автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Исследование и разработка регулирующего устройства высокооборотного вентильного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов

На правах рукописи

ООоиш^-

ХРОМОВ ИЛЬЯ СЕРГЕЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА РЕГУЛИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА ВЫСОКООБОРОТНОГО ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ С ВОЗБУЖДЕНИЕМ ОТ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ

Специальность 05.09.01. "Электромеханика и электрические аппараты"

2 6 ЯНВ Ш1

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени Кандидата технических наук

Москва, 2011

005007932

Работа выполнена на кафедре «Электрические и электронные аппараты» Национального исследовательского университета МЭИ.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Розанов Юрий Константинович

Официальные оппоненты: Доктор технических наук,

Антонов Борис Михайлович, Кандидат технических наук, доцент Котеленец Николай Федорович.

Ведущая организация: ОАО АКБ «Якорь».

Защита диссертации состоится 17 февраля 2012 года в 15 час. 00 мин. в аудитории Е-205 на заседании диссертационного совета Д 212.157.15 при Московском энергетическом институте по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная улица, дом 13, строение 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского университета МЭИ.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим отправлять по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная улица, дом 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан « 16 » января 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.157.15

Боровкова А.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Синхронный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов (СДПМ), благодаря своим высоким эксплуатационным характеристикам, является наиболее перспективной машиной в диапазоне малых и средних мощностей. СДПМ простой по конструкции, не имеет потерь на возбуждение и обладает высокой стабильностью скорости ротора. Эти качества выделяют его из ряда всех остальных машин и обеспечивают ему применение в системах автоматики, приводах подачи станков, прецизионных системах слежения, а также системах, где стабильность скорости является первостепенным требованием, предъявляемым к технологическому процессу.

Совершенствование магнитных материалов и конструкций ротора позволило расширить применяемость СДПМ в область высокооборотных машин и агрегатов, добавив к перечисленным преимуществам компактность и высокую надежность.

Тем не менее, решения на базе высокооборотных двигателей отличаются крайне высокой стоимостью. Дело в том, что работа с высокооборотными СДПМ (ВСДПМ) без информации о положении ротора не представляется возможной. Есть 2 способа решения проблемы: установка датчика положения ротора (ДПР), либо использование алгоритмов бездатчикового управления. ДПР для высокооборотных двигателей - это оптические энкодеры, чувствительные к нагреву и механическим воздействиям. Помимо высокой стоимости и ненадежности, возникают проблемы крепежа энкодера, например, в компрессорах, где ротор находится внутри корпуса. Все это, в конечном счете, влияет на цену пары регулирующее устройство (РУ) - ВСДПМ.

Алгоритмы вычисления положения ротора по сигналам встроенных в РУ датчиков напряжения и тока, так называемые алгоритмы бездатчикового векторного управления, существуют в достаточном количестве для СДПМ

стандартной частоты (50-100 Гц), постоянно совершенствуются и за исключением передовых наработок находятся в открытом доступе. В высокооборотной области все совершенно не так. Ввиду крайней коммерческой привлекательности направления, а, следовательно, и особой заинтересованности ведущих мировых производителей приводной техники в сохранении наработок в области управления высокооборотными СДПМ внутри компаний, количество публикаций по теме стремится к 0. Россия здесь лишь отражает общемировую тенденцию.

В данной работе проанализированы существующие алгоритмы бездатчикового векторного управления, на их основе предложен новый эффективный способ управления (соэф - 1) ВСДПМ средней мощности. Алгоритм основан на идее минимизации тока И вращающейся системы координат, что автоматически приводит к улучшению электрических и эксплуатационных показателей. Предложенный метод прост математически и не требует высокой производительности процессора, что особенно важно для информационно перегруженных контроллеров РУ ВСДПМ.

Так же представлено РУ ВСДПМ в составе компрессора холодильной машины, а именно: рассмотрена структура устройства управления, приведены принципиальные схемы системы управления и структура устройства управления, а также рассмотрены результаты эксперимента.

Цель диссертационной работы заключается в разработке алгоритма векторного бездатчикового управления, структуры и методик проектирования РУ средней мощности (сотни кВт) для высокооборотных СДПМ.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. определена область применения высокооборотных СДПМ,

2. проведен анализ электромагнитных процессов, возникающих во время работы СДПМ. Определены критерии оптимального управления для достижения максимального момента на валу. Выведена формула расчета угла поворота ротора (угла нагрузки).

3. проведен анализ существующих алгоритмов управления СДПМ,

4. на основе пункта 2 предложен алгоритм управления высокооборотными СДПМ,

5. разработана структура РУ, реализующая предложенный способ и алгоритм управления,

6. разработана компьютерная модель РУ, состоящая из управляемого выпрямителя и автономного инвертора напряжения. На основе модели проведен анализ статических и динамических режимов работы РУ с связке с СДМП. Доказана принципиальная возможность создания физического образца РУ.

7. разработана методика проектирования РУ. Проведено полное физическое моделирование в связке с высокооборотным СДПМ, номинальной мощностью 100 кВт, 30000 об/мин.

Методы исследований. Для решения поставленных задач были использованы методы математического анализа, методы теории линейных электрических цепей (прямые методы расчета электрических цепей), методы математического моделирования (система сквозного проектирования Ма11аЬ 6.5).

Достоверность научных результатов, изложенных в работе, обеспечена корректным применением апробированных методов анализа электромагнитных процессов в силовых электронных устройствах и подтверждается результатами компьютерного и физического моделирования.

Научную новизну представляют:

1. новый принцип управления мощными высокооборотным СДПМ,

2. алгоритм управления и структура РУ, позволяющие реализовать этот алгоритм на современной элементной базе,

3. математическая модель РУ, делающая возможным анализ статических и динамических режимов работы,

4. методика проектирования РУ.

Практическую ценность представляют:

1. алгоритм управления и структура РУ, обеспечивающие наилучшие энергетические показатели (соБср ~ 1),

2. математическая модель РУ, являеюгцаяся удобным инструментом для исследования характеристик ВСДПМ и анализа алгоритмов управления,

3. методика проектирования РУ, позволяющая значительно сократить время разработки устройств с заданными характеристиками.

Реализация работы. Основные научные и практические результаты использованы в разработке новых РУ , как самостоятельных изделий, так и в качестве составных частей других устройств, в ЗАО «ЭЛСИЭЛ».

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на второй Всероссийской конференции «Силовая электроника», XXVIII межрегиональной научно-технической конференции «Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем», научно-технической конференции «Инновационные разработки и опыт применения микросхем ЗАО «ПКК Миландр» в аппаратуре специального и двойного назначения».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 работы, из них: 1 - статья в издании по спискам ВАК («Электротехника»); 3 - работы в материалах научно-инженерных конференций.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. алгоритм векторного бездатчикового управления РУ ВСДПМ, основанный на принципе минимизации тока И вращающейся системы координат,

2. структура РУ для ВСДПМ средней мощности, отражающая заданный алгоритм и основанная на схеме двойного регулирования - напряжение постоянного звена контролирует преобразователь понижающего напряжения, а частоту автономный инвертор напряжения.

3. математическая модель РУ, делающая возможным анализ статических и динамических режимов работы,

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В первой главе приведен анализ всех известных способов управления обычными синхронными двигателями с возбуждением от постоянных магнитов (СДПМ), с целью выбора основы для алгоритма управления мощным ВСДПМ.

В настоящее время существует несколько способов управления СДПМ, как применяемых на практике, так и перспективных, ожидающих дальнейшего прогресса в области микропроцессорной техники:

1) Наблюдатели состояния. Наблюдатель - это математическая модель объекта, на вход которой поступают измеряемые компоненты вектора состояния объекта, а на выходе выдаётся оценка всего вектора состояния. Применение наблюдателей состояния является естественным способом восстановления значения вектора состояния с использованием матричного представления системы.

Наблюдатель используется для предсказания значения токов на 1 цикл вперед, что решает проблему устранения запаздывания управления. Однако предлагаемая система построена без учета магнитного насыщения, потерь в меди и стали, анизотропности ротора двигателя (индуктивности по осям ё и q приняты равными), что снижает оптимальность предлагаемого метода.

2) Системы со скользящими режимами (ССР). Развитие цифровых способов управления позволяет создавать новые уникальные регуляторы на базе таких, казалось бы, старых и давно испробованных алгоритмов, каким является алгоритм управления с использованием скользящего режима.

Недостатками такого метода являются возможная потеря устойчивости на участке достижения поверхности переключения, высокочастотные

переключения, которые ведут к быстрому износу механических и электрических частей привода, высокие требования к преобразователю.

3) Нейронные сети (НС), использованные для построения алгоритма управления СДПМ. Основу каждой НС составляют относительно простые, в большинстве случаев - однотипные, элементы (ячейки), имитирующие работу нейронов мозга. Далее под нейроном будет подразумеваться искусственный нейрон, то есть ячейка НС. Каждый нейрон характеризуется своим текущим состоянием по аналогии с нервными клетками головного мозга, которые могут быть возбуждены или заторможены. Он обладает группой синапсов - однонаправленных входных связей, соединенных с выходами других нейронов, а также имеет аксон - выходную связь данного нейрона, с которой сигнал (возбуждения или торможения) поступает на синапсы следующих нейронов. Общий вид нейрона приведен на рисунке 1.

Входы Синапсы

Рис. 1. Общий вид нейрона.

Алгоритмы расчета НС не относятся к простым алгоритмам по вычислительной нагрузке. Поэтому реализация НС, в полной мере реализующих векторное управление "в современных промышленных контроллерах, невозможна. Это, пожалуй, главный недостаток НС.

4) Прямое управление моментом может быть осуществлено при питании синхронного двигателя от инвертора тока. Такие системы обладают рядом преимуществ: достигается робастность по отношению к разбросу параметров, упрощается алгоритм управления за счет отсутствия токового контура регулирования, обеспечивается высокое быстродействие системы.

К недостаткам метода ПУМ следует отнести наличие пульсаций в электромагнитном моменте и потокосцеплении, что снижает точность

регулирования, повышает электропотребление и увеличивает акустический шум.

5) Качественно новым методом управления СДПМ является использование наблюдателя неопределенностей. Это направление в данной области получило развитие в самое последнее время. Неопределенностями модели СДПМ являются индуктивность статора, активное сопротивление статора и момент инерции ротора. Целью данного метода является формирование структуры системы управления СДПМ с компенсацией неопределенностей, работоспособной во всем рабочем диапазоне скоростей ротора. Основной недостаток, как и у метода НС, только один - повышенная сложность алгоритмов управления, делающая невозможным оптимизацию метода для высокооборотных СДПМ в условиях реализации на современных микроконтроллерах.

Во второй главе производится анализ электромагнитных процессов с возбуждением от постоянных магнитов на основе физической модели обобщенной электрической машины (ОЭМ) с целью определить критерии оптимального управления электродвигателем.

Электрическая схема ОЭМ имеет вид, представленный на рисунке 2.

"Л

ч

и

Рис. 2. Электрическая схема ОЭМ.

Выражения потокосцеплений обмоток ОЭМ имеют вид:

д 0 0 10

0 к 0 Мя

мл 0 !<* 0 ч

0 0 к. л.

(О

где Ьр, Ь(з, Ьй, Ь,А - индуктивности соответствующих обмоток; М(], Мч- взаимные индуктивности обмоток статора и ротора по осям d и q; Ч'п, Ч'о» ^ - мгновенные значения потокосцеплений машины; >сь 1Ч - мгновенные значения токов обмоток машины.

Запишем (1) в развернутом виде: Запишем эту систему уравнений в матричном виде:

~ив~ Ь+1<оР 0 Млр 0 V

мй 0 Ъ+1вР 0 М9р

Щр -МваР г + 1ар (2)

Л. мвр г+ЬчР_ л.

Систему уравнений (2) можно привести к виду:

и = Ш + + Ва>р ,(2.ю)

где

1вгв +МВ1(1

АЛ +

в=

о о

-М гп - Ьл„ ч б ? ?

Приложенное к контуру напряжение равно падению напряжения на активном сопротивлении и сумме трансформаторной противо-ЭДС, зависящей от изменения потокосцеплений, и противо-ЭДС вращения, зависящей от движения контура.

Умножим обе части уравнения (2.10) на транспонированный вектор тока Л Получим выражение для мощности:

?и = IТШ + ¡ТрЧ? + ?В(йр. (3)

г В(др представляет собой механическую мощность машины Ри. отсюда электромагнитный момент Мбудет равен:

а>р

Выражения для момента СДПМ получим из формулы 4:

sin20

.. 2EU . _ U2( 1 1 Л М =-sm Ф+—

coxd со

КХ9 Х<! )

(5)

Первое слагаемое в формуле - основной синхронный момент, второе слагаемое - реактивный синхронный момент от явнополюсности ротора.

Если число пар полюсов больше 2, то принимают, что хд = Ду таким образом, максимальный момент двигателя достигается, при значении угла нагрузки Ф = 90°.

Третья глава посвящена моделированию РУ, предназначенного для управления производительностью синхронного магнитоэлектрического (вентильного) двигателя. РУ должно обеспечивать плавный пуск двигателя и его работу в штатных режимах, различающихся частотой вращения и моментом сопротивления. РУ состоит из понижающего преобразователя' напряжения и трехфазного мостового инвертора (на транзисторах).

Таким образом, силовая часть преобразователя сделана по схеме двойного регулирования: напряжение постоянного звена регулирует понижающий преобразователь напряжения (ППН), а частоту выходного напряжения трехфазный инвертор напряжения (ТИН). Выбор структуры преобразователя продиктован использованием 180° управления ключами инвертора.

При пуске двигателя, задается линейное возрастание частоты инвертора (с постоянным ускорением К/ = 200 Гц/с) от нуля (или некоторой небольшой величины) до номинального значения (1000 Гц). Управление ключами инвертора выполняется на частоте основной гармоники, изменяющейся (в соответствии с заданием) в диапазоне от нуля до 1000 Гц. Предполагается, что на каждом из шести равных интервалов периода работают одновременно три ключа инверторного моста (так называемое 180-градусное управление). Для упрощения модели преобразователя в ее состав включены только инвертор и ППН, получающий питание от источника постоянного напряжения (480 В).

Моделирование проводилось для двух режимов работы: установившегося и переходного.

В результате моделирования установившегося режима получена серия осциллограмм, а именно:

• линейные токи двигателя;

• скорость вращения;

• момент двигателя;

• ток, потребляемый от источника;

• вычисленный угол положения ротора;

• ток Ы;

• линейное напряжение;

• напряжение источника питания;

В результате моделирования переходного режима получены серии осциллограмм, отображающие поведение системы в процессе пуска и разгона, а также в режиме сброса-наброса нагрузки. Наблюдаемые переменные:

• линейные токи двигателя;

• скорость вращения;

• момент двигателя;

• ток, потребляемый от источника;

• ток И;

• линейное напряжение;

• напряжение источника питания;

Расчеты главы 2 подтверждены, при помощи математического моделирования статических и динамических режимов работы устройства в программе БтиНпк. Моделирование алгоритма работы РУ доказало принципиальную возможность создания физического образца РУ высокооборотного вентильного двигателя с заданными характеристиками.

В четвертой главе приводится методика проектирования РУ высокооборотного СДПМ. Для РУ, работающих в паре с ВСДПМ, определяющим топологию фактором является именно высокооборотность нагрузки. Невозможность использования ШИМ методов регулирования выходного напряжения приводит к необходимости использования дополнительного преобразователя энергии в составе РУ. В случае использования ШИМ (от 10 кГц) мощность общих потерь в модуле увеличивается в 3 и более раз, по сравнению с методом 180-градусного (или аналогичных) управления.

В зависимости от входного напряжения преобразователь будет понижающим или повышающим, но он будет всегда. В подавляющем большинстве случаев преобразователь понижающий, поэтому в дальнейшем будем говорить именно о понижающем преобразователе напряжения (ППН). Распространенная схема ППН представлена на рис. 3.

Корректность работы ППН напрямую зависит от правильности расчета индуктивностей дросселей Ь]..з и емкости конденсатора С. Следует учесть, что одной из функций РУ является автоподхват двигателя в случае кратковременной пропажи питания. Для ее реализации необходимо чтобы на входе ППН не было дополнительных конденсаторов, которые было бы необходимо заряжать с помощью специального устройства. Тогда на вход ППН будет подано выпрямленное (на диодном мосте) 3-фазное напряжение 380 В, имеющее значительные пульсации 460-540 В.

В работе сформулированы критерии подбора номиналов индуктивностей дросселей и емкости конденсаторов, а так же формулы расчета их номинальных значений.

Для корректной работы РУ помимо настройки фильтров ППН необходимо выбрать оптимальное решение по силовым коммутаторам и элементам охлаждения. Растущее многообразие решений, применяемых в силовой электронике, специализация типов компонентов привели к тому, что сравнение близких по назначению силовых модулей на основании только справочных данных стало серьезной проблемой. Предельные данные тока и напряжения транзистора или модуля, обычно вынесенные в заголовок технических характеристик, не дают разработчику никаких данных для расчета, а лишь позволяют в первом приближении сравнить один элемент с другим. Сложность выбора компонента заключается и в том, что желательно максимально использовать его мощностные характеристики, чтобы не

платить лишних денег за неоправданный запас по мощности. В пункте 4 настоящей главы приведена методика теплового расчета, позволяющая правильно рассчитать тепловые потери в коммутаторах, это позволит подобрать силовые ключи и элементы охлаждения согласно поставленной задачи и с заданной избыточностью.

Пятая глава посвящена разработке и испытаниям опытного образца РУ высокооборотного СДПМ.

Структурная схема РУ приведена на рис. 4.

Рис. 4. Структурная схема РУ, где ДН - датчик напряжения, ДТ - датчик тока, ТЧ — транзистор тормозного чоппера.

Подразумевается, что к выходам РУ подсоединяется высокооборотный СДПМ со следующими характеристиками:

- потребляемая мощность не более 100 кВт, при п=30000 об/мин,

- максимальная частота ЭД 1050 Гц,

- максимальный момент ЭД 32 Н-м (момент на валу компрессора рассчитан с учетом потерь на трение и вентиляцию при диаметре ротора 88 мм и длине ротора 200мм),

- номинальный ток фазы ЭД 160А,

- номинальное напряжение линейное/фазное ЭД 450/260 В,

- сопротивление обмотки статора ЭД 0.01 Ом,

- индуктивность обмотки статора по продольной оси Ld 45,223 мкГн,

- индуктивность обмотки статора по поперечной оси Lq 23,885 мкГн.

На рис. 2 приложения 1 приведена схема электрическая принципиальная системы управления (далее СУ) РУ ВСДПМ. СУ базируется на двух микроконтроллерах компании TEXAS INSTRUMETS TMS320F2810. На момент разработки РУ эти микроконтроллеры (МК) являлись самыми производительными МК с набором периферии, предназначенной для управления преобразовательной техникой. Микроконтроллер D6 предназначен для управления понижающим преобразователем, D26 обслуживает инвертор. Микроконтроллеры общаются по дуплексной, 16 битной шине данных. Для предотвращения передачи ложных данных, применены помехозащищенные алгоритмы обработки информации.

В случае работы в аварийных режимах, на плате СУ предусмотрена аппаратная защита от перегрузочных токов, а также токов короткого замыкания. Сигнальные выходы компараторов защиты заведены на специальные порты контроллера, которые в случае аварии позволяют аппаратно снимать управляющие сигналы с силовых ключей РУ, предотвращая ударные воздействия токов короткого замыкания на кристаллы ЮВТ-транзисторов.

Для коммуникаций и управления на плате предусмотрено 2 интерфейса связи: RS232 и CAN (основной и резервный). RS232 является вспомогательньм и, в случае продолжения работ по РУ ВСДПМ, может быть использован для удобств обслуживающего персонала, например для приключения диагностического пульта.

Проверка функционирования разработанного алгоритма проводилась на ненагруженный ВСДПМ. Стоит отметить, что для предложенного алгоритма данный режим работы с малой нагрузкой является самым тяжелым.

Осциллограммы фазных токов и напряжений, полученные во время работ, были подвергнуты математическому анализу. Для этого в

программной среде MathCAD была написана подпрограмма, имитирующая алгоритм работы РУ ВСДПМ - по известной последовательности значений фазных токов Ia, Ib и линейных напряжений Uab, Übe она восстанавливает значения токов id и iq вращающейся системы координат. Математическому анализу были подвергнуты осциллограммы снятые в следующих условиях: установившийся режим работы привода РУ, уставке id = 0, холостой ход, частота вращения 800 Гц. Результаты обработки приведены на рис. 5 и 6.

На рис. 5 сплошной линией изображен ток ij, точечная линия соответствует току iq, пунктирная - среднее значение тока id. Масштаб по вертикали - 50 А/кл, по горизонтали 500 мке/кл. Всплески id соответствуют моменту переключения пространственного вектора тока статора в следующее положение (всего 6 положений для 180 градусного управления). Усредненное значение тока id близко к 0, что соответствует заданию.

Рис. 5. Токи ¡а, ¡ч и усредненное значение На рис. б сплошной линией изображен ток фазы А, точечная линия

соответствует фазному напряжению, пунктирная - противо-ЭДС, наводимая

в статорной обмотке фазы А двигателя. Масштаб по вертикали для тока -

100 А/кл, для напряжения - 100 В/кл, по горизонтали 500 мке/кл.

Противо-ЭДС совпадает по фазе с фазным напряжением, что соответствует наибольшему возможному КПД.

Рис. 6. Ток фазы А, фазное напряжение и противоЭДС фазы А.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1) проведен обзор современных способов управления СДПМ, акцентированы их преимущества и недостатки,

2) выполнен анализ электромагнитных процессов СДПМ,

3) разработан новый алгоритм управления ВСДПМ, обеспечивающий высокую робастность системы и оптимизированный для реализации на современной элементной базе,

4) создана математическая модель РУ и двигателя в программе БшшНпк программного комплекса МайаЬ, реализующая предложенный алгоритм и подтвердившая его высокую эффективность,

5) разработана цифровая система управления, позволяющая обеспечить высокое качество ре1улирования и адаптивность к внешним условиям,

6) разработана инженерная методика расчёта параметров силовых компонентов РУ,

было проведено экспериментальное исследование работы РУ ВСДПМ на основе физического макета. Полученные результаты работы полностью совпадают с расчетными и показывают высокую эффективность разработанной цифровой системы управления.

Основные положения диссертации нашли отражение в следующих научных трудах:

1 Хромов И .С. Статический преобразователь частоты в составе высокооборотного вентильного привода, Кузькин В.И., Мелешкин В.Н., Мясищев C.B., Хромов И.С. // Журнал «Электротехника» №7 2010г,

2 Хромов И.С. Математическая модель регулирующего устройства высокооборотного вентильного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов // «Вторая Всероссийская конференция «Силовая электроника» тезисы докладов. Том 2.

3 Хромов И.С. Энергоэффективные алгоритмы управления ВСДПМ // XXVIII межрегиональная научно-техническая конференция «Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем» сборник докладов том 2. стр. 132.

4 Хромов И.С. Статический преобразователь частоты в составе высокооборотного вентильного привода // «Инновационные разработки и опыт применения микросхем ЗАО «ПКК Миландр» в аппаратуре специального и двойного назначения». Сборник тезисов.

Подписано в печать// .0f.Mf.3aK. 3 Полиграфический центр МЭИ Красноказарменная ул., д. 13

61 12-5/1413

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ХРОМОВ ИЛЬЯ СЕРГЕЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА РЕГУЛИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА ВЫСОКООБОРОТНОГО ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ С ВОЗБУЖДЕНИЕМ ОТ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ

Специальность 05.09.01. "Электромеханика и электрические аппараты"

Д И С С Е Р ТА Ц И Я НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Научный руководитель: д.т.н., профессор Розанов Ю.К.

МОСКВА 2011

Введение

1. Обзор литературы и общая характеристика работы

1.1. Анализ литературы и состояние вопроса ......................8

1.2. Преимущества и недостатки высокооборотных СДПМ.....10

1.3. Анализ современных способов управления СДПМ...........12

1.4. РУ-назначение и принцип действия............................22

1.5. Выводы по главе......................................................25

2. Анализ электромагнитных процессов синхронного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов

2.1. Физическая модель обобщенной электрической машины...26

2.2. Уравнения ЭДС и момента ОЭМ в осях с! и д..................28

2.3. Уравнения ЭДС и момента СДПМ в осях <1 и д...............30

2.4. Переход от трехфазной системы координат к вращающейся ортогональной........................................................32

2.5. Выводы по главе.....................................................35

3. Моделирование устройства управления

3.1. Описание моделируемой системы...............................36

3.2. Математическое описание вентильного двигателя...........37

3.3. Техническое предложение по реализации понижающего преобразователя напряжения (ППН)............................38

3.4. Компьютерная ППН модель в 8шшНпк........................ .41

3.5. Результаты моделирования ППН.................................43

3.6. Техническое предложение по реализации инвертора........46

3.7. Компьютерная модель инвертора в программе 8тш1тк...58

3.8. Результаты моделирования инвертора..........................61

3.9. Выводы по главе.....................................................71

4. Методика проектирования регулирующего устройства высокооборотного синхронного двигателя на постоянных

магнитах

4.1. Методика проектирования силовой части.....................73

4.2. Тепловой расчет.......................................................77

4.3. Выводы по главе.....................................................84

5. Разработка устройства управления высокооборотного синхронного двигателя на постоянных магнитах

5.1. Разработка структуры устройства и силовой части..........85

5.2. Разработка системы управления.................................86

5.3. Проверка функционирования разработанного алгоритма на макете устройства...................................................87

5.4. Выводы по главе...................................................100

6. Заключение.

7. Приложения.

8. Список литературы.

4 -

Введение.

Синхронный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов (СДПМ), благодаря своим высоким эксплуатационным характеристикам, является наиболее перспективной машиной в диапазоне малых и средних мощностей. СДПМ простой по конструкции, не имеет потерь на возбуждение и обладает высокой стабильностью скорости ротора. Эти качества выделяют его из ряда всех остальных машин и обеспечивают ему применение в системах автоматики, приводах подачи станков, прецизионных системах слежения, а также системах, где стабильность скорости является первостепенным требованием, предъявляемым к технологическому процессу.

Внедрение сплавов редкоземельных металлов, совершенствование аппаратной базы управления делают возможным использование этого типа двигателей в тех областях, где традиционно применялись двигатели постоянного тока или асинхронные двигатели. Использование СДПМ стало возможным с появлением соответствующей преобразовательной и цифровой вычислительной техники.

Следующей ступенью развития этого типа двигателей стало появление высокооборотных СДПМ. Потенциал внедрения высокооборотных двигателей поистине огромен: турбогенераторы, турбокомпрессоры, центрифуги и т.д. Обладают наименьшими размерами и наибольшим временем безотказной работы, при условии использования новых типов магнитов.

До недавнего времени прогресс в области высокооборотных систем наталкивался на крайне высокую стоимость предлагаемых решений: работа с высокооборотными СДПМ без информации о положении ротора не представляется возможной. Есть 2 способа решения проблемы: установка датчика положения ротора (ДПР), либо использование алгоритмов бездатчикового управления. И то и другое в достаточном количестве существует для обычных СДПМ. ДПР для высокооборотных двигателей -это оптические энкодеры, чувствительные к нагреву и механическим

воздействиям. Стоят очень дорого, достаточно ненадежны, что делает их использование в промышленных установках крайне нежелательным.

Существующие алгоритмы вычисления положения ротора по сигналам встроенных в регулирующее устройство (РУ) датчиков напряжения и тока, так называемые алгоритмы бездатчикового векторного управления, выделяются повышенной сложностью и накладывают особые требования к аппаратной части устройства. Создание высокобыстродействующих систем приводит к увеличению стоимости, неприемлемой для современной промышленности, хотя подобные устройства нашли применение в авиационной и космической технике, где цена не играет решающей роли.

В середине прошлого десятилетия появились контроллеры, позволяющие управлять высокооборотными СДПМ. На протяжении 5 лет ведущие западные производители предлагают законченные решения для управления данным типом двигателя. Ввиду крайней коммерческой привлекательности направления, а, следовательно, и особой заинтересованности ведущих мировых производителей приводной техники в сохранении наработок в области управления высокооборотными СДПМ внутри компаний, количество публикаций по теме стремится к 0. Россия здесь лишь отражает общемировую тенденцию. Особенно удручает это на фоне того, что в Российской Федерации существуют промышленные и научные объединения, способные производить высокотехнологичные электродвигатели, в том числе и высокооборотные СДПМ.,

Данная работа призвана восполнить пробел на пути инновационного развития Российской Федерации в области управления высокооборотными СДПМ. В работе представлено РУ для высокооборотного СДПМ в составе компрессора холодильной машины, а именно: предложен эффективный алгоритм управления (cos Ф = 1), рассмотрена структура устройства управления, приведены принципиальные схемы системы управления и структура устройства управления, а также рассмотрены результаты эксперимента.

Цель диссертационной работы заключается в разработке алгоритма векторного бездатчикового управления, структуры и методик проектирования РУ мощными (сотни кВт) высокооборотными СДПМ.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. определена область применения высокооборотных СДПМ,

2. проведен анализ электромагнитных процессов, возникающих во время работы СДПМ. Определены критерии оптимального управления для достижения максимального момента на валу. Выведена формула расчета угла поворота ротора (угла нагрузки).

3. проведен анализ существующих алгоритмов управления СДПМ,

4. на основе пункта 2 предложен алгоритм управления высокооборотными СДПМ,

5. разработана структура РУ, реализующая предложенный способ и алгоритм управления,

6. разработана компьютерная модель РУ, состоящая из управляемого выпрямителя и автономного инвертора напряжения. На основе модели проведен анализ статических и динамических режимов работы РУ с связке с СДМП. Доказана принципиальная возможность создания физического образца РУ.

7. разработана методика проектирования РУ. Проведено полное физическое моделирование в связке с высокооборотным СДПМ, номинальной мощностью 100 кВт, 30000 об/мин.

Методы исследований. Для решения поставленных задач были использованы методы математического анализа, методы теории линейных электрических цепей (прямые методы расчета электрических цепей), методы математического моделирования (система сквозного проектирования МаЙаЬ 6.5).

Достоверность научных результатов, изложенных в работе, обеспечена корректным применением апробированных методов анализа

электромагнитных процессов в силовых электронных устройствах и подтверждается результатами компьютерного и физического моделирования.

Научную новизну представляют:

1. новый принцип управления мощным высокооборотным СДПМ,

2. алгоритм управления и структура РУ, позволяющие реализовать этот алгоритм на современной элементной базе,

3. математическая модель РУ, делающая возможным анализ статических и динамических режимов работы,

4. методика проектирования РУ.

Практическую ценность представляют:

1. алгоритм управления и структура РУ, учитывающие возможности современной компонентной базы,

2. методика проектирования РУ, в основе которой лежит выбор типа и параметров компонентов.

Реализация работы. Основные научные и практические результаты использованы в разработке новых РУ , как самостоятельных изделий, так и в качестве составных частей других устройств, в ЗАО «ЭЛСИЭЛ».

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на второй Всероссийской конференции «Силовая электроника», XXVIII межрегиональной научно-технической конференции «Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем», научно-технической конференции «Инновационные разработки и опыт применения микросхем ЗАО «ПКК Миландр» в аппаратуре специального и двойного назначения».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 работы, из них: 1 - статья в издании по спискам ВАК («Электротехника»); 3 - работы в материалах научно-инженерных конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Объем работы составляет 133 стр. и содержит 99 рисунков.

1. Обзор литературы и общая характеристика работы.

1.1. Анализ литературы и состояние вопроса.

Типичная конструкция синхронного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов (СДПМ) - это трехфазная обмотка, распределенная на гладком статоре с явнополюсным ротором, на внешней поверхности которого закреплены обычные или редкоземельные магниты (РЗМ). Такие машины обладают большим удельным моментом, при его малых пульсациях, могут иметь больший зазор, при меньших габаритах, по сравнению с машинами аналогичной мощности других типов, отличаются сравнительно простым математическим описанием, что упрощает создание математических моделей и системы управления.

Однако, несмотря на высокие технические характеристики, синхронные машины с ротором такой конструкции, обладают рядом существенных недостатков. К ним относятся:

- сложная технология изготовления двигателя, а именно проблемы с

крепежом магнитов,

- ограничения по частоте вращения,

- чувствительность к тепловым и динамическим перегрузкам,

- невозможность ремонта в производственных условиях.

Но, несмотря на отмеченные недостатки, СДПМ стали основными электродвигателями в составе современных станков и роботов. В настоящее время такие двигатели выпускаются серийно в ряде стран. Однако ограничение по скорости, связанное с конструкцией двигателя, а именно с ненадежным креплением магнитов на внешней поверхности ротора, накладывало ограничение на использование таких машин в ряде устройств, где требуется обеспечить высокие скорости. Поэтому в течение последнего десятилетия интенсивные исследования ведущих электротехнических фирм были направлены на устранение отмеченных выше недостатков. В конце 90-х годов прошлого века появилась конструкция ротора СДПМ, в которой

магниты, располагавшиеся ранее на внешней стороне ротора, были размещены внутри него. У таких двигателей РЗМ расположены в полностью закрытых прямоугольных пазах шихтованного ротора. Двигатель подобного типа может развивать высокие скорости, без опасности разрушения магнитов, он более технологичен, проще в сборке и обслуживании, что существенно расширяет его область применения. Такие машины в англоязычной литературе получили название ГРМБМ синхронный двигатель со встроенными (инкорпорированными) магнитами. Разным аспектам разработки и исследованиям высокооборотных СД11М посвящены многие статьи и доклады на международных конференциях последних лет. Первопроходцами в этой области являются ученые из США, Японии, Китая, Индии. В материалах конференций главное внимание уделено конструированию 1РМ8М, вариантам компоновки ротора, специфике электромагнитных расчетов, соотношениям активной и реактивной составляющих момента и т.д. Однако в них практически отсутствует информация о разработке современных алгоритмов, адаптированных под управление именно высокооборотными двигателями.

Отсутствие таких алгоритмов определяется закономерностью развития высокооборотных СДПМ. Изначально двигатели подобной конструкции обладали мощностью в 100 - 200 Вт, позже единицы кВт, для управления подобными двигателями подходят методы и алгоритмы, разработанные для СДПМ среднего частотного диапазона (десятки Гц). В настоящее время перед учеными стоит задача разработки новых или оптимизация существующих алгоритмов управления для высокооборотных СДПМ мощностью в десятки и сотни кВт.

Для решения поставленной задачи необходимо: 1) проанализировать основные преимущества и недостатки высокооборотных СДПМ, сделать заключение о возможных областях применения высокооборотных СДПМ,

2) провести анализ существующих алгоритмов управления СДПМ. На основе анализа сделать вывод о необходимости разработки новых или же оптимизации «старых» алгоритмов управления СДПМ для высокооборотных приложений.

Реализация п.1 позволит однозначно определить нагрузочные характеристики мощных двигателей данного типа. Это действительно важно, так как становится возможным провести более гибкий анализ алгоритмов управления, учитывая реальности применения высокооборотных двигателей.

1.2. Анализ преимуществ и недостатков высокооборотных СДПМ.

Не смотря на быстрый прогресс в области высокооборотных СДПМ и стремительное удешевление редкоземельных магнитов, подобные двигатели и устройства управления ими остаются достаточно дорогими. Получить экономический эффект от внедрения высокооборотных СДПМ в технологический процесс возможно только в случае правильного определения области применения. Для этого необходимо провести анализ преимуществ и недостатков СДПМ.

К бесспорным конструктивным достоинствам СДПМ относят: ® бесконтактность и отсутствие узлов, требующих обслуживания: отсутствие скользящих электрических контактов существенно повышает их ресурс и надежность по сравнению с другими типами электрических машин.

• конструктивная постоянная момента СДПМ существенно превышает аналогичную величину классических машин постоянного и переменного тока, что позволяет использовать кабели меньшего сечения и устройства управления на меньшие токи. В тоже время СДПМ допускает большие перегрузки по моменту (кратковременно допустимый момент и ток СДПМ могут превышать номинальные значения в 5 и более раз).

® абсолютно жесткая механическая характеристика и практически неограниченный диапазон регулирования частоты вращения 1:10000 и более. Возможность регулирования частоты вращения с постоянством длительно допустимого и максимального моментов. ® Наилучшие энергетические показатели (КПД и коэффициент мощности). КПД вентильных двигателей превышает 90% и незначительно отклоняется от номинального при вариациях нагрузки, в то время как у серийных асинхронных двигателей максимальный КПД составляет не более 87,5% и существенно зависит от момента. Так, уже при половинной нагрузке на валу он может упасть до 60.. .70%. ® минимальные токи холостого хода.

® минимальные массогабаритные показатели при прочих равных условиях. Так как основные электрические и магнитные потери в роторе СДПМ отсутствуют, а современные редкоземельные постоянные магниты способны обеспечить максимальную индукцию в воздушном зазоре. ® Особая конструкция подшипников ротора (газодинамические подшипники, магнитный подвес) позволяет создать двигатели без механического взаимодействия статора и ротора. Ресурс таких двигателей определяется лишь естественным износом изоляции статорной обмотки и временем размагничивания редкоземельных магнитов. Фактически срок службы двигателя приравнен к времени жизни целевого объекта.

Современные высокооборотные СДПМ не лишены недостатков. В процессе сборки к ротору предъявляются особые требования к балансировке и центрированию, кроме того, обладая высокой мощностью и сверхмалыми размерами, СДПМ склонны к перегреву. Стоит �