вращались относительно осей собственных обмоток, что обеспечивается при питании многофазной обмотки от источника переменного тока;

- для генерирования энергии переменного тока на входах ЭМП при питании ВЭМС от промышленной сети переменного тока в вентильной части

системы должно быть реализовано двукратное преобразование электрической энергии;

- электромагнитный момент ЭМП зависит не от абсолютной ориентации векторов электромагнитных переменных в пространстве, а от их взаимной ориентации.

С учетом перечисленных условий можно синтезировать полную структуру ВЭМС с двухкаскадными вентильными преобразователями в каналах ротора и статора [3,5]. Однако с учетом последнего условия (признака) такая структура является избыточной, и в практике применяются упрощенные модификации, приведенные на рис.1 [3,5,7]. ВЭМС 1.1. относятся к классу систем с двухканальным возбуждением ЭМП (по каналам статора и ротора) энергией переменного тока W, причем статор подключается непосредственно к сети, а ротор: через управляемый двухкаскадный вентильный преобразователь Пг1, Пг2 (Рис.1). На основе таких систем выполняются машины двойного питания (МДП) и их упрощенные модификации: асинхронно-вентильные каскады (АВК).

ВЭМС 1.2 относятся к классу систем с одноканальным возбуждением ЭМП энергией переменного тока по цепи статора через двухкаскадный вентильный преобразователь Пз1, Ш2 и выполняются на основе асинхронных машин с короткозамкнутым ротором (частотно - регулируемые асинхронные электроприводы). ВЭМС 2.1 соответствует системам с комбинированным возбуждением ЭМП,- по каналу статора переменным током и по каналу ротора постоянным током. В качестве ЭМП здесь применяются синхронные машины, причем постоянные магниты на роторе не меняют структуры, так как энергия возбуждения передается при изготовлении машины.

ВЭМС 2.2 представляет собой системы с двухканальным комбинированным возбуждением ЭМП, - по каналу статора постоянным током, а по каналу ротора переменным током. Эти системы могут выполняться либо на основе обращенной синхронной машины, либо на основе машины постоянного тока (Д111). В этом случае в состав машины входит не только ЭМП^ но и второй каскад вентильного преобразователя Пг2, причем датчик положения ротора ДПР в структуре имеет лишь функциональный смысл.

На основе анализа энергетических структур ВЭМС предварительно можно отметить, что, во-первых, АЭП любого типа по существу является частотно-регулируемым, а, во-вторых, сравнивать АЭП различных типов только по технико-экономическим характеристикам двигателей некорректно. Сравнительный анализ следует проводить по полным структурам ВЭМС.

± Ws-

=Ф1

Вентильно - электромеханические системы

In

МЕХА1ШЗМ

1-

Tri ±_

Пг2 svvri = Д- Пг 1

N-

"Л ДПР у-

Г2

и

Г1

ZlJr2 Система 1.1

± VVs~

П Ws=k

-k

Psi

П S2

Ps2

ZUsi

±Ws-

nsi

X

±Wsi=

П 52

ZUS2 Система 1.2

WS2.

ДПР

Ww

\r

МЕХАНИЗМ

S1

ZUsi

S2

ZUs2

I----1

*H ДПР i____i

±w

n =

Пг 1

w„

Pri

\7

МЕХАНИЗМ

ZUr2

Система 2.1

Система 2.2

4

1.2. Принципы управления механической энергией.

Регулировочные возможности АЭП зависят не только от структуры энергетических каналов ВЭМС, но и от способа управления составляющими механической энергии,- М, со. По этому признаку все АЭП можно разделить на две группы,- с управлением электромагнитным моментом и частотой вращения от внешних (для ВЭМС) сигналов (независимое управление частотой) и с управлением а в функции положения ротора (зависимое управление частотой). При этом во всех режимах для формирования знакопостоянного момента необходимо обеспечить равенство частот вращения пространственных векторов электромагнитных переменных. Это условие можно выразить равенством:

cos=co+cúr, .• (1.1)

где tos - синхронная частота вращения; со - частота вращения ротора;

cor - угловая частота электромагнитных переменных ротора. Поэтому в системах 1.1 (Рис.1) возможно только зависимое управление частотой от ДПР, либо от датчика частоты и фазы. Основные сигналы управления Шг1 здесь подаются на входы регуляторов PI, a EUr2 могут использоваться для регулирования фазы ЭДС на выходе Пг2 с целью улучшения энергетических характеристик АЭП.

В системах 1.2 и 2.1 возможно применение как зависимого, так и независимого управления частотой, а в системах 2.2,- только зависимое управление. В этих системах при независимом управлении частотой регулирование осуществляется по входам ZUsl, ZUs2, причем первый каскад Пз1 может быть и неуправляемым. При зависимом управлении в системах 1.2 сигналы IUs2 используются для начальной установки частоты тока ротора, а также для подстройки при объектной ориентации АЭП [47,48]. В системах 2.1 сигналы £Us2 необходимы прежде всего в установках на основе тиристорных непосредственных преобразователей частоты для обеспечения машинной коммутации [53,]. Следует отметить, что в системах 2.1 равенство (1.1) вырождается в os = и , а в системах 2.2, - 0 = ю + юг.

В системах с зависимым управлением частотой за счет меньшего числа управляющих каналов информационная часть ВЭМС имеет более простую структуру. В то же время механические характеристики в этом случае более мягкие. Чтобы восстановить жесткость механических характеристик на основе таких систем, необходимо усложнить информационную часть АЭП в целом, причем совокупная сложность алгоритма управления при одинаковой статической точности в системах с зависимым управлением частотой часто оказывается большей. Однако при объектной ориентации АЭП можно выделить большие группы механизмов, для которых более оптимальными являются мягкие характеристики. Так, например, на основе ВЭМС 1.2 с

и

зависимым управлением частотой реализуются тяговые АЭП, а для механизмов главного движения металлорежущих станков рационально использовать ВЭМС 1.2 при независимом управлении частотой. В системах 2.1 (вентильный двигатель) при зависимом управлении частотой формируются не только мягкие, но и нелинейные характеристики, в то время как при независимом управлении частота вращения не зависит от нагрузки (частотно-регулируемые синхронные электроприводы).

1.3. Управление электромагнитным моментом.

При организации управления составляющими механической энергии наиболее сложные задачи приходится решать в процессе синтеза канала регулирования электромагнитного момента. Поскольку электромеханические преобразования осуществляются на основе единых законов для ВЭМС любого типа, электромагнитный момент можно определить, как векторное произведение пространственных векторов электромагнитных переменных статора (э) и ротора (г):

М=2/3%х1г. (1.2)

Отсюда следует, что для однозначного соответствия величины момента уровню управления необходимо организовать регулирование трех координат -амплитуд пространственных векторов, определяющих момент, и пространственного угла между этими векторами. Следовательно, по существу любая система управления АЭП является векторной системой. Но поскольку в установившейся терминологии под векторными подразумевают такие системы, в которых информационная часть АЭП управляет всеми координатами пространственных векторов, формирующих момент, в дальнейшем понятие "векторное управление" будем применять только к таким системам. Учитывая, что электромагнитные переменные в ЭМП взаимосвязаны, электромагнитный момент можно определять через те электромагнитные переменные, при которых алгоритм управления моментом и АЭП в целом можно реализовать более простыми средствами.

Так, например, в АЭП на основе ВЭМС с одноканальным возбуждением (1.2, рис.1) электромагнитный момент часто определяют через рабочее потокосцепление:

М = 2/3 х 1г = 2/3 Тцт. 1гт Бтб, (1.3)

а с учетом ортогональности векторов ЭДС ротора е'г и ^ц

М =2/3 Уцт. 1гт соБфг = 2/ЗЧ/|яп. 1гят, (1.4)

где 1гят - проекция вектора тока ротора на вектор ег, соответствующая активной составляющей вектора тока ротора.

Векторы электромагнитных переменных ЭМП в общем случае не ортогональны, а в ВЭМС с одноканальным возбуждением энергетические каналы статора и ротора гальванически связаны. В результате ЭМП как объект управления представляет собой сложное нелинейное звено.

Если основной задачей при разработке системы управления АЭП является обеспечение предельной (по энергетическим ограничениям) точности регулирования в установившихся и переходных режимах, характеристики объекта необходимо линеаризовать. Для выполнения условий линеаризации в АЭП на основе ВЭМС различного типа можно отыскать минимально достаточный набор функциональных преобразований, который необходимо осуществить в информационной и (или) энергетической частях системы. В то же время степень сложности этих преобразований зависит от типа ВЭМС и от требуемых законов регулирования составляющих механической энергии, в наибольшей степени соответствующих характеристикам различных групп производственных механизмов.

Так, например, в системах 1.1 (Рис.1) благодаря возбуждению статора и ротора по отдельным энергетическим каналам взаимное влияние электромагнитных переменных через гальванические связи отсутствует, а регулируя фазу ЭДС относительно ЭДС ротора, можно обеспечить режим работы и при фг = 0 (Рис..2), исключив влияние тока ротора на магнитный поток. В то же время в этих системах используется асинхронная машина с фазным ротором. Применение более надежной и дешевой асинхронной машины с короткозамкнутым ротором приводит к ВЭМС с одноканальным возбуждением (1.2, рис.1), где обязательно наличие продольных составляющих токов и гальванической связи между каналами управления электромагнитными переменными. В результате линеаризация характеристик возможна только за счет компенсации взаимного влияния переменных путем формирования дополнительных управляющих воздействий. Применение в системах с комбинированным возбуждением (2Л, рис.1) синхронной машины с постоянными магнитами повышает надежность и приемистость энергетической части АЭП. В то же время для управления магнитным потоком приходится использовать только каналы статора, и при независимом управлении частотой задача линеаризации решается не намного проще, чем в одноканальных системах переменного тока. При зависимом управлении частотой линеаризация достигается переводом вентильного преобразователя в режим источника тока [7]. В системах на основе двигателя постоянного тока (2.1, рис.1) функциональные преобразования, обеспечивающие линеаризацию характеристик, реализуются в энергетической части ВЭМС, что приводит к простейшим структурам в информационной части АЭП. Однако за это приходится "платить" снижением надежности, приемистости и энергетических показателей. В то же время при регулировании вверх от основной скорости сложность структуры информационной части АЭП становится соизмеримой с системами переменного тока.

Выводы.

1. Предложенные автором типовые модели ВЭМС, построенные на общности и различиях энергетических и функциональных преобразований, позволяют на первом этапе проектирования принимать решения о выборе типа АЭП и способов регулирования на основе сравнительной оценки ограниченного числа вариантов[3,18,22].

2.Сравнительный анализ регулировочных возможностей и характеристик ВЭМС с характеристиками различных групп производственных механизмов позволяет предварительно выбрать тип АЭП для каждой группы механизмов, на основе которого требуемое качество регулирования обеспечивается простейшими средствами. Эти решения соответствуют максимальному использованию "естественных" регулировочных свойств ВЭМС и, как следствие, минимальной сложности алгоритмов управления.

3. Простейшие технические решения при синтезе каналов управления электромагнитным моментом могут быть найдены на основе сравнительной оценки необходимого количества и степени сложности функциональных преобразований в системах с модульным, частотно-токовым и векторным управлением при обеспечении требуемого качества регулирования, с учетом имеющейся элементной базы.

4. При синтезе векторных математических моделей ЭМП (особенно в синхронных ориентированных осях) следует учитывать, что в системах с независимым управлением частотой скорость ротора не может быть определена только через уравнение движения, и для таких систем целесообразно использовать тензорные методы анализа.

5. В основе учебных курсов в современных условиях целесообразно использовать общие принципы энергетических и функциональных преобразований с дальнейшей иллюстрацией конкретных реализаций [3, 5, 7, 26,27].

2. ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА БЕСКОНТАКТНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ.

2.1 Направления исследований и перспективы промышленной реализации бесконтактных электроприводов.

С начала 70-х годов заметно активизировались работы по бесконтактным электроприводам и расширилась их география. При этом большая часть работ была ориентирована на системы с управлением электромагнитным моментом путем регулирования эффективных значений (модулей) электромагнитных переменных. В области асинхронных электроприводов исследовались различные варианты реализации законов частотного регулирования (В.Ю. Невраев, Д.Т. Петенин, В.А. Щедрович, A.C. Сандлер, P.C. Сарбатов, J. Abraham, К. Heumann, F. Koppelmann), особенности построения систем с учетом свойств вентильных преобразователей (В.А. Шубенко, И.Я. Браславский, Р.Т. Шрейнер, G. Looke, K.G. Jordan, П.А. Ровинский), продолжались исследования динамических свойств асинхронной машины как объекта управления (С.О. Кривицкий, И.И. Эйштейн, К.П. Ковач, И. Рац). Работой, обобщающей теоретические исследования асинхронных бесконтактных электроприводов на рассматриваемом этапе, можно считать монографию A.C. Сандлера и P.C. Сарбатова "Автоматическое частотное управление асинхронными двигателями". В результате научными коллективами к середине 80-х годов был создан теоретический базис для перехода к решению прикладных вопросов и реализации промышленных образцов.

Основные работы в направлении частотно-регулируемых электроприводов с синхронными двигателями в период с 70-х по 90-е годы относятся к системам с зависимым управлением частотой, - по схеме вентильного двигателя. По системам с электромагнитным возбуждением обширные исследования выполнены А.К. Аракеляном, A.A. Афанасьевым, М.Г. Чидикиным, где рассматриваются статические и динамические характеристики, машинная коммутация тиристоров и возможности двухступенчатого пуска. По теории и принципам построения бесконтактных вентильных двигателей большое количество работ выполнено И.Е. Овчинниковым и Н.И. Лебедевым, особенности угловых характеристик синхронных микродвигателей с постоянными магнитами были исследованы Ф.М. Осиным, регулируемые синхронные электроприводы исследовались А.М. Вейнгером.

Результаты первых исследований частотно-регулируемых синхронных и асинхронных электроприводов показали, что если основной задачей является достижение предельных показателей качества регулирования в переходных режимах, то следует управлять электромагнитным моментом, регулируя не модули, а мгновенные значения электромагнитных переменных. Такой способ

был предложен в середине 70-х годов В.Н. Бродовским и Ю.А. Кузнецовым и получил название частотно-токового. В дальнейшем на его основе были разработаны системы частотно-токового управления электроприводами с асинхронными и синхронными электроприводами (В.Н. Бродовский, Е.С. Иванов, Ю.А.Кузнецов, М.И.Пятков, Г.П.Тарасов) и доведены до промышленной реализации (серия "Размер"). Имея простую структуру, эти системы в меньшей степени испытывали ограничения уровня элементной базы. С 80-х годов начали развиваться работы по системам векторного управления (F. Blachke, W. Floter, Н. Ripperqer, К. Böhm, F. Wesselak). В 80-е годы и в России многие научные коллективы переориентировали исследования на анализ и синтез векторных систем управления. В систематизированном виде эти работы изложены в монографии О.В. Слежановского, JI.X. Дацковского, И.С. Кузнецова, Е.Д. Лебедева, Л.М. Тарасенко, а так же в работах В.В. Рудакова, И.В. Столярова, В.А. Дартау. В этих работах определен классический принцип построения систем на основе максимально-возможного информационного обеспечения. Своеобразный подход при организации векторного управления использован в работах Н.Л. Архангельского, Б.С. Курнышева, А.Б. Виноградова, С.К. Лебедева, в которых системы строятся на основе идентификаторов состояния при минимальном информационном обеспечении.

Таким образом к середине 90-х годов результаты теоретических исследований позволяли проектировать и изготовлять электроприводы любого типа и класса. В то же время работ прикладного характера было явно недостаточно. В этом смысле близкими' к практической реализации были исследования и разработки объектно-ориентированных электроприводов:

- для электроподвижного состава (Б.Н. Тихменев, H.H. Горин, В.А. Кучумов, В.Д. Сенаторов);

- для пневмоколесных транспортных средств (Н.С.Ефремов, А.П. Пролыгин, Ю.М. Андреев, А.Б. Миндлин);

- для гребных электроустановок (Е.Б. Айзенштадт, А.Е. Козярук, Е.Г. Плахтына). В результате работы по системам модульного управления за немногим исключением не были доведены до серийного производства на основе современной элементной базы, а системы векторного управления не получили производственной основы для реализации. В то же время ученые и инженеры зарубежных фирм активно работали над проектированием и организацией серийного производства современных бесконтактных электроприводов с модульным управлением (Р. Шенфельд, Э. Хабигер), что позволило на основе полученного опыта в 1996-97 гг. освоить промышленное производство систем с векторным управлением.

Таким образом, к 1997 году российские предприятия не имели достаточного опыта производства и эксплуатации современных бесконтактных электроприводов с микропроцессорными системами управления. Поэтому, по мнению автора и учитывая опыт зарубежных фирм, задачу организации

производства и обслуживания на предприятиях современных электроприводов целесообразно решать в два этапа:

1. Организовать разработку, производство, сбыт и обслуживание электроприводов на основе простейших алгоритмов управления прежде всего для общепромышленных механизмов, универсальных станков и ряда вспомогательных механизмов.

2. Используя унифицированные решения и отработанные системы защит, диагностики и определив потенциальных заказчиков, освоить производство систем более высокого класса с векторным управлением.

Российские предприятия и объединения, выбравшие этот путь, уже имеют практические результаты. При этом их организационная структура строится как научно-производственная, что сокращает время практической реализации научных разработок.

2.2. Исследование и разработка бесконтактных объектно-ориеитированных электроприводов с асинхронными двигателями.

Активизацию исследований по бесконтактным асинхронным электроприводам с начала 70-х годов можно объяснить следующими причинами:

- освоением производства тиристоров и силовых транзисторов, что позволяло воплощать результаты исследований в опытных и промышленных образцах;

- целями и задачами исследований, ориентированными на разработку электроприводов прежде всего для тех групп механизмов, где преимущества асинхронной машины компенсируют большую схемную сложность электропривода;

- наличием общего информационного пространства, что позволяло, используя научную кооперацию, больше времени уделять прикладным задачам.

В этот период исследования и разработки автора диссертации были ориентированы на высокоскоростные электроприводы малой мощности (10 Вт-1000 Вт) при независимом управлении частотой [2,9-12]. Исследования показали, что для таких систем из-за относительно большого активного сопротивления статорных цепей (гэ) наиболее сложной задачей является обеспечение требуемого максимального момента. В то же время из-за больших значений коэффициентов затухания (демпфирования) для оптимизации динамики достаточно использовать задатчик темпа (ЗТ). По результатам исследований были разработаны приводы электрошпинделей шлифовальных станков (до 240.000 об/ мин), ручного электроинструмента, специальных следящих систем, вспомогательных механизмов автоматических линий [14,16]. В установках управления перемещением сигналы задания составляющих механической энергии (ю,м) формировались с использованием информации о скорости (N<0 , рис. 2), а регулятор скорости выполнялся двухзвенным (Ршг,

РЧ). Для установок, работающих-в режиме поддержания скорости, сигналы управления формировались с использованием информации о токе (Рис.3). Чтобы обеспечить максимальное быстродействие, в электроприводах был использован адаптивный задатчик темпа (ЗТ) [2]. В этих системах по сигналам внутренних обратных связей (Nee) обеспечивается требуемый закон частотного управления (Is rs - компенсации, ц/ц = const) с настройкой по режиму холостого хода, а дополнительная форсировка напряжения обеспечивается контуром регулирования момента. При такой настройке электропривод работает в режиме близком к минимуму потерь [2].

В 80-е годы заметно расширилась' область применения асинхронных электроприводов и разработки ориентировались на электроприводы общепромышленных механизмов а так же для транспортных средств с двигателями на номинальную частоту fs = 50 Гц.

Первые исследования и испытания показали, что у электроприводов мощностью более 4 кВт имеются 2 неблагоприятные зоны на переходной характеристике, - в момент трогания и в зоне средних (либо повышенных) скоростей. На средних скоростях колебания момента в большей степени определяются свободными составляющими электромагнитных переменных, а в момент трогания -вынужденными составляющими. Используя уравнение для корней характеристического уравнения машины [2, 13]:

Pi.2 = -(X| ± jco,; Р3,4 ~-а2± jC02, (2.1)

были выполнены расчеты коэффициентов затухания и угловых частот собственных колебаний в зависимости от скорости вращения ротора для двигателей мощностью 0,55 + 45 кВт различной полюсности.

Относительно общего коэффициента затухания а = di + а2 , являющегося параметром, траектории изменения составляющих корней для любых машин остаются неизменными (Рис..5)," причем неблагоприятная зона соответствует ct — (О. Таким образом уровень скорости не влияет на общие энергетические свойства электромагнитной цепи машины, а лишь перераспределяет энергопроводимость между электромагнитными контурами. Это свойство отражается и в матричном уравнении равновесия напряжений [3]:

Независимое управление частотой с использованием информации о скорости

№с

зт К> о

N.

юг

со

РС

рч

Рис.2

РМ

м*

СУ

льД-Т

Независимое управление частотой с использованием информации о токе

Рис.3

Зависимое управление частотой

Л}'

Зависимость корней характеристического уравнения от частоты вращения ротора

Возбуждение асинхронного двигателя при заторможенном роторе

Включение машины с заторможенным ротором при наличии запаздывания

V = (Ao+ coC)*I , (2.2)

где А о - квадратная матрица параметров;

С - матрица перекрестных связей, где значащие элементы расположены симметрично относительно главной диагонали и имеют противоположные знаки. Исследования процессов в момент включения были выполнены методами математического моделирования и активного эксперимента. Для проверки результатов моделирования были сняты осциллограммы токов фаз статора и ротора асинхронной машины с фазным ротором при включении на пониженное напряжение с частотой 5 Гц в режиме заторможенного ротора и по ним рассчитаны амплитуды пространственных векторов Is4 1г, 1ц, угла у и электромагнитного момента М (Рис..б). Анализ показал, что причиной качаний момента являются слабодемпфированные колебания пространственного угла, определяемые процессом симметрирования фазных токов. Для устранения качаний был разработан алгоритм и устройство управления двухступенчатым пуском с предварительным возбуждением потокосцепления Vj/ц постоянным током [17,70]. При абсолютно точной реализации такой системы колебания момента отсутствуют, но в реальных системах некоторое запаздывание при переходе на вторую ступень сохраняется, что вызывает незначительные колебания момента (Рис..7).

С учетом результатов исследований уточнялись вопросы проектирования электроприводов с модульным управлением [3,15,17,18], а также разрабатывались электроприводы для общепромышленных механизмов, роботов и манипуляторов [16,29,30,31,32,34]. В качестве самостоятельной прикладной задачи выполнялись работы по созданию тяговых электроприводов пневмоколесных транспортных средств на основе ВЭМС с зависимым управлением частотой (1.2, Рис.1). Были разработаны локальные электроприводы осей [47,48,55,61] и на их основе система управления средней скоростью и средней скоростью отдельных бортов [55,56]. Система управления электроприводом предусматривает переменную структуру, формирующую тяговую характеристику на трех участках: ограничение скорости (БОС) при малых нагрузках, ограничение момента (N; на входе РТ) и работу на основной характеристике. Блок выбора режима (БВР) по сигналам задания частоты тока ротора Nfr и Ni обеспечивает оптимальный (в смысле потерь) режим работы машины.

2.3. Бесконтактные объектно-ориентированные электроприводы с синхронными двигателями.

Достижения в области силовой электроники и микропроцессорной техники обеспечили принципиальную возможность синтезировать бесконтактные асинхронные электроприводы с широким диапазоном регулирования и высокими динамическими показателями. Это еще больше

сместило интересы многих научных коллективов в область исследований и разработок именно таких систем. В результате, несмотря на фундаментальные исследования по теории синхронных машин и вентильных двигателей, разработчики частотно-регулируемых синхронных электроприводов располагают явно недостаточной теоретической базой. В то же время, имея более легкий возбужденный ротор и более высокую приемистость в сравнении с асинхронной машиной, синхронные бесконтактные двигатели и электроприводы на их основе могут обеспечить более высокие показатели качества регулирования особенно в части скоростных ошибок и ошибок по ускорению. Тем не менее, как и в 70-е годы, сравнительная оценка асинхронных электроприводов выполняется на сопоставлении с электроприводами на основе двигателей постоянного тока.

Исследования и разработки синхронных электроприводов были начаты автором в конце 80-х годов. Проведенные информационные исследования показали, что прежде всего необходимо рассмотреть характеристики и регулировочные возможности синхронных машин при различных законах частотного управления. Для этого на основе векторной модели было синтезировано общее уравнение угловой характеристики [7,25]:

, к Егн-ТПя-Рп

М =-7-5-ут-г-х

27Г-> )2]

х[ш'ит.(Гзсо5в+Х5-■ътв)-Гз-Егн-/$'] , (2-3)

где 0 - внутренний угол синхронной машины; тэ Рп - число фаз и число пар полюсов; Егн -номинальная ЭДС ротора машины; 11з*, Гэ* - относительные значения переменных. На основании (2.3) были исследованы характеристики электропривода с независимым управлением частотой (2.1,рис.1) по пропорциональному закону, Ьгб - компенсации и с постоянством потока. Результаты исследований показали, что из-за наличия составляющей момента генераторных потерь стабилизация статической перегружаемое™ в сравнении с асинхронными электроприводами здесь реализуется на основе более сложных зависимостей. Использовав методы вариационного исчисления, было получено уравнение экстремали момента, по которому синтезирован закон изменения амплитуды напряжения в функции частоты и заданной статической перегружаемое™:

271^4 гэМшах ЕГН^Б* „ ,,

иБ«=-+-—, (2.4)

ЕгнГПэРп Шн иэнхэ* где Хз - модуль сопротивления статора, зависящий от частоты.

Анализ зависимости (2.4) показал, что с достаточной степенью точности ее можно линеаризировать, приведя к виду:

и5* = Гб* (1 - А Гб) + А Гв, (2.5)

где

. 2л*£н А - --——Мтах.

ЕгнШбРШн

Такая зависимость реализуется с помощью функционального преобразователя в канале управления амплитудой напряжения. При этом целесообразное значение Мтах при настройке определяется возможностями вентильной части ВЭМС и технологическими требованиями.

Системы с зависимым управлением частотой исследовались в двух вариантах, - с коммутатором в режиме источника ЭДС и с коммутатором в режиме источника тока. В первом режиме пространственный вектор напряжения ориентируется по оси ЭДС ротора, а положение вектора тока не зафиксировано. В результате механические характеристики в зоне малых нагрузок нелинейны:

тз-ивниз* М , ХвА ч , ч

ш =-—---5"(г* +-)• (2.6)

Во втором режиме вектор тока статора ориентирован по оси, ортогональной оси полюсов, что обеспечивает линейные механические характеристики:

2¥г 2¥г 4 '

Однако для линеаризации регулировочных характеристик необходимо использовать нелинейную зависимость в функции внутреннего угла синхронной машины [58]. Для поиска простейших технических решений были исследованы характеристики электроприводов при различных способах управления частотой в зависимости от нагрузки.

На основе исследований были разработаны электроприводы различного назначения. Для установок большой мощности проектировались электроприводы на основе тиристорного непосредственного преобразователя частоты [53] в двух исполнениях - с формированием сигналов частоты и фазы (ДЧФ, рис.8) на основе датчика положения ротора и со статическим ДЧФ на

Вентильный электропривод с тиристорным НПЧ

Рис.8

Электропривод с коммутатором в режиме источника тока

ВУ

РТ

55Е

1УУП

гчм

к

•Ц

□ ДПР

м АИ

см

ПС

и

дт

Рис.9

Электропривод с комбинированным управлением

ДПР

ВУ

дш

УВР

I к

ШИР

АИ

СМ

'N3

основе измерения ЭДС. Система управления имеет переменную структуру, предусматривающую на малой скорости сетевую коммутацию вентилей (БСК), а на средней и высокой скорости, - машинную коммутацию (БМК). Логическое переключающее устройство (ЛПК) обеспечивает выбор режима и безрывковый переход из режима в режим. Для оптимизации энергетических характеристик и устойчивой машинной коммутации используются сигналы датчиков проводимости вентилей (ДПВ), датчиков тока (ДТ) и скорости (ДС). В системах со статическим датчиком ДЧФ разгон до начальной скорости осуществляется при независимом управлении частотой. При этом предварительно определяется начальное положение ротора и по нему-начальное положение вектора напряжения для плавного разворота в заданном направлении. Электроприводы малой мощности (до 1+2 кВт) разрабатывались на основе транзисторного коммутатора (АИ), управляемого в режиме источника тока (Рис..9). Система управления выполнена цифровой и содержит модулятор (М), распределитель импульсов (Р), четырехквадратный умножитель (ЦАП), вычислительное устройство (ВУ), компаратор (К) и переключатель сигналов (ПС) (контур скорости не показан). Поскольку при зависимом управлении частота не задается внешним сигналом, в системе использовано независимое задание частоты модуляции (ГЧМ). С освоением производства транзисторных модулей (ТК, ТКД) появилась возможность выпуска бесконтактных электроприводов с транзисторными преобразователями на мощности до 10 кВт. На основе транзисторного преобразователя были разработаны синхронные бесконтактные электроприводы подач для станков типа "Обрабатывающий центр" и начато их серийное производство [71]. В этой разработке сохранена основная структура базовой системы с коммутатором в режиме источника ЭДС, но использовано двухзонное формирование механических характеристик - при моменте, большем номинального на основе зависимого управления частотой (режим ВД), а при меньших моментах - независимое управление. Система содержит автономный инвертор (АИ, рис.10), дешифратор состояний (ДШ), вычислительное устройство (ВУ), устройство выбора режима (УВР) и широтно-импульсный регулятор (ШИР). Безразрывный переход из режима в режим обеспечивается специальным алгоритмом с управлением положения вектора напряжения [70].

Выводы

Анализ результатов исследования и разработок, выполненных научными коллективами (в том числе и автора) в области электропривода переменного тока, а также изучение промышленного оборудования предприятий Вологодского и смежных регионов позволяют сформулировать следующие принципы проектирования объектно-ориентированных электроприводов:

1. Компромисс между объектной ориентацией и унификацией, обеспечивающий требуемое качество регулирования простейшими средствами, можно обеспечить, сгруппировав все электроприводы в три серии, - с диапазоном регулирования вниз от номинальной скорости до 100, до 1000 и более 1000.

2. Первую серию (не менее 80% всех электроприводов) целесообразно реализовать на основе асинхронных электроприводов с модульным управлением без датчика скорости, вторую,- с использованием контура скорости и частотно-токового либо модульного управления ( в зависимости от требований к динамике).

3. При разработке электроприводов с предельными показателями качества регулирования следует рассматривать конкурентоспособные системы с асинхронными и синхронными двигателями при частотно-токовом либо векторном управлении,

4. Повышение качества регулирования в рамках каждой серии может быть обеспечено на основе использования систем с переменной структурой при минимальном осложнении алгоритма управления.

5. Упрощение алгоритмов в системах модульного управления достигается за счет максимального использования регулировочных свойств электромеханического преобразователя. В то же время разделение систем по способу управления моментом весьма условно, поскольку в модульных системах при оптимизации динамики используется воздействие на пространственную ориентацию векторов.

6. Сформулированные принципы не-являются абсолютными и основаны на результатах анализа современного состояния на предприятиях-производителях и потребителях автоматизированных электроприводов. В то же время на их основе автором успешно решались задачи практической реализации результатов научных исследований.

3. ВЕНТИЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ВЕНТИЛЬНО-ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

3.1 Теоретические исследования и реализация вентильных преобразователей.

С начала работ по исследованию и разработке бесконтактных электроприводов слабым звеном, ограничивающим достижимое качество регулирования и надежность, были и остаются в настоящее время вентильные преобразователи ВЭМС, которым специалисты в области автоматизированного электропривода уделяют особое внимание. Первые исследования электроприводов с полупроводниковыми преобразователями частоты позволили заключить, что для поиска рациональных решений необходимо рассматривать процессы в преобразователе совместно с двигателем, т.е. в единой ВЭМС (Д.А. Завалишин, Г.И. Новикова). В 70-е годы четко определилось несколько направлений работ:

1. Преобразователи частоты (ПЧ) с транзисторными инверторами;

2. Непосредственные преобразователи частоты (НПЧ);

3. Преобразователи частоты с тиристорными инверторами;

4. ВЭМС переменного тока, объединяющие общие вопросы преобразователей частоты и автоматизированных электроприводов.

Третье направление выходит за рамки предлагаемой работы. В области ПЧ с транзисторными инверторами в этот период следует выделить исследования и разработки Т.А. Глазенко, Р.Б. Гончаренко, А.И. Писарева, О.И. Хасаева, A.C. Сандлера, P.C. Сарбатова, Г.И. Новиковой, а так же работу по общей теории автономных инверторов Б. Бедфорда и Р. Хофта. Учитывая, что в 70-е годы по состоянию элементной базы НПЧ на тиристорах обладали большей надежностью, простотой реализации и большим диапазоном мощностей, работы в этом направлении были представлены особенно широко. Здесь из обширного перечня автором использовались работы Д.А. Завалишина, П.А. Ровинского, В.А. Тикана, И .Я. Бернштейна, Л.Б. Гейлера, Б.И. Фираго, Ю.М. Инькова, Э.М. Чехета. Ускоренному развитию работ способствовала возможность использовать разработки по реверсивным выпрямителям с раздельным управлением, например в работах Л.Х. Дацковского, В.Д. Кочеткова, И.С. Кузнецова. К началу 80-х годов область исследований настолько расширилась, что было сформировано отдельное направление, -"Преобразовательная техника" (И.М. Чиженко, B.C. Руденко, В.И. Сенько), а акценты исследований специалистов в области электропривода сместились на четвертое направление. На основании созданного научного фундамента, а так же практического опыта в 80-е годы были выполнены работы обобщающего системного характера как в области ПЧ, так и ВЭМС (Б.И. Фираго, Б.С. Готовский, З.А. Лисс, Г.Г. Жемеров, А.Я. Берштейн, Ю.М. Гусяцкий, A.B. Кудрявцев, P.C. Сарбатов, Л. Джюджи, Б. Пелли). По мере совершенствования элементной базы появилась возможность разрабатывать НПЧ на

транзисторах с цифровым управлением (Э.М. Чехет, В.П. Мордач, В.Н. Соболев). Учитывая большую схемную сложность в сравнении с преобразователем постоянного тока, исследователи и разработчики искали конкурентоспособные решения на основе объектной ориентации. В области систем малой мощности можно выделить два направления, - ПЧ для высокоскоростных электроприводов (Т.А. Глазенко, Р.Б. Гончаренко, А.Н. Писарев) и маловентильные НПЧ (Т. А. Глазенко, A.A. Усольцев, В.И. Хрисанов).

Несмотря на невысокую (в сравнении с двигателем) надежность ПЧ, можно назвать лишь ограниченное количество работ по этой проблеме. Вопросам защиты от перегрузок посвящены исследования Е.М. Глуха, Е. Зеленова, С.Л. Демидова. Повышение надежности путем оптимизации режимов управления ключами рассмотрено в работах JI.M. Твердина, А.П. Ващенко, В.А. Сорокина, Т.А. Глазенко, В.А. Синицына, B.C. Томасова, Г.С. Эздрина. Вопросы надежности ПЧ были исследованы в работах А.Е.Козярука. В то же время, учитывая высокое быстродействие ключей и малую тепловую постоянную времени, организовать достаточно быстродействующую защиту ПЧ сравнительно сложно. Однако трудно найти работы по предотвращению аварийных ситуаций, - по диагностике ПЧ. Это создает серьезные проблемы при эксплуатации ПЧ в производственных установках и является одной из причин, по которой, несмотря на освоение производства различных ПЧ и электроприводов на их основе, они не нашли массового применения в России.

3.2 Принципы построения и эффективной эксплуатации преобразователей частоты.

Вентильные преобразователи частоты как с непосредственной связью, так и на основе автономных инверторов (АИ), отличаясь в деталях, строятся и функционируют на общих принципах, осуществляя двукратное управляемое преобразование энергии сети в дискретном времени. Это позволило на основе исследований ВЭМС с транзисторными АИ [1,8,13] рассмотреть общие принципы выбора типа системы и организации управления [3,18,19,22]. Решение о выборе типа ПЧ принимается на промежуточном этапе проектирования АЭП, когда определена объектная ориентация, требования к показателям качества регулирования составляющих механической энергии и выбран тип АЭП [б]. В настоящее время мы располагаем двумя типами ПЧ, - с непосредственной связью (НПЧ) и с промежуточным звеном постоянного тока (ПЧ с АИ). Общее решение о выборе типа ПЧ принимаются с учетом состояния элементной базы и основного режима работы АЭП. Для установок, работающих преимущественно в режиме поддержания скорости, по стоимости, массогабаритным показателем и энергосбережению преимущества имеет ПЧ с АИ. В установках, работающих в режиме частых пусков, торможений и реверсов, особенно средней и большой мощности, энергоснабжение может быть определяющим признаком, что делает конкурентоспособным НПЧ. В ПЧ для сверхвысокоскоростных АЭП (более 100000 об/мин) вынужденным

является выбор АИ с управляемым звеном постоянного тока [2] на основе широтно-импульсного регулятора (ШИР) или управляемого выпрямителя (Рис.11). В ПЧ с номинальной частотой Гз < 1000 Гц элементная база дает возможность выполнять ПЧ с АИ и неуправляемым звеном постоянного тока при бестрансформаторным подключением к сети ,что улучшает энергетические и массогабаритные показатели. Для реверсивных АЭП средней и большой мощности с ограниченным диапазоном регулирования лучшие совокупные показатели качества могут быть обеспечены на основе НПЧ с сетевой коммутацией. Улучшение регулировочных и энергетических характеристик в таких установках можно достичь за счет оптимизации алгоритма управления [42,46,52,64], а так же путем введения дополнительных цепей в силовом вентильном блоке (СВБ), обеспечивающих регенерацию реактивной энергии коммутирующих фаз нагрузки, минуя питающую сеть [65]. В настоящее время в установках по крайней мере до 200кВт НПЧ могут выполняться на транзисторных модулях [63, 66], причем уровень ограничения по мощности постоянно увеличивается. В этих системах дополнительные цепи регенерации реактивной энергии не только желательны, но и необходимы для обеспечения работоспособности ПЧ (Рис.12). Одним из важных показателей качества АЭП является его надежность, определяемая временем безотказной работы и временем восстановления работоспособности. В современных системах при возникновении аварийных ситуаций чаще всего выходят из строя силовые ключи ПЧ (особенно в ПЧ с АИ) прежде, чем срабатывает защита на отключение. Поэтому принципиальным является не только обеспечить быстродействующую защиту, но и предотвратить возникновение аварийных ситуаций. Основные причины аварийных отключений можно разделить на две группы, - связанные с относительно медленно развивающимися процессами (неисправность технологического оборудования, подшипников двигателя, межвитковое замыкание обмотки) и с быстрыми процессами (короткое замыкание на входах машины, отказ системы управления и силовых ключей ПЧ). Последствия аварий по первой группе причин предотваращаются системой ограничения нагрузок АЭП и оперативным отключением. Последствия аварий второй группы можно предотвратить на основе развитой системы диагностики. Статистические исследования результатов наладки и испытаний показали, что отказы по ПЧ могут иметь место в процессе наладки в первые 5 + 8 часов эксплуатации. В дальнейшем можно гарантировать установленное время безотказной работы. Поэтому одновременно с системами управления ПЧ и АЭП разрабатывались алгоритмы и устройства диагностирования как отдельных каналов [36,50,54], так и систем управления ПЧ в целом [33,35,38,45]. Кроме того решалась задача контроля состояния силовых ключей [43,60]. Полученный опыт позволил разработать комплексную систему диагностики и защиты и реализовать ее в программе микропроцессорных систем управления АЭП.

Преобразователь частоты с управляемым звеном постоянного тока

\У1~

\У2~

свщ/'Т"1* Т

иг иф щ

Рис.11 Схема СБВ

СВБ2]

3.3 Управление преобразователями частоты.

От ПЧ система управления АЭП может "потребовать" организации управления всеми координатами пространственного вектора напряжения на входах ЭМП. Это означает, что система управления ПЧ должна обеспечить регулирование амплитуды Uu, частоты Uf, фазы Uq> и формы Ut на выходах СВБ (Рис.11). Кроме того система управления (СУ) СВБ выполняет внутренние функции организации преобразования электрической энергии первичного источника. Поскольку ПЧ любого типа работают на общих принципах модуляции энергетических потоков, можно синтезировать обобщенную функциональную схему ПЧ [3]. Она имеет четыре канала управления и ограниченное число каскадов (Рис.13), - формирователи интервалов дискретности (ФИД), модуляторы (М), вычислительное логическое устройство (А), распределительное устройство (РУ) и выходные формирователи сигналов. Управление может осуществляться как по разомкнутой схеме, так и с использованием датчиков обратных связей. В зависимости от требований к качеству управления АЭП и возможностей их реализации часть каналов внешних управляющих воздействий может отсутствовать. Так, например, из-за ограниченной по частоте ключей модуляция в каналах управления амплитудой, формой и фазой осуществляется на одной частоте.

Несмотря на общность функциональных и энергетических преобразований в ПЧ, возможность их конкретной реализации во многом зависит от характеристик силовых ключей. Поэтому ограничимся анализом систем управления ПЧ на транзисторных модулях, как наиболее перспективных при частотах выходного напряжения до 400*500 Гц. В таких схемах частотные свойства ключей позволяют обеспечить формирование огибающей напряжения синусоидальной формы путем широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Все системы управления с синусоидальной ШИМ можно разделить на две группы, - разомкнутые и замкнутые. Первые реализуются на основе простейших алгоритмов и программ, но не обеспечивают достаточно высокого качества формы выходного напряжения, а потери энергии в силовых вентилях завышены. Вторые могут обеспечить предельно возможные качество регулирования и энергетические характеристики, но имеют более сложную структуру. В свою очередь замкнутые системы можно подразделить на системы слежения за фазой (знаком) токов и на системы слежения за мгновенным значением токов (сканирование). Обеспечивая лучшие динамические показатели АЭП в целом, системы на принципе сканирования обязательно требуют во внешнем контуре измерения или вычисления сигнала по скорости машины, что не всегда оправдано, особенно в электроприводах общепромышленных механизмов. По способу синхронизации СУПЧ можно разделить на асинхронные и синхронные. В асинхронных системах частота модуляции остается постоянной ( fM = const). В результате при регулировании

Полностью управляемая функциональная схема • вентильного преобразователя

Рис. 13

Формирование напряжений в замкнутой системе

Ма ма

Гу1(30°) иУ2(30°)

иу1(90")

иу2(90°)

иаЬ

иЖ

т

м

180

ко

м

0.

ш

ЛО

Ш

Ы1

й>1

Ш

выходной частоты Гб система проходит не только целочисленные, но и дробные кратности частот, что приводит к дополнительным искажениям формируемых напряжений. Синхронные системы обеспечивают Гм/Гз=сопз1 и могут выполняться непрерывными и дискретными. В непрерывных системах на нижних уровнях диапазона регулирования Гм может оказаться в зоне существенных частот машины, что приведет к качаниям момента. В дискретных системах период выходного напряжения определяется заданием целочисленного значения периодов модуляции. В результате в замкнутых по скорости АЭП на верхних уровнях диапазона могут возникнуть автоколебания. Все перечисленное многообразие свойств и особенностей учитывается при принятии решений в процессе проектирования.

С начала 90-х годов последовательно решалась задача разработки цифровых систем управления ПЧ с синусоидальной ШИМ. На первом этапе отрабатывались общие принципы построения цифровых систем управления [21,39,41]. На втором этапе были синтезированы алгоритмы и системы управления замкнутого типа на принципе слежения за фазой тока [44,63,64]. Для реализации таких систем были найдены универсальные функции (М, рис.14), на основе которых по сигналам знаков токов фаз формировались диаграммы управляющих импульсов ключей. Такой алгоритм обеспечивает однополярную модуляцию и независимость формы напряжений от коэффициента мощности нагрузки. В этих системах положение пространственного вектора напряжения "следит" за положением пространственного вектора тока. Исследования замкнутых систем позволили найти способ, более удобный для микропроцессорной реализации [49,59]. Он предполагает запись в ПЗУ трех эталонных адресных функций с переадресованием в функции сдвига тока относительно напряжения. Одновременно разрабатывались устройства синхронизации с сетью для НПЧ с учетом возможного дрейфа частоты сети [40,46], алгоритмы и устройства преобразования сигналов [68], выходные каскады систем управления [37,51]. В результате была создана база для разработки современных систем с микропроцессорным управлением.

3.4. Особенности энергетического баланса в вентильно-электромеханических системах с автономными инверторами.

На основе современных транзисторных модулей можно монтировать силовую часть ПЧ с АИ по простейшей схеме: неуправляемый выпрямитель (НВ) - компенсирующий конденсатор (С) - АИ. При этом ПЧ потребляет из сети энергию с коэффициентом мощности, близким к единице. В то же время упрощение силовой схемы создает дополнительные проблемы обеспечения энергетического баланса минимальными средствами. При этом приходиться решать 3 взаимосвязанных задачи:

- обеспечение баланса реактивной энергии при малых нагрузках;

- обеспечение баланса активной и реактивной энергии в режиме нерекуперативного частотного торможения;

- сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения.

При непосредственном подключении НВ к трехфазной сети пульсации выпрямленного напряжения для большинства АЭП лежат в пределах допуска. Поэтому теоретически можно ограничить задачу подбором емкости компенсирующего конденсатора на основе баланса реактвной энергии в двигательном режиме. Возврат реактивной энергии в конденсатор имеет место на интервалах несовпадения знаков напряжений и токов в обоих электромагнитных контурах ВЭМС, что соответствует режимам, близким к режиму холостого хода (Кф < 0,5). Поскольку в современных АИ fM / fs >50, для анализа энергетических процессов правомерно использовать средние значения токов на периодах модуляции, сравнивая относительные значения потребляемой энергии Wd* и энергии подзаряда Wc*. Тогда для периодов модуляции с момента смены знака напряжения (например в фазе а) для двухполярной синусоидальной модуляции можно записать:

Wd* = ÍB*y2c[N]; Wc* = ict *у 2C [N] - ia y 2a [N], (3.1)

где N - номер интервала, у - скважности импульсов.

Сравнительный анализ показал, что на каждом интервале при любой нагрузке Wd* > Wc*. Следовательно при синусоидальной модуляции расчет требуемой емкости конденсатора можно выполнять по одному периоду модуляции Тм, где Wc* наибольшая. Средние значения токов фаз на интервалах определяются по следующим уравнениям:

Тм r 2N + 1 т

Ia[N] = Im cos-y-sin[TM—---q>J=Im la*[N];

lB[N]=Imcos^s¡n[TM^Y^--9-12003fl]=ItnÍB*[N]; (3.2)

Ic [N] = Im cos-^~ sin[TM— Ф + 120°эл] = Im ic* [N];

где cp - угол сдвига тока относительно напряжения, Im - амплитуда токов фаз.

Учитывая, что при двухполярной модуляции подзаряд конденсатора имеет место и при Кф > 0,5, расчет емкости следует выполнять для двух режимов нагрузки. Для режима с Кф > 0,5 :

c-^o'lJ^[l+yp C0STsin(™ (3-3>

для режима Кф < 0,5 :

Юб Imia* с;. Тм 2N+1 0 i

С >-. - ■ V3yp cos—с os (Тм--120 эл], (3.4)

AUc 21м 2 2

где AUc - допустимое перенапряжение на конденсаторе;

Ур - скважность, задаваемая по каналу ре1улирования амплитуды напряжения.

В то же время величина емкости определяет не только перенапряжение, но и частоту модуляции ключа сброса энергии в тормозных режимах. Для этих режимов величина емкости определяется по результатам расчетов токов в режиме частотного торможения при максимально возможном темпе и при допустимой частоте модуляции. По результатам 3-х расчетов выбирается наибольшее значение емкости конденсатора. ВЭМС без фильтра в звене постоянного тока устойчиво работают в высокоскоростных АЭП а так же в установках с мощностью менее 3 кВт. В ВЭМС большей мощности появляются неблагоприятные частоты в нижней части диапазона регулирования, при которых в системах возникают незатухающие колебания напряжения, тока и момента. Причиной этих колебаний являются реальные вольт-амперные характеристики диодов выпрямителя. Поэтому для таких установок необходимо использовать ЬС - фильтр, параметры которого рассчитываются как и для систем с управляемыми выпрямителями при а > 60° эл.

Выводы

Исследования электромагнитных процессов в ВЭМС различных типов, выполненные научными коллективами ( в том числе и автора), позволяют сформулировать общие принципы решения задач выбора типа ПЧ и алгоритма управления:

1. Рациональные технические решения на первом этапе проектирования необходимо рассматривать с учетом типа АЭП, его объектной ориентации и общих требований к качеству регулирования.

2. Минимизация структуры ПЧ может быть достигнута на основе анализа энергетических и электромагнитных процессов во всех заданных режимах ВЭМС и АЭП.

3. Микропроцессорная реализация систем управления ПЧ, ВЭМС И АЭП в целом позволяет разработчикам и производителям находить максимально унифицированные технические решения, объектная ориентация которых обеспечивается изменением управляющей программы и информационного обеспечения.

4. При синтезе АЭП и ПЧ с микропроцессорным управлением необходимо учитывать не только преимущества, но и дополнительные ограничения цифровых систем управления.

5. С учетом перечисленных принципов были разработаны и реализованы в опытных и промышленных образцах преобразователи частоты с автономными инверторами и с непосредственной связью для автоматизированных электроприводов с модульным управлением.

4. ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ПРОИЗВОДСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ БЕСКОНТАКТНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ.

4.1 Принципы проектирования электроприводов.

Процесс проектирования соответствует последовательному решению задач многокритериальной оптимизации, где на каждом его этапе по результатам анализа и обработки информации принимаются решения и проверяется их оптимальность. В результате проверки на каждом этапе проектирования может возникнуть необходимость пересмотреть общие решения, принятые на предыдущем этапе. По результатам общих решений на каждом этапе выполняются расчетные работы [15,17,20]. Поэтому наиболее ответственным, требующим высокой эрудиции проектировщика и переработки большого объема разнообразной информации, является первый этап, - выбор типа электропривода и способа регулирования [3,7,18,22]. На этом этапе целесообразно ограничить объем анализируемой информации путем объектной ориентации (хотя и для широкого класса систем) и исключением крайних решений, которые всегда неоптимальны, - абсолютной унификации и абсолютной объектной ориентации. Так, например, для электроприводов общепромышленных, вспомогательных механизмов и механизмов главного движения большинства станков (кроме высокоскоростных) требуемые показатели качества регулирования, являющиеся обязательными, можно обеспечить на основе АЭП любого типа. Поэтому решения принимаются по частным относительным показателям с учетом их значимости: потери энергии, масса, габариты, надежность, время восстановления работоспособности, эксплуатационные расходы и т.д.

В этом случае предварительное решение можно формализовать, рассчитав обобщенный показатель качества:

е=£Ыу1 (4.1)

где у*1 - относительные значения частых показателей качества;

Ы - весовые коэффициенты.

Однако в условиях рыночной экономики существенное значение имеет цена изделия, что необходимо учитывать при расчетах:

где С - стоимостной показатель системы. Несмотря на возможность формализации и автоматизации расчетов, (особенно технических) основным в процессе проектирования является специалист, особенно при определении значимости показателей и принятия решений на каждом этапе. Подготовка таких специалистов требует много времени и начинать ее целесообразно уже в вузе. Однако даже на старших курсах проектирование чаще всего ограничивается расчетной частью для заданного АЭП, а "организационно-экономическая часть" подводит лишь итоги в конце дипломного

проектирования. Поэтому автором отрабатывается и используется естественная методика учебного проектирования [6] с технико-экономическими обоснованиями последовательных решений на основе игровых согласований "заказчика " и "исполнителя". При оценке проекта наивысшую "стоимость" имеет обоснованность общих принципиальных решений. В условиях, когда предприятия могут приобрести ограниченное количество электроприводов, но не оплачивают их проектирование, наиболее ответственным является решение о выборе типа электропривода, его структуры и степени унификации основных узлов, позволяющее обеспечить серийное производство даже при штучных заказах, отличающихся отдельными техническими требованиями. Для поиска такого решения были исследованы потребности и возможности предприятий, структура выпускаемых и рекламируемых бесконтактных электроприводов, а также состояние и перспективы совершенствования элементной базы. В результате была разработана первая серия частотно-регулируемых асинхронных электроприводов с модульным управлением и использованием элементов векторного управления в переходных режимах. В структуре разработанных электроприводов использованы результаты исследований автора и найденные ранее унифицированные решения. Электроприводы выполнены на основе микропроцессора и транзисторных JGBT - модулей, имеют развитую систему диагностики, защиты и удобный для пользователей пульт оператора (Рис.. 15). Для перехода на серию с более высокими показателями качества регулирования на основе частотно-токового принципа достаточно изменить управляющую программу и расширить систему датчиков без изменения основного монтажа.

4.2. Вопросы производства и эксплуатации современных бесконтактных электроприводов.

В процессе научных исследований в избранном направлении теоретическая работа сочеталась с решением задач прикладного характера. К ним можно отнести следующие разработки с участием автора:

1. Однофазные и трехфазные преобразователи частоты для источников питания и электроприводов ручного инструмента.

2. Сверхвысокоскоростной электропривод шлифовального станка на основе электрошпинделя с пневмоподвесом.

3. Электропривод микрокомпрессора с бесконтактным двигателем возвратно-поступательного движения. в

4. Электроприводы суставов роботов.

5. Синхронный сверхнизкооборотный электропривод поворота антенны радиотелескопа.

6. Устройство контроля исправности непосредственных преобразователей частоты серии TTC.

7. Электропривод с тиристорным преобразователем для судовых лебедок.

Пульт оператора ЭЧР 1

Индикатор готовности электропривода

8. Устройство управления защиты и контроля электропривода кругового мостового крана грузоподъемностью 400 тс.

9. Датчики, устройства управления и контроля исправности асинхронных электроприводов для 5-го энергоблока Нововоронежской АЭС.

Ю.Система управления электротрансмиссией пневмоколесных транспортных средств, в том числе устройства управления локальными тяговыми электроприводами, система управления скоростью борта и средней скоростью транспортного средства, устройства защиты от боксования и оптимизации режима работы дизель-генераторной установки.

11. Устройство управления бесконтактным вентильным двигателем.

12. Асинхронный электропривод для общепромышленных и вспомогательных механизмов.

13. Электропривод главного движения станков с ЧПУ.

14.Электропривод главного движения станков с двухзонным

регулированием.

15. Преобразователи частоты СПЧ и электроприводы серии ЭЧР.

Многие ученые и научные коллективы имеют более обширный список конкретных разработок. Однако на выставках, прошедших в России в 1997 году,за немногим исключением экспонировались современные электроприводы зарубежных фирм и объединений. Учитывая, что отставание в этой области (хотя и в гораздо меньшей степени) существовало и ранее, целесообразно рассмотреть причины "субъективного" характера на основе авторских разработок. Из всех перечисленных проектов только в трех разработчик принимал участие в изготовлении, наладке и испытаниях опытно-промышленных образцов. Преобразователи серии ПСП (1968 - 69г.) экспонировались на ВДНХ и были отмечены медалью ВДНХ. Электроприводы станков и общепромышленных механизмов на основе унифицированных модулей МБ, МЯ, МА (1990 - 94 г.) доведены до серийного производства на Вологодском оптикомеханическом заводе. Разработанные электроприводы ЭЧР первой модификации начали серийно выпускаться научно-производственым предприятием "НОВТЕХ " (1997г. Вологда).

Таким образом, оптимальной для практической реализации результатов исследования являются структуры, объединяющие ученых, проектировщиков и производственников. Однако для обеспечения устойчивых заказов на современные электроприводы кроме организационной структуры необходимы и новые формы взаимодействия с потенциальными заказчиками. Исследования показали, что на большинстве предприятий до 70% электроприводов морально устарели, а 20-30% электроприводов уже не ремонтнопригодны. В то же время предприятия не имеют возможности решать задачи фронтальной модернизации. Поэтому с такими предприятиями заключаются долгосрочные договоры "О намерениях", предусматривающие поэтапную замену выходящих из строя неремонтнопригодных электроприводов на однотипные современные системы. Второй перспективной группой заказчиков являются предприятия,

выпускающие технологическое оборудование, но здесь используются другие формы взаимодействия.

Выводы

1.Оптимальной при проведении научных исследований и их доведения до практических результатов в современных условиях являются организационные структуры научно-производственного типа. При этом исследователи получают экспериментальную базу и возможность довести результаты исследований до промышленной реализации в кратчайшее время. Такую структуру имеет большинство зарубежных фирм. Примером такой организации в России может служить НПО "Электропривод".

2Лтобы успешно конкурировать на Российском рынке автоматизированных электроприводов, недостаточно выпускать продукцию, не уступающую образцам других предприятий. Необходимо, чтобы наукоемкая продукция успешно осваивалась предприятиями-потребителями, для чего необходима организация активного сопровождения в течение первого года с начала поставок.

3.При выборе структуры электропривода целесообразно учитывать наличие и состояние электромашинного парка на предприятиях с целью максимального использования имеющихся электродвигателей и уменьшения поставляемых комплектов.

4. Учитывая, что в процессе эксплуатации электроприводов возникает необходимость переналадки, связанной с корректировкой управляющих программ, целесообразно в рамках долгосрочных соглашений проводить занятия по переподготовке обслуживающего персонала.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа сформирована на основе обобщений опыта исследований, разработок и внедрения образцов бесконтактных электроприводов и преобразователей, выполняемых при участии автора в течение продолжительного времени. Однако последовательность изложения материала не соответствует хронологии выполнявшихся работ, а построена на принципе поэтапного решения задач проектирования, изготовления и реализации бесконтактных электроприводов. В соответствии с этим принципом и поставленными целями в работе анализируются и решаются следующие задачи:

1.Выполнен анализ работ ( в том числе и автора) по автоматизированным электроприводам и их отдельным элементам, и определены границы теоретического базиса для решения поставленных задач.

2.Предложен метод сравнительного анализа и идентификации электроприводов на основе общности и различий энергетических преобразований и способов управления координатами механической энергии, используемый для принятия общего решения о выборе типа электропривода и способа управления на первом этапе проектирования.

3.Выполнены исследования характеристик частотно регулируемых синхронных и асинхронных электроприводов в установившихся и переходных режимах, результаты которых позволили предварительно принять следующие решения:

- о рациональном разделении бесконтактных электроприводов на классы на основе компромисса между унификацией и объектной ориентацией с использованием принципа минимальной достаточности;

- о целесообразном способе управления составляющими механической энергии для различного класса систем;

- о неблагоприятных зонах на переходных характеристиках асинхронных электроприводов и их учета при оптимизации переходных процессов.

4.На основании анализа результатов исследований была предложена методика расчета параметров регуляторов и обратных связей асинхронных электроприводов общепромышленных механизмов, выполнены разработки электроприводов различного назначения с синхронными и асинхронными двигателями и обеспечена патентная чистота разработок.

5.Выполнены исследования квазиустановившихся процессов в вентильно-электромеханических системах, на основе которых разработана методика расчета элементов силовой части преобразователей с использованием усредненного энергетического баланса и эквивалентных величин.

6.Проведены сравнительные исследования различных алгоритмов управления преобразователями и разработаны способы и устройства цифрового управления и диагностирования преобразователей для различных классов объектно-ориентированных электроприводов.

7.Разработаны алгоритмы и • системы электроприводов с переменной структурой, использующие комбинированное векторно-модульное управление и обеспечивающие повышение качество регулирования при минимальном усложнении информационной части системы.

8.На основании опыта проектирования и внедрения электроприводов определена оптимальная организационная структура, объединяющая исследователей, проектировщиков и изготовителей наукоемкой продукции и организована работа в такой структуре.

9.Выполнены исследования электроприводов и технологического оборудования на предприятиях Вологодского региона, предложены и реализуются принципы работы с предприятиями по поставке и освоению современных бесконтактных электроприводов.

Ю.Правомерность анализа результатов исследований и принимаемых решений в процессе проектирования * обеспечила разработку, освоение серийного производства и внедрение на предприятиях первой серии современных бесконтактных электроприводов с микропроцессорным управлением, а следовательно, достижение поставленной цели.

РАБОТЫ, В КОТОРЫХ ОТРАЖЕНО ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ. Монографии

1. Грузов B.JL, Новикова Г.И. Электромагнитные процессы в инверторах на полностью управляемых вентилях. - JL: Наука, 1970. - 90 с.

2. Грузов В.Л., Сабинин Ю.А. Асинхронные маломощные приводы со статическими преобразователями. - Л.: Энергия, 1970. - 136 с.

3. Сабинин Ю.А., Грузов В.Л. Частотно-регулируемые асинхронные электроприводы. - Л.: Энергоатомиздат, 1985. - 128 с.

Учебные и учебно-методические пособия

4. Миллер Е.В., Распопов Е.В., Грузов В.Л. Вентильный электропривод: Учебное пособие. - Л.: СЗПИ, 1978.-72 с.

5. Грузов В.Л. Управление вентильно-машинными преобразователями: Учебное пособие.-Л.: СЗПИ, 1988.-83 с.

6. Грузов В.Л. Системы управления электроприводами: Методические указания к курсовому проектированию. - Вологда: ВоПИ, 1992. - 28 с.

7. ГрузовВ.Л. Вентильно-электромеханические системы автоматизирован-ных электроприводов: Учебное пособие. - Вологда: ВоПИ, 1996.-84 с.

Брошюры, статьи, тезисы докладов

8. Грузов В.Л., Новикова Г.И., Орехова Г.П. Исследование полупроводниковых преобразователей частоты при работе на асинхронный двигатель // Автоматизированный электропривод. - М.- Л. : Наука, 1964. - с. 30-37.

9. Грузов В.Л., Кузнецов A.A. Законы частотного регулирования и их реализация с помощью статических преобразователей // Управляемые кремниевые вентили в электроприводе и промышленной автоматике. - Л.: Изд. ЛДНТП, 1966.-е. 3 - 11.

10. Грузов В.Л. Системы маломощного асинхронного электропривода с частотным регулированием // Маломощные и следящие электроприводы. - Л.: Наука, 1968.-с. 3-17.

11. Грузов В.Л., Кузнецов A.A. Маломощные системы частотного управления высокоскоростными асинхронными двигателями. - Л.: Изд. ДПЩП, 1968. - 30 с.

12. Грузов В.Л., Ровинский П.А., Щедрович В.А. Принцип построения систем электропривода при частотном управлении // Статистические преобразователи в электроприводе переменного тока. - Л.: Наука, 1968. - с.13 - 22.

13. Грузов В.Л., Найденова О.Н. Электромагнитные процессы в мостовом трехфазном инверторе при работе на асинхронный двигатель // Электромагнитные процессы в приводах с частотным управлением. -Л.: Наука, 1972.-с. 128- 148.

14. Грузов В.Л., Лищинский Л.Ю. Электрооборудование автоматических линий и агрегатных станков // Автоматика станков. - М.: Машиностроение, 1972. - с. 27-35.

15. Грузов В.JI. Выбор и инженерный расчет параметров обратных связей в частотнорегулируемом электроприводе II Автоматизация производства. - Л.: ЛГУ, 1976.-С. 23-29.

16. Частотно-регулируемые асинхронные приводы исполнительных устройств роботов и манипуляторов / В.Б. Анкудинов, В.Л. Грузов, В.П. Дорохов и др. // Системы управления электромеханическими устройствами роботов и манипуляторов. - Л: ЛДНТП, 1980. - С. 34 - 37.

17. Грузов В.Л., Подольный Ю.И., Хобин С.А. Оптимизация характеристик частотнорегулируемых электроприводов // Проблемы управления промышленными электромеханическими системами. - Тольяти, 1982. - С. 141 - 143.

18. Грузов В.Л. Выбор рациональных структур вентильно-машинных преобразователей энергии в электроприводах // Системы управления вентильными электроприводами промышленных установок. -Л.: СЗПИ, 1984.-С. 11-18.

19. Грузов В.Л., Левашова H.A., Проскурякова М.А. Обеспечение требуемой управляемости полупроводниковых преобразователей исполнительных приводов // Состояние и перспективы развития электротехнологии. Т.1. -Иваново, 1985.-С. 131-132.

20. Грузов В.Л., Смирнов H.H., Никитин A.A. Приближенный расчет режима динамического торможения асинхронных электродвигателей // Станки и инструмент. - 1986. - - № 3. - С. 19 - 21.

21. Грузов В.Л., Натариус Ю.М. Организация прямого кодового управления вентильно-электромеханическими преобразователями электроприводов переменного тока // Проблемы оптимизации работы автоматизированных электроприводов: Межв. сб. - Л., 1986. - С. 59 - 60.

22. Грузов В.Л. Структурный анализ энергетических преобразований и регулировочных возможностей вентильно-электромеханических систем // Вентильные электромеханические системы с постоянными магнитами : Тезисы докладов Всесоюз. НТК. - М., 1989. - С. 6.

23. Грузов В.Л., Левашова H.A., Натариус Ю.М. Улучшение энергетических и регулировочных характеристик транзисторных непосредственных преобразователях частоты // Вентильные электромеханические системы с постоянными магнитами : Тезисы докладов всесоюз. НТК. - М., 1989. - С. 98.

24. Грузов В.Л., Левашова H.A., Натариус Ю.М., Формализация функционального синтеза систем управления непосредственными преобразователями частоты // Вентильные электромеханические системы с постоянными магнитами: Тезисы докладов Всесоюз. НТК. - М., 1989. - С.114.

25. Авдонин С.И., Грузов В.Л. Характеристики частотнорегулируемого синхронного электропривода // Технические проблемы в электроэнергетике. -Вологда : ВоПИ, 1995. - С. 76 - 85.

26. Грузов В.Л. Учебники по специальным дисциплинам в региональных технических вузах // Проблемы вузовского учебника : Материалы IV

Всероссийской конференции. - М.: Изд-во МГАП "Мир книги", 1995. - с. 41 -42.

27. Грузов В.Л., Федотовский С.Б. Организация системы подготовки специалистов в современных условиях // Проблемы совершенствования подготовки специалистов в вузе в современных условиях : Тезисы докладов межвузовской научно-методической конференции. - Вологда: ВоПИ, 1997. с. 98 - 99.

Авторские свидетельства

28. A.c. 433600 СССР, МКИ3. Н02К 33/18. Бесконтактный двигатель возвратно-поступательного движения / В.Л. Грузов, Л.М. Имянитов (СССР). - № 1620152/24-7; Заявлено 15.02.71; Опубликовано 25.06.74. Бюл. № 23. - 3 с.

29. A.c. 670889 СССР, МКИ3. G01P 3/46. Бесконтактный реверсивный тахогенератор постоянного тока / В.Л. Грузов, В.Р. Калинин (СССР). - № 2581658/24-07; Заявлено 20.02.78; Опубликовано 30.06.79. Бюл. № 24.-3 с.

30. A.c. 830625 СССР, МКИ3. Н02Р7/42. Частотно-регулируемый электропривод с экскаваторной характеристикой / В.Л. Грузов, В.Р. Калинин (СССР). -№ 2701315/24-07; Заявлено 25.12.78; Опубликовано 15.05.81. Бюл. № 18.-4 с.

31. A.c. 862344 СССР, МКИ3. Н02Р7/42. Устройство для управления частотнорсгулируемым асинхронным электроприводом / В.Л. Грузов (СССР). № 2858547/24-07; Заявлено 25.12.79; Опубликовано 07.09.81. Бюл. № 33. - 3 с.

32. A.c. 864150 СССР, МКИ3. G01R 19/00 (Н02Р5/34). Датчик тока для частотно-регулируемых тиристорных приводов / В.Л. Грузов, В.Р. Калинин, В.Г. Федоров (СССР). -№ 2853845/18-21; Заявлено 10.12.79; Опубликовано 5.09.81. Бюл. №34.-3 с.

33. A.c. 864194 СССР, МКИ3. G01R31.28. Устройство для контроля и обнаружения неисправностей систем управления тиристорными преоразователями / В.Л. Грузов, A.C. Завьялов (СССР). - № 285337/18-21; Заявлено 17.12.79; Опубликовано 15.09.81.Бюл. №34,- 4с.

34. A.c. 904176 СССР, МКИ3. Н02Р7/42. Частотно -регулируемый электропривод с экскаваторной характеристикой / В.Б. Анкудинов, BJ1. Грузов, С.А. Хобин (СССР). -№ 2860783/24-07; Заявлено 28.12.79; Опубликовано 07.02.82. Бюл. № 5. - 4 с.

35. A.c. 924786 СССР, МКИ3. Н02Н7/12 (Н02М1/18). Устройство для контроля систем управления преобразователя частоты / В.Л. Грузов, A.C. Завьялов, A.M. Малышев, В.И. Согласов (СССР). - № 2994624/24-07; Заявлено 17.10.80; Опубликовано 30.04.82. Бюл. № 16.-4 с.

36. A.c. 935805 СССР, МКИ3. G01R23/00. Устройство для контроля частоты / В.Л. Грузов, A.C. Завьялов, В.П. Калявнн (СССР). - № 29990376/18-21; Заявлено 03.10.80; Опубликовано 15.06.82. Бюл. №22. - 4 с.

37.A.c. 957376 СССР, МКИ5. Н02М1/08. Формирователь управляющих импульсов полупроводниковых преобразователей / В.Б. Анкудинов, В.Л.

Грузов (СССР). - № 3266560/24-07; Заявлено 31.03.81; Опубликовано 07,09.82. Бюл. № 33. - 3 с.

38. A.c. 972415 СССР, МКИ3. G01R23/00. Устройство для контроля схем управления тиристорными преобразователями частоты / В.Л.Грузов, А.С.Завьялов (СССР). - № 2988147/18-21; Заявлено 03.10.80; Опубликовано 07.11.82. Бюл. №41.-4 с.

39. A.c. 985923 СССР, МКИ3. Н02Р13/18. Цифровое устройство для управления инвертором напряжения / В.Л. Грузов, А.Н. Полозок, A.B. Родионов, В.А. Тихановский (СССР). - № 3304215/24-07; Заявлено 19.06.81; Опубликовано

30.12.82. Бюл. № 48. - 3 с.

40. A.c. 989741 СССР, МКИ3. Н02Р13/16. Усройство для синхронизации цифровых систем управления тиристорными выпрямителями / В.Ю. Верещагин, В.Л.Грузов, В.А. Тихановский (СССР). - № 3293174/24-07; Заявлено 28.05.81; Опубликовано 15.01.83. Бюл. №2.-4 с.

41. A.c. 995258 СССР, МКИ3. Н02Р13/18. Усройство для управления автономным инвертором / В.Л.Грузов, В.А. Тихановский, В.НЛюкин (СССР). -№ 3275334/24-07; Заявлено 13.04.81; Опубликовано 07.02.83. Бюл. №3.-4 с.

42. A.c. 1007177 СССР, МКИ3. Но2Р 13/30. Способ управления циклоконвертором и устройство для его осуществления / В.Л. Грузов, В.А. Тихановский, И.К. Файнберг, С.А. Хобин, Ю.Б. Шишлин (СССР). - № 3317718/24-07; Заявлено 15.07.81; Опубликовано 23.03.83. Бюл. 3 11. - 8 с.

43. A.c. 1023510 СССР, МКИ3. Н02Н7/12 (Н02М1/08). Устройство для контроля состояния вентилей преобразователя / В.Л. Грузов, В.Р. Калинин (СССР). - № 3281857/24-07; Заявлено 04.05.81; Опубликовано 15.06.83. Бюл. №22. - 3 с.

44. A.c. 1032592 СССР, МКИ3. Н02Р13/18. Способ управления трехфазным мостовым инвертором и устройство для'управления трехфазным мостовым инвертором / В.Л. Грузов, С.С. Клещин, В.А. Тихановский (СССР). - № 3364677/24-07; Заявлено 11Л2.81; Опубликовано 11.07.83; Бюл. № 28. - 6 с.

45. A.c. 1037374 СССР, МКИ3. Н02Н7/12. Устройство для управления и контроля преобразователя / A.M. Водовозов, В.Л. Грузов, H.A. Левашова, Г.В.Смирнова (СССР). - № 3429610/24-07; Заявлено 20.05.82; Опубликовано

23.08.83. Бюл. №31.-4 с.

46. A.c. 1069119, СССР, МКИ3. Н02Р13116. Устройство для управления статическим преобразователем / A.M. Водовозов, В.Л. Грузов, В.А.Тихановский (СССР). - № 3484338/24-07; Заявлено 29.06.82; Опубликовано 23.01.84. Бюл. № 3.-5 с.

47. A.c. 1072230 СССР, МКИ3. Н02Р7/42. Частотно-управляемый тяговый электропривод / В.Л.Грузов, В.Р. Калинин, Ю.И. Подольный, П.А. Ровинский (СССР). - № 3439055/24-07; Заявлено 20.05.82; Опубликовано 07.02.84. Бюл. № 5. - 7 с.

48. A.c. 1072231 СССР, МКИ3. Н02Р7/42. Частотно-управляемый тяговый электропривод / В.Л. Грузов, В.Р. Калинин, Ю.Н. Подольный (СССР). - № 3459403/24-07; Заявлено 29.06.82; Опубликовано 07.02.84. Бюл. № 5. - 9 с.

49. A.c. 1089756 СССР, МКИ3. Н02Р13\18. Цифровое устройство управления инвертором с квазисинусоидальным напряжением / B.JI. Грузов, В.Р. Калинин, В.А. Тихановский (СССР). - № 3539507/24-07; Заявлено 12.01.83; Опубликовано 30.04.84. Бюл. № 16. - 6 с.

50. A.c. 1100708 СССР, МКИ3. Н02Р13/16 (Н02М1/18). Усройство для контроля исправности систем импульсно-фазового управления преобразователей / B.JI. Грузов, A.C. Завьялов, H.A. Левашова, О.Н. Ощепков (СССР). - № 3566655/2407; Заявлено 24.03.83; Опубликовано 30.06.84. Бюл. № 24. - 7 с.

51. A.c. 1136272 СССР, МКИ3. Н02М1/08. Формирователь управляющих импульсов полупрводниковых преобразователей / В.Б. Анкудинов, В.Л. Грузов, H.A. Сердюков (СССР). - № 3584481/24-07; Заявлено 27.04.83; Опубликовано 23.01.85. Бюл. №3.-3 с.

52. A.c. 1137557 СССР, МКИ3. Н02М5/22. Способ управления циклоконвертором и устройство для его осуществления /В.Л. Грузов, М.В. Дмитриев, С.С. Клещин, О.Н. Ощепков, В.А. Тихановский (СССР). - № 3632296/24-07; Заявлено 12.07.83; Опубликовано 30.01.85. Бюл. №4. - 8 с.

53. A.c. 1137562 СССР, МКИ3. Н02Р6/02. Устройство для управления вентильным двигателем циклоконверторного типа (его варианты) / В.Л. Грузов, М.В. Дмитриев, В.Р. Калинин, Ю.М. Натариус, П.А. Ровинский, A.C. Сазонов (СССР). - № 3632922/34-07; Заявлено 12.07.83; Опубликовано 30.01.85. Бюл. №4.- 12 с.

54. A.c. 1167520 СССР. МКИ3. G01R23/02. Устройство контроля импульсной последовательности / В.Л. Грузов, H.A. Левашова (СССР). - № 3610048/24-21; Заявлено 17.06.83; Опубликовано 15.07.85. Бюл. № 26. - 8 с.

55. A.c. 1185530 СССР, МКИ3. Н02Р7/74. Тяговый электропривод переменного тока для транспортного средства / В.Л. Грузов, В.Р. Калинин, Е.П. Крапчина, Ю.М. Натариус, Ю.И. Подольный, П.А. Ровинский (СССР). - № 3632295 / 2407; Заявлено 12.07.83; Опубликовано 15.10.85. Бюл. № 38. - 4 с.

56. A.c. 1196776 СССР, МКИ3. G01R23/00 Н02Р7/74). Устройство сравнения средних частот следования двух импульсных потоков / В.Л.Грузов, В .Р.Калинин, Ю.М. Натариус, Ю.И.Подольный. СССР, - № 3750026/24-21; Заявлено 05.06.84; Опубликовано 07.12.85. Бюл. № 45-3 с.

57. A.c. 1211843 СССР, МКИ3 Н02Р7/42. Частотно-управляемый тяговый электропривод / В.Л.Грузов, В.Р.Калинин, Ю.ИЛодольный (СССР). - № 3730530/24-07; Заявлено 21.04.84; Опубликовано 15.02.86. Бюл. № 36. • 6 с.

58. A.c. 122633 СССР, МКИ3. G01R25/00. Усройство для измерения внутреннего угла синхронной машины / ВЛ.Грузов, М.В.Дмитриев, Ю.М.Натариус, А.С.Сазонов (СССР). - N« 3801844 - 21; Заявлено 17.10.84; Опубликовано 23.04.86. Бюл. № 15 - 6 с.

59. A.c. 1244772 СССР, МКИ3. Н02М7/537. Усройство для управления трехфазным транзисторным инвертором с квазисинуидальным напряжением / В.Л.Грузов, Е.В.Несговоров, М.А.Проскурякова (СССР). - № 3831129/24-07; Заявлено 26.11.84; Опубликовано 15.07.86. Бюл. № 26. - 8 с.

60. A.c. 1251224 СССР, МКИ3. Н02Н7/10. Усройство для контроля состояния вентилей преобразователя / B.JI. Грузов, В.Р. Калинин (СССР). - № 3833648 /2407; Заявлено 02.01.85; Опубликовано 15.08.86. Бюл. № 30. - 3 с.

61. A.c. 1252902 СССР. МКИ3. Н02Р7/42. Частотно-управляемый тяговый электропривод / В.Л. Грузов, В.Р. Калинин, Ю.И. Подольный (СССР). - № 3761471 /24-07; Заявлено 25.06.84; Опубликовано 23.08.86. Бюл.№ 31.- 6 с.

62. A.c. 1270850 СССР, МКИ3. Н02М7/48. Способ управления трехфазным мостовым инвертором, работающим на двигатель переменного тока, и устройство для его осуществления / В.Л. Грузов, Е.В. Несговоров, М.А. Проскурякова, В.А. Тихановский (СССР). - № 3763178/24-07; Заявлено 25.06.84, Опубликовано 15.11.86. Бюл. № 42. - 9 с.

63. A.c. 1292137 СССР, МКИ3. Н02М5/27. Способ управления трехфазным непосредственным преобразователем частоты / В.Л. Грузов, H.A. Левашова--(СССР)., - № 3805986/24-07; Заявлено 29.10.84;£>публиковано 23.02.87. Бюл. № 7.-И с.

64. A.c. 1350787 СССР, МКИ3. HÖ2M5/22. Способ цифрового управления непосредственным преобразователем частоты / В.Л. Грузов, H.A. Левашова, Ю.М. Натариус, Ю.И. Подольный, В.Н. Сидоров (СССР). - № 3986755/24-07; Заявлено 09.12.85; Опубликовано 07.11.87. Бюл. № 41. - 8 с.

65. A.c. 1356148 СССР, МКИ3. Н02М5/22. Способ управления трехфазным непосредственным преобразователем частоты / В.Л. Грузов, Н.Л. Левашова, Ю.М. Натариус, О.Н. Ощепков (СССР). - Заявлено 11.07.85; Опубликовано

30.11.87. Бюл. № 44.-7 с.

66. A.c. 1376189 СССР, МКИ3. Н02М5/22. Способ управления трехфазным непосредственным преобразователем частоты / В.Л. Грузов, H.A. Левашова, Ю.М. Натариус (СССР). - №4103126/24-07; Заявлено 18.06.86; Опубликовано

23.02.88. Бюл. №7. - 14 с.

67. A.c. 1161717 СССР, МКИ3. F02M 65/00. Устройство для контроля угла опережения подачи топлива в дизель/ В.Л. Грузов, Л.Ф. Фомягин, В.Р. Калинин, В.Н. Гузилов, B.C. Полозок (СССР). - № 3706372 / 25 - 06; Заявлено 05.03.84; Опубликовано 15.06.85. Бюл. № 22. - 5 с.

68. A.c. 1476398 СССР, МКИ3. G01R23/02. Преобразователь частота - код / С.И. Авдонин, В.Л. Грузов, В.Р. Калинин, Ю.М. Натариус (СССР). - № 4228690 / 2410; Заявлено 06.03.87; Опубликовано 30.04.89. Бюл. №16. -4 с.

69. A.c. 1493061 СССР, МКИ3. Н02Р6/02. Вентильный электропривод / С.И. Авдонин, В.Т. Гращенков, В.Л. Грузов, Н.И. Лебедев, Ю.М. Натариус (СССР)., -№4278945/24-07; Заявлено 06.07.87; Зарегистрировано 08.03.89 (ДСП). - 7 с.

70. A.c. 1647804 СССР, МКИ3. Н02М5/22. Цифровое устройство для управления фазой выходного напряжения трехфазного преобразователя частоты / С.И. Авдонин, В.Л. Грузов, Ю.М. Натариус, Ю.И. Подольный (СССР). - № 4605632/07; Заявлено 16.11.88; Опубликовано 07.05.91. Бюл. № 17. - 4 с.

71. А.с. 1767688 СССР, МКИ5. Н02Р6/02. Вентильный электропривод / В.Л. Грузов, Ю.М. Натариус (СССР). - № 4794146/07; Заявлено 21.02.90; Опубликовано 07.10.92. Бюл. № 17. - 8 с.

л//' 00 " ■■' /гоУ- -("

и/ V? • « г) — у N

' <■ ч/ Л v ^ ^ ■'

На правах рукописи

Грузов Владимир Леонидович

УДК 62 - 83:621313333

ЧАСТОТНО - РЕГУЛИРУЕМЫЕ БЕСКОНТАКТНЫЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ

(вопросы теории, проектирования, применения, производства)

Специальность: 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы,

включая их управление и регулирование.

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Л «м ч

Работа выполнена в Вологодском политехническом институте.

эдссийская? ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА

Официальные оппоненты

Доктор технических наук, профессор Ковчин С.А. Доктор технических наук, профессор Козярук А.Е. Доктор технических наук, профессор Хрисанов В.И.

Ведущая организация - НИИ Электромашиностроения,

Защита состоится "Л!О " //¿У?/"' .с '098 г. в часов 33*>

Санкт-Петербург

на заседании диссертацио Петербургского Государственного адресу: 197376, г.Санкт-Петербург.

ЛЗб.01 Санкт-'верситета по

С диссертацией в виде науч; 5иблиотеке университета.

.1. .

чомиться в

Диссертация разослана 'Ус?^

Ученый секретарь диссертационного совета

Демидович В.Б.

Общая характеристика работы

Диссертация представляет собой обобщение результатов научно-исследовательской работы, а также опыта работ по проектированию, изготовлению и внедрению образцов бесконтактных электроприводов, в которых участвовал автор с 1960 года в институте Электромеханики АН СССР, ВНИИЭлектромаш, Вологодском политехническом институте, научно-внедренческом предприятии "ЭЛКОМ", научно-производственном предприятии "НОВТЕХ".

К 1990 году элементная база и технические средства сделали очередной шаг в своем развитии. Это прежде всего относится к силовой электронике и микропроцессорным средствам управления. В результате появилась возможность сократить разрыв между результатами научных исследований и их реализацией в промышленных образцах электроприводов. Однако разработка, изготовление и внедрение современных бесконтактных электроприводов на предприятиях России сдерживается как по объективным, так и по субъективным причинам. Из объективных причин следует выделить и то, что свободное владение информацией, которую вобрало в себя понятие "современный автоматизированный электропривод", требует подготовки инженеров по 3 - 4 традиционным специальностям. Поэтому в этой области необходима новая концепция подготовки научных и инженерных кадров. Из субъективных причин следует выделить часто одностороннюю оценку результатов исследований: только по достигаемым показателям качества регулирования без учета технико - экономических показателей как на стадии изготовления, так и при эксплуатации на предприятиях. В то же время зарубежные фирмы на Российском рынке предлагают широкий ассортимент бесконтактных электроприводов с микропроцессорным управлением. Однако многие зарубежные электроприводы используют принцип "абсолютной унификации", что делает их функционально-избыточными для большинства производственных установок. В результате при их объектной ориентации необходима разработка и запись дополнительных управляющих программ, что приводит к затратам, иногда соизмеримым со стоимостью ектроприводов. Таким образом, специалисты в области электроприводов и зятоматизации поставлены перед выбором,- либо использовать зарубежные ¡схемы,- либо искать пути, методы и средства для организации производства внедрения отечественных электроприводов.

История и современное состояние проблемы. Создание первых промышленных образцов асинхронных и синхронных машин определило тачало исследований, поисков методов и технических средств реализации регулируемых электроприводов переменного тока. В своих работах М.П. : эстенко, Н.С. Ямпольский, О.Г. Вегнер, Д.А. Завалишин, И.М. Садовский,

R.H. Park, E. Rodewald, Г. Крон, А.Я. Бергер, Л.Н. Грузов, A.C. Коган, Е.Д. Несговорова, А. Глязер, К. Мюллер, К. Любек к середине 50-х годов создали теоретическую базу для дальнейших исследований. Развитие работы в этом направлении получило в трудах A.A. Булгакова, В.А. Шубенко, A.A. Янко -Триницкого, Е.Я. Казовского, A.A. Горева, A.B. Иванова-Смоленского, В.Т. Касьянова, Г.Н. Штурмана, Ф.И. Бугаева, Е.Л. Этингера. В результате к началу 60-х годов был создан теоретический базис для разработки электроприводов переменного тока и сформировалось три основных направления:

- частотно-регулируемые электроприводы с асинхронными двигателями;

- частотно - регулируемые приводы с синхронными двигателями;

- вентильные преобразователи частоты.

С разработкой транзисторов, тиристоров, а затем и интегральных микросхем электроприводы переменного тока получили реальную возможность конкурировать с электроприводами постоянного тока. Благодаря работам научных коллективов, прежде всего Москвы, Санкт-Петербурга, Новосибирска, Екатеринбурга, Иванова, Киева, Харькова, Минска, в период с 1960 г. по 1996 г. создан научный базис в области анализа и синтеза систем модульного, частотно-токового и векторного управления электроприводами переменного тока, полупроводниковых преобразователей частоты, микропроцессорной реализации систем управления.

Однако инженеры, занимающиеся проектированием электроприводов, а тем более руководители, определяющие техническую политику предприятий, по-прежнему испытывают трудности в принятии решений:

- какой тип электропривода выбрать;.

- что выиграет от этого предприятие;

- как организовать обслуживание современных электроприводов.

Отсюда следует актуальность темы диссертации, что подтверждается

потребностями предприятий в современных регулируемых электроприводах переменного тока и дефицитом электроприводов отечественного производства на Российском рынке.

Целью диссертации является разработка методов идентификации, анализа, синтеза и проектирования объектно-ориентированных бесконтактных электроприводов, обеспечивающих их реализацию минимальными средствами.

Для достижения этой цели были решены следующие задачи:

• разработаны обобщенные модели вентильно-электромеханических систем и выполнена их идентификация на основе общности и различий энергетических и функциональных преобразований;

• выполнен сравнительный анализ характеристик вентильно-электромеханических систем и характеристик механизмов и предложен принцип минимальной достаточности при выборе типа привода и способа регулирования;

• выполнены исследования характеристик электроприводов с синхронными и асинхронными электроприводами и синтезированы оптимизированные законы частотного управления, ориентированные на различные группы механизмов;

• разработаны алгоритмы и системы управления электроприводами с переменной структурой;

• исследованы переходные процессы в асинхронных электроприводах и разработаны способы оптимизации в системах с модульным управлением;

• разработана методика проектирования асинхронных электроприводов для станков и общепромышленных механизмов;

• выполнены исследования электромагнитных процессов в вентильных преобразователях частоты и синтезированы новые способы и устройства управления;

• разработаны устройства диагностирования и контроля исправности преобразователей, увеличивающие время безотказной работы;

• выполнен анализ энергетического баланса в системах преобразователь-двигатель и предложены методы расчета силовых цепей преобразователя;

• предложены принципы принятия решений на этапах проектирования, изготовления и внедрения на основе обобщенных технико-экономических критериев;

• обслуживание электроприводов с асинхронными двигателями.

Методы исследований основаны на разделах теории вероятности,

алгебры логики, тензорного анализа, использовались положения теории пространства состояний и метода энергетического баланса. Были применены методы суперпозиции, кусочно-линейной аппроксимации и активного эксперимента.

Научная новизна работы заключается в следующем :

1. Разработана методика системно-функционального анализа и идентификации автоматизированных электроприводов с вентильными преобразователями.

2. Предложены принципы постоянства функциональных и энергетических преобразований и минимальной достаточности для принятия решений при проектировании объектно-ориентированных электроприводов.

3. Разработана методика проектирования частотно-регулируемых электроприводов с управлением модулями переменных.

4. Предложены методы анализа, идентификации и проектирования полупроводниковых преобразователей частоты.

5. Уточнены динамические и регулировочные свойства частотно-управляемых двигателей переменного тока и предложено их математическое

описание.

6. Разработаны новые способы и устройства управления преобразователями и частотно-регулируемыми электроприводами.

7. Предложены принципы организации производства и маркетинга частотно-регулируемых электроприводов.

8. Новизну подтверждают 47 авторских свидетельств на изобретения и комплексы изобретений.

Практическая значимость результатов исследований заключается в разработке (с учетом реальной производственной базы), изготовлении и организации производства полупроводниковых преобразователей частоты и частотно-регулируемых электроприводов:

1. Преобразователи повышенной частоты (200-400 Гц) серии ПСП для питания электроинструмента, а также бортовых систем стратосферной астрономической станции (ВНИИЭлектромаш).

2. Бесконтактный микроэлектропривод возвратно-поступательного движения для систем жизнеобеспечения скафандров (НИИХиммаш).

3. Сверхвысокоскоростной электропривод электрошпинделя шлифовального станка (240000 об/мин, ЭНИМС).

4. Низкоскоростной частотно-регулируемый электропривод с синхронным двигателем для поворота антенны.

5. Устройства диагностирования преобразователей.

6. Электроприводы судовых грузовых лебедок.

7. Система управления асинхронно-вентильным каскадом.

8. Устройства управления электропривода кругового мостового крана.

9. Устройства управления и контроля электроприводов Ново-Воронежской АЭС.

10. Высокоскоростной электропривод с бесконтактным вентильным двигателем.

И. Тяговые электроприводы и системы управления электротрансмиссией пневмоколесного восьмиосного транспортйого средства.

12. Унифицированные электроприводы с модульной архитектурой MS-MR с бесконтактными вентильными двигателями для станков с ЧПУ и MS-MA с асинхронными двигателями для общепромышленных механизмов, участие в организации серийного производства.

13. Частотно-регулируемые электроприводы серии ЭЧР для станков и общепромышленных механизмов (разработка, организация серийного производства и сбыта).

Личный вклад автора. Начиная с 1961 года автор участвовал в исследованиях и разработке частотно-регулируемых электроприводов в Институте электромеханики Академии Наук СССР (Ленинград, ИЭМ). С 1965 года автор руководил научными коллективами в ИЭМ, ВНИИЭлектромаш,

СЗГТИ, Вологодском политехническом институте. Он принимал участие в изготовлении, наладке и испытаниях полупроводниковых преобразователей частоты и электроприводов в г.Александрии (преобразователи серии ПСП), в Москве (приводы роботов, ЭНИМС), в Казахстане (электроприводы для стрижки овец), в Бюрокане (преобразователи для стратосферной астрономической станции), в Казани, в Вологде (электроприводы MS-MR и MS-MA). В настоящее время под руководством автора разработаны электроприводы нового поколения семейства ЭЧР и при его участии организовано их производство. Преобразователи серии ПСП экспонировались на ВДНХ и были отмечены медалью ВДНХ, по результатам изобретательской деятельности автору было присвоено звание "Изобретатель СССР", а за научную и педагогическую работу присвоено звание "Отличник высшей школы" и ученое звание профессора.

Реализация результатов работы. Начиная с 1965 года научные исследования были ориентированы на обеспечение опытно - конструкторской работы и использование результатов исследований при создании опытных и промышленных образцов электроприводов и полупроводниковых преобразователей. Кроме перечисленных ранее устройств результаты работы используются (судя по цитированию) авторами других научных коллективов. Разработанные автором схемы и системы применяются не только в реализованных при его участии установках, но и в электроприводах, выпускаемых предприятиями других регионов (ТПТР - Ставрополь, РЭН). Принципы, использованные при разработке микродвигателей возвратно-поступательного движения, применяются в магнитном подвесе высокоскоростных электрошпинделей, бесконтактные датчики тока построены по схеме, использованной автором в системе контроля состояния вентилей преобразователей. Материалы диссертации внедрены и внедряются в учебный процесс. На их основе подготовлены и изданы учебные пособия, отдельные разделы включены в лекционные курсы "Преобразовательная техника", "Системы управления электроприводами", предложенные методики применяются в курсовом и дипломном проектировании. Начиная с 1975 года в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах активно участвуют студенты. Одиннадцать студентов, работавших под руководством автора, получили авторские свидетельства на изобретения, 3 аспиранта под руководством автора подготовили и защитили кандидатские диссертации.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методы идентификации и сравнительного анализа автоматизированных электроприводов на основе обобщенных моделей вентильно-электромеханических систем с учетом характеристик различных групп механизмов.

2. Принципы постоянства функциональных энергетических преобразований при синтезе простейших технических решений в процессе разработки серии объектно-ориентированных электроприводов.

3. Анализ регулировочных свойств и переходных процессов в частотно-регулируемых электроприводах и синтез оптимизированных законов управления.

4. Методы оптимизации переходных процессов в асинхронных электроприводах общего применения.

5. Методы обеспечения требуемого качества регулирования на основе систем с переменной структурой.

6. Приближенные методы расчета асинхронных электроприводов с модульным управлением.

7. Методы расчета вентильных преобразователей частоты на основе энергетического баланса и эквивалентных величин.

8. Способы и устройства управления и диагностирования электроприводов и вентильных преобразователей.

9. Организация разработки, производства и внедрения частотно-регулируемых электроприводов с микропроцессорным управлением.

Апробация работы. По отдельным разделам диссертационной работы было сделано более 25 докладов на Всесоюзных, республиканских, отраслевых и межвузовских научно-технических и научно-методических конференциях и семинарах в Москве, Ленинграде, Санкт-Петербурге, Иванове, Орджоникидзе, Риге, Тольятти, Вологде.

Целиком диссертация докладывалась на расширенном научно- техническом Совете электроэнергетического факультета ВоПИ, на кафедре электрических машин и автоматизированного электропривода Санкт-Петербургского Государственного Горного института, на научном семинаре по электромеханическим системам (Международная энергетическая Академия, НТО энергетиков и электриков, Санкт-Петербург).

Публикации. Автором опубликовано (единолично и в соавторстве) по теме диссертации и смежным проблемам более 120 работ, в том числе 47 авторских свидетельств на изобретения и комплексы изобретений. Использована при составлении рукописи 71 работа. Список работ приведен в конце текста диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

I .ВЕНТИЛЬНО-ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

1.1 Энергетические преобразования в ветнльноолектромеханических

системах.

Многообразие технических решений при синтезе автоматизированных электроприводов привело к серьезным трудностям не только при организации подготовки инженеров, но и при сравнительном анализе и идентификации различных систем в процессе проектирования. Принцип последовательного анализа систем, отличающихся конструкцией двигателей и вентильных преобразователей, затрудняет освоение учебных курсов и может привести к некорректным решениям [4] в процессе исследований. Поэтому в современных условиях целесообразно анализ и идентификацию автоматизированных электроприводов реализовать на общих признаках: общности и различии энергетических и функциональных преобразований, а затем в рамках обобщенных систем рассматривать варианты их исполнения.

Автоматизированный электропривод (АЭП) представляет собой сложную наукоемкую систему, которую условно можно разделить на две части,-информационную и энергетическую. Энергетическая часть современных АЭП выполняется на осно