автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Энергосберегающий синхронно-гистерезисный электропривод



Р^пращ,

рукописи

Калыгин Андрей Игоревич

УДК 62-83:621.313.392

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ СИНХРОННО-ГИСТЕРЕЗИСНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

Специальность 05.09.03 «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новоуральск 2000

Работа выполнена в Новоуральском политехническом институте Московского государственного инженерно-физического института (технического университета).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Р.Т. Шрейнер.

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент А.А. Ефимов.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Г.В. Тазов,

кандидат технических наук, доцент М.А. Волохов

Ведущая организация: Московский государственный энергетический институт (технический университет).

Защита диссертации состоится « » ¿Гр д 2000г. в часов на заседании диссертационного совета К.063.21.01 в Санкт-Петербургском государственном университете аэрокосмического приборостроения, по адресу 190000, г. С-Петербург, ул. Б. Морская, 67.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке университета.

Автореферат разослан «1 » 2000г.

Ученый секретарь диссертационного совета:

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. На протяжении последних лег в области регулируемых электроприводов большое внимание уделяется разработке и внедрению бесколлекторных электроприводов на базе электрических двигателей переменного тока. Помимо дальнейшего развития хорошо изученных асинхронного и синхронного электроприводов ведутся исследования в области создания и развития новых типов электрических машин, обладающих простой и надежной конструкцией. В тоже время существует электродвигатель с вековой историей, обладающий этими качествами. Речь идет о синхронно-гистерезисном двигателе (СГД) - машине с уникальными характеристиками, но в силу сложности протекающих в ней электромагнитных процессов, являющейся в настоящее время одной из наименее изученных и имеющей в связи с этим ограниченное применение.

СГД обладает следующими замечательными характеристиками:

- простота и прочность конструкции, повышенная надежность;

- высокие динамические характеристики, плавный вход в синхронизм;

- малая кратность пускового тока;

- объединяет в себе свойства синхронной и асинхронной машины. -

СГД очень широко используются в гироскопии, химическом и текстильном машиностроении в установках получения искусственных волокон, в медицинской промышленности, в производствах по обогащению урана и других технологических линиях по получению сверхчистых веществ - в приводах высокоскоростных и высокоинерционных устройств. Гистерезисный двигатель имеет неоспоримые преимущества перед другими типами электрических машин в многодвигательных системах.

Ограниченность областей применения СГД обусловлена его невысокими энергетическими показателями: низким КПД и малым коэффициентом мощности. Эти недостатки могут быть устранены как путем совершенствованием конструкции СГД, так и при помощи специальных алгоритмов управления. Для расширения областей применения необходимо дальнейшее исследование статических и динамических режимов работы СГД и электроприводов на его основе, разработка и исследование алгоритмов управления, что позволит создавать высокодинамичные системы с высокими энергетическими показателями.

Физическое моделирование процессов, протекающих в СГД, является трудоемким и дорогостоящим, требует создания уникального лабораторного оборудования. Для более эффективной работы в данном направлении необходимо создание достоверных математических моделей, пригодных для анализа основных рабочих режимов СГД.

Сегодня к числу актуальных относятся не только вопросы эффективного и качественного управления электродвигателями, но и проблемы повышении эффективности использования электроэнергии и исключения дополнительного электрооборудования - фильтрокомпенсирующих устройств, кото-

рые в настоящее время используются для компенсации реактивной мощности нагрузки, а также фильтрации высших гармоник потребляемых токов в таких энергоемких производствах как технологические линии по разделению изотопов тяжелых веществ. Поэтому для создания высокоэффективных систем электропривода на основе СГД кроме исследования режимов работы самого двигателя необходим анализ возможностей традиционных силовых схем преобразователей частоты (ПЧ) с позиций повышения качества управления двигателями и решения проблем электромагнитной и энергетической совмес-тимостей с питающей сетью на основе новых алгоритмов управления.

Цели и задачи исследований. Целью данной работы является решение научно-технической задачи создания и исследования энергосберегающего электропривода на базе СГД, обеспечивающего улучшенную электромагнитную совместимость с питающей сетью.

Для реализации поставленной задачи была проведена работа по следующим основным направлениям:

1) Разработка с единых позиций теории обобщенной электрической машины математической модели СГД, пригодной для исследования как статических, так и динамических режимов работы. Составление компьютерной программы, моделирующей работу СГД в различных режимах: пуск, разгон, торможение, изменение нагрузки, импульсного подмагничивания, синхронных качаний и в установившемся режиме.

2) Разработка и анализ математических моделей активного выпрямителя тока (АВТ) и автономного инвертора тока (АИТ), выполненных по мостовой схеме на полностью управляемых ключах с односторонней проводимостью. Разработка алгоритма управления силовыми ключами АВТ и АИТ, обеспечивающего синусоидальность переменного тока, регулирование коэффициента мощности и двусторонний обмен энергией между питающей сетью и нагрузкой. Синтез системы автоматического управления ПЧ на основе двухзвенной мостовой схемы «АВТ-АИТ». Проведение компьютерного моделирования работы ПЧ, исследование его работы в режимах изменения параметров нагрузки и рекуперации.

3) Разработка алгоритмов управления энергосберегающим синхронно-гистерезисным электроприводом (СГЭП) и синтез его систем автоматического управления (САУ). Проведение на основе полученных математических описаний компьютерного моделирования работы СГЭП в различных режимах.

4) Проведение экспериментальных исследований.

Методы исследований. Основным методом исследования, использованным в данной работе, является метод математического моделирования. Разработка математической модели СГД как электромеханического преобразователя проводилась на основе теории обобщенной электрической машины с учетом гистерезисных свойств магнитного слоя ротора. Моделирование работы ПЧ базировалось на векторном подходе с преобразованием анализируемых величин (входных и выходных напряжений и токов) во вращающую-

ся систему координат. Для синтеза регуляторов использовались методы теории автоматического управления с непрерывной аппроксимацией дискретных коммутационных функций вентильных схем ПЧ. Для проверки результатов теоретического анализа и расчетов были проведены экспериментальные исследования на лабораторных установках.

Научная новизна представляемой диссертационной работы заключается в следующем:

1) На основе теории обобщенной электрической машины создана математическая модель идеализированного СГД, построенная с учетом реальных гистерезисных характеристик магнитного слоя ротора и основанная на расчете распределения магнитного поля. Найдено уравнение аппроксимации, позволяющее аналитически описать частные циклы перемагничива-ния гистерезиснош слоя ротора. Проведено моделирование работы СГД с использованием трех различных подходов к аппроксимации частных циклов перемагничивания: бестелесного, аккомодационного и безаккомодационного, выявлены области их применимости. Модель позволяет исследовать все основные особенности работы СГД в различных режимах, включая режим импульсного подмагничивания.

2) Теоретически обоснована возможность использования традиционной мостовой схемы для реализации алгоритмов управления, обеспечивающих улучшенную электромагнитную совместимость. Предложены математические модели АВТ и АИТ, выполненных по мостовой схеме на полностью управляемых силовых ключах с односторонней проводимостью, предназначенные для анализа работы этих устройств и синтеза соответствующих САУ.

3) Разработан алгоритм управления силовыми ключами АВТ и АИТ на основе координатной широтно-импульсной модуляции. Проведена непрерывная аппроксимация дискретной коммутационной вектор-функции силовых ключей АВТ и АИТ, синтезированы структуры и алгоритмы векторных САУ выпрямителя и инвертора.

4) Разработана математическая модель системы гистерезисного электропривода, проведен синтез векторной САУ, обеспечивающей демпфирование синхронных качаний ротора, проведено моделирование его работы.

На защиту выносятся следующие положения:

1) Представляемая математическая модель СГД учитывает все основные особенности работы гистерезисных двигателей и позволяет проводить исследования как статических, так и динамических режимов работы СГД, в том числе режима импульсного подмагничивания.

2) Предложенный алгоритм управления силовыми ключами мостовой схемы АВТ (АИТ) обеспечивает электромагнитную совместимость с питающей сетыо: регулирование сетевого коэффициента мощности, практически синусоидальный сетевой ток и возможность рекуперации энергии в питающую сеть.

•3) Разработанные математические модели АВТ и ЛИТ, выполненных по мостовой схеме, и проведенная непрерывная аппроксимация дискретной коммутационной функции, позволяют синтезировать структуры и алгоритмы работы высококачественных векторных САУ.

4) Преобразователь частоты, построенный по схеме «АВТ-АИТ», является устройством, позволяющим в полной мере реализовать наиболее эффективные энергосберегающие алгоритмы управления многодвигательным гистерезисным электроприводом центрифуг разделительных производств. Практическая ценность работы

1) Предложенная математическая модель гистерезисного двигателя позволяет повысить эффективность исследований работы СГД и электроприводов на его основе за счет уменьшения временных и материальных затрат.

2) Предложенный алгоритм управления силовыми ключами АВТ и АИТ обеспечивает близкую к синусоидальной форму переменного тока, регулируемый коэффициент мощности и двусторонний обмен энергией между питающей сетью и нагрузкой без усложнения традиционной мостовой схемы.

3) Разработанные математические модели АВТ и АИТ, проведенные непрерывная аппроксимация дискретных коммутационных ветор-функций и анализ модели позволили синтезировать высококачественные САУ выпрямителя и инвертора.

4) Созданная математическая модель системы «ПЧ-СГД» является удобным инструментом для проведения исследований особенностей работы энергосберегающего СГЭП, синтеза регуляторов и отработки алгоритмов управления.

5) Отмеченные выше результаты являются существенными факторами успешного решения актуальной задачи создания энергосберегающего СГЭП, обеспечивающего улучшенную электромагнитную совместимость с питающей сетью.

Реализация результатов работы

1) На основе созданных математических моделей разработан комплекс компьютерных программ, в состав которого входят:

- программа, моделирующая работу СГД. Проведенный с ее помощью вычислительный эксперимент впервые позволил получить результаты моделирования работы гистерезисного двигателя в режиме импульсного подмагничивания. Программа была внедрена НИЦ «ЭЛСИЭЛ», ВЭИ, г. Москва, для исследования работы СГД при создании преобразователя частоты для многодвигательного привода центрифуг разделительного производства ГУП ЭХЗ г. Зеленогорск. Данная программа используется в учебном процессе НПИ МИФИ в курсе «Элементы и устройства систем автоматики».

- программа, моделирующая работу двухзвенного преобразователя частоты выполненного по схеме «АВТ-АИТ», как на основе дискретной, так и непрерывной математических моделей. Программа внедрена в

НПО «ПОИСК-93» г.Новоуральск и используется для исследования режимов работы АВТ и АИТ методами математического моделирования.

- программа, моделирующая работу системы энергосберегающего СГЭП в переходных и установившихся режимах, том числе в режиме демпфирования синхронных качаний ротора. Данная программа внедрена НПО «ПОИСК-93», г. Новоуральск и используется в исследованиях проводимых в рамках работ по модернизации преобразователя частоты СПЧС-200.

2) По заказу ГУЛ ЭХЗ г. Зеленогорск создан опытный образец транзисторного ПЧ на базе «АВТ-АИТ» мощностью 10 кВА для питания группы СГД приводов разделительных центрифуг, обеспечивающий синусоидальность сетевого тока, регулирование коэффициента мощности и двусторонний обмен энергией. Разработан алгоритм, написана и отлажена рабочая программа для микроконтроллерной системы управления (микроконтроллер TMS320F243, фирмы Texas Instruments).

Адекватность полученных результатов моделирования работы СГД подтверждается достаточным для инженерных расчетов совпадением экспериментально снятых и рассчитанных по предложенному алгоритму кривых намагничивания. Качественным совпадением результатов моделирования работы СГД с экспериментальными данными. Адекватность дискретных и непрерывных математических моделей АВТ и АИТ, а также обоснованность подходов, примененных для синтеза САУ, подтверждена совпадением экспериментальных данных и результатов расчета.

Апробация. Основные материалы работы были представлены: на XI НТК ЭГПТГ-98, 24-26 февраля 1998г. в г.Екатеринбурге; II Международной (XIII Всероссийской) НТК, 23-25 сентября 1998г. в г.Ульяновске; НТК ЭКАО-99, 12-14 октября 1999 в г. Москве; II Межвузовской отраслевой НТК «Автоматизация и прогрессивные» технологии, 27 сентября - 01 октября 1999 в г.Новоуральске; Межотраслевой НПК «Снежинск и наука», 29 мая-02 июня 2000г. в г.Снежинске.

Публикации. В процессе выполнения диссертационной работы опубликовано 17 статей и тезисов докладов, подана заявка на получение патента на способ управления обратимым преобразователем энергии переменного тока в энергию постоянного тока.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 134 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав и заключения, иллюстрированными 44 рисунками, списка литературы из 96 наименований и 1 приложения на 4 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во еведении содержится обоснование актуальности темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, отражена науч-

пая новизна, практическая ценность и практическая реализация, выдвинуты защищаемые положения,

В первой главе рассмотрены основные направления исследований и различные методы, применяемые для анализа работы СГД, а также недостатки гистерезисных машин, приведены способы их устранения путем конструктивных изменений и путем регулирования магнитного возбуждения ротора за счет воздействия по цепям питания. Приведены основные области применения СГД. Представлены требования, предъявляемые к приводу ультрацентрифуг технологических линий разделения изотопов тяжелых веществ. Рассмотрены созданные на сегодняшний день ПЧ для питания технологических групп ультрацентрифуг. Обоснована необходимость создания новых ПЧ для таких энергоемких производств, каковыми являются разделительные заводы, отвечающих всем современным требованиям предъявляемым к качеству энергопотребления.

Во второй главе представлены результаты разработки математической модели СГД. Рассмотрены общие подходы к анализу электрических машин и особенности описания процессов, протекающих внутри СГД. Проведен анализ существующих методов исследования характеристик гистерезисных двигателей и ранее созданных математических моделей. Обоснована необходимость создания новой математической модели СГД, пригодной для анализа динамических режимов его работы в составе системы синхронно-гистерезисного электропривода.

Математическая модель СГД строилась с учетом следующих допущений:

- ротор полый с тонким активным слоем, перемагничивание ротора тангенциальное;

- вихревые токи в роторе отсутствуют;

- воздушный зазор идеально гладкий, равномерный;

- потери в стали отсутствуют, вся МДС приложена к воздушному зазору.

Математическая модель СГД разработана на основе теории обобщенной электрической машины и описывается следующими уравнениями, записанными в произвольно ориентированной системе координат:

1}5=А(©к)1^; (I) ^(ВЧ^Л); (2)

= и3 - -; (3) ра»»Г'(и-1яе); (4)

= (5) р@ = со; (6)

I», (7) 1^= А "'(©Л,; (8)

1'т = Зга(1га); (9)

Здесь и* = [и„ иЛ ; I* = [/„ /Л - векторы фазных напряжений и токов в обмотках статора;

и* = к «зу »«Г; 154» Ьу '«Г; ч>*¥ - векторы

преобразованных напряжений, токов и потокосцеплений обмоток статора;

^-['т* 'ту 'тгГ: ЧГт=['ДПх <М„у ^Г ~ ВСКТОрЫ ПреобраЗОВаИНЫХ НЭ-

магничивающих токов и главных потокосцеплений машины; т, ], (о, 0 - электромагнитный момент, суммарный момент инерции, скорость вращения и угол поворота ротора;

р = —— символ дифференцирования по относительному времени; ат

©,. - скорость вращения и угол поворота системы координат; = гк]; 1!аЪ матрицы активных сопро-

тивлений и индуктивностей рассеяния обмоток статора;

постоянные матричные коэффициенты.

Структурная схема математической модели СГД, соответствующая уравнениям (1)-(9), представлена на рис Д.

"0 -1 0" 1 0 о"

В — 1 0 0 и С = 0 1 0

0 0 0 0 0 0

Рис Л .Структурная схема математической модели СГД

Главной особенностью модели СГД является нелинейная и неоднозначная вектор-функция (5), описывающая динамическую характеристику намагничивания главного пути машины, а, следовательно, определяющая все основные свойства модели электромеханического преобразователя.

Для решения этой задачи использован алгоритм, основными этапами которого являются:

- преобразование вектора намагничивающих токов в систему координат ротора (10);

- выделение основной гармоники мгновенной пространственной функции распределения МДС (11);

- вычисление в координатах ротора пространственной функции распределения индукции главного магнитного потока с учетом характеристики гнстерезисного слоя (12);

-*- выделение основной гармоники мгновенной пространственной функции распределения индукции главного магнитного потока и определение вектора главных потокосцеплений обмоток в системе координат ротора (13); - преобразование вектора главных потокосцеплений во вращающуюся систему координат (14).

Соответствующие уравнения модели имеют вид: 'шч = cos(©t - ®) - Ly sin(0t - ©);

= Lx sin(©k - 0) + im> cos(0t - 0);

fm(<P)=Ci(imiC0S<P + iailSM<P>> bj<p)~bjf (<р)У, 2->

\bm{<p)cos<pdg>; ло

2>

=C2~\bm(<P)Sln<Pd<P->

0

= cos(0t - ©) + ¥m sin(0k - 0);

^ = sin(ek - 9) + 4/m cos(0k - 0);

Здесь - угловая координата отсчитываемая вдоль воздушного зазора от фиксированной точки на роторе, с,, сг - конструктивные постоянные машины.

При цифровом моделировании непрерывная функция пространственного распределения МДС (12) дискретизируется по координате (р\

/mito^ttndCos^ +/mqsin^); (15)

где^ = /Др; А<р = —; / = 0,1,2,..., (т-1). т

Для каждого значения <pi с учетом локальной характеристики намагничивания по данному сечению строится дискретная функция:

ьа1Ш=ью(/тм» (16)

В настоящей работе рассмотрены три варианта построения частных циклов перемагничивания гистерезисного слоя ротора СГД (12). На основе каждого из них были проведены вычислительные эксперименты. Полученные результаты позволили сделать выводы об областях применимости каждого из них.

Первый вариант основывается на подходе, применяемом для анализа постоянных магнитов, когда для упрощения анализа частные циклы внутри предельной петли гистерезиса заменяются усредненной прямой. В этом случае при моделировании каждой из локальных динамических характеристик намагничивания вводятся три вспомогательных функции, две из которых аппроксимируют правую и левую ветви предельного цикла перемагничивания

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

гистерезисного слоя, а третья используется для описаиия частных циклов, лежащих внутри предельной петли. Этот метод позволил достаточно просто рассчитать процессы перемагничивания магнитного материала при движении по предельной гистерезисной петле. Он может быть использован при проведении исследований работы СГД в асинхронном режиме, но является неприменимым при рассмотрении работы СГД в синхронизме, поскольку в этом случае не может быть объяснен ряд явлений, таких как затухание синхронных качаний скорости СГД и демпфирование этих качаний методом импульсного перевозбуждения. Причиной подобного ограничения является отсутствие гистерезисных потерь в синхронном режиме работы, т.к. площадь образуемых частных циклов перемагничивания равна нулю.

Второй вариант аппроксимации кривых перемагничивания построен на основе наложения кривых двух симметричных семейств намагничивания и размагничивания.

Данный подход базируется на принципах однозначности и взаимной симметрии траекторий намагничивания и размагничивания. Как результат была получена аккомодационная модель перемагничивания. Для расчета кривых каждого из семейств было использовано следующее уравнение:

( О ^

Ь(/) = гА 1

+ £/, (17)

+(:?/-С~*/2)2 +г/-С+к!2>

где А, В, С, й,Е - коэффициенты, определяющие форму кривых семейства, рассчитываемые по магнитным характеристикам гистерезисного материала;

г - определяет семейство, при г = 1 уравнение (17) описывает процесс намагничивания, г = -1 соответствует процессу размагничивания.

к - коэффициент, определяющий конкретную кривую из семейства, рассчитывается по координатам точки реверса и может быть найден аналитически, что является неоспоримым достоинством данного уравнения.

Аккомодационный метод может быть использован для исследований работы СГД на качественном уровне как в асинхронном, так и в синхронном режимах работы. Позволяет аналитически рассчитывать процессы перемагничивания гистерезисного материала, обеспечивает хорошее совпадение с экспериментально снятыми кривыми возврата гистерезисных материалов в пределах 5%. Его использование позволило провести моделирование работы СГД не только в синхронном режиме, но и моделирование демпфирования колебаний ротора путем введения периодических подмапшчивающих импульсов. Недостатком данного метода является завышенное проявление эффекта аккомодации. В результате после нескольких качаний ротора относительно поля статора, ротор переходит в состояние, близкое к предельному возбуждению. Это является причиной того, что при моделировании режима импульсного подмапгичивания не наблюдается увеличения степени намагниченности ротора.

Материалы, используемые для изготовления роторов гистерезисных машин, характеризуются преобладанием свойства возврата над свойством аккомодации, поэтому был рассмотрен третий метод аппроксимации - безаккомодационный, базирующийся также на уравнении (17). В этом способе частные петли замыкаются в первом же цикле путем смещения кривых возврата при сохранении их формы. В результате расчета работы СГД по безаккомодационному алгоритму введение подмагничивающих импульсов привело не только к демпфированию синхронных качаний, но и к увеличению степени намагниченности ротора.

В третей главе рассматриваются вопросы разработки преобразователя частоты для питания группового гистерезисного электропривода разделительных центрифуг. Предложены математические модели АВТ и АИТ, выполненных по мостовой схеме на полностью управляемых ключах с односторонней проводимостью.

Проведенный анализ показал, что в случае синхронно-гистерезисного электропривода разделительных центрифуг целесообразным является применение ПЧ, построенного на основе АИТ. Замена тиристорного выпрямителя активным выпрямителем тока, выполненным на полностью управляемых переключающих элементах и работающим в режиме ШИМ, позволяет обеспечить практически синусоидальный ток потребления, регулируемый коэффициент мощности по входу ПЧ и двусторонний обмен энергией без усложнения традиционной мостовой схемы.

Рис.2. Схема замещения АВТ

На рис.5 представлена схема замещения трехфазного АВТ, на основе уравнений электрического равновесия силовой цепи которой с учетом коммутационной вектор-функции ключей ПК была составлена дискретная математическая модель. На этой схеме: rä, /d - активное сопротивление и индуктивность в цепи постоянного тока; еИ - противо-ЭДС нагрузки; ed - выпрямленная ЭДС; id - выпрямленный ток; ПК - полупроводниковый коммутатор. Индекс «п» соответствует токам и напряжениям на входе ПК, «*» - соответ-

ствует задающим переменным. В диссертации рассмотрен случай симметричной системы.

Одним из ключевых вопросов анализа АВТ является определение времен переключения силовых ключей - расчет дискретной коммутационной вектор-функции, описывающей связь между входными и выходными переменными ПК. В работе были проанализированы два подхода к построению данной вектор-функции: векторный, базирующийся на понятии образующих векторов и координатный, основанный на сравнении модулирующего и опорного сигналов. Второй подход имеет преимущества при аналитическом описании процессов в ключевых схемах и позволяет в конечном итоге проводить синтез САУ. На основе координатного подхода был разработан оригинальный алгоритм переключений вентилей ПК и расчета коммутационной вектор функции, на него подана заявка на получение патента.

В связи с периодическим изменением во времени анализируемых величин в цепи переменного тока, уравнения АВТ записаны в трехмерной ортогональной системе координат, оси которой (х, у, z) вращаются в пространстве с произвольной скоростью сок. Принимая во внимание высокую частоту коммутации ключей в режиме ШИМ, для анализа главных тенденций переходных и установившихся режимов АВТ была проведена непрерывная аппроксимация дискретной коммутационной вектор-функции.

В соответствии с рис.2 уравнения непрерывной модели АВТ в канонической векторно-матричной форме записи имеют следующий вид:

dXa

dr

= АВХВ

+ B8ZB,

(18)

Ао =

где: г

~7

-со„

О),.

г

"7

о --

X,

I =['*> V

h

h„c • *

-JSL. LS

'd > Um ' Mr

_1 l 0

34 2 /„/„

■со,-

,1=

1 /

3C 2/„Л

0

Bn =

1 0 0 системная

/ 1 матрица и

0 0 входная мат-

7 1 рица по ка-

0 0 ~ налу возму-

/„ щающих

0 0 0 воздействий

0 0 0 АВТ.

векторы переменных состоя-

ния и возмущающих воздействий АВТ.

Поскольку АВТ и АИТ являются взаимообратными устройствами, математическая модель АИТ строилась на основе аналогичного подхода. Уравнения математической модели АИТ, записанные в трехмерной ортогональ-

0

О

с

О

ной системе координат; вращающейся с произвольной скоростью, в канонической векторно-матричной форме записи имеет следующий вид:

«К.. . „ „ „ (19)

dz

Ü ~ А V

Ли и

+ B„ZM,

где: X,,

них воздействий АИТ.

векторы переменных состояния и внеш-

А„ =

; ви

- о

L,.c

О

системная матрица и входная матрица по каналам внешних воздействий АИТ.

Полученные математические модели АВТ и АИТ являются удобными для проведения анализа функционирования ПЧ и синтеза САУ.

В четвертой главе рассмотрены процедуры синтеза САУ, проведен анализ особенностей, характеризующих АВТ и АИТ как объекты регулирования.

На основании анализа структуры векторно-матричного уравнения (18) было установлено, что АВТ как объект управления квалифицируется в различных условиях работы различным образом: при постоянных задающих воздействиях как линейный, в разомкнутых системе как нестационарный линейный, в замкнутых как нелинейный. Эта особенность не позволяет на прямую использовать традиционный арсенал методов анализа и синтеза САУ.

Для упрощения процедуры анализа объекта управления, была введена автоматическая ориентация вращающейся системы координат по результирующему вектору входного напряжения ПК. Математически условие ориентации определяется следующим образом:

©*=©„> (20)

где ©к - угол поворота системы координат (x,y,z); ©„ - угол поворота результирующего вектора напряжения на входе ПК, в неподвижной системе координат.

Из условия ориентации (20), следует что:

«„=1/., иу = 0, (21)

где Un - модуль результирующего вектора напряжения на входе ПК.

Выполнение условий (21) приводит к размыканию перекрестных обратных связей по г<пх и ипу, в результате чего удалось выделить канал формирования выпрямленного тока и канал управления реактивной составляющей сетевого тока. Синтез регулятора выпрямленного тока был проведен на основе принципов последовательной коррекции с компенсацией возмущающих воздействий.

Звенья ABT, формирующие сетевые токи (сетевой LC-фильтр), обладают выраженной колебательностью. Проведенные модельные и физические эксперименты показали сложность регулирования фазы сетевых токов системами автоматического управления, синтезированными на основе традиционных методов. Во время, переходных процессов регулирование фазы сетевых токов приводит к раскачиванию системы. Для решения отмеченной проблемы был использован следующий подход. Коэффициент мощности является энергетическим параметром, поэтому поддержание его на заданном уровне требуется в длительных установившихся режимах, для которых реактивная составляющая сетевого тока определяется только параметрами входного фильтра и, следовательно, регулирование фазы сетевых токов может осуществляется либо при помощи разомкнутой САУ, либо астатической САУ с относительно большой постоянной времени интегрирования.

Проведенный анализ математической модели АИТ позволил синтезировать, одноконтурную векторную САУ выходного напряжения АИТ с последовательной коррекцией и компенсацией возмущающих воздействий.

На рис.3 представлена блок-схема энергосберегающего СГЭП, построенного на основе двухзвенного ПЧ, выполненного по схеме «АВТ-АИТ». Условно-положительные направления токов соответствуют работе схемы в режиме передачи энергии из сети в нагрузку. Между зажимами сети и входами полупроводникового коммутатора включены сетевые фильтры (СФ), в звене постоянного тока установлен сглаживающий реактор (СР). На выходе инвертора подключены компенсирующие емкости (КЕ).

Рис.3. Блок-схема САУ энергосберегающего синхронио-гистерсзисного электропривода

Схема управления вентилями (СУВ1) формирует управляющие сигналы для полупроводниковых ключей АВТ, которые за счет реализации режима ШИМ обеспечивают формирование мгновенных значений токов на сило-

вом входе ABT /м, /пЬ и iIK такой величины, формы и фазы, что потребляемые из сети токи iä, /ь и /с являются практически синусоидальными. Входные управляющие сигналы СУВ1 ¡'ю, и /*с поступают с выхода САУ выпрямителя.

Преобразователь координат САУ выпрямителя (ПК1) преобразует измеренные сетевые токи в систему координат, ориентированную по обобщенному вектору входного напряжения (ix, iy), вращающемуся со скоростью ав

таким образом, что ипу =0.

Блок компенсирующих связей и регуляторов САУ выпрямителя (БКСиР1) обеспечивает регулирование величины выпрямленного тока ¡d и реактивной составляющей сетевого тока /у в соответствии с управляющими воздействиями ij и /*. Рассчитанные значения входных токов полупроводникового коммутатора АВТ поступают на вход преобразователя координат задающих воздействий (ПКЗВ1).

Блок компенсирующих связей и регуляторов САУ инвертора (БКСиР2) регулирует напряжение на нагрузке в соответствии с управляющими воздействиями ит и ищ, вырабатывает задающее воздействие на величину выпрямленного тока 1£ и вычисляет текущее значение противо-ЭДС е„ для САУ выпрямителя. Блок ПК2 преобразует обобщенные векторы фазных напряжений (ы>у> ит, и„) и токов нагрузки (im, ¡Л{1, ;',„) в систему координат, вращающуюся с заданной скоростью о* (и„, и /иу). На вход преобразователя координат задающих воздействий (ГЖЗВ2) подаются задающие величины на выходные токи инвертора {¡'т и /,"у), такие что (<*)2 =(i'm)2 СУВ2

формирует управляющие сигналы для полупроводниковых ключей АИТ.

Рис.4. Результаты моделирования работы энергосберегающего синхронно-гистерезисного электропривода

На управляющий вход блока демпфирования синхронных качаний (БДСК), поступает задание на модуль обобщенного вектора выходного напряжения инвертора С/*. На два других входа поступают составляющие преобразованного обобщенного вектора тока нагрузки г'т, ¡ш, низкочастотное

изменение фазы которого определяется синхронными качаниями ротора двигателя. БДСК задает фазу управляющих воздействий выходных напряжений инвертора (и*я, и'1у) таким образом, чтобы обеспечить демпфирование качаний роторов СГД, поворачивает обобщенный вектор выходного напряжения во вращающейся системе координат в направлении противоположном изменению фазы тока нагрузки.

На рис.4 представлены результаты моделирования работы энергосберегающего СГЭП, разгон двигателя и его работа в синхронизме. Расчет гисте-резисных циклов проводился с использованием аккомодационного алгоритма. Как видно по приведенным результатам моделирования синтезированная САУ системы синхрошю-гастерезисного электропривода обеспечивает стабилизацию выходного напряжения АИТ, синусоидальность сетевого тока и демпфирование синхронных качаний ротора СГД.

'd \ J /и* МтЩшф; f / ^ тЩя rr vi т.

У < 6 3 /дк / а) У 4 6 8 1мс / б) ^ \Г 1 1 i 1 ä ' £ * В)

Рис.6. Отработка АВТ ступенчатого изменения задания по выпрямленному току а) расчет по непрерывной модели, б) расчет по дискретной модели, в) эксперимент

Рис.5 иллюстрирует работу АВТ в установившемся режиме при Id~ 8А, на рис.5,а приведены результаты расчета, а на рис.5,б экспериментально полученные осциллограммы работы опытного образца АВТ. На рис.6 представлены осциллограммы отработки ступенчатого изменения задания на величину выпрямленного тока /d с ЗА до 8А, на рис.6,а приведены результаты

расчета по модели с непрерывной аппроксимацией дискретной коммутационной вектор-функции, на рис.6,б представлены результаты расчета по модели с дискретной коммутационной вектор-функцией, на рис.6,в приведены осциллограммы работы опытного образца АВТ. Расчет и эксперимент проводились при следующих параметрах: фазное напряжение сети 220В, ¿d= 15 мГн, Сф=6,6 мкФ, ¿ф=1,5 мГн, частота несущей ШИМ равняется 5кГц. Экспериментальные данные были получены на опытном образце ПЧ мощностью ЮкВА с микроконтроллерной системой управления.

По приведенным результатам моделирования может быть сделан вывод о том, что предложенный метод расчета коммутационной вектор-функции, проведенный синтез структуры и регуляторов САУ энергосберегающего синхронно-гистерезисного электропривода обеспечивают улучшенную электромагнитную совместимость с питающей сетью.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В соответствии с задачами диссертационного исследования получены следующие основные результаты:

1) На основе предложенного подхода к построению математического описания синхронно-гистерезисного двигателя создан удобный инструмент исследования работы СГД, учитывающий все основные особенности гисте-резисной машины как электромеханического преобразователя энергии.

2) Разработаны и проанализированы три способа аппроксимации частных гистерезисных циклов: бестелесный, аккомодационный и безаккомодационный. Бестелесный алгоритм основа« на аппроксимации при помощи прямых и пригоден для анализа асинхронного режима работы СГД. Предложенные варианты аккомодационного и безаккомодационного алгоритмов позволяют проводить моделирование и исследования как асинхронного, так и синхронных режимов работы СГД. Результаты вычислительного эксперимента позволяют сделать вывод о том, что оба этих метода могут быть использованы при моделировании режима импульсного подмагни-чивания СГД. Аккомодационный вариант позволяет рассчитывать частные циклы аналитически, обеспечивая точность, достаточную для проведения анализа особенностей работы СГД и синтеза САУ. Безаккомодационный алгоритм, являясь более точным, требует применения численных методов.

3) Применение разработанного алгоритма коммутации силовых ключей АВТ и АИТ, выполненных по традиционной мостовой схеме на полностью управляемых ключах с односторонней проводимостью, обеспечивает синусоидальность переменного тока, регулирование коэффициента мощности, возможность рекуперации электрической энергии в сеть.

4) Анализ предложеннЬго математического описания АВТ и АИТ и проведенные преобразования математической модели позволили провести синтез высококачественной векторной САУ выпрямленного тока и выходного напряжения преобразователя.

ВВЕДЕНИЕ.

1. СИНХРОННО-ГИСТЕРЕЗИСНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ И ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ НА ЕГО ОСНОВЕ.

1 Л. Общие направления исследований работы СГД.

1.2. Основные недостатки СГД и пути их устранения.

1.3. Однодвигательный гистерезисный привод.

1.4. Многодвигательный гистерезисный привод.

1.4.1. Многодвигательные гироприборы.

1.4.2. Ультрацентрифуги технологических линий разделения изотопов тяжелых веществ.

1.5. Преобразователи частоты для питания ультрацентрифуг технологических линий разделения изотопов тяжелых веществ.

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СГД.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Построение математической модели СГД.

2.2.1. Математическая модель идеализированного СГД.

2.2.2. Аппроксимация циклов перемагничивания гистерезисного материала.

3. РАЗРАБОТКА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ ДЛЯ ПИТАНИЯ ГРУППЫ СГД.

3.1. Математическая модель активного выпрямителя тока.

3.1.1. Дискретная математическая модель АВТ.

3.1.2. Непрерывная математическая модель АВТ.

3.2. Математическая модель АИТ.

4. СИНТЕЗ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО СИНХРОННО-ГИСТЕРЕЗИСНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА.

4.1. Синтез САУ выпрямленного и сетевых токов АВТ.

4.2. Компьютерное моделирование и экспериментальное исследование режимов работы АВТ.

4.3. Синтез САУ выходного напряжения АИТ.

4.4. Контур демпфирования синхронных качаний СГД.

4.5. Структура энергосберегающего синхронно-гистерезисного электропривода.

Выбор типа электрического двигателя для использования в составе системы электропривода, предназначенном для решения тех или иных технических задач, определяется характеристиками и особенностями электродвигателя как электромеханического преобразователя энергии определенного типа, имеющимися алгоритмами управления и возможностью реализации этих алгоритмов современными управляющими устройствами.

На протяжении последних лет в области регулируемых электроприводов большое внимание уделяется разработке и внедрению бесколлекторных электроприводов на базе электрических двигателей переменного тока. Помимо дальнейшего развития хорошо изученных асинхронного и синхронного двигателей, ведутся исследования в области создания и развития новых типов электрических машин, обладающих простой, а, следовательно, надежной конструкцией. К таким типам двигателей относятся, например, появившиеся сравнительно недавно вентильные и вентильно-индукторные или по другой терминологии реактивные индукторные, коммутируемые синхронно-реактивные электродвигатели, существование которых было бы просто невозможно без соответствующего развития преобразовательной и вычислительной техники. В то же время, существует электрический двигатель с вековой историей, обладающий столь же простой и надежной конструкцией, что и вновь разрабатываемые типы машин. Речь идет о синхронно-гистерезисном двигателе (СГД) - машине с уникальными характеристиками, но в силу сложности протекающих в ней электромагнитных процессов, являющейся в настоящее время одной из наименее изученных и имеющей, в связи с этим, ограниченное применение. Такое положение в области гистерезисного электропривода обусловлено, прежде всего, нелинейностью и неоднозначностью процессов, протекающих в гистерезисном слое ротора.

СГД обладает следующими замечательными характеристиками:

- простота и прочность конструкции, повышенная надежность;

- плавный вход в синхронизм;

- высокие динамические характеристики;

- малая кратность пускового тока;

- объединяет в себе одновременно свойства синхронной и асинхронной машины.

Благодаря такой совокупности характеристик СГД получили широкое применение в области систем высокоскоростного инерционного микроэлектропривода с частотами вращения до ЮО'ООО об/мин.

СГД очень широко используются в гироскопии, применяются в химическом и текстильном машиностроении в установках получения искусственных волокон, в медицинской промышленности, в производствах по обогащению урана и других технологических линиях по получению сверхчистых веществ. На их основе создаются транспортные конвейеры, установки по переработке пищевых продуктов и т.д. Гистерезисный двигатель имеет неоспоримые преимущества перед другими типами электрических машин в многодвигательных системах.

Несмотря на все свои достоинства СГД применяется лишь в достаточно узком спектре специфических электроприводов. Ограниченность областей использования СГД обусловлена его невысокими энергетическими показателями: низким КПД и малым коэффициентом мощности. Эти недостатки могут быть устранены при помощи различных способов и алгоритмов управления. Для расширения диапазона применения необходимо дальнейшее исследование статических и динамических режимов работы СГД и электроприводов на его основе, что позволит создавать высокодинамичные системы с высокими энергетическими показателями.

Физическое моделирование электромагнитных процессов, протекающих в СГД [56], требует больших затрат времени и средств, является трудоемким и дорогостоящим, для его проведения необходимо создание уникального лабораторного оборудования. Для более эффективной работы в данном направлении требуется разработка достоверных математических моделей, пригодных для исследования всех основных рабочих режимов СГД.

Сегодня к числу актуальных относятся не только вопросы эффективного и качественного управления электродвигателями, но и вопросы улучшения качества потребления электроэнергии и энергосбережения: повышения коэффициента мощности, уменьшения содержания высших гармоник в потребляемом токе и рекуперации энергии в тормозных режимах электроприводов. Поэтому для создания высокоэффективных систем электропривода на основе СГД, кроме исследования режимов работы самого двигателя, необходимы проведение анализа принципов функционирования преобразователей электрической энергии, в частности полупроводниковых преобразователей частоты (ПЧ), и разработка на основе полученных результатов новых алгоритмов управления, позволяющих повысить качество управления двигателем и решить проблемы согласования ПЧ с питающей сетью.

Работы по исследованию гистерезисных двигателей и электроприводов на их основе проводились и проводятся в Московском энергетическом институте на кафедре ЭКАО такими учеными, как А.Н. Ларионов, A.M. Ланген, Н.З. Мастяев, Н.И. Орлов, Б.А. Делекторский, В.Н. Тарасов, А.П. Селезнев, В.Б. Никаноров, Г.А. Шмелева, С.Ю. Останин, во ВНИИЭМ - И.И. Горжевский и др. За рубежом решением проблем гистерезисного электропривода занимаются фирмы AEG-Telefunkenen, Siemens AG, Hitachi, Toshiba, Elinco и др.

ЦЕЛЬЮ данной диссертационной работы является решение научно-технической задачи создания и исследования энергосберегающего электропривода на базе СГД, обеспечивающего улучшенную электромагнитную совместимость с питающей сетью.

Для реализации поставленной задачи была проведена работа по следующим основным направлениям:

1) Разработка с единых позиций теории обобщенной электрической машины математической модели СГД, пригодной для исследования как статических, так и динамических режимов работы. Составление компьютерной программы, моделирующей работу СГД в различных режимах: пуск, разгон, торможение, изменение нагрузки, импульсного подмагничивания, синхронных качаний и в установившемся режиме.

2) Разработка и анализ математических моделей активного выпрямителя тока (АВТ) и автономного инвертора тока (АИТ), выполненных по мостовой схеме на полностью управляемых ключах с односторонней проводимостью. Разработка алгоритма управления силовыми ключами АВТ и АИТ, обеспечивающего синусоидальность переменных токов, регулирование коэффициента мощности и двусторонний обмен энергией между питающей сетью и нагрузкой. Синтез системы автоматического управления ПЧ на основе двухзвенной мостовой схемы «АВТ-АИТ». Проведение компьютерного моделирования работы ПЧ, исследование его работы в режимах изменения параметров нагрузки и рекуперации.

3) Разработка алгоритмов управления энергосберегающим синхронно-гистерезисным электроприводом (СГЭП) и синтез его системы автоматического управления (САУ). Проведение на основе полученных моделей компьютерного моделирования работы СГЭП в различных режимах.

4) Проведение экспериментальных исследований.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. Основным методом исследования, использованным в данной работе, является метод математического моделирования. Разработка математической модели СГД как электромеханического преобразователя проводилась на основе теории обобщенной электрической машины с учетом гистерезисных свойств активного слоя ротора. Моделирование работы преобразователя частоты базировалось на векторном подходе с преобразованием анализируемых величин (входных и выходных напряжений и токов) во вращающуюся систему координат. Для синтеза регуляторов использовались методы теории автоматического управления с непрерывной аппроксимацией дискретных коммутационных функций вентильных схем ПЧ. Для проверки результатов теоретического анализа и расчетов были проведены экспериментальные исследования на лабораторных установках.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА представляемой диссертационной работы заключается в следующем:

1) На основе теории обобщенной электрической машины создана математическая модель идеализированного СГД, построенная с учетом реальных гистерезисных характеристик магнитного слоя ротора и основанная на расчете распределения магнитного поля. Найдено уравнение аппроксимации, позволяющее аналитически описать процесс перемагничивания гистерезисного слоя ротора. Проведено моделирование работы СГД с использованием трех различных подходов к аппроксимации петель перемагничивания: бестелесного, аккомодационного и безаккомодационного, выявлены области их применимости. Разработанная модель позволяет исследовать все основные особенности работы СГД в различных режимах, включая режим импульсного подмагничивания.

2) Теоретически обоснована возможность использования традиционной мостовой схемы для реализации алгоритмов управления, обеспечивающих улучшенную электромагнитную совместимость с питающей сетью. Предложены математические модели АВТ и АИТ, выполненных по мостовой схеме на полностью управляемых силовых ключах с односторонней проводимостью, предназначенные для анализа работы этих устройств и синтеза соответствующих САУ.

3) Разработан алгоритм управления силовыми ключами АВТ и АИТ на основе координатной ШИМ. Проведена непрерывная аппроксимация дискретной коммутационной вектор-функции силовых ключей АВТ и АИТ. Синтезированы структуры и алгоритмы работы векторных САУ выпрямителя и инвертора.

4) Разработана математическая модель системы энергосберегающего СГЭП, проведен синтез векторной САУ, обеспечивающей демпфирование синхронных качаний ротора, проведено моделирование его работы.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ следующие положения:

1) Представляемая математическая модель СГД учитывает все основные особенности работы гистерезисных двигателей и позволяет проводить исследования как статических, так и динамических режимов работы СГД, в том числе режима импульсного подмагничивания.

2) Предложенный алгоритм управления силовыми ключами мостовых схем АВТ и АИТ обеспечивает улучшенную электромагнитную совместимость с питающей сетью: регулирование сетевого коэффициента мощности, практически синусоидальный сетевой ток и возможность рекуперации энергии в питающую сеть.

3) Разработанные математические модели АВТ и АИТ, выполненных по мостовой схеме на полностью управляемых ключах с односторонней проводимостью и проведенная непрерывная аппроксимация дискретной коммутационной вектор-функции позволяют синтезировать структуры и алгоритмы работы высококачественных векторных САУ.

4) Преобразователь частоты, построенный по двухзвенной мостовой схеме «АВТ-АИТ», является устройством, позволяющим в полной мере реализовать наиболее эффективные энергосберегающие алгоритмы управления многодвигательным гистерезисным электроприводом центрифуг разделительных производств.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ

1) Предложенная математическая модель гистерезисного двигателя позволяет повысить эффективность исследований режимов работы как самого СГД, так и электроприводов на его основе за счет уменьшения временных и материальных затрат.

2) Предложенный алгоритм управления силовыми ключами АВТ и АИТ обеспечивает близкую к синусоидальной форму переменного тока, регулируемый коэффициент мощности и двусторонний обмен энергией между питающей сетью и нагрузкой без усложнения традиционной мостовой схемы.

3) Разработанные математические модели АВТ и АИТ, проведенные непрерывная аппроксимация дискретных коммутационных вектор-функций и анализ моделей позволили синтезировать высококачественные САУ выпрямителя и инвертора.

4) Созданная математическая модель системы «ПЧ-СГД» является удобным инструментом для проведения исследований особенностей работы энергосберегающего СГЭП, синтеза регуляторов и отработки алгоритмов управления.

5) Отмеченные выше результаты являются существенными факторами успешного решения актуальной задачи создания энергосберегающего СГЭП, обеспечивающего улучшенную электромагнитную совместимость с питающей сетью.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

1) На основе созданных математических моделей разработан комплекс компьютерных программ, в состав которого входят:

- программа, моделирующая работу СГД. Проведенный с ее помощью вычислительный эксперимент впервые позволил получить результаты моделирования работы гистерезисного двигателя в режиме периодического импульсного подмагничивания. Программа была внедрена НИЦ «ЭЛСИЭЛ», ВЭИ, г. Москва, для исследования работы СГД при создании преобразователя частоты для многодвигательного привода центрифуг разделительного производства ГУП ЭХЗ г.Зеленогорск. Данная программа используется в учебном процессе НПИ МИФИ в курсе «Элементы и устройства систем управления».

- программа, моделирующая работу двухзвенного мостового преобразователя частоты выполненного по схеме «АВТ-АИТ», как на основе дискретной, так и непрерывной математических моделей. Программа внедрена в НПО «ПОИСК-93», г. Новоуральск и используется для исследования режимов работы АВТ и АИТ методами математического моделирования.

- программа, моделирующая работу системы энергосберегающего СГЭП в переходных и установившихся режимах, том числе в режиме демпфирования синхронных качаний ротора. Данная программа внедрена НПО «ПОИСК-93», г. Новоуральск и используется в исследованиях, проводимых в рамках работ по модернизации статического преобразователя частоты СПЧС-200.

2) По заказу ГУП ЭХЗ г. Зеленогорск создан опытный образец транзисторного ПЧ на базе «АВТ-АИТ» мощностью ЮкВА для питания группы СГД приводов разделительных центрифуг, обеспечивающий синусоидальность сетевого тока, регулирование коэффициента мощности и двусторонний обмен энергией. Разработан алгоритм, написана и отлажена рабочая программа для микроконтроллерной системы управления ПЧ (микроконтроллер TMS320F243, фирмы Texas Instruments).

АДЕКВАТНОСТЬ полученных результатов моделирования работы СГД подтверждается достаточным для инженерных расчетов совпадением экспериментально снятых и рассчитанных по предложенному алгоритму кривых намагничивания, а также качественным совпадением результатов моделирования работы СГД с экспериментальными данными. Адекватность дискретных и непрерывных математических моделей АВТ и АИТ, а также обоснованность подходов, примененных для синтеза САУ, подтверждена совпадением экспериментальных данных и результатов расчета.

АПРОБАЦИЯ. Основные материалы работы были представлены: на XI НТК ЭППТ-98, 24-26 февраля 1998г. в г.Екатеринбурге; II Международной (XIII Всероссийской) НТК, 23-25 сентября 1998г. в г.Ульяновске; НТК ЭКАО-99, 12-14 октября 1999 в г. Москве; II Межвузовской отраслевой НТК «Автоматизация и прогрессивные» технологии, 27 сентября - 01 октября 1999 в г.Новоуральске;

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая диссертационная работа посвящена решению научно-технической задачи создания энергосберегающего синхронно-гистерезисного электропривода. Рассмотрены вопросы моделирования работы СГД в различных режимах. Впервые получены результаты моделирования работы СГД в режиме импульсного подмагничивания. Предложены и реализованы алгоритмы управления силовыми ключами полупроводникового коммутатора ПЧ, построенного на полностью управляемых ключах с односторонней проводимостью по двухзвенной мостовой схеме «АВТ-АИТ», обеспечивающие улучшенную электромагнитную совместимость ПЧ с питающей сетью. Разработанный подход позволил получить практически синусоидальные токи по входу и выходу преобразователя, регулирование коэффициента мощности двусторонний обмен энергией между питающей сетью и нагрузкой.

В соответствии с задачами диссертационного исследования получены следующие основные результаты:

1) На основе предложенного подхода к построению математического описания синхронно-гистерезисного двигателя создан удобный инструмент исследования работы СГД, учитывающий все основные особенности гистерезисной машины как электромеханического преобразователя энергии.

2) Разработаны и проанализированы три способа аппроксимации частных гистерезисных циклов: бестелесный, аккомодационный и безаккомодационный. Бестелесный алгоритм основан на аппроксимации при помощи прямых и пригоден для анализа асинхронного режима работы СГД. Предложенные варианты аккомодационного и безаккомодационного алгоритмов позволяют проводить моделирование и исследования как асинхронного, так и синхронных режимов работы. Результаты вычислительного эксперимента позволяют сделать вывод о том, что оба этих метода могут быть использованы при моделировании режима импульсного подмагничивания СГД. Аккомодационный вариант позволяет рассчитывать частные циклы аналитически, обеспечивая точность достаточную для проведения анализа особенностей работы СГД и синтеза САУ. Безаккомодационный алгоритм, являясь более точным, требует использования численных методов.

3) Применение разработанного алгоритма коммутации силовых ключей АВТ и АИТ, выполненных по традиционной мостовой схеме на полностью управляемых ключах с односторонней проводимостью, обеспечивает синусоидальность переменного тока, регулирование коэффициента мощности, возможность рекуперации электрической энергии в сеть.

4) Анализ предложенного математического описания АВТ и АИТ и проведенные преобразования математической модели позволили провести синтез высококачественной векторной САУ выпрямленного тока и выходного напряжения преобразователя.

5) Предложена структура САУ гистерезисного электропривода, проведено исследование статических и динамических режимов его работы. Результаты численного моделирования показали возможность применения метода непрерывной аппроксимации дискретных коммутационных функций при синтезе САУ.

6) Представленные математические модели были положены в основу комплекса исследовательских программ, моделирующих работу СГД, АВТ и АИТ как по отдельности, так и в составе системы синхронно-гистерезисного электропривода.

7) На основе проведенных теоретических исследований создан опытный образец двухзвенного мостового ПЧ, построенный по схеме «АВТ-АИТ» мощностью 10 кВА для питания группы СГД приводов центрифуг, обеспечивающий улучшенную электромагнитную совместимость с питающей сетью.

8) Сравнение расчетных и экспериментальных результатов исследований подтверждает обоснованность принятых допущений.

1. A.c. 455429 (СССР) Устройство импульсного перевозбуждения гистерезисного двигателя. Тарасов В.Н. от 31.03.1972г., Опуб. В Б.И. 1974. №48.

2. Алатырев М.С., Быков К.В. Гармонический состав потребляемого тока и коэффициент мощности выпрямителей на полностью управляемых полупроводниковых приборах // Электротехника. 2000. №4. с. 23-27.

3. Батуров Б.Б., Синев H.H. Экономика атомной энергетики (основы технологии и экономии ядерного топлива). М.: Атомиздат. 1980.

4. Бладыко В.М. и др. Аппроксимация петель гистерезиса ферромагнитных материалов. Изв. ВУЗов. Энергетика, 1967, № 9.

5. Бут Д.А. Основы электромеханики: Учеб. Пособие. М.: Изд-во МАИ. 1996.

6. Горжевский И.И. Гистерезисные электродвигатели. М.:ЦИНТИ ЭПП. 1959.

7. Делекторский Б.А., Никаноров В.Б., Орлов И.Н. Особенности проявления высших гармоник питания в гистерезисных двигателях // Электротехника. 1972. №8. с.55-58.

8. Делекторский Б.А., Никаноров В.Б., Орлов И.Н. Динамические характеристики гистерезисного гиродвигателя // Труды МЭИ. 1976. Вып.291. с.18-24.

9. Делекторский Б.А., Орлов И.Н. Гистерезисно-асинхронный двигатель // В кн.: Электрические двигатели малой мощности. 4.1. Киев: Наукова думка. 1969. с.100-105.

10. Делекторский Б.А., Тарасов В.Н. Управляемый гистерезисный привод. М.: Энергоатомиздат. 1983.

11. Заявка 27 26 410 (ФРГ) Verfahren zur Dampfung der Polradpendelungen van Drehfeldmesehinen // Автор изобрет. Nestler J., Заявл. :9.6.77 №P 27 26 410.4; Опубл.: 21.12.78. МКИ H 02 P 7/44/ (Способ демпфирования явнополюсной синхронной машины)

12. Золотарев H.A. Математическое моделирование магнитного гистерезиса // Электричество. 1989. № 6.

13. Золотарев H.A. Обобщенная модель магнитного гистерезиса, построенная на линейном дифференциальном уравнении первого порядка. Ч. 1. // Изв. ВУЗов. Электромеханика. 1994. № 4-5.

14. Золотарев H.A. Обобщенная модель магнитного гистерезиса, построенная на линейном дифференциальном уравнении первого порядка. Ч. 2. // Изв. ВУЗов. Электромеханика. 1995. № 1-2.

15. Золотарев H.A. Дифференциальное уравнение магнитного гистерезиса, эквивалентное классической модели Прайзаха // Изв. ВУЗов. Электромеханика. 1999. № 3.

16. Изосимов Д.Б., Рывкил С.Е. Улучшение качества энергопотребления полупроводниковыми преобразователями с ШИМ // Электричество. 1996. №4.

17. Колесников Э.В., Бурцев Ю.А. Численное моделирование плоских электромагнитных воли в ферромагнетике с учетом вихревых токов, гистерезиса и магнитной вязкости // Изв. ВУЗов. Электромеханика. 1995. № 5-6.

18. Красносельский М.А., Покровский A.B. Системы с гистерезисом. М.: Наука, 1983.

19. Ланген A.M. Теория идеального гистерезисного двигателя // Электричество. 1969. № 7.

20. Ланген A.M. О влиянии нелинейности магнитного сопротивления ротора на характеристики гистерезисного двигателя // Электричество. 1970. № 5.

21. Ланген A.M. Угловые характеристики гистерезисного двигателя // Электротехника. 1971. № 6.

22. Ланген A.M. Уравнение поля в роторе гистерезисного двигателя // Электричество. 1973. № 4.

23. Ларионов А.Н., Мастяев Н.З., Орлов И.Н., Панов Д.Н. Общие вопросы теории гистерезисных электродвигателей // Электричество. 1958. № 7.

24. Марков Ю.Г. Исследование гистерезисно-реактивного двигателя и возможность его использования для привода гироскопа // Труды МЭИ. М: МЭИ. 1974. вып.187. с.71-75.

25. Марков Ю.Г., Мастяев Ы.З., Никаноров В.Б., Орлов Н.И. Особенности угловой характеристики гистерезисной машины // Труды МЭИ. М: МЭИ. 1971. Вып. 84.

26. Мастяев Н.З., Орлов И.Н. Гистерезисные электродвигатели. М.: МЭИ. 1963.

27. Мастяев Н.З., Трегубой В.А. Влияние высших гармоник индукции на пусковые характеристики гистерезисного двигателя // Электричество. 1977. №9.

28. Мастяев Н.З., Трегубов В.А. Влияние высших гармоник на синхронный момент и электромагнитную мощность гистерезисного двигателя // Электричество. 1978. Л'? 7.

29. Музыка H.A., Музыка 10.А. Графоаналитический метод определения параметров синхронного и перевозбужденного режимов гистерезисного двигателя // Электричество. 1966. № 4.

30. Музыка H.A., Музыка 10.А. К расчету механической характеристики гистерезисного двигателя при несимметричном питании // Электричество. 1969. № 12.

31. Мыцык Г.С. Улучшение электромагнитной совместимости статических преобразователей повышенной мощности // Электричество. 2000. №8. с.42-52.

32. Нерсесян B.C. Математическая модель гистерезисных циклов // Тр. Горьковского политехнического института. Т. 31. Вып. 2. Горький. 1975.

33. Никаноров В.Б. Нестабильность энергетических характеристик гистерезисного электродвигателя // Труды МЭИ. М: МЭИ. 1974. Вып.187. с.64-70.

34. Никаноров В.Б., Орлов H.H., Тарасов В.Н. Косвенные методы регистрации качаний гистерезисного гиродвигателя // Электротехника. 1974. № 3.

35. Никаноров В.Б., Останин С.Ю., Шмелева Г.А. Математическая модель магнитного поля в гисгерезисном электродвигателе // Электричество. 1995. №12.

36. Никаноров В.Б., Останин С.Ю., Шмелева Г.А. Модель гистерезисного электродвигателя при несинусоидальном и несимметричном питании // Электричество. 1996. № 5.

37. Никаноров В.Б., Останин С.Ю., Шмелева Г.А. Моделирование гистерезисного электродвигателя на ЭВМ и исследование его характеристик // Электричество. 1996. № 8.

38. Никаноров В.Б., Останин С.Ю., Шмелева Г.А. Программа расчета характеристик гистерезисных электродвигателей для управляемых приводов // Электричество. 1997. № 4.

39. Орлов И.Н, Никаноров В.Б., Селезнев А.П., Шмелева Г.А. Проектирование гистерезисных двигателей на ЭВМ. М.: МЭИ. 1991.

40. Орлов И.Н., Селезнев А.П. Основные закономерности характеристик магнитных материалов, применяемых для роторов гистерезисных двигателей // Труды МЭИ. Постоянные магниты. 1971. Вып. 84.

41. Патент 1397132 (Великобритания) Damping oscillations in a rotary-field electrical motor. // Siemens AG, Заявл. 29.06.1979, №30590/72 Опубл. в Б.и. N 19, МКИ Н02Р7/52. (Гашение качаний в электродвигателе с вращающимся полем).

42. Петрушенко Е.И. К расчету перемагничивания ферромагнетиков сложной формы в квазистатическом приближении // В кн.: Математическое моделирование и теория электрических цепей. Киев: Наукова думка. 1971.

43. Петрушенко Е.И. и др. Метод расчета электромагнитного поля в полом ферромагнитном цилиндре с учетом гистерезиса II Изв. Вузов. Электромеханика. 1972. №7.

44. Рыбкин С.Е., Изоснмов Д.Б. Широтно-импульсная модуляция трехфазных автономных инверторов // Электричество. 1997. №6. -с.33-39.

45. Стома С.А. Магшппое поле гистерезисной машины // Электромеханика. 1968. б.

46. Тарасов В. Н. Маломощный синхронный электропривод с регулируемым магнитным возбуждением // Электротехника. 1990. №11.

47. Тарасов В.Н. Условия эффективного перевозбуждения гистерезисного двигателя // Электричество. 1994. № 5.

48. Тарасов В.Н. Гистерезисный привод сто лет развития и перспективы // Труды II Межвузовской отраслевой н.т.к. «Автоматизация и прогрессивные технологии», 27 сентября-1 октября 1999г. Новоуральск: НПИМИФИ. 1999.4.1. - с. 13-15.

49. Тарасов В.Н., Останин С. Ю. Сравнительная оценка показателей бесконтактных электродвигателей в структурах многодвигательного электропривода // Практические разработки ЭКАО-97. М.: МЭИ. 1997.

50. Тарасов В.Н., Останин С. 10., Селезнев А. П., Лебедев А. П. Электротехнические комплексы высокоэффективных роторных и центрифужных технологи!!. Практические разработки ЭКАО-97. М.: МЭИ. 1997.

51. Тарасов В.Н., Останин С. Ю., Соболев Л. В. Моделирование физических процессов в гистерезисном двигателе при импульсном регулировании его возбуждения // Электричество. 1998. № 3.

52. Тарасов В.Н., Позднухов С. Ф., Ларин В. П. и др. Создание рядов синхронных вентильных электроприводов для роторных и центрифужных технологии // Электротехника. 1995. № 1.

53. Тихомиров Г.М. О параметрическом представлении петель гистерезиса // Изв. ВУЗов. Электромеханика. 1962. № 3.

54. Трегубов В.А. Аналитическое представление параметров основного и частных циклов магнитно-твердых материалов // Электричество. 1975. №12.

55. Черняева О.М. Разработка и реализация на ЭВМ математической модели магнитных процессов в роторе гистерезисного двигателя. -дисс. . . . канд. техн. наук. М.: МЭИ. 1982.бЗ.Чванов В.А. Динамика инверторов с прямой коммутацией. М.: Энергия. 1978.

56. Шмелева Г.А. Метод расчета электромеханических процессов в гистерсзисных д в и г ¿1 т с. i я х. В кн.: Межвузовск. сб. тр. №14. М.:МЭИ. 1983.

57. Шмелева Г.А. Разработка и реализация на ЭВМ математической модели электромеханических процессов гистерезисных электродвигателей. дпсс. . . . канд. техн. наук,- М.: МЭИ. 1984.

58. Шрейнер Р.Т., Ефимом A.A. Активный фильтр напряжения как новый элемент энергосберегающих систем электропривода // Электричество. 2000. №3.

59. Шрейнер Р.Т., Дмитренко 1С).А. Оптимальное частотное управление асинхронными электроприводами. Кишинев: Штиинца. 1982.

60. Шрейнер Р.Т. Асинхронные электроприводы с полупроводниковыми преобразователями частоты (математическое моделирование, оптимизация режимов, структуры систем управления). Автореферат дис.доктора техн. нау к. М.: МЭИ. 1990.

61. Шрейнер Р.Т. Системы подчиненного регулирования электроприводов. Часть 1. Электроприводы постоянного тока с подчиненнымрегулированием координат. Екатеринбург: Изд-во УГППУ. 1997. -279с.

62. Drehfeldmotor mit asynchromen Amiauf und synchronem. Lauf/Siemens-Schuckert Werke, 1937.Патент № 184090 (Швейцария)

63. Habetier T.G. A Space Vector-Based Rectifier Regulator for AC/DC/AC Converters. IEEE Transactions on Power Electronics, vol.8. №1. 1993. -p.p. 30-36.

64. Jaeschke H.E. Der Hysteresemotor: Dissertation / Leipzig: 1943.

65. Madelung E. Uber Magnetisierung durch Shnellverlaufende Strome und Wirkung sweise des Ruthcrford-Mareonischen Magnetdetectors. Annalen der Phisik. 1905. Bd.17, H.10.

66. Siemens Forcsh / U. EnwinkE - Ber. Bd8 (1979) Nrl, p. 45-49, H. Neupauer, Stabilitatsuntersuchung an umrichtergespeisten, Rompeusierten Hysteresemacshinen Гиг Gas-Ultrazentrifugenautriebe. Teil 1. Die Rompeusierte Hystere SCHI 1 С s h i i: с.

67. Siemens Forcsh / U. Enwinkl. - Ber. Bd8 (1979) Nr3, p. 148-152, H. Neupauer, Stabilitatsuntersuehung an umrichtergespeisten, Rompeusierten Hysteresemacshinen fur Gas-Ultrazentrifugenautriebe. Teil 2. Die Rompeusierte Hysterescmacshi не.

68. Steinmetz M. Wechselstomerscheinugen. Berlin. 1900. s.160.

69. Tear B.R. Theory of Hysteresis Motor Torque. AIEE Transaction. 1940. vol. 59.

70. Veas D.R., Dixon J.W. and Ooi B.T. A Novel Load Current Control Method fore Leading Power Factor Voltage Source PWM Rectifier. IEEE Transactions on Power Electronics, vol.9. №2. 1994. - p.p. 153-159.

71. Шрейнер P.Т., Тарасон В.Ii., Ефимов A.A., Калыгин А.И. Построение динамической модели i истер,'тсных электродвигателей // Труды XI научно-технической конференции ЭППТ-98. Екатеринбург, 24-26 февраля, 1998. с. 138-14 1 .

72. Шрейнер Р.Т., Тарасов В.IT., Ефимов A.A., Калыгин А.И. Построение динамической модели гвстерезисных электродвигателей // Электротехника. 1998. №8. с. 25-28.

73. Калыгин А.И. Динамическая модель исполнительного гистерезисного двигателя. // Научная сессия 1ИФИ-99. Сб. науч. трудов. М.:МИФИ. Т.10.- с. 27-29.

74. Шрейнер Р.Т., Ефимов A.A. К лыгин А.И. Моделирование синхронно-гистерезисных электропривс ов // В сб. «Электротехнические комплексы автономиях осп, :тов-99 / Тезисы докладов научно-технической конференции (1М4 октября 1999) ». М: Изд-во МЭИ. 1999.

75. Шрейнер Р.Т., Ефимов А.А., Зиновьев Г.С., Смехнов A.M., Калыгин А.И. Энергосберегающие электроприводы переменного тока на базе преобразователей частоты с активными выпрямителями / ВЭЛК, 1999г.

76. Шрейнер P.Т., Ефимов А.А., Калыгин А.И. Математическое моделирование гистерезиспых электродвигателей // В материалах Международной электронной научной конференции «Перспективные технологии автоматизации-99т Вологда: ВоГТУ.

77. Шрейнер Р.Т., Ефимов А.Д., Калыгин А.И. Математическое описание и алгоритмы ШИМ активного преобразователя тока // В материалах Международной электронной научной конференции «Перспективные технологии автоматизацип-99». Вологда: ВоГТУ.

78. Шрейнер Р.Т., Ефимов Д.Д., Калыгин А.И. Вопросы моделирования и синтеза САР активных преобразователей тока // Тезисы Межотраслевой научпотрак пческой конференции «Снежинск и наука», 29 мая-02 июня. 2000' . Снежинск: СФТИ. с.491-492.

79. Шрейнер P.Т., Ефимов А.А., Калыгин А.И. Математическое моделирование и управление ктивными преобразователями тока // В сб. докладов V Межлунаро/ ной научно-технической конференции АПЭП-2000. Новосибирск: 11Г У. Т.4. с.85-90.

80. Шрейнер Р.Т., Ефимов Д.Д., К лыгин А.И. Математическое описание и алгоритмы ШИМ активных ыпрямителей тока // Электротехника. 2000. №10. с.42-49.

81. Утверждаю" Директор СИЭЛ"вэиькин В.И. 'аря 2000 г.

82. АКТ ВНЕДРЕНИЯ Компьютерной программы "Модель гистерезисного двигателя", выполненной в НПИ МИФИ.

83. Компьютерная программа "Модель гистерезисного двигателя", была написана в Новоуральском политехническом институте МИФИ (исполнитель Калыгин А.И.) в рамках проводимых научных исследований режимов работы синхронно-гистерезисных двигателей.

84. Данная компьютерная программа позволяет моделировать работу синхронно-гистерезисного двигателя при питании как от синусоидальных источников тока и напряжения, так и от инверторов тока и напряжения.

85. Новоуральский политехнический институт МИФИ, г.Новоуральск"УТ^ЩАЮ1. V"1. А.П. Дягилев /1. АКТ ВНЕДРЕНИЯрезультатов кандидатской диссертационной работы Калыгина Андрея Игоревичав учебный процесс

86. НПО "ПОИСК-93 г.Новоуральск1. АКТ.результатов кандидатской диссертационной работы Калыгина Андрея Игоревича в НПО «ПОИСК-93»

87. НПО "ПОИСК-93 г.Новоуральск1. АКТ ВН1

88. УТВЕРЖДАЮ" Ж^г^^фЬЙвдр «НПО ПОИСК-93»1 о у ^ . ^ ^7= с. Ткаченко /результатов кандидатской диссертационной работы Калыгина Андрея Игоревича в НПО «ПОИСК-93»

89. Данная программа используется в исследованиях проводимых в рамках работ по модернизации преобразователя частоты СПЧС-200.1. Члены комиссии:1. Председатель комиссии: