автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Динамические модели и детализированные структуры электромеханических систем на основе специальных индукционных машин

/

/

/

УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ДИНАМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И ДЕТАЛИЗИРОВАННЫЕ СТРУКТУРЫ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ СПЕЦИАЛЬНЫХ ИНДУКЦИОННЫХ МАШИН

Специальность 05.09.01 - Электромеханика

ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ-академик РАЭН, доктор технических наук, профессор САРАПУЛОВ Ф.Н.

Екатеринбург 1998

СОДЕРЖАШЕ 2

Основные обозначения ...................................... 3

Введение .................................................. 4

Глава 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ....... 8

1.1. Структура электромеханической системы................. -

1.2. Динамические модели и особенности переходных процессов

в линейных индукционных машинах..............................................9

1.3. Структура и особенности механических преобразователей электромеханических систем.................................11

1.4. Стуктурно-топологические методы исследования электромеханических систем......................................................................13

1.5. Предмет и задачи исследования..................................................16

Глава 2. МОДЕЛЬ И ДЕТАЛИЗИРОВАННАЯ СРУКТУРА ИНДУКЦИОННОГО

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРЕБРАЗОВАТЕЛЯ ЭНЕРГИИ....... 18

2.1. Индукционная машина как многоканальный многополюсник..

2.2. Вращающийся двигатель, как частный случай линейной индукционной машины..................................... 34

2.3. Упрощенный вариант модели индукционной машины......... 42

2. 4. Выводы................................................ 46

Глава 3. ОСНОВЫ СИНТЕЗА МОДЕЛЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ И ЦЕПЕЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ.............................. 47

3.1. Элементы и цепи электромеханических преобразователи— -

3. 2. Механические преобразователи.......................... 101

3.3. Каналы измерения, регулирования и логического управления................................................... 135

3.4. Выводы................................................ 145

Глава 4. АНАЛИЗ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ....................................... 146

4.1 Динамическая модель JIM при питании от источника напряжения............................................... -

4.2 Методика и результаты расчета переходных процессов____ 154

4.3. Выводы................................................ 173

Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРАКТИЧЕСКИЕ

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................ 174

5.1. Экспериментальные исследования динамики элементов и цепей электромеханической системы..........................................-

5.2. Практические приложения результатов исследования............207

5.3. Выводы................................................................................................209

Заключение................................................. 210

Список литературы........................................... 212

Приложения................................................. 220

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВЗ - вторичный элемент

ЛИМ - линейная индукционная машина

ЭМС - электромеханическая система

МП - механический преобразователь

УА - управляющий автомат

ПКЭ - продольный краевой эффект

ЭМП - электромеханический преобразователь

АВМ - аналоговая вычислительная машина

ЭВМ - электронная вычислительная машина

ДМС - детализированная магнитная схема

КрАД - круговой асинхронный двигатель

САР - система автоматического регулирования

УРН - управляемый регулятор напряжения

СУ - система управления

PC ~ регулятор скорости

НКУ - нелинейное корректирующее устройство

ДСС - детализированная структурная схема

ЛП - логический преобразователь

ПДИ - подавтомат динамической индикации

МОА - модель операционного автомата

ВВЕДЕНИЕ

Значительная роль в совершенствовании технологических процессов и повышении эффективности промышленного производства принадлежит электромеханическим системам С ЭМО, развитие которых тесно связано с развитием электрических машин.

В современных ЭМС производственных механизмов все более широкое применение находят специальные электрические машины, в частности, линейные индукционные машины СЛИМ). Системы с ЛИМ обладают целым рядом достоинств: простота конструкции силовой части, возможность интеграции подвижной части машины с исполнительным органом механизма, высокая надежность в работе, малошумность, простота передачи тягового усилия в герметичные объемы с запыленными и вредными средами.

Известно, что ЛИМ как объект управления представляет собой сложную динамическую систему. При этом наибольшие трудности для синтеза требуемых моделей и анализа динамических процессов создают многоканальность ее структуры, взаимосвязанность каналов преобразования энергии, а также нелинейность отдельных ее элементов. Создание высококачественных ЭМС с использованием ЛИМ невозможно без детального анализа электромеханических переходных процессов с учетом многоканальности структуры ее электромеханического преобразователя (ЗМП), существенных нели-нейностей компонентов системы и особенностей индукционной машины, обусловленных разомкнутостью ее магнитопровода и эффектами "входа-выхода" проводящих контуров вторичного элемента (ВЗ).

Кроме того, повышение эффективности проектирования рассматриваемого класса систем требует создания детализированных моделей их механических преобразователй СМП), отражающих все существующие в реальной взаимосвязанной системе механические связи, обеспечивающих возможность оценки влияния на динамику системы параметров отдельных звеньев энергетических и информационных каналов при передаче потока энергии от двигателей к исполнительным механизмам Си наоборот), дающих возможность получения путем структурных преобразований необходимых эквивалентных моделей и корректного определения коэффициентов приведения их параметров и воздействий.

. Целью работы является разработка динамических моделей элементов и устройств энергетического и информационно-управляющего каналов ЭМС на основе специальных индукционных машин, позволяющих значительно расширить возможности анализа динамических процессов и обеспечивающих повышение эффективности создания подобного класса систем на стадии их проектирования за счет глубокой детализации структур компонентов системы.

Для синтеза динамических моделей в настоящей работе применен структурный метод, основанный на представлении математического описания динамических объектов в виде детализированных структурных схем, представляющих собой наиболее распространенный вид структурно-топологических моделей и состоящих из эле-

ментарных звеньев с полностью вскрытыми связями между ними. Синтез структуры управляющего автомата С УАЗ произведен на основе теории конечных автоматов. Экспериментальные исследования полученных теоретических результатов проведены методом имитационного математического моделирования на ЭВМ.

На основании проведенных исследований получены следующие новые научные результаты:

1. Динамическая модель электромеханического преобразователя ЛИМ, учитывающая многоканальность его структуры и взаимосвязанность каналов преобразования энергии и обеспечивающая возможность исследования переходных процессов в Ъ-области в режимах работы, характерных для электромеханических систем с разомкнутым и замкнутым циклами управления при различных видах управляющих и возмущающих воздействий С пуск, реверс, наброс и сброс нагрузки, различные виды комбинированного торможения и способы регулирования скорости и т.п.) с учетом существенных нелинейностей элементов машины, оценки влияния отдельных энергетических каналов ЭМП ЛИМ на его интегральные характеристики, выявление характера изменения внутренних переменных энегетичес-ких каналов ЭМП при изменении внешних переменных ЭМС для формирования его информационных каналов, а также дающая возможность определения по расчетным переходным характеристикам ее компонентов адекватной модели ЛИИ для синтеза регуляторов системы управления.

2. Рекомендации по основам синтеза моделей элементов и цепей ЭМС, в том числе и цепей с электрической редукцией, обеспечивающих возможность проведения анализа динамических процессов по структурным схемам, по схемам в переменных состояния и по уравнениям состояния и уравнениям интересующих выходов.

3. Метод синтеза детализированной структуры и коэффициентов приведения параметров и воздействий эквивалентных моделей механических преобразователей, позволяющий учесть все существующие в реальной взаимосвязанной системе механические связи, обеспечивающий возможность оценки влияния на динамические процессы ЭМС параметров отдельных звеньев энергетических и информационных каналов, дающий возможность получения путем структурных преобразований необходимых эквивалентных моделей и корректного определения коэффициентов приведения их параметров и воздействий.

4. Нетрадиционные способы измерения, регулирования и стабилизации скорости, а также определения направления движения ВЭ машины и структуры устройств для их осуществления.

5. Модель унифицированной структуры дискретного УА в пространстве состояний, ориентированная на программную реализацию алгоритма ее функционирования с использованием промышленных контроллеров, обеспечивающей программно-логическое управление

исполнительными механизмами ЭМС в различных режимах работы технологического объекта и необходимую реакцию УА на сигналы нерегулярных ситуаций.

8. Динамические модели типовых элементов логических преобразователей УА, обеспечивающих возможность анализа устойчивости функционирования исходного алгоритма управления в конкретном элементном базисе с учетом наличия в тактах автоматного времени динамических фаз методом пространства состояний.

Результаты исследований реализованы в рабочих' проектах ОАО " Уральский научно-технологический комплекс" ЭМС управления электроприводами промышленного оборудования в составе технологических установок и комлексов ГПО "УВЗ". Полученные теоретические результаты используются в учебном процессе кафедры "Электротехники и электротехнологических систем" УГТУ.

Основные результаты доложены и обсуждены на следующих научно-технических конференциях:

- научно-технической конференции с международным участием по проблемам промышленных электромеханических систем и перспективам их развития (Россия,Ульяновск, 1996г. ):

- международной конференции по проблемам электромеханических и электротехнических систем (Польша,Щецин,1996г.);

- международной конференции по проблемам электромеханических и электротехнических систем С Украина, Алушта, 1997г.):

- одиннадцатой научно-технической международной конференции по электроприводам переменного тока ( Россия, Екатеринбург, 1998г.);

- четвертой международной научно-методической конференции 21-26 сентября 1998 года (Россия, Астрахань,1998. ):

- третьей международной конференции по электромеханике и злектротехнологии 14-18 сентября 1998 (Россия, Клязьма,1998).

По результатам выполненных исследований опубликовано де-вятндцать печатных работ, получено четыре авторских свидетельства на изобретения.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы 253 страницы, в том числе 219 страниц основного текста, иллюстрированных 209 рисунками, 5 таблиц, 8 страниц списка литературы (111 наименований) и 34 страницы приложений.

В первой главе работы дается аналитический обзор и формулируются задачи исследования.

Вторая глава посвящена синтезу деталированных структур ЛИМ и ее кругового аналога при питании от источников напряжения и тока. Приводится упрощенная модель машины при питании индуктора от управляемого регулятора напряжения с блоком линеаризации.

Третья глава посвящена разработке основ синтеза моделей элементов и устройств ЭМС, детализированных структур индуктивно связанных цепей и механических преобразователей. Приводится

методика определения эквивалентных моделей механических преобразователей, а также коэффициентов приведения параметров и воздействий этих моделей. Описаны каналы измерения и цепи логического управления. Приводится модель унифицированной структуры УА в пространстве состояний.

В четвертой главе приведены результаты анализа режимов работы элементов ЭМС, описана динамическая модель ЛИМ при питании от источника напряжения и методика расчета переходных процессов в ЛИМ.

Пятая глава посвящена результатам экспериментальных исследований и практических приложений.

о

О

I. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. СТРУКТУРА ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Обобщенная структура электромеханической системы С ЭМС) изображена на рис. 1.1. В состав системы входит электрический преобразователь 2, получающий питание от системы электроснабжения 1, электромеханический преобразователь 3, механический преобразователь 4, исполнительный орган 5 рабочего механизма,

I-1 I-! I-1 I-1 I-1

1 1 ь«—и 2 Ь—И з Н—И 4 Ь—И 5 1—1

I_I I_I I_!_! I_(_I 1_!_I

I-1

I 7 Н

I——1

-и 6 I«-

I__I

▼

I

Рис. 1.1

система управления С СУ) 6 координатами ЭМС и управляющий автомат С УАЗ 7, обеспечивающий формирование сигналов задания СУ координатами ЭМС. Элементы 1-5 образуют энергетический канал ЭМС. Элементы 6,7 и каналы обратных связей относятся к ее информационно-управляющим каналам. В диссертационной работе рассматриваются динамические модели основных компонентов энергетического канала С электромеханический и механический преобразователи ) ЭМС на основе линейных индукционных машин СЛИМЗ, в том числе и дугостаторных, а также отдельные компоненты ее информационно-управляющих каналов С элементы электрических цепей, цепей логического управления и управляющий автомат). Электрический преобразователь' 2 представлен в моделях электромеханического преобразователя ЛИМ параметрами его силовой цепи, а также амплитудой, частотой и начальной фазой источника питающего напряжения.

1.2. ДИНАМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЛИНЕЙНЫХ ИНДУКЦИОННЫХ МАШИНАХ

Многообразие динамических моделей ЛИМ объясняется рядом особенностей электромагнитных переходных процессов, которые вызваны разомкнутостъю ее магнитопровода, а также эффектами "входа-выхода", вызванными переходом элементарных вторичных проводящих контуров ВЭ из неактивной зоны в активную на набегающем крае индуктора и из активной зоны в неактивную на сбегающем крае С 98,991.

Разомкнутостъ магнитной цепи в ЛИМ приводит к отклонению от синусоидальной формы распределения потока в ярме и индукции в воздушном зазоре по продольной координате машины. Искажение картины магнитного поля ухудшает тяговые и энергетические характеристики ЛИМ. Из-за неравномерности распределения поля вдоль продольной оси катушки обмоток разных фаз находятся в неодинаковых магнитных условиях, что вызывает асимметрию ЭДС, наводимых в фазах обмотки индуктора. Это влечёт за собой возникновение асимметрии фазных токов при питании машины от источника с симметричной системой напряжений.

Вторичное магнитное поле, обусловленное токами ВЭ, оказывает большое влияние на суммарный магнитный поток в зазоре машины. Вторичный элемент можно представить себе как непрерывную последовательность проводящих контуров, которые входят в зону индуктора, движутся в ней и затем покидают активную зону. Явления "входа-выхода" сопровождаются появлением индуктированных токов и соответствующих потерь. Даже при движении ВЭ с синхронной относительно поля индуктора скоростью, во ВЭ существуют токи и потери, вызванные наличием границ обмотки индуктора, т.е. явлениями "входа-выхода". Возникающие при этом усилия могут быть как тормозными, так и двигательными.

Специфические особенности работы ЛИМ, обусловленные реакцией ВЭ, получили название вторичного продольного краевого эффекта, а особенности, имеющие место при отсутствии реакции вторичной части, - первичного краевого эффекта. В целом, совокупность рассмотренных особенностей электромагнитных процессов в машинах с разомкнутым магнитопроводом получила название продольного краевого эффекта СПКЭ) [17]. Идеальная ЛИМ, в которой отсутствует ПКЭ, является его круговым аналогом. Кроме отмеченных специфических явлений, в ЛИМ наблюдаются зубцовые эффекты, электромагнитные переходные процессы и другие явления, характерные для симметричных машин вращательного движения.

Для анализа режимов работы ЛИМ используются различные динамические модели [9,41,44,50,711. Разработаны численные математические модели, сводящиеся, в основном, к системам дифференциальных уравнений высокого порядка. Последний определяется уровнем дискретизации практической области существования электромагнитного поля и протяженностью краевых зон расчетной моде-

ли- В работая [41,70] шаг дискретизации принимается равным зуб-цовому делению и анализ проводится в "пазовый" координатах, что позволяет получить удовлетворительную точность при ограниченном порядке системы уравнений.

Иногда динамические модели [44] сводят исходную машину к последовательному или параллельному включению действующих на один рабоч�