автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Электромеханические устройства перемещения ленточных носителей информации специализированных вычислительных комплексов

На правах рукописи

ДМИТРИЕВ ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ЛЕНТОЧНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ИНФОРМАЦИИ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ

Специальность 05.13.05 - элементы и устройства вычислительной техники и систем управления.

Специальность 05.09.01 - электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Ульяновск - 2003

Работа выполнена в Ульяновском государственном техническом университете

Научный консультант: д.т.н., профессор Боровиков М.А.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Беспалов В.Я.; доктор технических наук, профессор Семушин И. В.; доктор технических наук, профессор Дубинин А. Е.;

Ведущая организация: НПЦ "ПОЛЮС", г. Томск

Защита состоится 22 октября 2003 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.27.01 Ульяновского государственного технического университета, ауд.211.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 432027, г. Ульяновск, ул. Северный Венец, д.32, УлГТУ, ученому секретарю.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ульяновского государственного технического университета.

Автореферат разослан сентября 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор

Казаков М.К.

з

Т^ВЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

При разработке специализированных вычислительных комплексов (ВК), к которым относятся судовые автоматизированные системы управления, к числу основных проблем относится задача создания высоконадежных и эффективных устройств ввода информации (УВИ), отвечающих ряду специальных требований, определяемых особыми условиями их функционирования и эксплуатации. В первую очередь, это жесткие требования к надежности УВИ, которые ввиду катастрофических последствий возможных отказов, превалируют над требованиями технических показателей. К особенностям УВИ специального назначения относятся модульность исполнения, повышенные требования к уровню шумов и вибраций, ограничения отраслевых стандартов к применению в проектируемом объекте блоков электроники, в том числе зарубежного исполнения.

В современных вычислительных комплексах носители информации весьма многообразны. Они могут быть выполнены в виде перфоносителей, носителей со специальным слоем (свето- и термочувствительным, диэлектрическим, электрохимическим, магнитным и др.). В современных судовых информационно-управляющих комплексах (ИУК) наиболее ответственная информация, требующая повышенной надежности в хранении и функционировании размещается на ленточных перфоносителях (Пл).

Одним из узлов, обуславливающих основные характеристики УВИ специализированных ВК, является лентопротяжный механизм (ЛПМ), который должен обеспечивать перемещение ленты в зоне фотосчитывающих головок с постоянной скоростью, создавать требуемое натяжение ленты, обеспечивать минимальное время разгона и торможения ленты, ускоренную прямую и обратную перемотку ленты и точный останов.

Анализ специальных требований, предъявляемых к УВИ судовых ВК, показал, что создание ЛПМ, удовлетворяющего всем требованиям, предъявленным к нему со стороны управляющего комплекса, может быть осуществлено за счет применения безредукгорного привода вращающихся узлов ЛПМ (катушек, ведущих роликов) на базе объектно-ориентированных (встроенных) электромеханических устройств (ЭМУ). Однако встроенные ЭМУ, как правило, требуют нетрадиционных конструкций электромеханического преобразователя энергии. Так, при ограниченных осевых размерах модуля наиболее целесообразно применение встроенных асинхронных двигателей с массивным ротором (ВАДМР), имеющих плоскую конфигурацию магнитопровода и обмоток.

В качестве отправных точек для создания УВИ специализированных ВК следует назвать работы Е. П. Балашова, Н. Н. Савета, В. И. Адасько, А. В. Михневича, В. П. Титова и других, в которых описаны конструкции и свойства отдельных звеньев и всего устройства в целом, приведены методики проектирования и расчета характеристик, алгоритмы управления и математическое описание УВИ. Однако ряд важных проблем, связанных со спецификой функ-

ционирования и эксплуатации судовых ИУК о бует доработки.

азегея-«ереш£Ешыми.

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

С.Петербург с/,,

оэ т$»*п/Ру

или тре-

Особенностями ЭМУ, предназначенных для привода специализированных ВК являются:

•' • Заданные габаритные размеры электромеханических устройств, что требует нового подхода к их проектированию.

• Сложности в проведении испытаний, что объясняется отсутствием выходного вала ЭМУ встроенного исполнения.

• • Необходимость минимизации габаритов и повышения надежности системы управления электроприводом ЛПМ, что требует выбора простых и высоконадежных способов регулирования ЭМУ.

Таким образом, можно утверждать, что, несмотря на существенный прогресс в разработке накопителей с большой информационной емкостью и быстродействием, в настоящее время и обозримом будущем наиболее ответственная информация будет храниться только на ленточных перфоносителях. Кроме того, в связи с простотой, надежностью и малой стоимостью ЛПМ с магнитной лентой (Мл) последние продолжают применяться и составляют большую часть накопителей в специализированных ЭВМ.

Проблема совершенствования существующих и разработки новых надежных и высокоэффективных электромеханических УВИ специализированных ВК, в полной мере удовлетворяющих требованиям судовых управляющих комплексов в части динамических, акустических и массогабаритных характеристик, является актуальной. Результаты ее решения имеют важное народнохозяйственное и оборонное значение не только для судовых ВК, но и многих других областей науки и техники, связанных с разработкой и исследованием объектно-ориентированных ЭМУ нетрадиционного исполнения.

Диссертационная работа выполнена в рамках решения проблемы создания специализированных информационно-управляющих комплексов. В основу диссертационной работы положены результаты НИР, выполненных на кафедре «Электропривод и автоматизация промышленных установок» Ульяновского государственного технического университета в период с 1976 по 2003 г. как по заказам предприятий, так и в рамках научно-технических программ.

Цель работы. Целью работы является обобщение результатов исследований, их систематизация и разработка новых решений по созданию ЭМУ перемещения ленточных носителей информации в модульном исполнении, создание основ теории данного класса ЭМУ, а также методического и программного обеспечения для их анализа и оптимального проектирования.

Основные задачи исследований.

1. Разработка рациональных кинематических схем ЛПМ для специализированных ВК.

2. Исследование схем силовых цепей реверсивных ВЛДМР в приводе ЛПМ. Разработка рациональных схем повышенной надежности с минимальным числом элементов силовой и управляющей частей.

3. Разработка методов и средств идентификации параметров и характеристик встроенных в модуль ЛПМ двигателей.

4. Разработка методического и программного обеспечения для оптимизационного проектирования ЛПМ.

5. Разработка обобщенной математической модели ЛПМ. Исследование его установившихся и динамических режимов, разработка рекомендаций по проектированию устройств перемещения ЛНИ.

6. Проведение экспериментальных исследований, осуществление практической реализации разработанных устройств и их внедрение в промышленность.

Методы исследований. Теоретические исследования проведены с использованием положений теории электрических цепей, теории электромеханических и электромагнитных переходных процессов в электромеханических преобразователях энергии, математической теории электрических машин, методов операционного исчисления и математического моделирования на ЭВМ. Анализ параметров и статических механических характеристик ВАДМР проводятся по оригинальной методике с использованием экспериментальных частотных характеристик. Исследование переходных процессов ЛПМ проводится на ЭВМ с использованием метода Рунге-Кутта на основе программной среды "DELPHI". Программы оптимального проектирования ВАДМР выполнены в среде MathLAB 5.2 и MathCAD - 2001 Pro, где алгоритм поиска оптимума основан на методе Quasi-Newton.

Для оценки точности результатов и правильности теоретических выводов проведён ряд экспериментальных исследований. Осуществлено проектирование, изготовление и исследование 12 типоразмеров ВАДМР торцевого и 5 типоразмеров линейных ВАДМР с различным материалом массивных вторичных обмоток: медь, алюминий, бронза, сталь, а также использовались маломагнитные сплавы. Экспериментальная проверка разработанных устройств проводилась в процессе лабораторных и заводских испытаний.

Научная новизна.

1. Разработаны принципы построения и синтеза безредукторных ЛПМ УВИ для специализированных ЭВМ на базе ВАДМР торцевого и линейного исполнений, обладающих улучшенными массогабаритными, виброшумовыми, динамическими и энергетическими показателями.

2. Разработаны и исследованы новые силовые схемы реверса ВАДМР с низким коэффициентом мощности.

3. Предложен новый способ идентификации параметров и характеристик ВАДМР, основанный на испытании объекта в неподвижном режиме и разработаны его теоретические основы.

4. Разработана математическая модель оптимизационного расчета АД торцевого и линейного исполнений с массивной вторичной обмоткой в заданных габаритах.

5. Впервые разработана обобщенная математическая модель ЛПМ на базе ВАДМР с учетом реальной нелинейной зависимости параметров массивной обмотки от насыщения и вытеснения тока, контуров вихревых токов в магнитопроводе статора, несимметрии электромагнитной системы, переменного момента инерции кассетного устройства, наличия датчиков и регуляторов скорости и натяжения, устройств коррекции и других эле-

ментов САУ, конденсаторно-тиристорного коммутатора и электромагнитного тормоза (ЭМТ).

6. Доказано существенное влияние учёта одновременного изменения параметров массивной обмотки от частоты и величины наводимых в ней токов на точность расчёта динамических режимов ВАДМР, управляемых напряжением.

7. Впервые предложен и исследован метод комбинированного двухступенчатого торможения ВАДМР с использованием режимов противовкточе-ния и торможения электромагнитным тормозом.

Практическая ценность работы.

1. Разработанные структуры безредукторных ЭМУ перемещения ленточных материалов нашли практическое применение как в ЛПМ ВК, так и других лентопротяжных устройствах на базе встроенных линейных и торцевых ВАДМР.

2. Методики определения и результаты исследований параметров и механических характеристик ВАДМР могут быть использованы для анализа динамических и установившихся режимов других типов асинхронных и синхронных машин с массивными роторами.

3. Получены рекомендации по рациональной организации двухступенчатого комбинированного торможения ВАДМР с ЭМТ.

4. Предложены новые схемы двухдвигательных электроприводов перемещения ленточных материалов, которые позволяют создавать ЛПМ с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

5. Практическую значимость имеют технические решения по конструкциям ЛПМ, линейных и дисковых ВАДМР и устройств на их основе для перемещения ленточных материалов, защищенные авторскими свидетельствами на изобретения и патентами.

6. По результатам теоретических и экспериментальных исследований спроектированы, изготовлены и внедрены в производство ЛПМ УВИ. Реализация результатов работы. Теоретические и экспериментальные

результаты диссертационной работы нашли применение на предприятии НПО «МАРС» при создании устройств ввода информации с перфоленты и накопителей на магнитной ленте для судовых ИУК. С 1984 г. на предприятиях Мин-судпрома для обеспечения разработок отрасли освоено серийное производство устройств ввода информации с перфоленты в составе лентопротяжного механизма и блока управления на частоту сети 400 и 50 Гц. Указанные устройства до настоящего времени находятся в эксплуатации и удовлетворяют требованиям судовых информационно-управляющих комплексов.

Способ определения параметров и характеристик двигателей в неподвижном состоянии был внедрен в ОАО «УНИПТИМАШ» при разработке транспортных средств на базе встроенных асинхронных двигателей, НПО «МАРС» при испытаниях АД для ЛПМ, в лабораторном практикуме в УлГТУ.

Научные положения и выводы работы реализованы также при разработке информационно-измерительных устройств с ленточной шкалой, в приводах перемещения ленточных материалов в рабочую зону прессов и вибрационных

систем со встроенными двигателями с массивными роторами для сейсмических комплексов.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на 32 Международных, Всесоюзных и региональных конференциях, семинарах, симпозиумах и конгрессах, в том числе:

на Всесоюзном симпозиуме по автоматизированному линейному и маг-нитогидродинамическому электроприводу - (Таллин, 1981), Всесоюзной научно-технической конференции «Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов» - (Грозный, 1982), Всесоюзной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» - (Иваново, 1985), на краевой научно-технической конференции «Автоматизация электроприводов и оптимизация режимов электропотребления» - (Красноярск, 1985), Всесоюзной конференции «Методы и средства обработки сложной графической информации» - (Горький, 1985), IV Всесоюзной научно-технической конференции «Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов» - (Днепродзержинск, 1985), II Всесоюзной конференции «Автоматизированные системы обработки изображений (АСОИз-86) - (Москва, 1986), Всесоюзной конференции «Методы и средства обработки сложной графической информации» - (Горький, 1988), VIII научно-технической конференции Уральского политехнического института - (Свердловск, 1988), Всесоюзном совещании «Проблемы создания и применения линейных электродвигателей и электроприводов в машинах, оборудовании и транспортно-технических системах» -(Донецк, 1989), Всесоюзной научно-технической конференции «Современное состояние, проблемы и перспективы энергетики и технологии в энергостроении» - (Иваново, 1989), семинаре «Совершенствование судовых и автономных электромеханических систем» - (Севастополь, 1990), семинаре «Системы управления, следящие приводы и их элементы» - (Москва, 1991), международном научно-техническом семинаре «Электромеханические системы с компьютерным управлением на автотранспорте» - (Суздаль, 1993), научно-технической конференции с международным участием «Электротехнические системы транспортных средств и их роботизированных производств», секция: «Электротехнические системы роботизированных производств» - (Москва, 1995), международной научно-технической конференции «Непрерывно-логические и ней» ронные сети и модели». Модели технических систем - (Ульяновск, 1995), научно-технической конференции с международным участием «Электротехнические системы транспортных средств и их роботизированных производств» -(Москва, 1995), 2nd international scientific and technical conference on unconventional electromechanical systems - (Poland, Szczecin and Miedzyzdrooje, 1996), научно-технической конференции с международным участием «Проблемы промышленных электромеханических систем и перспективы их развития» -(Ульяновск, 1996), III Международной (XIII Всероссийской) НТК. «Проблемы автоматизированного электропривода» - (Ульяновск, 1998), Всероссийском электротехническом конгрессе с международным участием. "На рубеже веков: итоги и перспективы" - (Москва, 1999), IV Международной (XIV Всероссийской) научно-технической конференции по автоматизированному электропри-

воду "АЭП-2001" - (Нижний Новгород, 2001), international scientific and technical conference on unconventional electromechanical systems - (Poland, Szczecin and Miedzyzdrooje, 2001), научно-технических конференциях Ульяновского государственного технического университета (1976 - 2003 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 71 научных работах, включающих монографию, учебное пособие с грифом УМО, 20 статей, 19 тезисов докладов и 30 авторских свидетельств и патентов.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 210 наименований, изложенных на 351 страницах машинописного текста, содержит 133 рисунка, 18 таблиц и приложение на 14 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований и необходимость разработки электромеханических устройств ввода информации для специализированных ВК, сформулирована цель работы, подчёркнута научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведены сведения о результатах практического использования выполненных исследований.

В первой главе рассматривается назначение и перспективы развития УВИ в судовых вычислительных комплексах. Приведены обзор и систематизация различных принципов построения ЛПМ УВИ. Дана классификация ЛПМ по функциональному назначению, характеру движения ленты и структуре электропривода.

В традиционных конструкциях судовых ЛПМ, включая ЛПМ прибора 187Л, привод катушек с перфолентой и ведущих роликов, осуществляющих транспорт ленты в зону считывания, обеспечивается сложной кинематикой, включающей в себя редукторы, фрикционные муфты, прижимные и тормозные электромагниты и т.п. Сложная кинематика таких ЛПМ и определяет, в основном, их невысокие эксплуатационные качества.

Первым вариантом безредукторного ЛПМ, разработанного в НПО "МАРС" совместно с УлГТУ явился четырехдвигательный механизм, в котором были удалены все кинематические элементы прибора 187Л. Транспорт ленты в зону считывающих головок осуществлялся двумя ведущими роликами, приводимыми во вращение двумя реверсивными торцевыми АД с малоинерционным немагнитным ротором. Ведущий ролик и двигатель объединены в единый блок "мотор - ролик". Привод кассет осуществлялся от отдельных реверсивных, встроенных в подкассетное пространство, торцевых ВАДМР. В связи с наличием пружинных компенсаторов момент инерции катушек практически не оказывает влияния на работу привода ведущих роликов и позволяет получить хорошие динамические показатели в стартстопных режимах ЛПМ, что является важным фактором для устройств внешней памяти специализированных вычислительных комплексов.

В связи с введением новой отраслевой конструкторско-технологической базы в ходе разработки современных информационно-управляющих комплек-

сов, возникла проблема создания УВИ с ЛНИ в модульном исполнении с улучшенными эксплуатационными и массогабаритными характеристиками. Эти устройства, кроме реверсивного стартстопного режима, должны обеспечивать относительно длительные установившиеся режимы транспорта ленты во время ее перемотки или при поиске нужного массива информации. В этом случае применяются, так называемые, универсальные механизмы. Для класса универсальных ЛПМ УВИ с Пл малое время разгона является желательным, но не обязательным условием, что позволяет отказаться от многодвигательного электропривода с развязанными схемами управления перемещением ЛНИ и смоткой -намоткой.

Вариант двухдвигательного ЛПМ с электромагнитным тормозом (ЭМТ), датчиками скорости и датчиками натяжения приведен на рис.1. Датчики натяжения одновременно выполняют функции упругих компенсаторов и демпферов, сглаживающих возможные колебания скорости ЛНИ.

датчики скорости

Рис.1. Двухдвигательный безредукторный ЛПМ

Выбор типа электромеханического преобразователя энергии и его конструктивного исполнения является ключевым при разработке электромеханических устройств ввода информации специализированных ВК. Учитывая модульное исполнение таких устройств, применение электрических двигателей серийного исполнения любого типа исключается, в связи с невозможностью их встраивания в модуль из-за его малого осевого размера. По этой причине актуальной является задача разработки объектно-ориентированных силовых электромеханических устройств нетрадиционного конструктивного исполнения, обеспечивающих оптимальное встраивание в заданные габариты с выполнением требуемых техническими условиями энергетических, виброшумовых и экс-

плуатационных характеристик. Анализ этого вопроса показал, что при ограниченном осевом размере единственным решением является плоское дисковое исполнение статора и совмещение вторичного элемента (ротора) непосредственно со щекой кассеты или плоское линейное исполнение индуктора с ленточным вторичным элементом, обеспечивающим или непосредственный транспорт ленточного материала, или перемещение замкнутого пассика в однодвига-тельных устройствах.

Таким образом, анализ известных решений и проведенпые в первой главе исследования показали, что УВИ современных судовых ВК необходимо выполнять на базе безредукторных приводов. Это позволяет снизить весогабарит-ные показатели устройства и войти в отраслевой стандарт по виброшумовым характеристикам.

В связи с плоским модульным исполнением ЛПМ, приводы ведущих узлов устройств внешней памяти специализированных ИУК целесообразно выполнять на базе торцевых АД с малоинерционным немагнитным ротором или линейных АД с ленточным вторичным элементом. Приводы универсальных и поточных ЛПМ, а также приводы смотки - намотки ССМ целесообразно выполнять на базе торцевых АД с массивным ферромагнитным ротором.

Для решения проблемы создания высокоэффективных электромеханических УВИ на базе встроенных торцевых и линейных АД с массивными роторами необходимо решить следующие задачи:

• выбрать способ управления асинхронным электроприводом ЛПМ;

• исследовать схемы реверсивных силовых цепей ВАДМР в приводе одно и двухдвигательных ЛПМ. Разработать рациональные схемы повышенной надежности с минимальным числом элементов силовой и управляющей частей;

• исследовать способы торможения ЛПМ и разработать схемы, повышающие эффективность и надежность тормозных режимов;

• разработать методическое и программное обеспечение для оптимизационного проектирования ЛПМ;

• разработать методы и средства идентификации параметров и характеристик встроенных в модуль ЛПМ двигателей;

• разработать обобщенную математическую модель ЛПМ. Исследовать его установившиеся и динамические режимы, разработать рекомендации по проектированию электромеханических устройств перемещения ленточных носителей информации;

• провести экспериментальные исследования, осуществить практическую реализацию разработанных устройств и их внедрение в промышленность.

Во второй главе рассматриваются схемы силовых электрических цепей ВАДМР в приводе ЛПМ. При разработке электромеханических устройств ввода с ЛНИ на базе встроенных асинхронных двигателей торцевого или линейного исполнения одной из важных задач является выбор эффективного способа управления электроприводом, отвечающего ряду специальных требований, обусловленных особенностями применения в рассматриваемых вычислитель-

ных комплексах. К таким требованиям относятся заданные габаритные размеры блока управления, ограниченные размерами стандартного модуля, и повышенная надежность устройства. Оба этих требования приводят к необходимости применения схем управления с минимальным количеством элементов.

Как известно, наиболее экономичным является частотное управление АД с малым значением критического скольжения, т.е. с короткозамкнутым ротором. Однако исследования показали, что при торцевом исполнении АД наличие беличьей клетки требует дополнительного осевого расстояния на роторе и, таким образом, уменьшения глубины пазов статора, что неизбежно приводит к ухудшению энергетических показателей АД. Массивный ротор торцевого АД совмещает функции магнитопровода и вторичной обмотки, уменьшая осевой размер ротора и оставляя больше места для статора.

Наличие мягкой механической характеристики АДМР обуславливает эффективность параметрического способа управления двигателем с помощью регуляторов напряжения (РН). Кроме того, применение простых и надежных в эксплуатации регуляторов напряжения, по сравнению с регуляторами частоты, позволяют уменьшить массогабаритные показатели системы управления, повысить ее надежность и использовать элементную базу, соответствующую отраслевым стандартам на специальную технику.

Следует отметить, что особенностями рассматриваемого класса машин является низкий коэффициент мощности, обусловленный увеличенным, по сравнению с обычными АД, немагнитным зазором и большим активным сопротивлением массивного или ленточного ротора.

Для торцевых и линейных В АДМР привода ЛПМ специализированных ЭВМ, основным режимом работы является стартстопный режим с частыми пусками, торможением и реверсами. В этих условиях актуальной становится задача повышения эффективности и улучшения технико-экономических показателей реверса и торможения. При прочих равных условиях, предпочтение следует отдавать схемам с минимальным числом коммутационных элементов и не требующим дополнительных устройств для защиты сети или элементов схемы двигателя от опасных последствий коммутационных операций.

Схемы реверса АД можно разделить на три следующих класса, в основу которых положены параметры питающей сети:

1. Схемы реверса при питании АД от трехфазной сети;

2. Схемы реверса АД при питании от трехфазной сети с нулевым проводом (четырехпроводной сети);

3. Однофазные реверсивные схемы АД.

Кроме того, каждый класс характеризуется числом коммутационных и фа-зосдвигающих элементов.

1. Схемы реверса при питании АД от трехфазной сети.

Наиболее изученной является классическая схема реверса, содержащая четыре коммутационных элемента со схемами управления, в том числе с блоком задержки времени между моментами переключения двух пар коммути-

рующих элементов с целью исключения короткого замыкания фаз сети, которая усложняет и снижает быстродействие электропривода.

Повышение надежности и сокращение интенсивности отказов асинхронного электропривода может быть достигнуто за счет сокращения количества силовых элементов (симисторов или тиристоров).

В работах Герасимяка Р.П. рассматривались некоторые одноключевые реверсивные схемы. Однако проведенные исследования и выводы относились к серийным АД с относительно высоким COS (р.

На рис.3 представлены одноключевые схемы реверса АД при наличии трехфазной сети. Наиболее известной одноключевой схемой является схема (рис.3, а) с конденсаторным реверсом. В этой схеме при открытом симисторе создается симметричный прямой режим. Конденсатор С] подключен параллельно фазам сети и не влияет на работу АД.. Когда симистор заперт, АД переходит в режим однофазного конденсаторного двигателя, причем для реверса необходимо, чтобы симистор был включен в отстающую фазу относительно той с которой он соединен через конденсатор.

а б в

Рис.3. Одноключевые конденсаторно-симисторные реверсивные схемы АД при питании от трехфазной сети.

Так как для стартстопных режимов работы АД наибольший интерес представляет режим близкий к 5 = 1, целесообразно получить основные выражения для этого случая, когда сопротивления токам прямой и обратной последовательностям 21 и 12 равны между собой.

В этом случае фазные токи в относительных единицах определятся выражениями:

/ ,_ Уз J'Xci -2(cosff + у sin у»)

л 2(cos <р + jsmq>)jX*C] + 3 ' ^

/ ^ + (cos Ф + Jsia уХО + °2)

в 2(cos <р + jsin q>)jX"cl + 3 '

(2) (3)

j j^ - (cos <p + j sin <p)( a + a2) c 2(cos (p + у sin <p)jX'Ci + 3 Пусковой момент определится формулой

2-J3Xг, cos tp

Мп =---—Мпп, m

" 9+12Xcx sin p +4Xqx "" W

где XCi = —О- _ отаосительное сопротивление конденсатора С;;

ф

Мпп - пусковой момент в прямом трехфазном режиме. Напряжение на конденсаторе по отношению к номинальному

Ucx = IcX'cl. (5)

Напряжение на запертом симисторе по отношению к номинальному:

UT = 0.866 - /(1.5 + 1СХ'С1). (6)

На рис.4 показаны кривые изменения момента, тока в конденсаторной фазе и напряжения на конденсаторе и запертом симисторе в функции емкостного сопротивления и cos ф.

M'II.ïcîW r>

}.....V я \\ ."' «i •' » V

h ■' w' V f Ma ïy (K A\ J t V \ 4t , ч

ЩЖ

<l ■"s

! * / > \\ ; ; ъ

! 4 , r» ! ЫУ- Г~Л i

? ' -Ч-*.__

в 12 3 Ха в I 2 3 Х'о

Рис.4. Зависимости пускового момента и тока в конденсаторной фазе, напряжений на тиристоре и конденсаторе в функции сопротивления фазосдвигающего конденсатора и cos <р. (----- cos ф =0.87, - -cos(p = 0.5, ------ cos ф = 0.17).

Анализ результатов расчета показывает, что наибольший момент АД развивает при Xçj~l.5. Однако этот режим сопровождается увеличением тока в конденсаторной фазе Iс и повышением напряжения на конденсаторе и симисторе. Очевидно, что уравновешенный обратный режим по этой схеме возможен только при cos р = 0.5. К недостаткам этой схемы относятся тяжелые условия работы симистора при прямой коммутации конденсатора на сеть, что требует введение в схему дополнительных элементов - активных и индуктивных сопротивлений, обеспечивающих защиту симистора. Достоинством схемы (рис.3, б) является высокий коэффициент мощности, как в прямом, так и обратном режимах. Схема (рис.3, в) является усовершенствованной схемой (рис.3, а) и обеспечивает уравновешенный однофазный режим в заданной точке скольжения при любом коэффициенте мощности ниже 0.5.

2. Схемы реверса АД при питании от четырехпроводной сети.

Ко второму классу относятся схемы реверса при питании АД от четырехпроводной сети. Наличие нулевого провода позволяет разработать схемы с переходом от прямого симметричного трехфазного режима к раздельному пи-

14

f

танию двух последовательно соединенных обмоток 1 и 3 от линейного напряжения и третьей обмотки - 2 от фазного напряжения через конденсатор (рис.5.1). Это обеспечивает изменения порядка чередования фаз и реверс.

а б в

Рис.5. Конденсаторно-симисторные реверсивные схемы АД. при питании от трехфазной сети с нулевым проводом.

Формула пускового момента примет вид

2-2X*cl*m<p

М" = 1 * V' •-. Ч у «2 МПП- (7)

3 - 6ХС sin <р + ЪХС\ х '

Токи в реверсивном режиме в относительных единицах:

1ЛС = 0.87, (8)

/ 1

в costp + j(sin<p - Х*С1) ^

Напряжение на конденсаторе по отношению к номинальному

Uc = ~IBX'cx. (10)

Напряжение на запертом симисторе по отношению к номинальному

UT=-jIBX'cx+ 0.5 (11)

На рис.6 показаны кривые изменения момента, тока в конденсаторной фазе и напряжения на конденсаторе и запертом симисторе в функции емкостного сопротивления и cos (р.

Катушечные группы обмоток в обратном режиме имеют пространственный сдвиг в 90°, что для симметричного режима требуют такого же фазового сдвига между токами. Проведенные исследования показали, что близкий к 90° фазовый сдвиг между токами достигается у АД с малым coscp, что обуславливает целесообразное применение схемы в линейных электроприводах перемещения ленточных материалов, когда cos ср< 0.3.

Максимум момента в зависимости от cos ср наблюдается при различных значениях емкости. При уменьшении cos tp максимум момента растет, однако это сопровождается значительным увеличением тока и напряжения на симисторе С/г и конденсаторе Uc-

Главным достоинством схемы (рис.5, а) является облегченные условия работы симистора, так как коммутируемый конденсатор оказывается включенным последовательно с обмоткой двигателя.

Двухюпочевые схемы (рис.5, б и 5, в) в зависимости от схемы подключения обмоток к линейным или фазным напряжениям позволяют получить ре-

напряжений на тиристоре и конденсаторе в функции сопротивления фазосдвигающего конденсатора и cos ф по схеме рис.5.1. (----- coscp =0.87, - -cos<p = 0.5, ------ cos ф = 0.17).

3. Реверсивные схемы при питании АД от однофазной сети.

Несмотря на кажущуюся простоту таких схем возможности получения их реверса гораздо богаче, чем при трехфазной или четырехпроводной сети. Большая часть реверсивных схем однофазных АД (ОАД) рассмотрены в работах Адаменко А.И. и Усманходжаева Н.М.. Существенный вклад в теорию конденсаторных режимов АД внесли также исследования Меркина Г.Б., Беспалова В.Я., Лопухиной Е.М..

В настоящей работе рассматриваются новые схемы реверса АД, в которых используется однотипность фазосдвигающих элементов (конденсаторов), необходимых для получения уравновешенного режима (рис.7, а; 7, б; 7, в). В одноключевых схемах (рис.7, е; 7, ж; 7, з) один из ключей заменен на конденсатор, что упрощает схему, однако приводит к несимметричному обратному режиму.

В основе схемы (рис.7, г) также лежит идея замены одного из ключевых элементов на конденсатор, в прямом режиме симисторы VS1 и VS2 открыты и АД работает как обычный конденсаторный АД, у которого фазная обмотка 2 подключена непосредственно к фазе сети, а обмотка 3 соединяется с обмоткой 2, через два параллельных включенных конденсатора CI, С2. Для реверса си-мистор VS1 запирается и обмотка 2 соединяется с обмоткой 3 через конденсатор С2, что вызывает изменение порядка чередования фаз. Конденсатор С1 при этом включен последовательно и повышает cos ср АД в целом. Симистор VS2 предназначен для отключения конденсатора С2, который в этом случае играет роль пускового конденсатора.

О А

C1 С2 СЗ

VStT

С2

ci=E сгЗ

»31

1С 2? ЗС 1? 2Г 3$

А О

С1

Hb

iAi

Tvsj ><.1 С2

О А

cii

Ii-

сз^

С4

ЧЬ

2С 3<

C1 С2 СЗ

"Т

С4± 7S1

о А О

С1

Hh

ж

С2

СЗ

2? з£ К 2С ЗС 1

LA

Рис.7. Реверсивные схемы АД при питании от однофазной сети.

Одноключевая схема (рис.7.3!) отличается от схемы (рис.7, г1)отсутстви-ем пускового ключа VS2 и возможностью уравновешенного прямого режима, обусловленного наличием дополнительного конденсатора.

Таким образом, проведенные исследования показали, что требования модульности исполнения и повышенной надежности ЛПМ специализированных ВК обуславливают необходимость применения асинхронного электропривода с одноключевым регулятором напряжения.

Разработаны новые схемы силовых цепей реверсивных асинхронных электроприводов. Проведенные исследования показали преимущества одно-ключевых конденсаторно-тиристорных схем реверса трехфазных асинхронных двигателей с низким коэффициентом мощности, возможность превышения пускового момента в обратном режиме по сравнению с трехфазным режимом, надежность и простоту реализации рассмотренных схем.

В третьей главе разработаны математические модели оптимизационного расчета торцевого и линейного ВАДМР в заданных габаритах, предназначенных для лентопротяжных механизмов специализированных ЭВМ.

Основным и в настоящее время наиболее эффективным разделом автоматизации проектирования является оптимальное проектирование промышленных изделий и технических комплексов. Заметный вклад в оптимальное проектирование электромеханических устройств внесли Аветисян Д.А., Бородулин Ю.Б., Копылов И.П., Терзян A.A., Орлов И.Н., Лопухина Е.М.

Разработана математическая модель расчета ВАДМР с плоским массивным ротором, совмещенным с корпусом кассеты. Модель содержит четыре блока: блок расчета геометрических размеров и параметров ВАДМР, блок расчета по схеме замещения установившегося трехфазного режима, блок однофаз-

ного конденсаторного режима, рассчитывающего по методу симметричных составляющих прямой - М, и обратный момент - М2, а также блок динамики, в котором методом Рунге-Кутта рассчитывается время разгона двигателя до заданной установившейся частоты вращения, ударные значения момента и тока.

В качестве исходных данных оптимизации принимались напряжение U и частота питающей сети f, внешний диаметр D и осевая длина торцевого АД - h, определяемые свободным подкатушечным пространством, линейная скорость перемещения ленточного носителя информации - V и минимальный диаметр кассеты dK, определяющие верхний диапазон угловой частоты вращения двигателя, минимальная ширина зубца статора по внутреннему диаметру - bzmin, которая выбиралась из технологических соображений. Из опыта проектирования задавались коэффициент заполнения пакета стали магнитопровода, коэффициент заполнения паза медью и коэффициент формы поля. Кроме того, в качестве исходных данных принималась таблица - массив значений диаметров и площадей поперечных сечений стандартного ряда проводов. Кривые намагничивания сталей задавались таблично, с последующей аппроксимацией их кубической сплайн-функцией.

В качестве варьируемых параметров принимались число пар полюсов- р, внутренний диаметр статора - da, коэффициент формы паза - К, индукции в воздушном зазоре - Вб, в ярме статора - Ва и в ярме ротора - Bp, толщина, магнитная проницаемость и удельное сопротивление массивного ротора, соответственно А , jx , р , величина воздушного зазора - д, а также емкость конденсатора - С.

Ограничения задавались в виде неравенств для всех варьируемых параметров. Начальные значения варьируемых параметров, исходя из опыта проектирования, принимались в зоне ограничений максимально приближенными к оптимальным значениям, что с высокой степенью вероятности исключало попадание на локальные оптимумы. Функциональные ограничения могут проверяться при анализе вариантов расчета, однако возможно их также задавать в функции цели, где весовые коэффициенты подбирать исходя из допустимого отклонения рассматриваемого показателя от его заданного значения.

С целью устранения разницы в воздействии единичных показателей на уровень оптимальности был использован обобщенный критерий, состоящий из суммы квадратов относительных значений отклонений отдельных показателей от их экстремальных значений, полученных в результате частных оптимизаций. В качестве частных критериев оптимальности были приняты: момент ВАДМР в установившемся трехфазном режиме - М, ток статора -1, сумма потерь - £Р , добротность исследуемого режима, определяемого отношением момента к сумме потерь - Q, добротность пускового момента, определяемого отношением величины пускового момента к величине момента инерции двигателя - Q„ , коэффициент мощности - cos<p, время разгона ВАДМР до заданной частоты вращения - t, величина обратного момента в конденсаторном режиме - М2, а

также ударное значение тока -I уд ■

Минимум обобщенного критерия оптимальности имеет вид:

Ф = Хт

М

opt

М

м

opt

+ Xi

opt

- I

opt

+ Xp

EP - ZP г_

+ Xq

+ Xt

■ opt

-Q

■ opt

+ Xqn

'n opt

-Q.

opt

opt

+ X.

M

2 opt

' n opt - M

+ Xtp

EP

cos tp

opt

cos <p

opt

M

2 opt

+ Худ

ywpt

- I

yd

где Xm ,Xi,Xp,Xq,Xq„ ,Xq> , ответственно момента, тока, потерь

yAopt

Ät,Ä2,Äyd - весовые коэффициенты co-добротности исследуемого режима, добротности пускового момента, коэффициента мощности, времени разгона АД до установившейся частоты вращения, момента от обратно-вращающегося поля и ударного значения тока, учитывающие важность сохранения экстремальных значений отдельных показателей, полученных при частной оптимизации.

Данные частных оптимизаций были найдены решением оптимизационных задач при вариации весовых коэффициентов целевой функции (12).

Для нахождения оптимального значения выбранного параметра его весовой коэффициент принимался равным единице, а весовые коэффициенты при всех других параметрах приравнивались нулю. Нахождение частных оптиму-мов проводился при заданном тепловом режиме ЛПМ, определяемым заданной суммой потерь, .

Программа выполнена в среде Mathcad - 2001 Pro, где алгоритм поиска минимума основан на методе Quasi - Newton .

При проектировании ВАДМР наиболее важной является задача выбора параметров массивного ротора, обеспечивающих наилучшие характеристики в динамических режимах. К таким параметрам относятся //, р и А. В качестве массивной обмотки наиболее перспективными материалами являются железо-медные сплавы марок СМ.

Результаты частной оптимизации дали следующие результаты для трехфазного режима: при f = 50 Гц и SP = 110 Вт: Мшпах = 0.37 Н.м, Inmin = 0.6 A, cos ф =0.48, t =1.3 с; при f= 400 Гц и IP = 110 Вт: Мптах = 0.1 Н.м, Inmin = 0.6 A, cos (р = 0.48, t = 4 с.

Результаты оптимизации по обобщенному критерию при равных весовых коэффициентах для всех критериальных показателей приведены в таблицах 1 и 2, где наряду с критериальными параметрами ВАДМР приведены значения добротности пускового момента.

При частоте сета 400 Гц все характеристики ВАДМР существенно ухудшаются, что объясняется работой двигателя в области больших скольжений.

Для ССМ определяющим фактором является повышение пускового момента при минимальной потребляемой в пусковом режиме мощности. Это, как

показали расчеты, требует принятия максимального, из технологических условий, числа пар полюсов ВАДМР (рис.8).

Таблица 1. Результаты оптимизационных расчетов (£=50 Гц)

Материал обмотки ротора И Р* ю-8 А* ю-3 Мэ 1п 1 СО3 0> 0

- о.е. Ом.м. м. Н.м. А сек - Н.м. кВт

Медь 1 2.24 0.12 0.32 0.75 1.48 0.39 2.91

СМ-60 12 6 0.38 0.33 0.7 1.42 0.45 3.0

СМ-40 32 8 0 48 0.34 0.69 1.41 0.44 3.1

СМ-30 40 10 0.56 0.357 0.65 1.36 0.46 3.24

СМ-25 48 11 0.56 0.34 0.67 1.38 0.43 3.1

СМ-19 89 16 0.58 0.32 0.66 1.4 0.46 2.91

Ст.З 250 11 0.64 0.33 0.66 1.4 0.46 3.0

Оптим. 250 2.24 0.1 0.38 0.61 1.26 0.51 3.45

Таблица 2. Результаты оптимизационных расчетов (Г = 400 Гц)

Материал обмотки ротора М. Р* 10"' А* ю-3 Мэ 1п t со ъ<р <2

- о е. Ом м. м. Н.м. А сек - Н.м. кВт

Медь 1 2.24 0.0021 0.07 0.7 5.3 0.4 0.64

СМ-60 12 6 0.0055 0.073 0.67 5.2 0.42 0.66

СМ-40 32 8 0.008 0.074 0.67 5.1 0.43 0.68

СМ-30 40 10 0.0095 0.078 0.65 4.844 0.43 0.71

СМ-25 48 11 0.011 0.074 0.66 4.98 0.43 0.68

СМ-19 89 16 0.015 0.072 0.67 5.2 0.46 0.65

Ст.З 250 11 0.0164 0.07 0.66 5.22 0.46 0.64

Оптим. 250 2.24 0.002 .081 0.63 4 26 0.5 0.74

При изменении толщины массивной обмотки - Д и процентного содержания в сплаве СМ меди (% Си) наблюдается экстремум добротности - С) (рис.9).

Исследование влияния величины воздушного зазора и добавочных потерь на характеристики ВАДМР показали, что при относительно большой величине воздушного зазора (0.35 - 0.4 мм) и малых частотах вращения добавочные потери составляют менее 2% от всей суммы потерь и не оказывают существенного влияние на целевую функцию. Заметное влияние добавочных потерь (до 10 - 15%) наблюдается при зазоре 0.1-0.15 мм, что находится за пределами технологических возможностей изготовления ВАДМР.

А по-

Рис.8. Зависимость пускового момента ВАДМР от величины потерь и числа пар полюсов (материал ротора СМ - 30)

Рис.9. Зависимость добротности от толщины массивной обмотки и процентного содержания меди в сплаве.

В четвертой главе изложены методы и средства идентификации параметров массивного ротора и механических характеристик ВАДМР по результатам испытаний неподвижной машины при переменной частоте питания.

В настоящее время наиболее распространенным способом испытаний электрических машин, как в промышленности, так и в лабораторных условиях является способ непосредственной нагрузки с помощью дополнительно установленных машин или моментомеров.

Однако в последнее время всё большее внимание привлекают косвенные способы исследования электрических машин, основанные на испытаниях в неподвижных режимах. Такие методы определения характеристик наиболее целесообразны для встроенных двигателей, которые, как правило, не имеют выходного вала для соединения с нагрузочной машиной, например, подкассетные торцевые АД, плоский массивный ротор которых совмещен с кассетой ЛПМ.

Первые теоретические положения метода частотно-статических испытаний были разработаны Н.И Соколовым и Б.И.Киркиным для исследования синхронных явнополюсных машин. Впоследствии основы этого метода, под научным руководством Г.А.Сипайлова, были распространены на частотно-регулируемые неявнополюсные синхронные машины с массивным ротором. В дальнейшем, в связи с развитием линейного электропривода, этот метод нашел широкое применение для исследования линейных АД (ЛАД), испытание которых другими способами весьма затруднено. Дальнейшее развитие метода нашло в работах Петленко Б.И., в которых дается теоретическое обоснование условий проведения испытаний с учетом активного сопротивления обмоток статора, способы повышения точности метода, а также показана возможность его применения для исследования тормозных режимов ЛАД.

Однако разработанные методы испытаний позволяют определять характеристики АД только при номинальной частоте питающей сети в рабочем режиме, симметрии токов в фазах и не обеспечивают достаточной точности результатов при переменных параметрах ротора, например, для двигателей с массивным ферромагнитным ротором.

В настоящей главе рассматриваются особенности определения характеристик частотно-регулируемых трехфазных АД с учетом переменных параметров ротора по данным испытаний в неподвижном состоянии при питании двигателя, как от симметричной системы трехфазного напряжения, так и при однофазном питании с фазосдвигающим конденсатором.

Определение параметров массивного ротора (МР) на заторможенном двигателе производится следующим образом. На каждой ступени частоты измеряются ток, активная мощность и напряжение, а затем расчётным путём с использованием схемы замещения рассчитываются активное и индуктивное сопротивления массивного ротора в функции частоты и величины вихревых токов.

Переход от параметров и характеристик, полученных при неподвижном МР, к характеристикам ВАДМР в рабочем режиме производится с помощью соотношений, связывающих напряжения в неподвижном и рабочем режимах, а также величину а со скольжением S. Напряжение, которое необходимо приложить к статору неподвижного ВАДМР, чтобы воспрризвести его характеристики в рабочем режиме при заданном напряжении V^ и абсолютном скольжении р, определится из выражения:

' тт — г т - """ + ^мк^гмя

U цеп — U pao---_ (13)

7 раб 7'

\ра6 раб р 2раб

гДе аРсб = — = ¿hem поправочные коэффициенты Г-образной схе-S S

мы замещения при переменной частоте питания и с учётом потерь в стали соответственно для неподвижного и рабочего режимов ВАДМР; ZlHen - комплексное сопротивление эквивалентного контура статора в заторможенном режиме; Араб и Z2pa6 - соответственно комплексные сопротивления эквивалентных контуров статора и ротора в рабочем режиме.

Принимая во внимание, что характеристики АД (момент, токи статора, ротора и намагничивающий ток) определяются величиной приведенного тока ротора /'з и его частотой f¡, и не зависят от того, каким путем они получены, главной задачей испытаний является нахождение частоты питающей сети и его напряжения, обеспечивающих идентичность протекания электромагнитных процессов в роторе в рабочем и неподвижном состояниях.

Для частотно-регулируемых АД такими условиями являются:

1. Равенство абсолютных скольжений /?, определяющих равную частоту вихревых токов ротора в двух режимах.

2. Равенство амплитуд гармонических составляющих магнитного потока в зазоре, что определяет равную степень насыщения ротора в рабочем и не-

подвижном состояниях или равенство приведенных токов ротора в двух режимах.

Выполнение первого условия не вызывает затруднений и сводится к питанию АД в статическом режиме напряжением с относительной частотой

Р = «' 5, (14)

где а и 8 относительные частота питающей сети и скольжение АД в исследуемой точке рабочего режима.

Выполнение второго условия представляется более сложной задачей и связано с нахождением величины испытательного напряжения в неподвижном состоянии, обеспечивающего неизвестную заранее величину приведенного тока ротора в рабочем режиме.

Для определения испытательного напряжения рассмотрим уравнения равновесия напряжений АД в рабочем

у и = аЕ 1 + + у'/.а^!

и в неподвижном режиме

Г с и- = М + V, + л[рх{

(16)

- РЕ-

Решая уравнения (15) и (16) относительно испытательного напряжения и с учетом (14) получаем'

уси.= *Грй"-+11Г1(1-1). (17)

Векторная диаграмма, связывающая рабочий /V (1 - $)

и неподвижный режимы по уравнениям (14) и (15) представлена на рис.10, где активное сопротивление обмотки Г) разделено на две составляющие:

9

Г, = + г,(1-.у) 1\РХ 1

Следовательно, для снятия характеристик АД в заданной точке скольжения в при относительной частоте а и напряжении ури к двигателю в неподвижном режиме необходимо приложить напряжение с относительной частотой Р при этом величина испытательного напряжения должна определятся из выражения (17). Однако расчетное определение этого напряжения вызывает затруднение в связи с неизвестной величиной и фазой тока статора 1] относительно напряжения в рабочем режиме.

Предлагается двухступенчатое проведение испытаний, первое из которых предварительное, а второе уточненное, когда величина тока статора и его фаза относительно напряжения берутся из первого опыта, предполагая, что параметры двигателя при первом и втором опытах остаются неизменными. Однако, это допущение возможно только для двигателей с ненасыщенной магнитной системой и независимыми от напряжения параметрами ротора, на-

Рис.Ю.

пример для ЛАД с большим воздушным зазором. Для АД малой мощности с насыщенной магнитной системой и с массивным ротором, параметры которого существенно зависят от величины питающего напряжения, использование предложенного способа приводят к снижению точности определения характеристик двигателя, особенно в области малых скольжений, когда напряжение питания во втором опыте, как показали испытания, на 10-15 % превышают напряжение первого опыта. Вместе с тем, полученную зависимость можно реализовать с помощью контрольно-измерительного устройства.

На рис.11 представлена электрическая схема замещения АД, в фазную обмотку которого подключено контрольно-измерительное устройство (КИУ) с питанием от преобразователя частоты (ПЧ) с независимым регулированием частоты и напряжения. КИУ выполнено на базе шунта Кга и потенциометра Яп моделирующих стороны треугольника напряжений ОАВ, соответствующего рис.4. Масштаб напряжений ти задается выбором величины сопротивления шунтаЛщ

т -

и~Г1{\-*) • 08)

К 1

В ш АI

УсЧ!

-ей

г, Эх,

■I-ЦГУУУ-

ПЧ

КИУ;

Рис.11.

Падение напряжения на шунте Я,а определится выражением

илв=ти11г1 (1-5). (19)

Принимая во внимание, что падение напряжения на потенциометре Яп равно напряжению сети ури, сопротивление отрезка потенциометра ОВ устанавливается с учетом выбранного масштаба напряжений ков = тикп, а падение напряжения на этом участке потенциометра в масштабе ти моделирует испытательное напряжение - тцуИ, которое может регулироваться преобразователем ПЧ. Учитывая, что направление вектора напряжения на шунте совпадает с реальным направлением вектора тока статора двигателя 1ь а вектор напряжения на участке ОВ потенциометра Яп совпадает по направлению с напряжением се-

ти уси, напряжение на участке ОА является контрольным, так как может быть заранее рассчитано по формуле

Таким образом, для определения характеристик двигателя в заданной точке скольжения необходимо изменять напряжение ПЧ до тех пор, пока напряжение Uao, регистрируемое вольтметром, не достигнет контрольного значения (4). Измеренные в этом режиме ток, момент и угол <р между напряжением UAo и током 1j будут соответствовать данным момента, тока и угла ф в рабочем режиме двигателя. Изменяя частоту питания заторможенного двигателя в границах, соответствующих исследуемому диапазону скольжений в рабочем режиме, можно определить искомые зависимости: M(s), h(s), cos <p(s) при заданной частоте питающей сети.

Основные принципы испытаний симметричных АД, изложенные выше могут быть положены в основу испытания трехфазных конденсаторных асинхронных двигателей (КАД).

В связи с несимметричным режимом работы КАД, для обеспечения идентичности их характеристик в рабочем и неподвижном режимах необходимо в процессе испытаний выполнить три условия:

• Питание КАД должно осуществляться напряжением с частотой Р, определенной по выражению (14);

• Величина приложенного напряжения должна рассчитываться по выражению (17);

• Величина емкости конденсатора в режиме испытаний должна обеспечить равную степень несимметрии КАД в рабочем и неподвижном состояниях, что сводится к равенству фазных токов в двух режимах.

Принимая во внимание необходимое по условиям испытаний равенство токов 1К в двух режимах и учитывая активное сопротивление конденсатора Гк получаем

Таким образом, в работе предложен и разработаны теоретические основы нового способа идентификации параметров и характеристик встроенных электрических машин, основанный на испытании объекта в неподвижном состоянии. Рассматриваемая методика была использована при исследовании серийных асинхронных машин. В отличие от массивного ротора беличья клетка обладает малым активным сопротивлением, что затрудняет проведение опыта на неподвижной машине. Однако слабая зависимость параметров короткозамкну-того ротора от скольжения и насыщения позволяет проводить опыты при пониженном напряжении и путём пересчёта получать нужные пусковые характеристики. Предложенные методики испытания ЭМ позволяют с достаточно высокой точностью моделировать на неподвижной машине режимы противовк-

U АО =mvsypU

(20)

С

(21)

точения, динамического торможения и однофазного торможения пульсирующим током.

В пятой главе анализируются переходные процессы электропривода ЛПМ. Математическая модель для исследования динамических режимов ЛПМ устройств ввода информации ВК имеет ряд принципиальных особенностей, к которым относятся:

• наличие ВАДМР торцевого или линейного исполнения с массивной вторичной обмотки с переменными параметрами;

• несимметрия электромагнитной системы ВАДМР, в случае линейного его исполнения;

• необходимость учета потерь в магнитопроводе статора на повышенных частотах;

• сложный характер момента сопротивления устройства, включающий: сухое и вязкое трение в опорах катушек и роликов, упругие свойства кольцевого пассика, буферных пружинных компенсаторов или датчиков натяжения; гистерезисные потери при изгибе ленты и кольцевого пассика на роликах, нелинейные сопротивления, учитывающие возможность проскальзывания ленты относительно ведущих элементов;

• наличие в структуре привода электромагнитных тормозных устройств, необходимых для фиксации ленты в заданном положении;

• наличие датчиков и регуляторов скорости и натяжения, устройств коррекции и других элементов САУ;

• наличие конденсаторно-тиристорных блоков реверса, торможения и регулирования частоты вращения;

• переменный, в процессе работы, момент инерции катушек ЛПМ.

До настоящего времени, несмотря на наличие большого числа работ по переходным процессам в электроприводах переменного тока, вопросы математического описания и исследования переходных процессов с учетом выше перечисленных факторов, несмотря на актуальность, пока недостаточно отражены в литературе.

В основе электропривода ЛПМ устройств ввода информации и внешней памяти ЭВМ лежит ВАДМР, особенности математического описания которого определяют точность и достоверность результатов исследования электропривода в целом. Для АД, встраиваемых в подкассетные и ведущие узлы ЛПМ внешней памяти ЭВМ, основным режимом работы является стартстопный режим с частыми пусками, торможением и реверсом. В зависимости от назначения ЛПМ частота включения ВАДМР изменяется от единицы до сотен включений в час. Значительную часть общей длительности циклов их работы составляют электромеханические переходные процессы, что обуславливает актуальность исследования электромагнитных переходных процессов, позволяющих оценить величину и характер ударных моментов и токов в указанных режимах. Влияние ударных моментов и токов может существенно сказываться на выборе полупроводниковых элементов системы управления, на надежности, прочности и сроке службы как ВАДМР, так и механизма в целом.

В непреобразованных естественных координатах индуктивности и взаимные индуктивности в потокосцеплениях - периодические коэффициенты, изменяющиеся по гармоническому закону при вращении ротора машины. Дифференциальные уравнения после подстановки в них результирующих потокосцеп-лений, имеют громоздкие решения с несколькими десятками членов, содержащих периодические коэффициенты. Чтобы избавиться от них необходимо перейти к заторможенной системе координат.

В связи с несимметрией рассматриваемого ВАДМР, уравнения равновесия напряжений статора записываются для линейных напряжений, что позволяет исключить систему уравнений для напряжений и токов нулевой последовательности. При общепринятых допущениях, система уравнений имеет вид:

у Uab = Rsa*ísa-Rsb*ísb+ dy/As/dt; Л

у Uвс = Rsb* ísb - Rsc * isc + 'dif/bctât;

Y uca = Rsc * isc - rsa* isa + dfсл/dí;

0 = Rra(p,hJ *íra + dfiu/dt + (y/RB-y/RÇ) * o)rA'J,"

0 = rrb{p,^) *írb+ dif/rj/dt + (щс- vra) * »r/V3;

0 = Rrc (P,fiRC) * lrc + dy/Rc/dt + (yм- Vrb) * o>r/Vl V (22)

0 = Rfa(<x,/uFj) * ífa+ dy/F/dt;

0=rfb {a>fim) * íf8+ dy/fb/'dt;

0 = Rk* 'fc+ dy/pç/dt;

J^ = M3-(Mh+Mt)

dt T' ' J

где:

uail Ubc, Uca ~ линейные напряжения питания статора; lis a, Bss, Rsc - активные сопротивления обмоток статора; Rra(¡},hJ, Rrb{P,hrs), Rrc(P,hrc)~ активные сопротивления ротора ; Rfa{çx,hfa), RFB(a,jum), Rfcícc~ активные сопротивления контура вихревых токов в стали статора;

¿sa, ísb Jsc, ¡ra, írb, írc, Ïfa. ¡fb, ífc - токи статора, ротора и вихревые токи; Щв, Уве, Уа-потокосцепления статорных обмоток; -

Wra, Vrb, Щс, Vfa, Vfb, 4'fc ~ потокосцепления роторных обмоток и контура стали;

сот - частота вращения;

y —Uí/Uh - относительное напряжение i - той фазы; а = fj fH. относительная частота питающей сети; Р = aS- параметр абсолютного скольжения;

juM, ц№ , juRC _ относительные магнитные проницаемости материала ротора по осям А, В, С;

/лы, /Црд, /лк - относительные магнитные проницаемости стали статора по осям А, В, С;

Мн - момент нагрузки, определяемый упругим натяжением ленты и трением в подшипниках, направляющих роликах и т.д.;

Мт - тормозной момент, возникающий в результате трения фрикционных накладок электромагнитного тормозного устройства.

Выражения для моментов инерции рулонов ленты:

(23)

2- 2 - — • ™ где ш = У • р - масса ленты; V - 5 • Ъ - объем рулона ленты; Ь - ширина ленты; р - плотность ленты.

Для расчета динамических режимов ЛПМ на ЭВМ наиболее удобной является запись радиусов рулонов через заданную толщину ленточного материала А, мгновенные значения угловой'частоты вращения рулонов и время:

к

(25)

А г „+—

Ф2,

&2ж

(26)

где б)1н,й)1к,а>2н,о)2у: - начальные и конечные значения исследуемого диапазона частот вращения первого и второго рулонов.

Полные потокосцепления модели определяются выражением в матричной форме:

М = (27)

где [у/] = [\|/ав, Уве, Уса, Уяа, Уив, Улс, Ура, Уга, ¥рс] - матрица- столбец потокосцеплений;

И = [1$а, ¡эв ^с , 1яа, 1ра, ¡га, 1рс ] ~ матрица - столбец токов;

[М] - матрица индуктивностей, где учтена разница взаимных индуктивностей несимметричных ВАДМР, например, линейного исполнения.

Электромагнитный момент в матричной форме:

Мэ=±р-^[М][11][Ц (28)

Матрица [¡^является матрицей токов, аналогичной матрице-столбцу [1].

Для симметричного ВАДМР все взаимоиндуктивности М равны и, с учетом контуров вихревых токов статора, уравнение электромагнитного момента в трёхфазной системе заторможенных координатах будет иметь вид:

МЭ = ((15а1гс+15ь1Га+Ьс1гЪ+1/а1гс+ 1_/ЬЬа]1/сЬь)-

Особенностью рассматриваемой математической модели является учет экспериментально полученных параметров массивного ротора. В программу, в формате исходных данных, заводятся данные испытаний ВАДМР в неподвижном состоянии, расчетом схемы замещения для заданных программой испытаний напряжений и частот питающей сети определяются параметры массивного ротора, которые затем преобразуются в полиномы двух переменных:

=А*р +В*0+С*12Ш +£>=%, +Е*р*1А (30)

где А, В, С, Ц Е, F и а, Ъ, с, с1, е, /- коэффициенты полиномов, индекс /' означает принадлежность параметров и тока ротора к одноименным фазам, р абсолютное скольжение.

Система представленных выше дифференциальных уравнений, не имеет общего аналитического решения. Исследование переходных процессов ЛПМ проводилось на ЭВМ с использованием метода Рунге-Кутта на основе программной среды "ОЕЬРШ".

Исследовалось влияние величины воздушного зазора ВАДМР, параметров массивного ротора, переменного момента инерции кассет с ЛНИ и момента нагрузки на пусковые, установившиеся и тормозные характеристики ЛПМ в разомкнутой и замкнутой системе управления однодвигательным и двухдвига-тельным электроприводом ЛПМ.

Механическое торможение посредством ЭМТ является наиболее простым из всех средств торможения электропривода. Однако следует отметить, что для электроприводов с большими маховыми массами на валу, к которым относятся и приводы ЛПМ, срок службы фрикционных накладок ЭМТ мал.

Торможение конденсаторным противовюпочепием обладает простотой. При исследовании влияния величины фазосдвигающей емкости на характер тормозного момента установлено, что с увеличением емкости конденсатора время торможения уменьшается и при определенной её величине, исключается реверс. Очевидно, что это происходит, когда пусковой момент конденсаторного ВАДМР, вследствие несимметрии подводимого напряжения, становится меньше момента сопротивления привода. Важным практическим выводом является то, что такой вид торможения, в отличие от классического торможения проти-вовключением для исключения реверса двигателя не требует установки датчика скорости.

Однако необходимость фиксации катушек в исходном состоянии не позволяет использовать торможение конденсаторным противовключением в чистом виде и вызывает необходимость разработки и исследования комбинированных способов торможения. Применительно к электроприводам ЛПМ представляется целесообразным использование комбинированного способа_тормо-

жения, сочетающего механическое торможение с помощью ЭМТ и торможение конденсаторным противовключением, проводимое в две ступени. Первая ступень торможения, осуществляемая противовключением, обеспечивает начальное снижение скорости до определенного значения. Вторая ступень определяется моментом включения ЭМТ и действует вплоть до полной остановки ЛПМ при совместном воздействии электрического и механического торможений.

Теоретические и экспериментальные исследования тормозных режимов ЛПМ также показали эффективность применения комбинированных способов. На рис.12 представлены расчетные и экспериментальные осциллограммы токов и скорости ВАДМР, которые хорошо согласуются друг с другом.

2-_

'за> А

-23000200010000-

II, об/мин

—^р

Ца = 1.05 А

б Ьс

■^ТТГТГТТТТТ

мм;

* ! 1 ■ г ? f

, ..ч

*' 5 I И '

■ П1"!

; Н1.®,!

иЫШ!

п = 3200 об/мин

1.36 с

Рис.12. Расчетные (а, б) и экспериментальные (в, г) осциллограммы комбинированного торможения ЛПМ

Двухдвигательные электроприводы ЛПМ, обеспечивающие независимое управление скоростью перемещения ленточного материала и его натяжением, несмотря на относительную сложность, нашли широкое применение в электромеханических устройствах ЛПМ.

По уравнениям всех элементов ЛПМ (рис.1)получена его структурная схема, представленная на рис.13. САУ ЛПМ представляет собой двухконтур-ную двумерную систему с контурами управления линейной скоростью V движения ленты и ее натяжения Б.

Двигатель Д> создает вращающий момент М/, обеспечивающий движение ленты в указанном направлении. Причем момент М/ уравновешивает натяжение Г и суммарные потери на трение во всех элементах тракта. При этом система электропривода, включающая в себя двигатель Ди работает в режиме стабилизации скорости, обеспечивая постоянство линейной скорости ленты V. Для придания системе астатизма регуляторы скорости 1¥рс и натяжения УУрн выполнены на базе ПИ - регуляторов, представленных в программе соответствующими дифференциальными уравнениями.

Регуляторы напряжения \Урт, Щрю, а также датчики скорости \Удс и натяжения 1¥дн в программе представлены апериодическими звеньями.

Двигатель Д? создает вращающий момент М2, обеспечивающий натяжение ленты F и поддерживает его в пределах, оговоренных техническими условиями. Учет моментов, обусловленных силами вязкого трения, осуществляется введением в модель коэффициента д, пропорционального разности скоростей ленты до и после датчиков.

При разработке электропривода ЛПМ наряду с оптимальным выбором силовой части: ВАДМР и преобразователя напряжения, особое значение имеют вопросы рационального построения управляющей части, и в частности корректирующих устройств. В последние годы наиболее широкое распространение при построении электромеханических систем автоматического управления получил метод последовательной коррекции,

^'"реализуемый как в одноконтурных структурах, так и в структурах подчиненного регулирования. Обобщением метода параллельной коррекции и его дальнейшим развитием является метод упреждающей коррекции, разработанный М.А. Боровиковым в Ульяновском политехническом институте. Метод принципиально отличается от известных и заключается в применении дифференциальных связей - "вилок", охватывающих звенья с нестабильными параметрами или не имеющими достоверного математического описания. При использовании этого метода сами звенья с неблагоприятными характеристиками участвуют в формировании корректирующих сигналов, что позволяет автоматически обеспечить наилучший закон управления объектом и скомпенсировать отрицательное влияние упомянутых. Сущность метода применительно к двухконтурной структуре привода ЛПМ заключается в том, что корректирующие сигналы формируются из сигналов Upe и Мэй а также Uph и Мэ2, исследуемых ВАДМР, описанных в программе системой дифференциальных уравнений (22 - 33) и представленных на структурной схеме звеньями Р i(p) и р 2(р) путем их преобразования дифференциальной "вилкой", с последующим прохождением через модели Wy¡u и Wy¡a звеньев объекта, не охваченных "вилкой", и используются в качестве сигналов обратных связей. Модели Wyi<¡ и WyK2 описаны в программе дифференциальными уравнениями апериодических звеньев.

Входные сигналы U¡>c и Uph необходимо пропустить через звенья Кад! и Kaj\2, моделирующих статические характеристики ВАДМР. Такое построение контуров обеспечивает пониженную чувствительность к вариациям переменных параметров массивного ротора ВАДМР при сохранении достаточно высокого быстродействия, что и определяет преимущества метода упреждающей коррекции по сравнению с традиционными.

На рис.14 и 15 приведены пуско - тормозные характеристики двухдвига-тельного ЛПМ. Характеристики показывают, что путем рационального выбора параметров модели в устройстве упреждающей коррекции можно уменьшить время пуска и амплитуду колебания натяжения ленты в переходных режимах. Торможение и останов двухдвигательного ЛПМ с заданным натяжением ленты производится соответствующим изменением сигнала задатчика скорости и не вызывает больших колебаний сил натяжения ленты.

В шестой главе приводятся данные по практической реализации результатов работы. Технические решения, разработанные в диссертации, легли в основу быстродействующего четырёхдвигательного ЛПМ на частоту 400 Гц (рис. 16) и двухдвигательных модулей ЛПМ на частоты 50 Гц и 400 Гц (рис.17) на базе торцевых встроенных АД с массивным ротором, совмещенном с катушкой ЛПМ и фотоэлектрическим датчиком частоты вращения (рис.18 и 19). Научные положения и выводы работы реализованы также при разработке вибрационных установок для сейсмических комплексов, информационно-измерительных устройств с ленточной шкалой, в устройствах перемещения ленточных материалов в рабочую зону прессов, в лабораторных стендах по исследованию параметров и характеристик ВАДМР.

I

'¡V

у.аы \ 1 1 ' 1 i 4 3 / / -

р.н , 1 2 1 Г я.н \ V г

1 0

1 1 < ,,с! |„ 1,с

Рис.14. Пуско-тормозные характеристики двухдвигательного ЛПМ с упреждающей и без упреждающей коррекции

Б-без У.К.

У-с У.К. '

2 4 6 8

Рис. 15. Сила натяжения ЛНИ с УК и без УК.

ъс

Рис.16. Четырехдвигательный ЛПМ й

Рис.17. Двуххдвигательный ЛПМ

Рис.18. Статор торцевого ВАДМР

Рис.19. Ротор торцевого ВАДМР, совмещенный с катушкой ЛПМ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В работе, на основании выполненных автором исследований, изложены научно обоснованные технические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики страны и повышение ее обороноспособности. Проведенный комплекс исследований расширил и углубил представление об электромеханических устройствах перемещения ленточных материалов, взаимном влиянии механической части ЛПМ и замкнутой системы асинхронного электропривода. На основе полученной физической картины и математического описания работы электромеханической системы ЛПМ созданы надежные регулируемые электроприводы на базе ВАДМР, а также разработаны устройства, улучшающие статические и динамические показатели ЛПМ и повышающие их надежность. Теоретические исследования сопровождались многочисленными экспериментами, подтвердившими правильность физических представлений, приемлемость принятых допущений и разработанных на этой основе методов анализа и синтеза.

Основные положения и закономерности, полученные В работе, справедливы для электромеханических устройств перемещения ленточных носителей информации специализированных информационно - управляющих комплексов, однако ряд положений и выводов диссертации может быть распространен и на другие механизмы, где рационально использование такого же асинхронного электропривода.

К основным результатам работы можно отнести:

1. Впервые, на основании анализа кинематических схем и конструкций электромеханических устройств перемещения ленточных носителей информации, разработаны и созданы безредукторные ЛПМ в модульном исполнении, обладающие улучшенными весогабаритными, виброшумовыми, динамическими и энергетическими показателями.

2. Предложены методические подходы к систематизации трехфазных кон-денсаторно - тиристорных реверсивных схем АД с низким коэффициентом мощности. Дана их классификация, в основу которой положены параметры питающей сети. Разработаны новые структуры силовых цепей реверсивных асинхронных электроприводов для одно и двухдвигатель-ных ЛПМ, обладающих повышенной надежностью и простотой реализации. Проведенные исследования показали преимущества одноключевых конденсаторно-тиристорных схем реверса трехфазных асинхронных двигателей с низким коэффициентом мощности, возможность превышения пускового момента в обратном режиме по сравнению с трехфазным режимом, надежность и простоту реализации рассмотренных схем.

3. Разработана математическая модель оптимизационного расчета на базе ВАДМР торцевого и линейного исполнения с массивной вторичной обмоткой в заданных габаритах. Установлено, что лучшие характеристики

ВАДМР обеспечивает обмотка гптпра; в..........."НдНФ сплава СМ-30,

однако при выборе любого потерях, всегда на-

1 С. Петербург |

, 09 100 ш \

ходится вариант, при котором критериальные параметры близки к их оптимальным значениям.

4. Наибольшее отклонение от данных частных оптимизаций дает обратный момент ВАДМР, что можно объяснить большим влиянием дискретности изменения емкости фазосдвигающих конденсаторов в процессе оптимизации. Наибольшее влияние на характеристики ВАДМР оказывает технологический разброс по удельному сопротивлению массивного ротора и отклонение напряжения сети.

5. Предложен и разработаны теоретические основы нового способа идентификации параметров и характеристик объектно-ориентированных АДМР, основанный на испытании объекта в неподвижном состоянии. Предложенные методики испытания ЭМ позволяют с достаточно высокой точностью моделировать на неподвижной машине режимы противовключе-ния, динамического торможения и однофазного торможения пульсирующим током.

6. Разработана обобщенная математическая модель ЛПМ на базе ВАДМР с учетом реальной нелинейной зависимости параметров массивной обмотки от насыщения и вытеснения тока, контуров вихревых токов в магнито-проводе статора, несимметрии электромагнитной системы, переменного момента инерции кассетного устройства, наличия датчиков и регуляторов скорости и натяжения, устройств коррекции и других элементов САУ, конденсаторно-тиристорного коммутатора и электромагнитного тормоза. Исследован двухдвигательный электропривод ЛПМ с упреждающей коррекцией в двух контурах системы, доказана возможность повышения быстродействия и уменьшения колебаний натяжения на 10-15%,

7. Впервые разработан и исследован способ комбинированного торможения с использованием режимов противовключения и механического торможения с помощью электромагнитного тормоза, позволивший повысить эффективность торможения.

8. Внедрение предложенных и разработанных конструкций ЛПМ позволило создать устройство ввода информации с перфоленты с улучшенными по сравнению с используемыми приборами техническими и эксплуатационными характеристиками, а именно:

• снизить уровень акустических шумов на 15 дб;

• повысить надежность устройств ввода информации с перфоленты за счет упрощения кинематической схемы ЛПМ;

• улучшить весогабаритные характеристики одного модуля (снизить вес более чем в 5 раз и уменьшить габариты);

• повысить скорость считывания информации в 3 раза;

• применить отраслевую конструкторско-технологическую базу.

С 1984 г. на предприятиях Минсудпрома для обеспечения разработок

отрасли освоено серийное производство устройств ввода информации с перфоленты в составе лентопротяжного механизма и блока управления на частоту сети 400 и 50 Гц. Указанные устройства до настоящего времени находятся

в эксплуатации и удовлетворяют требованиям судовых информационно-

управляющих комплексов.

9. Научные положения и выводы работы реализованы также:

• в вибрационных установках для сейсмических комплексов;

• в информационно-измерительных устройствах с ленточной шкалой;

• в устройствах подачи ленточных материалов в рабочую зону прессов;

• в лабораторных стендах по исследованию параметров массивного ротора АД и исследованию характеристик ЛАД.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:

1. Дмитриев В. Н., Кислицын А.Л. Электромеханические устройства ввода-вывода информации специализированных вычислительных комплексов. - Ульяновск: УлГТУ, 2003.- 120с.

2. Дмитриев В. Н. Проектирование и исследование асинхронных двигателей малой мощности. Учебное пособие для специальности 18.04. (Гриф УМО), Ульяновск: УлГТУ, 1996. - 88 с.

3. A.c. 815849 СССР, МКИ Н 02 К 41/04 / Линейный асинхронный двигатель / Кислицын А.Л., Дмитриев В.Н., Крицштейн А.М, Пронин A.C. -БИ№11,1981.

4. A.c. 822274 СССР, МКИ G 11 В 15/26 / Устройство для перемещения магнитной ленты / Кислицын А.Л., Крицштейн А.М, Дмитриев В. Н., Топчий A.C. - БИ №14,1981.

5. A.c. 932552 СССР, МКИ G 11 В 15/26 / Устройство для перемещения магнитной ленты / Дмитриев В. Н., Кислицын А.Л., Крицштейн А.М, Титов В. П.- БИ №20, 1982.

6. A.c. 1046146 СССР, МКИ В 62 D 43/00 / Устройство для подачи электропроводной ленты в штамп / Кислицын А.Л., Дмитриев В. Н., Крицштейн А.М. - БИ №37, 1983.

7. A.c. 1051664 СССР, МКИ Н 02 К 41/025 / Электропривод / Дмитриев В. Н., Кислицын А.Л., Чихалов В.В. - БИ №40,1983.

8. А. с. 1226577 СССР, МКИ Н 02 К 41/025 / Индуктор линейного асинхронного двигателя /Дмитриев В. Н - БИ №15,1986.

9. А. с. 1246319 СССР, МКИ Н 02 К 41/025 / Линейный реверсивный электропривод / Дмитриев В. Н., Кислицын А.Л. - БИ №27,1986.

10.А. с. 1298726 СССР, МКИ G 05 D 13/62 / Устройство для регулирования скорости лентопротяжного механизма / Дмитриев В. Н., Иванов В. М., Кислицын А. Л. - БИ №11,1987.

1 I.A. с. 1376906 СССР, МКИ Н 02 Р 7/62 /Линейный электропривод / Дмитриев В. Н., Быстрицкий В. Е., Воронцов В. В.. не публикуется, 1988.

12.А. с. 1501002 СССР, МКИ G 05 D 13/62 / Устройство для регулирования скорости лентопротяжного механизма / Дмитриев В. Н., Иванов В. М., Ваничкин В. Ф., Кислицын А. Л. - БИ №30,1989.

13.A.C. 1760552 СССР, МКИ. G И В 15/26 / Лентопротяжный механизм / Дмитриев В. Н. - БИ №33,1992.

14.А. с. 1539951 СССР, МКИ Н 02 Р 7/36 / Реверсивный асинхронный электропривод / Дмитриев В. Н., Иванов В. М., Кислицын А. Л., Марата С. М. - БИ №4,1990.

15.А. с. 1552824 СССР, МКИ G 01 R 31/34 / Способ определения характеристик линейных асинхронных двигателей / Дмитриев В. Н., Нечаев О. Н., Курятников А. В., не публикуется, 1990.

16.А. с. 1583891 СССР, МКИ Н 02 К 41/025 / Способ определения магнитного поля в воздушном зазоре линейного асинхронного двигателя / Дмитриев В. Н., Михайлов С. А., Чемаев В. Г. - БИ №29, 1990.

17. А. с. 1702507 СССР, МКИ G 01 R 33/02 / Реверсивный асинхронный электропривод / Дмитриев В. Н., Иванов В. М., Ваничкин В. Ф., Кислицын А. Л.-БИ №48, 1991.

18.A.C.1791905 СССР, МКИ Н 02 К 15/00 / Способ испытания электрического двигателя / Белов И.Н., Быстрицкий В.Е, Дмитриев В. Н. - № БИ №4,1993.

19.Боровиков М.А., Дмитриев В.Н.., Егоров В.Н., Потапов E.H. Проектирование объектно-ориентированных асинхронных электромеханических преобразователей лентопротяжных механизмов. В кн.: Вестник Ульяновского государственного университета №1(9), Ульяновск, УлГТУ, 2000, с. 61-65.

20.Боровиков М.А., Дмитриев В.Н. Разработка и исследование электромеханических устройств ввода-вывода информации специализированных ЭВМ. Тезисы докладов Поволжской научно-практической конференции "Электротехника и энергетика Поволжья на рубеже тысячелетий", Чебоксары, 30 октября - 2 ноября 2001, с. 59-61.

21.Дмитриев В.Н., Кислицын A.JI. Определение характеристик асинхронных двигателей по данным испытаний в неподвижном состоянии. - Электротехника, 2001, №5, с. 25 - 28.

22.Дмитриев В. Н., Крицштейн А.М. Графоаналитическое определение характеристик электрических машин с массивным ротором. В кн.: «Вопросы теории и проектирования электрических машин». Межвуз. научн. сб. Вып.1, Саратов, 1978. с. 40-59

23.Дмитриев В.Н., Кислицын A.JL, Крицштейн А.М. Анализ переходных процессов во встроенных асинхронных двигателях с массивными роторами. В кн.: Вопросы теории и проектирования электрических машин. Межвуз. научн. сб. Саратов, 1986, с. 61-67.

24.Дмитриев В. Н., Крицштейн А. М. Комбинированное двухступенчатое торможение асинхронными двигателями. В кн.: «Электрические машины с разомкнутым магнитопроводом». Межвуз. научн. сб., Свердловск, 1988, с. 85-88.

25.Дмитриев В. Н., Чихалов В.В. Исследование пусковых характеристик частотно-управляемых синхронных двигателей с продольно-поперечным возбуждением и.массивным ротором. В кн.: «Вопросы теории и проектирования электрических машин». Межвуз. научн. сб. Вып.2, Саратов, 1980, с. 82-87.

26.Дмитриев В. Н., Чихалов В.В. Электропривод подачи ленточных заготовок в зону штамповки пресса на базе линейных асинхронных двигателей В кн. "Оптимизация электромеханических систем автоматического управления". Межвуз, научн. сб, Саратов, 1983. с. 34-39

27.Дмитриев В. Н. Разработка асинхронных двигателей с двухслойным ротором для приводов параметрическим управлением. Тезисы докладов семинара «Совершенствование судовых и автономных электромеханических систем». Севастополь, 1990, с.46.

28.Дмитриев В. Н. Исследование характеристик встроенных асинхронных двигателей. В кн.: Вопросы теории и проектирования электрических машин. Сб. научных трудов.- Ульяновск: УлГТУ, 1996, с.22-25.

29.Дмитриев В.Н., Кислицын A.JL, Крицштейн А.М. Конденсаторно-тиристорные схемы торможения и реверса асинхронных двигателей В кн.: Вопросы теории и проектирования электрических машин. Сб. научных трудов.- Ульяновск: УлГТУ, 2002, с.62-75.

30.Дмитриев В.Н., Крицштейн A.M., Кислицын A.JI. К анализу переходных процессов в асинхронных электродвигателях старт-стопных механизмов. В кн.: Вопросы теории и проектирования электрических машин. Сб. научных трудов.- Ульяновск: УлГТУ, 2002, с.62-75.

31. Дмитриев В. Н., Кислицын A.JL, Крицштейн А.М. Определение параметров и характеристик линейных асинхронных двигателей. Всесоюзный симпозиум по автоматизированному линейному и магнитогидродинами-.ческому электроприводу. Тезисы докладов. Таллин, 1981, с.86-88.

32.Дмитриев В. Н., Кислицын A.JL, Крицштейн A.M. Анализ переходных процессов торцевых асинхронных машин с учетом изменения параметров ротора. Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической Конференции «Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов». Грозный, 1982, с.36-37.

33.Дмитриев В. Н., Кислицын A.JL, Крицштейн А.М. Динамика работы торцевого асинхронного электродвигателя с массивным ротором в приводе устройств транспорта магнитной ленты. Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии». Иваново, 1985, с.135.

34.Дмитриев В. Н., Крицштейн А.М., Кислицын A.JI. Динамические режимы работы двухдвигательных лентопротяжных механизмов. Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции «Современное состояние, проблемы и перспективы энергетики и технологии в энергостроении», Иваново, 1989, с.162.

35.Дмитриев В. Н., Кислицын A.JI. Проектирование линейного асинхронного двигателя в заданных габаритах для транспортных установок. Тезисы докладов научно-технической конференции с международным участием «Электротехнические системы транспортных средств и их роботизированных производств». Секция: «Электротехнические системы роботизированных производств ». М., 1995, с.9.

36.Дмитриев В. Н., Потапов E.H. Определение характеристик частотно-управляемых асинхронных двигателей. Тезисы докладов Ш Международной (ХШ Всероссийской) НТК. «Проблемы автоматизированного, электропривода». Ульяновск, 1998, с.113-114.

37.Дмитриев В. Н. Влияние параметров ротора на переходные процессы асинхронных двигателей. Тезисы докладов Ш международной (XIII Все-

российской) НТК. «Проблемы автоматизированного. электропривода». Ульяновск, 1998, с.114-115.

38.Дмитриев В.Н., Потапов E.H. Динамические режимы устройств ввода информации специализированных ЭВМ с асинхронными двигателями. Труды IV Международной (XTV Всероссийской) научно-технической конференции по автоматизированному электроприводу "АЭП-2001", Нижний Новгород, 12-14 сентября 2001, с. 130-131.

39.Дмитриев В. Н., Кислицын A.JL, Кидалов В.И., Тодуров В.Г. Перспективы развития безредукторных электромеханических систем для судовых информационных управляющих комплексов. Тезисы докладов Всероссийского электротехнического конгресса с международным участием. "На рубеже веков: итоги и перспективы", том 3, М., Академия, 1999, с.355-356.

40.Дмитриев В. Н. Математическая модель линейного асинхронного двигателя. Труды Международной научно-технической конференции «Непрерывно-логические и нейронные сети и модели». Модели технических систем. Том 3. Ульяновск, 1995, с. 84.

41.Дмитриев В.Н., Кислицын А.Л., Филиппов Д.В. Вопросы теории и проектирования асинхронных двигателей для безредукторных приводов. В кн.: Вопросы теории и проектирования электрических машин. Сб. научных трудов.- Ульяновск: УлГТУ, 2000, с.6-11.

42.Кислицын А.Л., Дмитриев В. Н. Расчет электрической схемы замещения асинхронной машины с двухслойным ротором. В кн. "Управляемые электрические цепи и электромагнитные поля", Межвуз. научн. сб. №3, Уфа, 1997, с.118-122.

43 .Кислицын А. Л., Дмитриев В. Н. Линейный асинхронный электропривод с ленточным вторичным элементом. В кн.: Вопросы теории и проектирования электрических машин. Характеристики машин в системах электропривода. Межвуз. научн. сб. Саратов, 1987, с. 16-21.

44.Кислицын А.Л., Дмитриев В. Н., Крицштейн А.М. Переходные процессы в режимах комбинированного торможения асинхронными двигателями. Тезисы докладов IV Всесоюзной научно-технической конференции «Ди-. намические режимы работы электрических машин и электроприводов», Днепродзержинск, 1985, с. 62.

45 .Кислицын А.Л., Нашатыркин Е. М., Дмитриев В. Н. Модернизация быстродействующих планшетных графопостроителей на базе безредукторных систем электропривода. Тезисы докладов П Всесоюзной конференции «Автоматизированные системы обработки изображений (АСОИз-86), Москва «Наука», 1986, с. 294.

46.Кислицын А.Л., Дмитриев В. Н. Линейный асинхронный электропривод транспортных установок. Тезисы докладов международного научно-технического семинара «Электромеханические системы с компьютерным управлением на автотранспорте». Суздаль, М.,1993, с. 89-90.

47.Кислицын А.Л., Дмитриев В. Н. Перспективы применения безредукторных планшетных графопостроителей. Тезисы докладов Всесоюзной конференции «Методы и средства обработки сложной графической информации», Горький, 1988, с. 34 - 35.

48.Кислицын А. Л., Дмитриев В. Н., Крицпггейн А. М. Линейный электропривод подачи ленточного материала в штамп. Всесоюзное совещание «Проблемы создания и применения линейных электродвигателей и электроприводов в машинах, оборудовании и транспортно-технических системах». Тезисы докладов, г. Донецк, М., 1989, с.32-33.

49.Кислицын А.Л., Дмитриев В.Н. Вопросы теории линейных асинхронных двигателей для приборных автоматических систем. - Электротехника, 2001, №5, с. 3-6.

50.Пат.1808167 СССР, МКИ Н 02 К 41/25 / Линейный электропривод /Дмитриев В. Н. - БИ №13,1993.

51.Пат. 1817864 СССР, МКИ G 11 В 15/26 / Лентопротяжный механизм для ферромагнитного носителя информации /Дмитриев В. Н., Потапов E.H. -БИ№19, 1993.

52.Пат.2010360 РФ, МКИ G И В 15/43 / Лентопротяжный механизм /Дмитриев В. Н., Богданович Е.В. - БИ №6,1993.

53.Пат. 2047937 РФ, МКИ Н 02 Р 1/42 /Однофазный двухскоростной асинхронный электропривод /Дмитриев В. Н., Поплаухин В.И.- БИ №31, 1995

54.Пат. 2077109 РФ, МКИ Н 02 К 41/025 / Линейный асинхронный двигатель /Дмитриев В. Н - БИ № 10,1997.

55.Пат. 2080733 РФ, МКИ Н 02 К 41/025 / Вторичный элемент линейного асинхронного двигателя /Дмитриев В. Н. - БИ №15,1997.

56.Пат. 2086072 РФ, МКИ Н 02 Р 7/74 / Двухдвигательный электропривод для перемещения лентопротяжных материалов /Дмитриев В. Н., Ларионов М.В - БИ №21,1997.

57.Пат. 2088021 РФ, МКИ Н 02 К 1/26 / Ротор короткозамкнутого торцевого двигателя/Дмитриев В. Н. - БИ №23,1997.

58.Пат. 2099848 РФ, МКИ Н 02 Р 1/42 / Электропривод / Дмитриев В. Н. -БИ №35,1997.

59.Пат. 2143121 РФ, МКИ G 01 R 31/34 / Способ определения характеристик асинхронного двигателя и устройство для его реализации / Дмитриев В.Н., Потапов Е.Н. - БИ №35,1999.

60.Пат. 2152123 РФ, МКИ Н 02 Р 3/26 / Устройство для торможения асинхронного двигателя./ Дмитриев В.Н. - БИ № 18,2000.

61.Пат. 2152124 РФ МКИ Н 02 Р 5/46 / Двухдвигательный электропривод для перемещения ленточных материалов. /Дмитриев В.Н. - БИ № 18, 2000.

62.Пат. 2160958 РФ МКИ Н 02 Р 5/46/ Двухдвигательный электропривод лентопротяжного механизма. /Дмитриев В.Н. - БИ № 35,2000.

63.Потапов Е.Н., Дмитриев В. Н. Математическая модель асинхронного электромеханического устройства перемещения ленточных материалов. В кн.: Вопросы теории и проектирования электрических машин. В кн.: Вопросы теории и проектирования электрических машин. Сб. научных трудов.- Ульяновск: УлГТУ, 2002, с.75-82.

64.Свидетельство на полезную модель № 18601 РФ МКИ Н 02 К 41/025/ Линейный электропривод. /Дмитриев В.Н., Крицштейн А.М., БИ № 18, 2001.

65.Сипайлов Г.А., Дмитриев В. Н. Определение пусковых характеристик синхронного двигателя продольно-поперечного возбуждения с массивным ротором при переменной частоте питающей сети. Депонирована отделением ВНИИЭМ, инв.793-д 17.06.1975.

66.Сипайлов Г.А., Дмитриев В. Н., Кулаков В.Ф. Анализ работы синхронных двигателей на вибрационную нагрузку. Известия Томского политехнического института, т. 200,1974 с. 21-25.

67.Хорьков К.А., Дутлов Е.Е., Дмитриев В. Н. Исследование магнитного поля в воздушном зазоре машины постоянного тока. Известия Томского политехнического института, т.265,1973, с.141-144.

68.Хорьков К.А., Дутлов Е.Е., Дмитриев В. Н. Исследование магнитного поля в воздушном зазоре двигателя постоянного тока, работающего под нагрузкой. Известия Томского политехнического института, Т.284, 1974, с.68-72.

69.Чернышев А. Ю., Дмитриев В. Н. Экспериментальные исследования равномерности вращения электрических машин. Известия Томского политехнического института, т.301,1975, с. 51-55.

70.Kislicin A.L., Dmitriev V.N. Development and researches of built-in asynchronous drives for without reductor of electric drives.- Processing of the 2nd international scientific and technical conference on unconventional electromechanical systems, Poland, Szczecin and Miedzyzdrooje, 1996, p. 247253.

71.Dmitriev V.N., Kislicin A.L., Kritshtein A.M. optimization in problems of designingobject-oriented electro-mechanical devices. Processing of the 3nd international scientific and technical conference on unconventional electromechanical systems, Poland, Szczecin and Miedzyzdrooje, 2001, p.23-29.

Дмитриев Владимир Николаевич

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук "Электромеханические устройства перемещения ленточных носителей информации специализированных вычислительных комплексов".

Подписано в печать 21.08.03. Формат 60 х 84/16. Бумага писчая, Усл. п.л. 2.56. Уч.-изд.л. 2.50. Тираж 100 экз. Заказ ЗМ* Типография УлГТУ, 432027, Ульяновск, Северный Венец, 32.

i>

I

\Aojj » 14 0 77

\ I

i

i

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ВВОДА ИНФОРМАЦИИ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ.

1.1. Место, отводимое устройствам ввода информации с ленточных носителей в современных судовых вычислительных комплексах.

1.2. Классификация кинематических схем ЛПМ.

1.3. Редукторные стартстопные ЛПМ.

1.4. Безредукторные ЛПМ и перспективы их применения в судовых ВК.

1.4.1. Безредукторный стартстопный ЛПМ.

1.4.2. Универсальный ЛПМ модульного исполнения.

1.4.3. Поточные ЛПМ.

1.5. Сравнительная оценка электромеханических преобразователей в приводе ЛПМ модульного исполнения.

Выводы.

2. СХЕМЫ СИЛОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ ВАДМР

ДЛЯ УСТРОЙСТВ ВВОДА С ЛНИ.

2.1. Схемы силовых цепей трехфазных АД с регуляторами напряжения.

2.2. Конденсаторно - тиристорные реверсивные схемы АД.

2.2.1. Классификация реверсивных схем АД.

2.2.2. Схемы реверса при питании АД от трехфазной сети.

2.2.3. Схемы реверса при питании АД от четырехпроводной сети.

2.2.4. Реверсивные схемы при питании АД от однофазной сети.

2.3. Исследование ВАДМР в несимметричных режимах.

2.4. Сравнительная оценка схем реверса ВАДМР в приводе ЛПМ.

Выводы.

3. ОПТИМИЗАЦИОННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ЛНИ.

3.1. Особенности ВАДМР торцевого исполнения, как объекта оптимизационного проектирования.

3.2. Математическая модель оптимизационного проектирования ВАДМР торцевого исполнения в приводе ЛПМ.

3.2.1. Определение исходных параметров оптимизации.

3.2.2. Выбор варьируемых параметров и ограничений.

3.2.3. Выбор целевой функции.

3.2.4. Математическая модель ВАДМР торцевого исполнения.

3.2.5. Оценка теплового состояния ВАДМР.

3.3. Особенности проектирования линейных АД с ленточным вторичным элементом.

3.4. Результаты решения оптимизационных задач.

3.5. Влияние конструктивно-технологических факторов и параметров сети на характеристики ВАДМР.

3.6. Аналитическое определение оптимальной толщины массивного ротора.

Выводы.

4. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИДЕНТИФИКАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН С МАССИВНЫМИ ОБМОТКАМИ.

4.1. Расчетные методы определения параметров массивных обмоток.

4.2. Определение параметров массивных обмоток в рабочих режимах ВАДМР.

4.3. Графоаналитический метод определения характеристик ВАДМР с массивным ротором.

4.4. Определение характеристик ВАДМР по методу двух испытаний

4.5. Способ уточненного определения характеристик ВАДМР

4.6. Определение характеристик несимметричных ВАДМР.

4.7. Определение характеристик ВАДМР в режиме противовключения.

4.8. Определение характеристик динамического торможения ВАДМР

4.9. Определение характеристик ВАДМР в режиме однофазного торможения.

4.10. Исследование ВАДМР с комбинированной структурой ротора.

4.11. Особенности испытаний АД различного исполнения.

4.11.1. Испытание АД большой мощности.

4.11.2. Испытание АД с постоянными параметрами ротора.

4.11.3. Особенности испытаний АД линейного исполнения.

4.11.4. Особенности определения параметров и характеристик синхронных машин с массивным ротором.

4.11.5. Особенности определения параметров и характеристик АД при частоте сети 400 Гц.

Выводы.

5. ДИНАМИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ ЛЕНТОПРОТЯЖНЫХ МЕХАНИЗМОВ С ПРИВОДОМ ОТ ВАДМР.

5.1. Математическая модель ЛПМ с приводом от ВАДМР.

5.2. Динамические режимы ВАДМР в разомкнутой системе управления электроприводом ЛПМ.

5.2.1. Исследование пусковых режимов ЛПМ.

5.2.2. Тормозные режимы электропривода ЛПМ.

5.2.3. Влияние параметров массивного ротора ВАДМР на переходные процессы ЛПМ.

5.2.4. Конденсаторный реверс ВАДМР.

5.2.5. Силы притяжения между ротором и статором ВАДМР.

5.2.6. Особенности динамических режимов ВАДМР при частоте сети 400 Гц.

5.2.7. Особенности динамических режимов линейных АД с ленточным ротором.

5.3. Замкнутые системы управления однодвигательным электроприводом ЛПМ.

5.4. Замкнутые системы управления двухдвигательным электроприводом ЛПМ.

5.5. Измерение частоты вращения ВАДМР.

Выводы.

6. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.

6.1. Четырехдвигательный лентопротяжный механизм судовых ИУК.

6.2. Двухдвигательные электромеханические устройства ввода с ленточных носителей информации судовых ИУК.

6.3. Информационно-измерительное устройство с ленточной шкалой.

6.4. Линейные электроприводы подачи ленточных материалов в пресс.

6.5. Новые схемы двухдвигательных электроприводов перемещения ленточных материалов.

6.6. Многодвигательный электропривод сейсмических вибраторов на базе синхронных двигателей с массивным ротором.

Выводы.

Актуальность проблемы. При разработке специализированных вычислительных комплексов (ВК), к которым относятся судовые автоматизированные системы управления, к числу основных проблем относится задача создания высоконадежных и эффективных устройств ввода информации (УВИ), отвечающих ряду специальных требований, определяемых особыми условиями их функционирования и эксплуатации. В первую очередь, это жесткие требования к надежности УВИ, которые ввиду катастрофических последствий возможных отказов, превалируют над требованиями электромеханических показателей. К особенностям УВИ специального назначения относятся модульность исполнения, повышенные требования к уровню шумов и вибраций, ограничения отраслевых стандартов к применению в проектируемом объекте блоков электроники, в том числе зарубежного исполнения.

В современных вычислительных комплексах носители информации весьма многообразны. Они могут быть выполнены в виде перфоносителей, носителей со специальным слоем (свето- и термочувствительным, диэлектрическим, электрохимическим, магнитным и др.). В современных судовых информационно-управляющих комплексах (ИУК) наиболее ответственная информация, требующая повышенной надежности в хранении и функционировании размещается на ленточных перфоносителях (Пл).

Одним из узлов, обуславливающих основные характеристики УВИ специализированных ВК, является лентопротяжный механизм (ЛПМ), который должен обеспечивать перемещение ленты в зоне фотосчитывающих головок с постоянной скоростью, создавать требуемое натяжение ленты, обеспечивать минимальное время разгона и торможения ленты, ускоренную прямую и обратную перемотку ленты и точный останов.

Анализ специальных требований, предъявляемых к УВИ судовых ВК, показал, что создание ЛПМ, удовлетворяющего всем требованиям, предъявленным к нему со стороны управляющего комплекса, может быть осуществлено за счет применения безредукторного привода вращающихся узлов ЛПМ (катушек, ведущих роликов) на базе объектно-ориентированных (встроенных) электромеханических устройств (ЭМУ). Однако, объектно-ориентированные ЭМУ, как правило, требуют нетрадиционных конструкций электромеханического преобразователя энергии. Так, при ограниченных осевых размерах модуля наиболее целесообразно применение встроенных асинхронных двигателей с массивным ротором (ВАДМР), имеющих плоскую конфигурацию магнитопровода и обмоток. При необходимости линейного перемещения объектов применяют линейные асинхронные ЭМУ, в которых рабочий объект нередко одновременно является вторичным элементом, что значительно упрощает устройство в целом и повышает его надежность.

В качестве отправных точек для создания УВИ специализированных ВК следует назвать работы А. В. Башарина, Е. П. Балашова, Н. Н. Савета, В. И. Адасько, А. В. Михневича, В. П. Титова, М. С. Каплуна и других, в которых описаны конструкции и свойства отдельных звеньев и всего устройства в целом, приведены методики проектирования и расчета характеристик, алгоритмы управления и математическое описание УВИ. Однако ряд важных проблем, связанных со спецификой функционирования и эксплуатации судовых ИУК остается нерешенными или требует доработки.

Особенностями ЭМУ, предназначенных для привода специализированных ВК являются:

• Заданные габаритные размеры электромеханических устройств, что требует нового подхода к их проектированию.

• Сложности в проведении испытаний, что объясняется отсутствием выходного вала ЭМУ встроенного исполнения.

• Необходимость минимизации габаритов и повышения надежности системы управления электроприводом ЛПМ, что требует выбора простых и высоконадежных способов регулирования ЭМУ.

Таким образом, можно утверждать, что, несмотря на существенный прогресс в разработке накопителей с большой информационной емкостью и быстродействием, в настоящее время и обозримом будущем наиболее ответственная информация будет храниться только на ленточных перфоносителях. Кроме того, в связи с простотой, надежностью и малой стоимостью ЛПМ с магнитной лентой (Мл) последние продолжают применяться и составляют большую часть накопителей в специализированных ЭВМ судовых ИУК.

Проблема совершенствования существующих и разработки новых надежных и высокоэффективных электромеханических УВИ специализированных ВК, в полной мере удовлетворяющих требованиям судовых управляющих комплексов в части динамических, акустических и массогабаритных характеристик, является актуальной. Результаты ее решения имеют важное народнохозяйственное значение не только для специализированных ВК, но и многих других областей науки и техники, связанных с разработкой и исследованием объектно-ориентированных ЭМУ нетрадиционного исполнения.

Диссертационная работа выполнена в рамках решения проблемы создания специализированных информационно-управляющих комплексов. В основу диссертационной работы положены результаты НИР, выполненных на кафедре ЭП и АПУ Ульяновского государственного технического университета в период с 1976 по 2003 г. как по заказам предприятий, так и в рамках научно-технических программ.

Цель работы. Целью работы является обобщение результатов исследований, их систематизация и разработка новых решений по созданию ЭМУ перемещения ленточных носителей информации в модульном исполнении, создание основ теории данного класса ЭМУ, а также методического и программного обеспечения для их анализа и оптимального проектирования.

Основные задачи исследований:

1. Разработка рациональных кинематических схем ЛПМ для специализированных ВК.

2. Исследование схем силовых цепей реверсивных ВАДМР в приводе ЛПМ. Разработка рациональных схем повышенной надежности с минимальным числом элементов силовой и управляющей частей.

3. Разработка методов и средств идентификации параметров и характеристик, встроенных в модуль ЛПМ двигателей.

4. Разработка методического и программного обеспечения для оптимизационного проектирования ЛПМ.

5. Разработка обобщенной математической модели ЛПМ. Исследование его установившихся и динамических режимов, разработка рекомендаций по проектированию устройств перемещения ЛНИ.

6. Проведение экспериментальных исследований, осуществление практической реализации разработанных устройств и их внедрение в промышленность.

Методы исследований. Теоретические исследования проведены с использованием положений теории электрических цепей, теории электромеханических и электромагнитных переходных процессов в электромеханических преобразователях энергии, математической теории электрических машин, методов операционного исчисления и математического моделирования на ЭВМ. Анализ параметров и статических механических характеристик ВАДМР проводятся по оригинальной методике с использованием экспериментальных частотных характеристик. Исследование переходных процессов ЛПМ проводится на ЭВМ с использованием метода Рунге-Кутта на основе программной среды "DELPHI". Программы оптимального проектирования ВАДМР выполнены в среде MathLAB 5.2 и MathCAD - 2001 Pro, где алгоритм поиска оптимума основан на методе Quasi-Newton.

Для оценки точности результатов и правильности теоретических выводов проведён ряд экспериментальных исследований. Осуществлено проектирование, изготовление и исследование 12 типоразмеров ВАДМР торцевого и 5 типоразмеров линейных ВАДМР с различным материалом массивных вторичных обмоток: медь, алюминий, бронза, сталь, а также использовались маломагнитные сплавы и двухслойные массивные обмотки. Экспериментальная проверка разработанных устройств проводилась совместно с НПО «МАРС» в процессе лабораторных и заводских испытаний.

Научная новизна.

1. Разработаны принципы построения и синтеза безредукторных ЛПМ УВИ для специализированных ЭВМ на базе ВАДМР торцевого и линейного исполнений, обладающих улучшенными массогабаритными, виброшумовыми, динамическими и энергетическими показателями.

2. Разработаны и исследованы новые силовые схемы реверса ВАДМР с низким коэффициентом мощности.

3. Предложен и разработаны теоретические основы нового способа идентификации параметров и характеристик ВАДМР, основанный на испытании объекта в неподвижном режиме.

4. Разработана математическая модель оптимизационного расчета АД торцевого и линейного исполнений с массивной вторичной обмоткой в заданных габаритах.

5. Впервые разработана обобщенная математическая модель ЛПМ на базе ВАДМР с учетом реальной нелинейной зависимости параметров массивной обмотки от насыщения и вытеснения тока, контуров вихревых токов в магнитопроводе статора, несимметрии электромагнитной системы, переменного момента инерции кассетного устройства, наличия датчиков и регуляторов скорости и натяжения, устройств коррекции и других элементов САУ, конденсаторно-тиристорного коммутатора и электромагнитного тормоза ().

6. Доказано существенное влияние учёта одновременного изменения параметров массивной обмотки от частоты и величины наводимых в нём токов на точность расчёта динамических режимов ВАДМР, управляемых по напряжению.

7. Впервые предложен и исследован метод комбинированного двухступенчатого торможения ВАДМР с использованием режимов противовк-лючения и торможения электромагнитным тормозом.

8. Предложены и разработаны линейные и дисковые ВАДМР и устройства на их основе для перемещения ленточных материалов, защищенные восемнадцатью авторскими свидетельствами на изобретения и патентами.

Практическая ценность работы.

1. Разработанные структуры безредукторных ЭМУ перемещения ленточных материалов нашли практическое применение как в ЛПМ ВК, так и других лентопротяжных устройствах на базе встроенных линейных и торцевых ВАДМР.

2. Методики определения и результаты исследований параметров и механических характеристик ВАДМР могут быть использованы для анализа динамических и установившихся режимов других типов асинхронных и синхронных машин с массивными роторами.

3. Получены рекомендации по рациональной организации двухступенчатого комбинированного торможения ВАДМР с ЭМТ.

4. Предложены новые схемы двухдвигательных электроприводов перемещения ленточных материалов, которые позволяют создавать ЛПМ с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

5. Практическую значимость имеют технические решения по конструкциям ЛПМ, линейных и дисковых ВАДМР и устройств на их основе для перемещения ленточных материалов, защищённые авторскими свидетельствами на изобретения и патентами.

6. По результатам теоретических и экспериментальных исследований спроектированы, изготовлены и внедрены в производство ЛПМ УВИ.

Реализация результатов работы. Теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы нашли применение на предприятии

НПО «МАРС» при создании устройств ввода информации с перфоленты и накопителей на магнитной ленты для судовых информационно - управляющих комплексов.

С 1984 г. на предприятиях Минсудпрома для обеспечения разработок отрасли освоено серийное производство устройств ввода информации с перфоленты в составе лентопротяжного механизма и блока управления на частоту сети 400 и 50 Гц. Указанные устройства до настоящего времени находятся в эксплуатации и удовлетворяют требованиям судовых информационно-управляющих комплексов.

Научные положения и выводы работы реализованы также предприятием Р-6456 при разработке быстродействующих информационно-измерительных устройств с ленточной шкалой, ВАДМР перемещения ленточных материалов в рабочую зону прессов и вибрационных систем со встроенными двигателями с массивными обмотками для сейсмических информационно - управляющих комплексов.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на 32 международных, Всесоюзных и региональных конференциях, семинарах, симпозиумах и конгрессах, в том числе: на Всесоюзном симпозиуме по автоматизированному линейному и магнитогидродинамическому электроприводу - (Таллин, 1981), Всесоюзной научно-технической конференции «Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов» - (Грозный, 1982), Всесоюзной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» - (Иваново, 1985), на краевой научно-технической конференции «Автоматизация электроприводов и оптимизация режимов электропотребления» - (Красноярск, 1985), Всесоюзной конференции «Методы и средства обработки сложной графической информации» - (Горький, 1985), IV Всесоюзной научно-технической конференции «Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов» - (Днепродзержинск, 1985), II Всесоюзной конференции «Автоматизированные системы обработки изображений (АСОИз-86) - (Москва, 1986), Всесоюзной конференции «Методы и средства обработки сложной графической информации» - (Горький, 1988), VIII научно-технической конференции Уральского политехнического института-(Свердловск, 1988), Всесоюзном совещании «Проблемы создания и применения линейных электродвигателей и электроприводов в машинах, оборудовании и транспортно-технических системах» - (Донецк, 1989), Всесоюзной научно-технической конференции «Современное состояние, проблемы и перспективы энергетики и технологии в энергостроении» - (Иваново, 1989), семинаре «Совершенствование судовых и автономных электромеханических систем» - (Севастополь, 1990), семинаре «Системы управления, следящие приводы и их элементы» - (Москва, 1991), международном научно-техническом семинаре «Электромеханические системы с компьютерным управлением на автотранспорте» - (Суздаль, 1993), научно-технической конференции с международным участием «Электротехнические системы транспортных средств и их роботизированных производств», секция: «Электротехнические системы роботизированных производств» - (Москва, 1995), международной научно-технической конференции «Непрерывно-логические и нейтронные сети и модели». Модели технических систем - (Ульяновск, 1995), научно-технической конференции с международным участием «Электротехнические системы транспортных средств и их роботизированных производств» - (Москва, 1995), 2nd international scientific and technical conference on unconventional electromechanical systems - (Poland, Szczecin and Miedzyzdrooje, 1996), региональной научно-технической конференции «Крайний север 96 Технологии, методы, средства» - (Норильск, 1996), научно-технической конференции с международным участием «Проблемы промышленных электромеханических систем и перспективы их развития» - (Ульяновск, 1996), III Международной (XIII Всероссийской) НТК. «Проблемы автоматизированного электропривода» - (Ульяновск, 1998), Всероссийском электротехническом конгрессе с международным участием. "На рубеже веков: итоги и перспективы" - (Москва, 1999), IV Международной (XIV Всероссийской) научно-технической конференции по автоматизированному электроприводу "АЭП-2001" - (Нижний Новгород, 2001), international scientific and technical conference on unconventional electromechanical systems - (Poland, Szczecin and Miedzyzdrooje, 2001), научно-технических конференциях Ульяновского государственного технического университета (1976 - 2003 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 71 научных работах, включающих монографию, учебное пособие с грифом УМО, 20 статей, 19 тезисов докладов и 30 авторских свидетельств и патентов.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 210 наименований, изложенных на 351 страницах машинописного текста, содержит 133 рисунка, 18 таблиц и приложение на 14 страницах.

Выводы

1. По результатам теоретических и экспериментальных исследований спроектированы, изготовлены и испытаны образцы безредукторных ЛПМ УВИ на базе торцевых ВАДМР и системы управления ими. С 1984 года на предприятиях Минсудпрома для обеспечения разработок отрасли освоено серийное производство устройств ввода информации с перфоленты в составе лентопротяжного механизма и блока управления на частоту сети 400 и 50 Гц. Указанные устройства до настоящего времени находятся в эксплуатации и удовлетворяют требованиям судовых информационно-управляющих комплексов.

2. Научные положения и выводы работы реализованы также:

• в вибрационных установках для сейсмических комплексов;

• в информационно-измерительных устройствах с ленточной шкалой;

• в устройствах подачи ленточных материалов в рабочую зону прессов;

• в лабораторных стендах по исследованию параметров массивного ротора АД и исследованию характеристик ЛАД.

Заключение

В работе, на основании выполненных автором исследований, изложены научно обоснованные технические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики страны и повышение ее обороноспособности. Проведенный комплекс исследований расширил и углубил представление об электромеханических устройствах перемещения ленточных материалов, взаимном влиянии механической части ЛПМ и замкнутой системы асинхронного электропривода. На основе полученной физической картины и математического описания работы электромеханической системы ЛПМ созданы надежные регулируемые электроприводы на базе ВАДМР, а также разработаны устройства, улучшающие статические и динамические показатели ЛПМ и повышающие их надежность. Теоретические исследования сопровождались многочисленными экспериментами, подтвердившими правильность физических представлений, приемлемость принятых допущений и разработанных на этой основе методов анализа и синтеза.

Основные положения и закономерности, полученные в работе, справедливы для электромеханических устройств перемещения ленточных носителей информации специализированных информационно -управляющих комплексов, однако ряд положений и выводов диссертации может быть распространен и на другие механизмы, где рационально использование такого же асинхронного электропривода. К основным результатам работы можно отнести: 1. Впервые, на основании анализа кинематических схем и конструкций электромеханических устройств перемещения ленточных носителей информации, разработаны и созданы безредукторные ЛПМ в модульном исполнении, обладающие улучшенными весогабаритными, виброшумовыми, динамическими и энергетическими показателями. Разработана кинематическая схема однодвигательного ЛПМ типа "картридж" с постоянным натяжением ЛНИ.

2. Предложены методические подходы к систематизации трехфазных конденсаторно - тиристорных реверсивных схем АД с низким коэффициентом мощности. Дана их классификация в основу, которой положены параметры питающей сети. Разработаны новые структуры силовых цепей реверсивных асинхронных электроприводов для одно и двухдвигательных ЛПМ, обладающих повышенной надежностью и простотой реализации и защищенные четырнадцатью авторскими свидетельствами на изобретения и патентами. Проведенные исследования показали преимущества одноключевых конденсаторно-тиристорных схем реверса трехфазных асинхронных двигателей с низким коэффициентом мощности, возможность превышения пускового момента в обратном режиме по сравнению с трехфазным режимом, надежность и простоту реализации рассмотренных схем.

3. Разработана математическая модель оптимизационного расчета на базе ВАДМР торцевого и линейного исполнения с массивной вторичной обмоткой в заданных габаритах. Установлено, что лучшие характеристики ВАДМР обеспечивает обмотка ротора, выполненная из сплава СМ-30, однако при выборе любого материала и неизменных потерях, всегда находится вариант, при котором критериальные параметры близки к их оптимальным значениям.

4. Наибольшее отклонение от данных частных оптимизаций дает обратный момент ВАДМР, что можно объяснить большим влиянием дискретности изменения емкости фазосдвигающих конденсаторов в процессе оптимизации. Наибольшее влияние на характеристики ВАДМР оказывает технологический разброс по удельному сопротивлению массивного ротора и отклонение напряжения сети.

5. Предложен и разработаны теоретические основы нового способа идентификации параметров и характеристик, объектно-ориентированных АДМР, основанный на испытании объекта в неподвижном состоянии. Предложенные методики испытания ЭМ позволяют с достаточно высокой точностью моделировать на неподвижной машине режимы противовключения, динамического торможения и однофазного торможения пульсирующим током.

6. Разработана обобщенная математическая модель ЛПМ на базе ВАДМР с учетом реальной нелинейной зависимости параметров массивной обмотки от насыщения и вытеснения тока, контуров вихревых токов в магнитопроводе статора, несимметрии электромагнитной системы, переменного момента инерции кассетного устройства, наличия датчиков и регуляторов скорости и натяжения, устройств коррекции и других элементов САУ, конденсаторно-тиристорного коммутатора и электромагнитного тормоза. Для улучшения динамических характеристик УВИ рекомендовано использовать железомедные сплавы с // = 20 30 . Исследован двухдвигательный электропривод ЛПМ с упреждающей коррекцией в двух контурах системы, доказана возможность повышения быстродействия и уменьшения колебаний натяжения на 10 - 15%.

7. Впервые разработан и исследован способ комбинированного торможения с использованием режимов противовключения и механического торможения с помощью электромагнитного тормоза, позволивший повысить эффективность торможения.

8. Внедрение предложенных и разработанных конструкций ЛПМ позволило создать устройство ввода информации с перфоленты с улучшенными по сравнению с используемыми приборами техническими и эксплуатационными характеристиками, а именно:

• снизить уровень акустических шумов на 15 дб;

• повысить надежность устройств ввода информации с перфоленты за счет упрощения кинематической схемы ЛПМ;

• улучшить весогабаритные характеристики одного модуля (снизить вес более чем в 5 раз и уменьшить габариты);

• повысить скорость считывания информации в 3 раза;

• применить отраслевую конструкторско-технологическую базу.

С 1984 г. на предприятиях Минсудпрома для обеспечения разработок отрасли освоено серийное производство устройств ввода информации с перфоленты в составе лентопротяжного механизма и блока управления на частоту сети 400 и 50 Гц. Указанные устройства до настоящего времени находятся в эксплуатации и удовлетворяют требованиям судовых информационно-управляющих комплексов.

9. Научные положения и выводы работы реализованы также:

• в вибрационных установках для сейсмических комплексов;

• в информационно-измерительных устройствах с ленточной шкалой;

• в устройствах подачи ленточных материалов в рабочую зону прессов;

• в лабораторных стендах по исследованию параметров массивного ротора АД и исследованию характеристик ЛАД.

1. Абрамов С.П. Приведенные сопротивления, намагничивающий ток и рабочие характеристики высокоскоростного асинхронного двигателя с массивным маломагнитным ротором // Электричество. 1978. № 3.- с. 54-57.

2. Аветисян Д. А. Основы автоматизированного проектирования электромеханических преобразователей. М.: Высшая школа, 1988. - 271 с.

3. Адаменко А.И. Методы исследования несимметричных асинхронных машин.- Киев: Наукова думка, 1969. 356 с.

4. Адасько В.И., Кащавцев Ю.А., Пац В.Б. Устройства ввода вывода современных вычислительных машин. -М.: Энергия, 1971. - 111 с.

5. Аоки М. Введение в методы оптимизации. М.: Наука, 1977. 285 с.

6. Аркадьев В. К. Электромагнитные процессы в металлах, Ч. I. М.: ОНТИ, 1935.-230 с.

7. Аркадьев В.К. Электромагнитные процессы в металлах, Ч. II. М.: ОНТИ, 1936. -304 с.

8. Арутюнян Ю.К., Апозян Ф.Ю. Исследование асинхронного двигателя с массивным железомедным спеченным ротором // Электротехника, 1982. №2. с. 21-26.

9. А. с. 378940 СССР, МКИ Glib 15/26 / Лентопротяжный механизм с кольцом магнитной ленты / Бансевичус Р.Ю., Варанаускас П.А. БИ №19, 1973.

10. А. с. 432591 СССР, МКИ Glib 15/26 / Лентопротяжный механизм / Колпаков B.C., Летунов Б.П. БИ №22, 1974.

11. А.с. 440695 СССР, МКИ Glib 15/26 / Лентопротяжный механизм / Колпаков B.C.- БИ №31, 1974.

12. А.с. 619996 СССР, МКИ Н 02 К 41/04 / Способ косвенного измерения механической характеристики асинхронного электродвигателя / Ижеля Г.И., Попков B.C., Шинкаренко В.Ф. БИ №30, 1978.

13. А.с. 815849 СССР, МКИ Н 02 К 41/04 / Линейный асинхронный двигатель / Кислицын А.Л., Дмитриев В. Н., Крицштейн А.М, Пронин А.С-БИ№11, 1981.

14. А.с. 822274 СССР, МКИ G 11 В 15/26 / Устройство для перемещения магнитной ленты / Кислицын А.Л., Крицштейн А.М, Дмитриев В. Н., Топчий А.С. БИ №14, 1981.

15. А.с. 932552 СССР, МКИ G И В 15/26 / Устройство для перемещения магнитной ленты / Дмитриев В. Н., Кислицын А.Л., Крицштейн А.М, Титов В.П.- БИ №20, 1982.

16. А.с. 1046146 СССР, МКИ В 62 D 43/00 / Устройство для подачи электропроводной ленты в штамп / Кислицын А.Л., Дмитриев В. Н., Крицштейн A.M. БИ №37, 1983.

17. А.с. 1051664 СССР, МКИ Н 02 К 41/025 / Электропривод / Дмитриев В. Н., Кислицын А.Л., Чихалов В.В. БИ №40, 1983.

18. А. с. 1226577 СССР, МКИ Н 02 К 41/025 / Индуктор линейного асинхронного двигателя /Дмитриев В. Н,- БИ №15, 1986.

19. А. с. 1246319 СССР, МКИ Н 02 К 41/025 / Линейный реверсивный электропривод / Дмитриев В. Н., Кислицын А.Л., БИ № 27, 1986.

20. А. с. 1376906 СССР, МКИ Н 02 Р 7/62 / Линейный электропривод / Дмитриев В. Н., Быстрицкий В. Е., Воронцов В. В. не публикуется, 1988.

21. А. с. 1539951 СССР, МКИ Н 02 Р 7/36 / Реверсивный асинхронный электропривод / Дмитриев В. Н., Иванов В. М., Кислицын А. Л., Марата С. М. БИ №4, 1990.

22. А. с. 1552824 СССР, МКИ G 01 R 31/34 / Способ определения характеристик линейных асинхронных двигателей / Дмитриев В. Н., Нечаев О. Н., Курятников А. В., не публикуется, 1990.

23. А. с. 1583891 СССР, МКИ Н 02 К 41/025 / Способ определения магнитного поля в воздушном зазоре линейного асинхронного двигателя / Дмитриев В. Н., Михайлов С. А., Чемаев В. Г. БИ №29, 1990.

24. А. с. 1702507 СССР, МКИ G 01 R 33/02 / Реверсивный асинхронный электропривод / Дмитриев В. Н., Иванов В. М., Ваничкин В. Ф., Кислицын А. JI. БИ №48, 1991.

25. А.с. 1760552 СССР, МКИ. G 11 В 15/26 / Лентопротяжный механизм / Дмитриев В. И. БИ №33, 1992.

26. Балашов Е.П., Атанасов Д.Х. Накопители информации с подвижным магнитным носителем. Л.: Энергоиздат, 1982. - 206с.

27. Барышников В.Д. Автоматизированные электроприводы машин бумагоделательного производства. Л.: Энергоатомиздат. 1982. - 144 с.

28. Башарин А.В., Новиков В.А., Столяров А.И. Динамические модели электромеханических систем высокоточных лентопротяжных механизмов // Электротехническая промышленность. Серия "Электропривод", Выпуск 4 (75), 1979. с. 1- 6.

29. Беспалов В.Я., Мощинский Ю.А., Петров А.П. Динамические показатели трехфазных асинхронных двигателей, включаемых в однофазную сеть. // Электротехника, 2000, № 1, с. 13-19.

30. Беспалов В.Я., Мощинский Ю.А., Мовсесян С.Ж. Электромеханические процессы в асинхронном двигателе в режиме частых реверсов. // Электричество, 1985, № 1, с.62-64.

31. Боровиков М.А. Расчет быстродействующих систем автоматизированного электропривода и автоматики. Саратов, изд-во СГУ, 1980. - 386 с.

32. Боровиков М.А., Дмитриев В.Н., Егоров В.Н., Потапов Е.Н. Проектирование объектно-ориентированных асинхронных электромеханических преобразователей лентопротяжных механизмов. В кн.: Вестник УлГТУ, №1(9), Ульяновск, УлГТУ, 2000, с. 61-65.34.35,36