автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Электропривод малой мощности на основе однофазного коллекторного двигателя с улучшенными энергетическими характеристиками

Мешков Александр Сергеевич

ЭЛЕКТРОПРИВОД МАЛОЙ МОЩНОСТИ НА ОСНОВЕ ОДНОФАЗНОГО КОЛЛЕКТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ С УЛУЧШЕННЫМИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

Специальность 05,09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Л ВТО РЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005017417

1 О г 1'

Комсомольск-на-Амуре 2012

005017417

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» на кафедре «Электропривод и автоматизация промышленных установок»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Суздорф Виктор Иванович, кандидат технических наук, доцент

Власьевский Станислав Васильевич, доктор технических наук, профессор -профессор ФГБОУ ВПО «ДВГУПС», г. Хабаровск;

Кузьмин Роман Вячеславович, кандидат технических наук, доцент - доцент кафедры «Электромеханика» ФГБОУ ВПО «КнАГТУ», г. Комсомольск-на-Амуре.

Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ), г. Томск.

Защита диссертации состоится « 25 » мая 2012 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.092.04 в ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина д.27, ауд.201-3, e-mail: kepapu@knastu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» и на сайте wwvv.knastu.ru.

Автореферат разослан «20» апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ^

кандидат технических наук, доцент В.И. Суздорф

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Энергосбережение является одним из приоритетных направлений технической политики во всех развитых странах мира и сводится, как правило, к повышению энергоэффективноста и снижению энергоемкости производства. Анализ структуры потерь в сфере производства, распределения и потребления электроэнергии показывает, что основная составляющая потерь приходится на сферу потребления. Одним из основных потребителей электрической энергии во всем мире является электропривод (ЭП). При этом следует отметить, что в каждом конкретном случае необходимо принимать конкретные решения по оптимизации существующих производств, разработке новых технологий с целью повышения энергосбережения.

Во всем мире массово используют электроприводы малой мощности: в электрифицированном инструменте, специальном строительном оборудовании, медицинской и сложной бытовой технике. Характерным фактором. делающим тему исследования особенно актуальной является то, что КПД двигателей малой мощности составляет от 30 до 60%, оставляя сравнительно большие возможности для его повышения, особенно в регулируемом электроприводе, а, следовательно, имеется значительный резерв экономии электроэнергии по сравнению с промышленными электроприводами.

Следует отметить, что в настоящее время достаточно мало внимания уделяется построению энергоэффективных систем управления электроприводами малой мощности, вследствие, незначительности эффекта энергосбережения в единичном случае и дешевизны таких приводов. Поэтому вопрос энергосберегающего управления таким электроприводом недостаточно исследован в настоящее время, в то время как, с точки зрения математического описания, однофазный коллекторный двигатель последовательного возбуждения, который в основном используется в массовом электроприводе малой мощности, является достаточно сложным объектом, вследствие наличия нелинейностей и отчасти непредсказуемой нагрузки на валу двигателя.

Вопросам теории и практики улучшения энергетических показателей электроприводов, в том числе с однофазным коллекторным двигателем последовательного возбуждения (ОКД), были посвящены работы, выполненные рядом ученых: Климовым В.П., Ильинским Н.Ф., Каганом В.Г., Лебедевым Г.В., Малининым Л.И., Суздорфом В.И., Алехиным А.Е., Петровым Ю.П., Беллманом М.Х., РиртаЫ Т., ПиЬеу О.К. и др. авторами.

В разработке теории и практики построения систем отвечающих принципам оптимальности с точки зрения минимума потерь, функционального и структурного синтеза систем электропривода, участвовали

многие специалисты: Башарин A.B., Козярук А.Е., Нуждин В.Н., Сле-жановский О.В., Власьевский C.B., Соколовский Г.Г. и другие.

Основными проблемами в разработке энергоэффективных систем электропривода с ОКД являются: нелинейная зависимость электромагнитных процессов от скорости и ее влияние на энергетический КПД, а также нелинейные статические характеристики двигателя, требующие новых решений по формированию их заданных функциональных свойств (стабилизация скорости, ограничение момента и Др.).

С учетом вышеизложенного возникает необходимость разработки новых функциональных, алгоритмических и технических решений по оптимизации энергетических и статических характеристик, обеспечивающих высокое качество регулирования с учетом трудно формализуемых требований к сложности системы, ее массогабаритным показателям и стоимости, что делает такую разработку актуальной.

Объектом исследования является электропривод на базе однофазного коллекторного двигателя для массового потребления.

Предметом исследования являются оптимальные по критерию минимума потерь функциональные зависимости переменных движения, алгоритмы управления и техническая реализация требуемых характеристик электропривода.

Целью работы является функциональный синтез системы электропривода на основе критерия минимума потерь, создание способов и устройств управления электропривода с ОКД, основанных на алгоритмах оптимальных, с точки зрения энергоэффективности, управлений для достижения требуемых статических и динамических характеристик ЭП и поддержания динамического КПД на максимальном уровне.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:

- функциональный синтез системы электропривода на основе критерия минимума потерь;

- разработка математического описания электромагнитных процессов в ОКД с учетом найденных функциональных зависимостей;

- синтез структуры электропривода с нелинейными обратными связями, обеспечивающими компенсацию возмущений;

- разработка устройств управления ЭП с ОКД, основанных на алгоритмах оптимальных, с точки зрения энергоэффективности, управлений для достижения требуемых статических и динамических характеристик ЭП и поддержания максимального динамического КПД;

- проверка эффективности разработанных систем с помощью моделирования и экспериментальных исследований.

Методика исследования. Научные исследования в диссертационной работе основывались на применении методов теории электромеханического преобразования энергии, теории дифференциальных уравнений, теории автомагического управления. При решении задач исследования дина-

мических режимов систем, определения структуры и параметров предложенных моделей использовались методы цифрового моделирования, на основе пакета МаI! аЬ/ Я1 тРо \уе гБуяIет.я. Экспериментальные исследования проводились на изготовленных автором макетных образцах.

Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов диссертационной работы подтверждена их соответствием законам физики, теории электрических машин, электропривода, корректностью поставленных задач, обоснованностью принятых допущений, применением широко апробированных методов оптимизации

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Обоснованы теоретические условия обеспечения энергоэффективности и синтезированы практические алгоритмы управления электроприводом малой мощности с ОКД с точки зрения минимума потерь, содержащие новые положения, связанные с контролем постоянной времени ОКД.

2. Разработаны предложения по проектированию энергоэффективных систем электропривода с ОКД по материалам исследований особенностей формирования статических и динамических характеристик с учетом критерия минимума потерь.

3. Предложены новые технические решения стабилизации скорости и коррекции динамики ОКД.

Основные положения, выноснмые на защиту:

— разработанные структуры электропривода с ОКД с нелинейными обратными связями, обеспечивающие новые функциональные свойства;

— математические модели электропривода с ОКД с нелинейными обратными связями;

— алгоритмы оптимального управления электроприводами с ОКД с точки зрения энергоэффективности;

— результаты модельного и физического исследования влияния структуры системы и законов управления на энергоэффективность электропривода с ОКД.

Практическая ценность работы:

— предложены пути реализации новых функциональных свойств устройств и приборов и повышения энергетических показателей электропривода. Результаты исследований позволяют повысить качество ручного электрифицированного инструмента, бытовых машин и приборов, сложной бытовой техники, могут использоваться при разработке отечественных устройств с улучшенными энергетическими показателями, повышая их конкурентоспособность;

— даны рекомендации по инженерной методике расчета структуры и параметров электропривода в различных вариантах практического использования.

Реализация работы осуществлена в рамках научного направления кафедры электропривода и автоматизации промышленных установок и технологических комплексов ФГБОУ ВПО «КнАГТУ»: энергосбережение и энергоэффективность. Результаты работы переданы в форме технической документации и методик расчетов на ОАО «Амурский судостроительный завод», г. Комсомольск-на-Амуре для использования при разработке, и модернизации ручного электрифицированного инструмента. Результаты работы внедрены в учебный процесс на электротехническом факультете КнАГТУ по направлению 140400 - «Электроэнергетика и электротехника».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, форумах и конкурсах:

— 40-я: и 41-я научно-технические конференции студентов и аспирантов КнАГТУ, г. Комсомольск-на-Амуре, 2010-2011 г.г.

— Международная научно-техническая конференция «Электротехнические комплексы и системы» (Комсомольск-на-Амуре, 21-22 октября 2010 года) в рамках Международного симпозиума «Образование, наука и производство: проблемы, достижения и перспективы»;

— Региональная итоговая конференция по программе У.М.Н.И.К. -

2010, ноябрь 2010 г.

— Всероссийский круглый стол «Роль молодежи в решении задач повышения энергоэффективности и энергосбережения» в рамках Ярославского энергетического форума, 1-3 декабря 2010 г.

— Хабаровский краевой молодежный инновационный конвент 2011, апрель 2011;

— Всероссийский молодежный образовательный форум «Селигер-2011», 1-8 июля 2011 г.;

— Школа молодых ученых Хабаровского края - 2011, август 2011;

— Всероссийский круглый стол «Роль молодежи в решении задач повышения энергоэффективности и энергосбережения» в рамках Ярославского энергетического форума, 5-7 октября 2011 г.

— Региональная итоговая конференция по программе У.М.Н.И.К. -

2011, ноябрь 2011;

— Научная школа «Капитализация знаний в условиях социально-ориентированной экономики» в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, Тула, 18-19 ноября, 2011 г.

— XIV Конкурс молодых ученых и аспирантов Хабаровского края, январь 2012 г.

— Научно-техническое расширенное заседание кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок», г. Комсомольск-на-Амуре, ФГБОУ ВПО «КнАГТУ», 2012 г.

Публикации. По результатам исследований, отраженных в диссертации. опубликовано 12 работ, из них 11 - научные статьи и тезисы докладов, включая 1 статью в журнале, рекомендованном ВАК РФ, а также патент на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 124 наименований и приложения. Основная часть диссертации изложена на 149 страницах, в том числе 82 рисунка и 5 таблиц. Автореферат полностью отражает содержание диссертации. Материалы диссертации достаточно полно опубликованы в 12 работах, в том числе в 1 издании рекомендованном ВАК РФ, а также патент на изобретение. Диссертация соответствует паспорту специальности 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы» в области исследований: «Разработка, структурный и параметрический синтез электротехнических комплексов и систем, их оптимизация, а также разработка алгоритмов эффективного управления».

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, дана общая характеристика работы, сформулированы цель и намечен круг решаемых задач, приведены основные положения и результаты, выносимые на защиту, отмечена их новизна и практическая значимость. Приведены сведения о внедрении результатов, апробации работы и публикациях.

В первой главе проведен критический анализ существующих систем управления электроприводами на основе ОКД.

Анализ функциональных и энергетических характеристик известного множества технических решений показал, что в сфере массового электропривода малой мощности вопрос энергоэффективного управления не поставлен ни в техническом, ни в научном аспекте. Выявлено, что рассматриваемая группа приводов работает с переменной не циклической нагрузкой, поэтому при синтезе оптимального, с точки зрения энергетики, управления необходим учет электромагнитных процессов в ОКД. При предварительном анализе электромагнитных процессов установлено, что постоянная времени ОКД является функцией скорости, а значит, требует рассмотрения задача учета этого фактора при оптимизации управлений в соответствии с критерием энергоэффективности.

Из анализа возможностей имитационного моделирования различных программ на ЭВМ выявлено, что ни одна программа должным образом не позволяет учитывать все существующие нелинейности таких двигателей, а наоборот используют значительное количество допущений при математическом описании ОКД. Данный факт служит достаточной предпосылкой к созданию новых виртуальных моделей ОКД для целей моделирования. Поскольку в приводах малой мощности, принимаемые допущения, оказывают

серьезное влияние на величину погрешности проводимого имитационного моделирования, что не столь значительно сказывается для приводов средней и большой мощности.

Одним из недостатков рассмотренных решений схем СУ является то, что в режиме рабочих нагрузок двигатель работает в режиме прерывистых токов. Вследствие этого снижаются энергетические показатели привода, а также существенно возрастает уровень нелинейности статических характеристик.

При реализации регулируемого электропривода на основе ОКД возникают определённые трудности с формированием требуемых статических и динамических характеристик и, в частности, с созданием систем стабилизации скорости. Они вызваны в первую очередь двумя факторами:

1) наличием относительно большого момента потерь, обусловленного потерями на вентиляцию и трением в подшипниках, из-за чего подключение к валу двигателя датчика скорости приведёт к ещё большему увеличению таких потерь;

2) отсутствием простых и надежных промышленно выпускаемых датчиков скорости для измерения скоростей выше 15000 об/мин.

Установлено, что для систем управления электроприводами на основе однофазных коллекторных двигателей, применяемых в бытовых и промышленных объектах, уровень исследований и разработок энергоэффективных систем управления ЭП с ОКД с функцией стабилизации скорости является недостаточным.

Выявлено, что рассматриваемая группа приводов работает с переменной не циклической нагрузкой, поэтому при синтезе оптимального, с точки зрения энергетики, управления необходим учет электромагнитных процессов в ОКД.

При предварительном анализе электромагнитных процессов установлено, что постоянная времени ОКД является функцией скорости, а значит, требует рассмотрения задача учета этого фактора при оптимизации управлений в соответствии с критерием энергоэффективности.

Результаты анализа позволили определить требования, предъявляемые к системам управления электроприводов на основе ОКД и основные зависимости между основными координатами ЭП с ОКД.

Во второй главе решается задача синтеза структуры электропривода с нелинейными обратными связями, обеспечивающими компенсацию возмущений.

Нелинейность механической характеристики и кривой намагничивания оказывают существенное влияние на статические и динамические режимы работы электропривода. Следует отметить, что наибольшее распространение получило использование обратных линейно пропорциональных связей по основным внутренним координатам электропривода при постро-

ении систем стабилизации скорости. Использование обратной связи по ЭДС вращения двигателя, в приводах с ОКД последовательного возбуждения является трудно реализуемой из-за слабовыраженной зависимости ЭДС от частоты вращения, кроме того, в присущих для данного шла привода режимах прерывистого тока ЭДС равна нулю. По тем же причинам не может найти применение обратная связь по напряжению двигателя, а также осуществление стабилизации частоты вращения путем отслеживания частоты коллекторных пульсаций напряжения. Удобным является применение положительной обратной связи по току двигателя. Указанная связь проще реализуется либо с помощью шунта, либо трансформатора тока или же в зависимости от ЭДС самоиндукции цепи двигателя. Недостатком такого типа обратной связи служит то, что сигнал на её выходе не несет полной информации о частоте вращения и её изменениях, вызванных отдельными возмущениями (нагрев обмоток, изменение напряжения сети).

Наиболее полно компенсировать указанные недостатки позволяет использование нелинейной обратной связи, характеристика которой была бы обратна механической характеристике ОКД. В двигателе последовательного возбуждения такая нелинейная обратная связь может быть построена на использовании в качестве измеряемой координаты - постоянной времени однофазного коллекторного двигателя. Постоянная времени, пропорциональна темпу спадания тока и несет в себе информацию о текущих значениях скорости и тока. В качестве решения поставленной проблемы в диссертации предложена разработанная автором структура, формирующая сигнал обратной связи в виде частного от текущих значений тока и частоты вращения двигателя при импульсном питании последнего. Для этого измеряется темп спадания ЭДС самоиндукции двигателя. Время спадания ЭДС с большой степенью точности пропорционально значению тока якоря и обратно пропорционально частоте вращения двигателя [3], измерение её производится в момент, когда двигатель отключен от сети в межкоммутационный период питающего преобразователя, а ток якоря протекает по, шунтирующей якорь, разрядной цепочке. Достоинством указанного метода является возможность учесть большое число возмущений, в том числе нагрев обмоток двигателя, изменение напряжения сети и т.д.

Постоянная времени ОКД определяется выражением [1]:

Из представленного уравнения видно, что для поддержания стабильной скорости вращения двигателя необходимо поддерживать постоянным время спадания ЭДС самоиндукции.

Проведенный синтез структуры системы электропривода привел к необходимости разработки способов и устройств, формирующих синтезированные нелинейные законы изменения воздействий на входе широтно-

импульсного преобразователя, которые являлись бы оптимальными с точки зрения энергоэффективности.

ЭП массового потребления относится к разгонной группе электроприводов и задачу оптимального управления такого ЭП можно сформулировать следующим образом: изменить скорость двигателя от значения V/ до у2 так, что бы за произвольное время переходного процесса энергия, потребляемая от преобразователя, была минимальной. Для этого необходимо обеспечить максимум динамическому КПД:

Максимум данному функционалу будет обеспечиваться при следующем условии [4]:

Решением, при постоянной скорости и пренебрегая механическими потерями, будет являться выражение:

j(pc -v)-dr

(2)

(3)

u = ±t]v-p-p + P-APuex

(4)

u, о,

v=0.JS-"

-v=t\T"'

0 V.2 0.4 0.6 0.8 o.e. !

Рис. 1 - Кривые питающего напряжения в функции момента при различных значениях скорости

Как видно из рисунка 1 с ростом нагрузки на валу двигателя, действующее значение питающего напряжения должно изменяться по квадратичному закону. Такая функция изменения действующего значения питающего напряжения будет оптимальной с точки зрения выполнения энергетического критерия.

В третьей главе рассмотрены вопросы проектирования и исследования математических моделей электроприводов малой мощности с ОКД в динамических режимах работы.

Однофазный коллекторный двигатель последовательного возбуждения при питании от постоянного напряжения в двигательном режиме описывается следующими уравнением электрического равновесия и уравнением движения электропривода:

ис(1) +Яя)-т+(Ья +4)^+^-1(0 - «СО (5)

т

(6)

&

где ис (¿) - напряжение питания двигателя (сети), В; /(/) - ток двигателя, А; о (г ) - угловая частота вращения двигателя, 1/с; Яя - активное сопротивление обмотки якоря, Ом; Яв- активное сопротивление обмотки возбуждения, Ом; !.я - индуктивность обмотки якоря, Гн; /,я - индуктивность обмотки возбуждения, Гн; Ьяз- взаимная индуктивность между обмотками якоря и возбуждения, Гн; 3 - суммарный момент инерции электродвигателя и рабочего органа, кг-мг; М ,„ - электромагнитный момент двигателя, Н-м; Мс - момент нагрузки и постоянный момент трения двигателя, Н-м; Вт ■ соИ) - переменный момент трения (зависит от скорости вращения), Н-м, Вт - коэффициент трения, Н-м-с.

Если ввести обычную систему относительных единиц, приняв за базовые номинальные значения, т.е.:

I г- М а V Е Л Ф

/' = — = л///;// =-;у = —,и~—;е~-;Ф, =-

1Н МИ соя Ен Ен Фд

Тогда, уравнения электрического равновесия и движения электропривода имеют вид:

с/г

сЫ с1г

(7)

При этом двигатель характеризуется всего двумя параметрами й и X, имеющими следующую энергетическую интерпретацию:

Такая математическая модель дает более полное представление об энергетике ОКД последовательного возбуждения.

В качестве среды разработки и моделирования системы управления ОКД с нелинейной обратной связью использован пакет инженерных и специализированных вычислений МаХЬаЬ.

При этом, реализация однофазного коллекторного двигателя последовательного возбуждения осуществляется на базе применения стандартных блоков при непосредственном синтезировании новых элементов с целью учета кривой намагничивания двигателя последовательного возбуждения. Для создания новых блоков использовались элементы, имеющиеся элементы в библиотеке Б'нпиПпк. Так, при построении модели, был синтезирован новый блок, на имеющихся в библиотеке вшшНпк элементах, реализующий функциональную зависимость электромагнитной постоянной времени от частоты вращения. При моделировании двигателя постоянного тока последовательного возбуждения была учтена кривая намагничивания двигателя, посредством изменения структуры блока двигателя постоянного тока.

Нелинейная обратная связь реализуется за счет измерения постоянной времени двигателя на каждом участке выключения транзистора ШИП. Постоянная времени при этом прямо пропорциональна времени спадания ЭДС ОКД до нуля и определяется выражением (1). Тогда, согласно представленным положениям, величину постоянной времени можно определить двумя способами: прямым расчетом по формуле, или измеряя темп спадания тока самоиндукции в момент, когда транзистор ШИП выключен и двигатель отключен от сети.

В разработанной модели применен второй способ. Для этой цели использован блок обнуляемого дискретного интегратора.

На рисунке 2 представлена структурная схема разработанной математической модели электропривода с ОКД. Силовая цепь состоит из стандартных блоков Simi.il ¡пк: источник переменного напряжения; неуправляемый однофазный выпрямитель, два транзистора и двигатель постоянного тока с последовательно соединенной обмоткой возбуждения. Цепь управления состоит из устройства синхронизации включения, блока задания, генератора импульсов, блоков нелинейной обратной связи.

При моделировании использовались данные двигателя серии КОО-561: ин=220 В, Рн=300 Вт, пн=12000 об/мин, Ми=0.252 Н м.

Д ля построения статических характеристик замкнутой системы с положительной обратной связью, подается линейно нарастающий момент нагрузки, поэтому в одних осях координат представлены и механические

Рис. 2 - Структурная схема СУ ЭП, разработанная в ЭгтЫтк

динамические характеристики, и статические, которые легко отличить друг от друга. Кроме того, по приведенному семейству характеристик хорошо просматривается величина момента реального холостого хода.

На рисунке 4 представлено семейство механических характеристик системы управления с нелинейной обратной связью. На представленном рисунке видно участки пуска, рабочие участки характеристик, а также основную характеристику. Из представленного рисунка видно, что чем выше скорость работы, тем больше момент потерь двигателя. Это объясняется тем, что основная составляющая момента потерь - момент трения зависит от скорости двигателя. Основная характеристика имеет гиперболический вид, это объясняется уравнением механической характеристики разомкнутой системы электропривода с ОКД. Поэтому диапазон нагрузок, на котором возможна стабилизации скорости будет тем больше чем ниже рабочая скорость.

Из анализа статических механических характеристик следует, что модуль жесткости лежит в пределах: |/?| = 1 • Ю6 + 1 ■ 109.

Исследование модели осуществлялось для трех видов нагрузки: ступенчатого, линейно-нарастающего и пилообразного.

Ниже представлены результаты исследований динамических характеристик при линейно-нарастабщем моменте нагрузки. На рисунке 3 показан переходной процесс скорости ОКД, в момент времени 3 с подается момент нагрузки, представленный на рисунке 4. Исследование динамических характеристик производилось для режима широтно-импульсной модуляции с частотой 100 Гц.

и

Рис. 3 - Семейство статических механических характеристик разработанной системы управления ЭП с ОКД

Рис. 4 - Переходной процесс скорости при линейно возрастающем статическом моменте

Рис. 5 - Зависимость статического момента от времени

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям, проведенным для проверки теоретических выводов и оценки адекватности компьютерных моделей, приведенных в данной работе.

Эксперимент реализовывался на основе лабораторного стенда по дисциплине «Автоматизированный электропривод», в составе которого присутствуют двигатель постоянного тока с возможностью последовательного подключения обмотки возбуждения, и асинхронный двигатель с ко-роткозамкнутым ротором, служащий нагрузочной машиной для испытуемого двигателя последовательного возбуждения.

Питание на ОКД последовательного возбуждения подавалось через лабораторный автотрансформатор. Общий вид установки приведен на рисунке 6.

Для снятия графиков сигналов обратной связи, разработанной системы управления, использовался осциллограф С1-77. Для регистрации токов, напряжений и мощностей в динамических режимах использовался прибор «Энергомонитор - 3.3 Т1», внешний вид которого представлен рисунке 7.

Прибор Энергомонитор-3.3 предназначен для:

• для измерения и регистрации показателей качества электрической энергии (ПКЭ) по ГОСТ 13109-97 и РД 153-34.0-15.502-2002;

для измерения электроэнергетических величин в одно- и трехфазных сетях;

. для регистрации активной, реактивной и полной мощности на интервалах от 1 мин до 30 мин в течение 7 сугок;

для поверки трехфазных и однофазных индукционных и электронных счетчиков электроэнергии класса 0,5 и измерительных преобразователей;

• для контроля метрологических характеристик узлов учета и правильности их подключения;

Рис. 6 - Внешний вид экспериментальной установки

Рис. 7 - Внешний вид прибора «Энергомонитор 3.3»

л-<г<л<~-» "Ллуулоа*-» С-оааз

в щ мттят» »

Рис. 8 - Внешний вид программы «БекаРгой»

Внешний вид экспериментальной установки представлен на рисунке 6. Он представляет собой лабораторный стенд, исследуемый двигатель, нагрузочную машину, систему управления, лабораторный автотрансформатор, прибор «Энергомонитор», осциллограф, персональный компьютер с установленным программным обеспечением ОекаРгой.

Лабораторный стенд позволяет измерять основные координаты электропривода: момент нагрузки, скорость двигателя, ток однофазного коллекторного электродвигателя, напряжение питания двигателя.

Момент нагрузки создается асинхронным короткозамкнутым двигателем, который питается от частотного преобразователя.

При сравнительном анализе рассматривались три реализации СУ ЭП: разработанная замкнутая система с нелинейной обратной связью разомкнутая система и наиболее распространенная СУ с симистором.

1 - Замкнутая система; 2 - Разомкнутая система, 3 - Классическая система Рис. 9 - Зависимость КПД электропривода от времени

1 - Замкнутая система; 2 - Разомкнутая система, 3 - Классическая система Рис. 10 - Количество потребленной энергии электроприводом при периодическом приложении нагрузки

Как видно из представленных статических и динамических характеристик КПД и потребляемой энергии, замкнутая система стабилизации с квадратором в цепи обратной связи и обратно-синусоидальной модуляцией с частотой 300 Гц имеет более качественные энергетические показатели по сравнению с разомкнутой системой и классической системой управления.

Потребление энергии разработанной системой управления уменьшилось более чем на 10 Вт-ч за рассматриваемый период работы, а значение КПД удалось поднять до величины 57 % при разработанных способах управления электроприводом. В динамических режимах, согласно экспериментальным данным, КПД разработанной системы более чем на 7% превышает значение КПД не замкнутой системы.

Для проверки результатов математического моделирования согласно экспериментальным данным, был проведен сравнительный анализ рассчитанных и экспериментально - снятых характеристик статического КПД системы. При сравнении использовался коэффициент корреляции Пирсона R (Pearson, 1896), называемый также коэффициентом линейной корреляции, так как он отражает степень линейных связей между переменными. Корреляция между парой переменных в определенный момент времени называется парной корреляцией, которая изменяется в пределах от -1 до +1.

Коэффициент корреляции R/? Пирсона между двумя переменными 7/ и Y2 вычисляется следующим образом:

¿(1V-FJ-OV-F,) Л12=г(К,К)=^

Для вычисления коэффициента корреляции использовалась программа МаЙюас!. Результаты расчет линейного коэффициента корреляции Пирсона при математическом моделировании по сравнению с эксперимен-

Результагы математического моделирования

Рис. 11 - Результаты расчета коэффициента корреляции Пирсона для математического моделирования в сравнении с экспериментом

Из анализа представленных на рисунке 11 результатов видно, что коэффициент корреляции Пирсона положителен и равен 0.985. Данное значение коэффициента Пирсона свидетельствует о том, что рассмотренная математическая модель в достаточной степени точно отражает природу физических процессов в разработанном электроприводе.

Заключение

В диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача - повышения энергеттеской эффективности и развития функциональных свойств тиирокого спектра электротехнических комплексов массового назначения: электрифицированный инструмент и бытовые машины и приборы, - за счет построения синтеза новых структур электропривода и создания энергоэффективных алгоритмов управления ими. Выполненные исследования определили следующие основные результаты и выводы:

1. На основе анализа статических и динамических характеристик широкого спектра электротехнических комплексов массового назначения (электрифицированный инструмент и бытовые машины и приборы) реко-

мендованы функциональные решения для построения систем массового электроприв ода;

2. Синтезированы структуры электропривода с ОКД с нелинейными обратными связями, обеспечивающие новые функциональные свойства;

3. Обоснованы теоретические условия обеспечения энергоэффективности и синтезированы практические алгоритмы управления электроприводом малой мощности с ОКД с точки зрения минимума потерь, содержащие новые положения, связанные с контролем электромагнитной «постоянной времени».

4. По материалам исследований разработаны предложения по учету особенностей формирования статических и динамических характеристик электропривода с учетом критерия минимума потерь и синтезирован алгоритм управления с точки зрения энергоэффективности электроприводом на основе однофазного коллекторного двигателя, согласно которому, напряжение, подводимое к двигателю, изменяют прямо пропорционально корню квадратному от электромагнитного момента двигателя.

5. Предложено математическое описание электромагнитных процессов в ОКД с учетом найденных функциональных зависимостей и разработаны математические модели с нелинейными обратными связями;

6. Предложены алгоритмы оптимального управления с нелинейной коррекцией динамических параметров, основанные на методе динамического программирования, и, определяющие требуемый закон изменения питающего напряжения с целью обеспечения максимального значения КПД электропривода;

7. Разработаны устройства управления электропривода с ОКД, основанные на алгоритмах оптимальных, с точки зрения энергоэффективности, управлений для достижения требуемых статических и динамических характеристик ЭП и поддержания максимального динамического КПД;

8. Обоснована эффективность разработанных систем с помощью физического моделирования и экспериментальных исследований влияния структуры системы и законов управления на энергоэффективность электропривода с ОКД.

9. Экспериментально установлено, что разработанные способы и устройства управления обеспечивают снижение энергопотребления при работе в рабочем диапазоне нагрузок. Показано, что КПД замкнутой системы стабилизации скорости с разработанными способами управления повышается в среднем более чем на 10%.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

В рецензируемых журналах из списка ВАК

1. Мешков, A.C., Суздорф, В.И. Статические и динамические характеристики системы стабилизации скорости однофазным коллекторным двигателем с нелинейной обратной связью //Научно-технический вестник Поволжья. №2 2011 г. - Казань: Научно-технический вестник Поволжья, 2011 - 139-144

В других изданиях

1. Мешков, A.C., Суздорф, В.И. Энергоэффективный электрифицированный инструмент //Сборник научно-исследовательских работ финалистов конкурса аспирантов и молодых ученых в области энергосбережения в промышленности, г. Новочеркасск, октябрь 2010 г. - Новочеркасск: Лик, 2010. - С.49-53.

2. Мешков, A.C., Суздорф, В.И. Формирование характеристик систем массового электропривода// Ученые записки Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. Науки о природе и технике №3. - Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2010. - С. 57-61.

3. Мешков, A.C., Суздорф, В.И. Математическая модель однофазного коллекторного электропривода// Международный симпозиум «Образование, наука и производство: проблемы, достижения и перспективы»: материалы международной научно-технической конференции «Электротехнические комплексы и системы» (Комсомольск-на-Амуре, 21-22 октября 2010 года): В 5 т. Т.З / Редкол.: A.M. Шпилев (отв. ред.) и др. - Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2010. С.112-113

4. Мешков, A.C., Суздорф, В.И. Функциональный синтез нелинейных обратных связей систем массового электропривода// Международный симпозиум «Образование, наука и производство: проблемы, достижения и перспективы»: материалы международной научно-технической конференции «Электротехнические комплексы и системы» (Комсомольск-на-Амуре, 21-22 октября 2010 года): В 5 т. Т.З / Редкол.: A.M. Шпилев (отв. ред.) и др. - Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2010, С. 90-92.

5. Мешков, A.C., Захарченко,А.И.,Суздорф, В.И. Устройство для стабилизации частоты вращения однофазного коллекторного электродвигателя// Научно-техническое творчество аспирантов студентов. Материалы 40-й научно-технической конференции аспирантов и студентов (Комсомольск-на-Амуре, 2010); ГОУВПО КнАГТУ, С. 130-132.

6. Мешков, A.C., Суздорф, В.И. Энергоэффективный электрифицированный инструмент// Сборник научно-исследовательских работ финалистов конкурса аспирантов и молодых ученых в области энергосбереже-

ния в промышленности, г. Новочеркасск, октябрь 2010 г. - Новочеркасск: Лик, 2010. - С.49-53.

7. Мешков, A.C., Суздорф, В.И. Энергосберегающий электрифицированный инструмент// Сборник работ победителей отборочного тура Всероссийского конкурса научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых учёных по нескольким междисциплинарным направлениям, г. Новочеркасск, октябрь-ноябрь 2011 г. / Мин-во образования и науки РФ, Юж.-Рос. гос. техн. ун-т.(НПИ). - Новочеркасск: Лик, 2011. -270-273 с.

8. Мешков, A.C., Суздорф, В.И. Энергоэффективное управление электроприводом массового назначения//«КАПИТАЛИЗАЦИЯ ЗНАНИИ В УСЛОВИЯХ СОЦИАЛЬНО ОРЖНТИРОВАННОЙ ЭКОНОМИКИ» ¡НАУЧНАЯ ШКОЛА в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы: сборник тезисов. - Тула, 18-19 ноября 2011 г. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2011 г., ч.1. - 24-29 с.

9. Мешков, A.C., Еськова Л.О, Суздорф В.И. Система стабилизации скорости однофазного коллекторного электродвигателя// Научно-техническое творчество аспирантов студентов. Материалы 41-й научно-технической конференции аспирантов и студентов (Комсомольск-на-Амуре, 2011); ГОУВПО КнАГТУ, С. 114-116.

10. Мешков, A.C., Гудим, А.С Энергосберегающий электрифицированный инструмент Материалы Ярославского энергетического форума, 1-3 декабря 2010, С. 102-107.

11. Мешков, A.C., Суздорф, В.И., Гринкруг, М.С. Формирование энергетических характеристик электроприводов малой мощности с однофазными коллекторными двигателями // Вестник Дальневосточной государственной социально-гуманитарной академии. Естественнонауные знания. №2(9) 2011. С.80-89.

12. Устройство для стабилизации частоты вращения однофазного коллекторного электродвигателя Пат. №2444838 Российская Федерация, МПК Н02Р7/285, Н02Р7/29, Н02Р7/292./ Мешков, A.C., Суздорф, В.И.; Заявитель и патентообладатель: ФГБОУВПО «КнАГТУ», заявл. 2010135477/07, 24.08.2010; опублик. 10.03.2012

Мешков Александр Сергеевич

Электропривод малой мощности на основе однофазного коллекторного двигателя с улучшенными энергетическими характеристиками

Автореферат

Подписано в печать 18.04.2012 Формат 60 х 84 1/16. Бум. тип. № 3. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,40. Уч. - изд. л. 1,35. Тираж 100. Заказ 24792

Редакционно-издательский отдел Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный т ехнический университет» 681013, Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27

61 12-5/2954

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре

ЭЛЕКТРОПРИВОД МАЛОЙ МОЩНОСТИ НА ОСНОВЕ ОДНОФАЗНОГО КОЛЛЕКТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ С УЛУЧШЕННЫМИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

ДИССЕРТАЦИЯ

На соискание ученой степени кандидата технических наук

государственный технический университет»

На правах рукописи

Мешков Александр Сергеевич

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Суздорф Виктор Иванович

Комсомольск-на-Амуре - 2012 год

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ МАЛОЙ МОЩНОСТИ С ОДНОФАЗНЫМ КОЛЛЕКТОРНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ................................................................................................10

1.1 Аналитический обзор современного состояния систем однофазного коллекторного электропривода........................................................................12

1.2 Анализ особенностей энергетики приводов с ОКД и результатов исследований......................................................................................................32

1.2 Л Сравнение технико-энергетических показателей ЭП с ОКД с различной структурой силовой части...........................................................32

1.2.2 Анализ существующих методов синтеза оптимального управления однофазным коллекторным электроприводом с двигателем последовательного возбуждения по критерию минимума потерь............33

1.3 Постановка задачи исследования...............................................................39

Выводы по первой главе....................................................................................43

ГЛАВА 2. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ СИНТЕЗ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ОКД.....................................................................................................................44

2.1 Синтез структуры электропривода с нелинейными обратными связями ..............................................................................................................................46

2.2 Синтез алгоритмов управления электроприводом с заданными статическими характеристиками......................................................................53

2.3 Синтез алгоритмов управления с нелинейной коррекцией динамических параметров..........................................................................................................56

2.4 Постановка задачи оптимизации................................................................60

2.5 Разработка оптимального закона управления, с точки зрения энергоэффективности........................................................................................62

Выводы по второй главе....................................................................................69

ГЛАВА 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОПРИВОДА В ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ..............71

3.1 Разработка математической модели электропривода..............................72

3.2 Исследование статических характеристик электропривода с ОКД.......80

3.3 Исследование динамических характеристик электропривода с ОКД.... 83

3.4 Исследование энергетических показателей электропривода. Сравнительный анализ разработанной системы управления с существующими.................................................................................................99

Выводы по третьей главе................................................................................121

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗРАБОТАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ МАЛОЙ МОЩНОСТИ С ОКД...................................................................................................................122

4.1 Схемная реализация системы управления электроприводом с ОКД... 123

4.2 Экспериментальные исследования разработанной системы управления электроприводом с ОКД..................................................................................131

4.3 Оценка сходимости результатов математического и физического моделирования.................................................................................................144

Выводы по четвертой главе............................................................................146

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................147

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................150

ПРИЛОЖЕНИЕ Акты, подтверждающие практическую значимость диссертационной работы....................................................................................163

ВВЕДЕНИЕ

Энергосбережение является одним из приоритетных направлений технической политики во всех развитых странах мира и сводится, как правило, к повышению энергоэффективности и снижению энергоемкости производства. Анализ структуры потерь в сфере производства, распределения и потребления электроэнергии показывает, что основная составляющая потерь (до 90%) приходится на сферу потребления электрической энергии [52, 70]. Одним из основных потребителей электрической энергии во всем мире является электропривод [51]. При этом следует отметить, что в промышленном секторе в каждом конкретном случае необходимы конкретные решения по оптимизации существующих производств, разработке новых технологий с целью повышения энергосбережения. Сегодня особое внимание в этом вопросе уделяется мощным электроприводам, однако, если учесть, что, например, мощные электродвигатели имеют и без того КПД порядка 95-99%, то процентный эффект здесь трудно получить значительным. С другой стороны, массовый электропривод малой и микро мощности при, казалось бы, незначительном повышении его энергоэффективности (на единицы ватт час) даст мегаваттчасовые результаты экономии электроэнергии за счет своей много-миллионности, ведь многие предприятия как в Хабаровском крае, так и во всем мире массово используют такой электропривод малой мощности в электрифицированном инструменте, специальном строительном оборудовании, медицинской и сложной бытовой технике. Кроме того, КПД двигателей малой мощности составляет от 30 до 60%, оставляя сравнительно большие возможности для его повышения, особенно в регулируемом электроприводе, а, следовательно, имеется значительный резерв экономии электроэнергии и, главное, достижимый. Но, следует отметить, что в настоящее время достаточно мало внимания уделяется построению энергоэффективных систем управления электроприводами малой мощности, вследствие, незначительности эффекта энергосбережения в единичном случае и дешевизны таких при-

4

водов. И поэтому вопрос энергосберегающего управления таким электроприводом недостаточно исследован в настоящее время, в то время как, с точки зрения математического описания, однофазный коллекторный двигатель последовательного возбуждения, который в основном используется в массовом электроприводе малой мощности, является достаточно сложным объектом, вследствие наличия нелинейностей и отчасти непредсказуемой нагрузки на валу двигателя [9, 14, 15, 24, 28, 29, 34, 35, 64, 65, 68, 106, 107, 117].

Вопросам теории и практики улучшения энергетических показателей электроприводов с однофазным коллекторным двигателем последовательного возбуждения были посвящены работы, выполненные: Климовым В.П., Ильинским Н.Ф., Каганом В.Г., Лебедевым Г.В., Малининым Л.И., Власьев-ским C.B., Суздорфом В.И., Алехиным А.Е., Петровым Ю.П., Бельманом М.Х., Fujimaki T., Dubey G.K. и др. авторами.

В настоящее время для управления ОКД используются современные полупроводниковые приборы, которые ставятся в цепь переменного или выпрямленного питающего напряжения. При питании ОКД от такого полупроводникового преобразователя, в работу машины вносится ряд специфических особенностей, обусловленных пульсациями питающего напряжения: появление дополнительных потерь в меди обмоток, стали магнитопровода и конструктивных элементах, что обусловлено наличием переменных составляющих в токе якоря и магнитных потоках машины [1, 16, 25]. Увеличение потерь в меди связано как с возрастанием действующего значения тока якоря, так и со значительным повышением активных сопротивлений обмоток переменным составляющим тока. В общем случае гармонический состав тока якоря зависит от спектра гармонических выходного напряжения преобразователя и эквивалентного сопротивления якорной цепи для отдельных составляющих гармоник.

Согласно результатам исследований [16, 19], с увеличением частоты якорного тока резко возрастает активная составляющая полного сопротивления цепи якоря, что связано с эффектом вытеснения тока в меди самих обмо-

5

ток, потерями на вихревые токи и гистерезис в стали и конструктивных элементах. В целом же, потери в ОКД, обусловленные переменной составляющей тока, зависят от конструктивного исполнения, параметров управления и рабочего режима. В частности, они будут снижаться с ростом постоянной составляющей индукции, так как уменьшаются потери на гистерезис и вихревые токи из-за влияния насыщения. Суммарные дополнительные потери в ОКД при наличии пульсирующих составляющих в токе могут достигать величину до 60% от основных потерь при питании машины постоянным («гладким») током [16].

Наиболее полно использовать преобразователь и повысить статические, энергетические и динамические характеристики можно при рациональном конструировании двигателя и с повышением качества питающего напряжения и тока полупроводникового преобразователя и использованием оптимальных законов управления согласно критерия энергоэффективности.

Диссертационная работа посвящена разработке энергоэффективных способов и устройств управления ОКД малой мощности путем синтеза структуры и алгоритмов управления, анализа статических и динамических свойств системы управления ЭП с ОКД.

Исследования проводились с использованием методов математического моделирования, дифференциального и интегрального исчислений, экспериментальных исследований.

Основные научные результаты работы:

1. Обоснованы теоретические условия обеспечения энергоэффективности и синтезированы практические алгоритмы управления электроприводом малой мощности с ОКД с точки зрения минимума потерь, содержащие новые положения, связанные с контролем постоянной времени однофазного коллекторного двигателя.

2. Разработаны предложения по материалам исследований особенностей формирования статических и динамических характеристик электропривода с учетом критерия минимума потерь.

3. Предложены новые технические решения стабилизации скорости ОКД и повышения энергоэффективности.

Новизна, предложенных в диссертационной работе устройств и алгоритмов управления электроприводов с ОКД подтверждена патентом на изобретение и статьей в журнале, рекомендованном ВАК РФ, публикацией основных положений, выносимых на защиту, в рецензируемых журналах и апробацией в виде докладов на конференциях и совещаниях различного уровня, кроме того, работа удостоена 3-ей премии среди лучших научных работ Хабаровского края 2012 года в технических науках.

Степень обоснованности и достоверности полученных научных результатов. Обоснованность и достоверность научных результатов диссертационной работы вытекает из применения ранее разработанных методов исследования, доказанных и не вызывающих сомнения, правомерности исходных теоретических положений; подтверждается результатами тестирования элементов системы, построенных на их основе.

Практическая ценность и реализация результатов работы заключаются в том, что:

1. Предложены пути повышения энергетических показателей электропривода и реализации новых функциональных свойств устройств и приборов. Результаты исследований позволяют повысить качество ручного электрифицированного инструмента, бытовых машин и приборов, сложной бытовой техники, могут использоваться при разработке отечественных устройств с улучшенными энергетическими показателями, с целью повышения их конкурентоспособности.

2. Даны рекомендации по инженерной методике расчета структуры и параметров электропривода в различных вариантах практического использования.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, форумах и конкурсах:

- 40-я и 41-я научно-технические конференции студентов и аспирантов КнАГТУ, г. Комсомольск-на-Амуре, 2010-2011 г.

- Международная научно-техническая конференция «Электротехнические комплексы и системы» (Комсомольск-на-Амуре, 21-22 октября 2010 года) в рамках Международного симпозиума «Образование, наука и производство: проблемы, достижения и перспективы»;

- Региональная итоговая конференция по программе У.М.Н.И.К. -2010 г. и -2011 г..

- Всероссийский круглый стол «Роль молодежи в решении задач повышения энергоэффективности и энергосбережения» в рамках Ярославского энергетического форума, 2010, 2011 г.

- Всероссийский молодежный образовательный форум «Селигер-2011», 1-8 июля 2011 г.;

- Школа молодых ученых Хабаровского края - 2011, август 2011;

- Научная школа «Капитализация знаний в условиях социально-ориентированной экономики» в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 20092013 годы, Тула, 18-19 ноября, 2011 г.

- XIV Конкурс молодых ученых и аспирантов Хабаровского края, январь 2012 г.

- Научно-техническое расширенное заседание кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок», г. Комсомольск-на-Амуре, ФГБОУВПО «КнАГТУ», 2012 г.

Публикации. По теме научного исследования, представленного в диссертации, имеется 12 публикаций, из них 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК РФ, а также патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и библиографического списка из 124 наименований. Содержит 149 страниц основного текста, 5 таблиц и 82 рисунка.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ МАЛОЙ МОЩНОСТИ С ОДНОФАЗНЫМ КОЛЛЕКТОРНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

В условиях постоянно возрастающего объема применения различного рода электроприводов во всех сферах современной человеческой жизнедеятельности, все большее значение приобретают вопросы повышения коэффициента полезного действия электромеханических преобразователей электрической энергии, как одной из важнейших составных частей электропривода, снижения их массогабаритных показателей, улучшения функциональных характеристик данных устройств, увеличения их ресурса работы, а также снижения себестоимости изготовления.

В полной мере указанные проблемы относятся и к коллекторным машинам постоянного и переменного тока, которые широко используются в регулируемых и высокоскоростных электроприводах, в бортовой аппаратуре, в качестве исполнительных двигателей роботов-манипуляторов, в бытовой технике и электроинструменте. Также, ОКД находит применение в механизмах, где нагрузочный момент имеет гиперболическую зависимость от частоты вращения и необходима работа двигателя с большими перегрузками, что обусловлено «мягкими» механическими характеристиками таких двигателей.

Качества, обуславливающие широкое применение таких электродвигателей, следующие:

- большая перегрузочная способность по моменту, чем у других двигателей, применяемых в ЭП массового потребления;

- большее быстродействие, по сравнению с ДПТ независимого возбуждения;

- отсутствие необходимости использования источника питания для обмотки возбуждения;

- меньшие габариты при заданной производительности, чем в двигателях постоянного тока независимого и параллельного возбуждения;

- повышенная надежность, обусловленная большим сечением обмотки возбуждения и малым межвитковым напряжением;

- простота реализации реверса двигателя с расщепленной обмоткой возбуждения;

- при пульсирующем токе, величина потерь меньше при одной и той же амплитуде пульсаций питающего напряжения по сравнению с двигателем постоянного тока независимого возбуждения;

- меньший вес и габариты полупроводниковых систем электропривода;

Расширение объемов применения данного класса электрических машин также во многом связано с тем обстоятельством, что коллекторно-щеточные узлы являются высококачественными преобразователями частоты по надёжности, массогабаритным и стоимостным показателям и имеют перспективы их дальнейшего развития.

1.1 Аналитический обзор современного состояния систем однофазного коллекторного электропривода

Как правило, системы управления ЭП с ОКД являются регулируемыми, что обусловлено требованиями технологического процесса, предъявляемыми к ЭП. Например, для электрифицированного инструмента рабочий процесс необходимо производить на определенной установившейся скорости, которая для каждого материала разная [86, 87], при фиксированной скорости подачи, определяемой оператором. Это обусловлено необходимостью обеспечения оптимального режима, с точки зрения энергетики, электрифицированного инструмента и повышения срока службы рабочего органа. В таблицах 1, 2 и 3 приведены значения скорости, рекомендуемые для сверления различных материалов [87].

Таблица 1 - Оптимальные скорости сверления дерева, пластика и металлов

Диаметр сверла, мм Дерево Пластик Металл

Мягкое Твердое Акрил Медь Алюминий Сталь

1 2 3 4 5 6 7

Спиральные сверла

1,6-4,8 3000 3000 2500 3000 3000 3000

6,35-9,5 3000 1500 2000 1200 2500 1000

11