автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Оптимизация способов управления вентильно-индукторным двигателем на электрическом транспорте в тормозном режиме

На правах рукописи

АМЕЛЬКИН АНДРЕЙ ВИКТОРОВИЧ

ОПТИМИЗАЦИЯ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ТРАНСПОРТЕ В ТОРМОЗНОМ РЕЖИМЕ.

Специальность 05.09.03 - "Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2004

Работа выполнена на кафедре "Электрический транспорт" Московского энергетического института (технического университета).

Научный руководитель

кандидат технических наук, профессор Слепцов Михаил Александрович

Официальные оппоненты

доктор технических наук профессор Кузнецов Вячеслав Алексеевич

кандидат технических наук Комаров Владимир Георгиевич

Ведущая организация

ОАО «РАТЕП»

Защита диссертации состоится 19 марта 2004 года в 14 час. 00 мин. в аудитории М-611 на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 13.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направить по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ)

Автореферат разослан "_"_2004 г.

Ученый секретарь ^

Диссертационного совета Д 212.157.02 *" / ^

к.т.н., доцент '' Цырук С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы В последние годы практически во всех промышленно развитых странах многими исследовательскими центрами и фирмами ведутся активные разработки вентилъно-индукторного электропривода для различных областей применений.

Несмотря на давнюю известность, вентильно-индукторные двигатели имели ограниченную область применения в силу сложности получения импульсов большой мощности, а также невозможности реализации высокоэффективных алгоритмов управления, обеспечивающих небольшие пульсации момента и высокий КПД. Однако с появлением в последние годы мощной преобразовательной и вычислительной техники ситуация меняется в сторону их более широкого применения.

В нашей стране одно из внедрений ВИЛ было произведено заводами «Татэлектромаш» и «Ратеп» в сотрудничестве с кафедрой Электрического транспорта МЭИ в качестве мотор-компрессора троллейбуса и вагона метро. Была разработана электрическая машина и преобразователь, привод прошел испытания и показал эффективность его использования. Пока область его применения сводится исключительно к двигательному режиму эксплуатации, однако в транспорте существует огромный класс задач связанный с вопросом создания тормозного момента (в том числе с малыми пульсациями) и работы двигателя в генераторном режиме. Это мотор-колеса, стартер-генераторы.

В ряде публикаций дается описание структуры и возможностей компьютерных программ моделирования работы вентильно-индукторного двигателя, но нет достаточной информации о заложенных в них процедурах и расчетных соотношениях. Также большинство известных публикаций рассматривают вопрос получения двигательного момента с минимальными пульсациями и вибро-шумовыми характеристиками.

ГОС НАЦИОНАЛЬНАЯ I БИБЛИОТЕКА I

Однако, при рассмотрении генераторного режима вентильно-яндукторного двигателя, большинство авторов лишь упоминают, что необходимо инвертировать угол управления, но не конкретизируют, что при этом свойства машины как объекта управления изменятся, как это будет показано в данной работе. Поэтому задачей автора было: наиболее полно отобразить процессы происходящие в двигателе в генераторном режиме с различными способами управления на базе имитационной модели ВИП.

Цель диссертационной работы. Целью работы является оптимизация способов управления вентильно-индукторным двигателем на электрическом транспорте в тормозных режимах. Предметом исследований является электропривод на базе трехфазного вентильно-индукторного двигателя с числом зубцов статора и ротора 12/14 соответственно.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

• Разработка математической модели системы «электрический преобразователь - вентилъно-индукторный двигатель»

• Снятие экспериментальных данных в двигательном и генераторном режиме

• Проверка адекватности математической модели

• Оптимизация алгоритмов управления для режима максимального КПД

•' Оптимизация алгоритмов управления для режима торможения с

постоянством момента Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовалась как теоретическая литература,- так и техническая информация, взятая, в основном, из зарубежных источников: каталоги, технические данные устройств, руководства по их применению, интернет-ресурсы. При моделировании на ЭВМ различных режимов работы вентильно-индукторного двигателя использовалось средство визуального моделирования 81ИиЬШК, входящее''в программный пакет ИАТЬАБ 6.1. Экспериментальные

исследования проводились на промышленном образце трехфазного ВИД с преобразователем тока.

Обоснованность и достоверность теоретических выводов подтверждена удовлетворительным совпадением основных теоретических результатов и экспериментальных данных.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• Разработана имитационная модель в среде MATLAB, для оценки коэффициента электромеханического преобразования, пульсаций момента, потребляемой и отдаваемой мощности, действующего значения тока фазы при различных способах управления ВИД.

• Рекомендован алгоритм оптимизации способа управления для ВИД в режимах оптимизации по коэффициенту электромеханического преобразования и по пульсациям момента.

• Предложена структурная схема и алгоритм управления вентильно-индукторным двигателем в генераторном режиме работы.

• Рекомендованы желаемые свойства будущих разрабатываемых ВИП для задач с торможением и рекуперацией.

• Разработана модель в среде MATLAB, производящая оценку коэффициента электромеханического преобразования, пульсаций момента, потребляемой и отдаваемой мощности, действующего значения тока фазы.

Основные практические результаты диссертации. Практическая ценность работы определяется разработкой алгоритмов управления вентильно-индукторным двигателем в генераторном режиме работы.

Результаты проведенных в работе исследований переданы на ОАО «РАТЕП» и будут использованы при проектировании ВИП для режимов с торможением и рекуперацией электрической энергии.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на девятой (Москва, 2003 г.) Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика».

Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 печатных работы.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы; количество страниц 140, иллюстраций 84, число наименований использованной литературы 51 на 3 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель исследований, определены основные задачи для достижения цели.

В первой главе отмечены отличительные признаки и специфика работы ВИД: дискретность работы, нелинейность магнитной системы и изменение в широких пределах электромагнитных параметров ВИД;

приведены • основные геометрические параметры и соотношения, показана кусочно-линейная апроксимация зависимости индуктивности фазы от угла поворота ротора, используемая для описания вентильно-индукторного двигателя;

описано электромеханическое преобразование энергии в ВИД: показана графическая интерпретации энергии и коэнергии, выведена формула мгновенного момента, приведен расчет коэффициента электромагнитного преобразования энергии;

- показаны основные достоинства и недостатки вентильно-индукторного двигателя и привода в целом.

Во второй главе с использованием средства визуального моделирования SIMULINK, входящего в состав математического пакета MatLab, разработана математическая модель ВИП. В таблице 1 приведены основные параметры моделируемого двигателя, а на рисунке 1 показана его магнитная система.

Таблица 1 Основные параметры моделируемого ВИД.

Характеристика Значение

число зубцов статора N,= 12

число зубцов ротора N,= 14

число фаз 3

индуктивность фазы 15/48

номинальный режим (1130 об/мин, и = 550 В)

КПД двигателя 0,84

Момент двигателя 43 Нм

масса двигателя (без ПТ) 130 кг

Рис. 1. Магнитная система ВИД.

В компьютерной программе моделирования трехфазного ВИД были приняты необходимые допущения:

- отсутствие взаимного влияния фаз, что при одиночной коммутации фаз вполне оправдано;

- напряжения источника питания при работе ВИД в двигательном режиме принимается постоянным, таким образом не учитываются пульсации, обусловленные конечной емкостью конденсатора фильтра звена постоянного тока и режимом работы входного выпрямителя.

- отсутствие потерь в стали.

В программе предусмотрены различные варианты задания индуктивности фазы, в частности зависимость может быть задана аппроксимирующими прямыми линиями по известным значениям минимальной индуктивности, максимальной индуктивности и значениям углов начала перекрытия и полного перекрытия зубцов. При наличии экспериментально определенной кривой возможно использование полиномиальной зависимости 4-го, 5-го порядка, полученной из экспериментальных данных, путем обработки с помощью любого программного пакета.

На рис. 2 приведен внешний вид модели, которая включает в себя все основные узлы реальной установки «индукторный двигатель-преобразователь».

Рис.2. Модель вентильно-индукторного двигателя.

Управляющими воздействиями для вентилыю-индукторного двигателя (ВИД), влияющими на ход механических характеристик, являются:

напряжения, прикладываемые к обмотке на этапах включения, работы и отключения фазы;

углы включения, отключения фазы и связанный с этим способ коммутации; • .

- уставка токоограничения.

В третьей главе описан испытательный стенд вентильно-индукторного электропривода мощностью 5 кВт, разработанный для экспериментальных исследований (рис. 3), включающий два промышленных образца ИД, два преобразователя тока, порошковый тормоз типа ПТ40, датчики тока, напряжения и контрольно-измерительную аппаратуру.

Рис.3. Испытательный стенд.

Выполнены эксперименты с промышленным ИД с заторможенным ротором, в процессе которых сняты зависимости момента, индуктивности от угла поворота ротора (рис.4.) и токов фаз, данные которых подтвердили справедливость принятых во второй главе допущений. Приведены результаты измерения активных сопротивлений фаз двигателя, сняты токовые кривые фаз в двигательном и генераторном режимах. Снята механическая характеристика промышленного ИД (рис. 5), M=f(9), проведена проверка адекватности математической модели.

Рис.4. Совмещение опытов по определению индуктивности фазы и определению статического момента в зависимости от угла поворота

ротора.

На рис. 5 представлены кривые токов фазы, а на рис. 6 — механические характеристики ВИМ в двигательном режиме работы, полученные с помощью модели (кривая 1) и экспериментально (2).

/ А \

А К \ к \

к!*!*-» ч М \1 А 11' к,

• сл1 ош от ии им зкт те IX?

I и« }|1

Рис. 5. Кривые токов фазы ИД в двигательном режиме работы.

О 200 400 600 800 1000 1200 1400 п, об/мин

Рис. 6. Механические характеристики ВИМ.

На рис. 8 представлены кривые токов фаз ВИМ в генераторном режиме работы, полученные с помощью модели (кривая 1) и экспериментально (кривая 2).

Рис. 8. Кривые токов фазы ИД в генераторном режиме работы.

Анализируя результаты тестирования можно сказать, что имитационная модель, описанная во второй главе, пригодна для прогнозирования поведения реальных ВИМ как в двигательном, так и в генераторном режимах.

В четвертой главе приведено математическое описание вентильно-индукторного двигателя в генераторном режиме работы и рассмотрены способы управления при достижении максимального коэффициента электромеханического преобразования и минимальной пульсации момента.

Эффективность преобразования энергии является одним из важнейших показателей любой энергетической установки и тесно связана с другими показателями, такими как удельная мощность, удельные потери, установленная мощность инвертора. Угол коммутации существенно влияет на механические характеристики. Получение оптимальных показателей - КПД, выходной мощности и т. п. в широком диапазоне изменения частоты и нагрузки возможно при регулировании напряжения и угла коммутации.

Для детального анализа путей повышения выходной мощности за счет . изменения утла использовалась ранее описанная математическая модель.

Первая серия опытов проводилась по определению коэффициента электромеханического преобразования и выходной мощности для различных углов включения при фиксированных значениях питающего напряжения, скорости и при одиночной симметричной коммутации. За базовый угол включения фазы примем угол в момент полного перекрытия зубцов. При таком угле включения входная и выходная мощности принимаются равными единице.

На рис. 9, 10 и 11 показаны графики изменения Кэмп, входной и выходной мощности от изменения угла включения фазы.

•120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 угол включения

Рис. 9. Изменение входной мощности при регулировании угла включения

фазы.

угол включения

Рис. 10. Изменение выходной мощности при регулировании угла включения фазы.

Рис. 11. Изменение Кэмп при регулировании угла включения фазы.

Как видно из рис.11, в ИЛМ Кэмп при одиночной симметричной коммутации фазы не превышает 0,5. В данной системе только половина механической энергии преобразуется в электрическую, а другая половина расходуется на увеличение запаса магнитной энергии.

На рис.12 приведена механическая характеристика при одиночной симметричной коммутации фаз с углом включения 0 градусов.

Как видно из рис. 12, при данном угле включения пульсации момента достигают 100 процентов.

Далее рассмотрен способ двухступенчатой коммутации фазы, когда при некотором угле фаза отключается от источника питания и закорачивается, т.е. такт преобразования из механической в магнитную энергию и такт преобразования из магнитной в электрическую энергию разделены. При таком цикле коммутации

откуда следует, что для данного ИД при КЛ — 3 коэффициент электромеханического преобразования может достигать 0,66. Для определения способа управления ИД при Кэмп > 0,6 была создана таблица углов и выбраны несколько оптимальных (с точки зрения коэффициента электромеханического преобразования) способов управления.

На рис. 13 приведен пример кривой момента при напряжении питания 550 В, скорости 1500 об/мин, и следующем управлении: угол включения - (-15) гр, закоротки - 90, угол выключения - 170 градусов. При этом коэффициент электромеханического преобразования равен 0,625.

О 0002 0 004 0 006 0.Ю8 00!

Рис. 13. Кривые момента в генераторном режиме работы.

Как видно из рис. 13, получить Кэмп больше 0,6 можно, однако пульсации момента при этом достигают 90 - 100 %. Следовательно, можно сделать вывод о том, что такое управление для ИД практически недопустимо

Следующим шагом были определены способы управления фазой ИД при минимальных пульсациях момента.

На рис. 14 приведен пример момента, а на рис. 15 механическая характеристика при напряжении питания 550 В, скорости 1500 об/мин, и следующем управлении: угол включения - (-60) гр, закоротки - 80, угол выключения - 150 градусов. При этом коэффициент электромеханического преобразования равен 0,53, а пульсации момента составляют 39 процентов.

0 0 001 0002 0.003 0 004 0 001 от 0.007 0 008 0 009 0 01 I

Рис. 14. Кривые момента при двухступенчатой коммутации фаз,

Рис. 15. Механическая характеристика при двухступенчатой коммутации.

Как видно из рис. 15, на скоростях менее 600 об/мин, момент начинает уменьшаться. Это объясняется тем, что при таком управлении на небольших скоростях ток на участке возрастания проводимости успевает вырасти до уставки токоограничения, что вносит отрицательный вклад в формирование момента. Поэтому, начиная со скорости 600 об/мин надо изменять либо угол коммутации фазы, либо напряжение источника питания.

На рис. 16 приведена механическая характеристика при регулировании напряжения источника питания. Г

чаи

М,Нм

п, об/мин

0 200 400 «00

1000 1200 1400 |

Рис. 16. Механическая характеристика при регулировании напряжения на низких скоростях.

На рис. 17 показана зависимость прикладываемого напряжения к фазам ИД от скорости вращения для поддержания постоянства момента.

^ П, Об/иМН |

Рис. 17. Зависимость напряжения, прикладываемого к фазам, от частоты вращения при постоянстве момента.

На рис. 18 показана зависимость,угла включения фазы от скорости вращения для поддержания момента на заданном уровне.

Рис. 18. Зависимость угла включения фазы от частоты вращения при постоянстве момента.

С точки зрения автора данной работы структурная схема управления вентильно-индукторным двигателем будет выглядеть следующим образом (см. рис. 19).

Рис. 19. Управление ВИД при изменении напряжения.

В заключении обобщены основные результаты и выводы по работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В работе получены следующие основные результаты:

1. Разработана имитационная модель в среде MATLAB, для оценку коэффициента электромеханического преобразования, пульсаций момента, потребляемой и отдаваемой мощности, действующего значения тока фазы при различных способах управления ВИД.

2. Рекомендован алгоритм оптимизации способа управления для ВИД разной конструкции и мощности в режимах оптимизации по коэффициенту электромеханического преобразования и по пульсации момента во всем диапазоне изменения нагрузки и частоты вращения.

3. Анализ работы привода на низких скоростях показал, что для поддержания постоянного момента при работе фазы в токовом коридоре следует изменять угол включения фазы в сторону отставания, либо уменьшать напряжение, подводимое к фазе ВИД, с целью сохранения постоянства момента без режима токового коридора.

-2539

4. Предложена структурная схема и алгоритм управления вентильно-индукторным двигателем в генераторном режиме работы.

5. Сравнение результатов моделирования ВИД, его механических характеристик и кривых токов с характеристиками и осциллограммами, полученными экспериментально, подтверждают адекватность созданной имитационной математической модели с погрешностью менее 10%.

6. Рекомендованы желаемые свойства будущих разрабатываемых ВИП для задач с торможением и рекуперацией. Для реализации качественного управления требуется микропроцессорная система управления. Соотношение проводимостей максимальной к минимальной должно быть как можно выше.

7. Показано, что данный ВИД может работать в генераторном режиме с коэффициентом электромеханического преобразования 0,53. При этом пульсации момента составляют 39%.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. А.В. Сафронов, М.Г. Колобов, А.В. Амелькин, М.В. Логинов, Д.В. Елисеев. Торможение одноименно-полюсных индукторных машин // Девятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. докл. - М., Моск. энерг. ин-т, 2003. - Т. 2. - С. 143 -144.

2. А.В. Сафронов А.В. Амелькин, П.Л. Бураков. Математическая модель вентильно-индукторного двигателя // Пятая Международная конференция «Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение»: Труды МКЭЭЭ-2003. докл. - Крым, Алушта, 2003.-Ч.2.-С.170-173.

3. А.В. Амелькин. Разработка вентильно-индукторного двигателя для вагонов метрополитена// Пятая Международная конференция «Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение»: Труды МКЭЭЭ-2003. докл. - Крым, Алушта, 2003. - Ч. 1. - С.720-721.

. 4. М.А. Слепцов, А.В. Амелькин, Математическая модель вентильно-индукторного двигателя // Вестник ГЭТ России - 2003. - № 5. - С. 25-30.

Введение.

Глава 1. Основные свойства вентильно-индукторного двигателя.

1.1 Структурная схема вентильно-инду кторного двигателя.

1.2 Принцип действия ВИД.^

1.3 Основные геометрические параметры и соотношения вентильно -индукторной машины.

1.4 Электромеханическое преобразование энергии в вентильно-индукторном двигателе.

1.4.1 Формула баланса энергий и мощностей в ВИД.

1.4.2 Графическая интерпретация энергии и коэнергии

1.4.3 Энергетическая диаграмма интегрального типа.

1.5 Достоинства и недостатки вентильно-индукторного двигателя.

1.5.1 Достоинства ВИД.

1.5.2 Недостатки ВИД.

Глава 2. Построение математической модели вентильно-индукторного двигателя.

2.1 Описание объекта моделирования.

2.1.1 Описание и схема преобразователя.

2.1.2 Анализ электромагнитных процессов в несимметричном мосте.

2.1.3 Способы коммутации фаз.

2.1.4 Система управления ключами инвертора.

2.2. Вентильно-индукторный двигатель.

2.3. Датчик положения ротора.

2.4 Описание модели В ИМ.

2.4.1 Блок «commutator».

2.4.2 Блок «inverter».

2.4.3.Блок «3 phases motor».

2.4.4. Блок модели звена постоянного тока.

Глава 3. Испытания промышленного образца вентильно-индукторного электропривода и проверка адекватности модели.

3.1 Конструкция стенда для испытаний опытного образца ВИЛ.

3.2 Определение омического сопротивления фаз индукторного двигателя.-jg

3.3 Определение статических моментных характеристик индукторного двигателя.gO

3.4 Определение значений индуктивности фаз в зависимости от угла поворота

§

3.5 Определение механической характеристики ИД.

3.6 Осциллографирование токов фаз в двигательном режиме работы.

3.7 Осциллографирование токов фаз в генераторном режиме работы.

3.8 Проверка адекватности математической модели.:.

Глава 4 Генераторный режим вентильно-индукторного привода.юо

4.1 Математическое описание модели идеальной линейной машины (ИЛМ) в генераторном режиме.\ q \

4.1.1. Включение фазы.

4.1.2. Рабочий интервал фазы.Ю

4.1.3 Этап отключения фазы.

4.2 Определение оптимальных углов коммутации ВИЛ в тормозных режимах.

4.2.1. Определение угла коммутации ВИП при достижении максимальной выходной мощности.Ю

4.2.2. Определение угла коммутации ВИП при достижении минимальных пульсаций момента.

С 80-х годов в иностранной научно-технической литературе появились материалы о новом перспективном типе электрического привода SRD -Swidched Reluctance Drive. В последние годы практически во всех промышленно развитых странах многими исследовательскими центрами и фирмами ведутся активные разработки этого типа электропривода для различных областей применений. В таком приводе используется очень простая по конструкции и технологии изготовления электрическая машина с неодинаковым числом явно выраженных полюсов на статоре и роторе. На полюсах статора расположены сосредоточенные обмотки. Статорные обмотки переключаются специальным коммутатором (преобразователем) в функции положения ротора.

Не смотря на давнюю известность, вентильно-индукторные двигатели имели ограниченную область применения в силу сложности получения импульсов большой мощности, а также невозможности реализации высокоэффективных алгоритмов управления, обеспечивающих небольшие пульсации момента и высокий КПД. Однако с появлением в последние годы мощной преобразовательной и вычислительной техники ситуация меняется в сторону их более широкого применения.

Так, например, французская компания Radio-Energie (Marcoussis) [15] выпускает приводы и цифровые контроллеры для малых транспортных средств с напряжением питания 24 В. Двигатель может работать в четырех квадрантах с возможностью рекуперации энергии во время торможения. Диапазон мощностей от 0,7 до 2 кВт, частота вращения 3000 об/мин, КПД 80%. Контроллер позволяет отслеживать скорость, нагрузку, зону работы.

В нашей стране одно из внедрений ВИП было произведено заводами «Татэлектромаш» и «Ратеп» в сотрудничестве с кафедрой Электрического транспорта МЭИ в качестве мотор-компрессора троллейбуса и вагона метро.

Была разработана электрическая машина и преобразователь, привод прошел испытания и показал эффективность его использования. Пока область его применения сводится исключительно к двигательному режиму эксплуатации, однако в транспорте существует огромный класс задач связанный с вопросом создания тормозного момента (в том числе с малыми пульсациями) и работы двигателя в генераторном режиме. Это мотор-колеса, стартер-генераторы.

В ряде работ [7, 10, 35] дается описание структуры и возможностей компьютерных программ моделирования работы вентильно-индукторного двигателя, но нет достаточной информации о заложенных в них процедурах и расчетных соотношениях. Также большинство известных публикаций [1, 13, 17, 32, 34] рассматривают вопрос получения двигательного момента с минимальными пульсациями и вибро-шумовыми характеристиками.

В статье М.Г.Бычкова [1] рассматриваются вопросы оптимизации режимов вентильно-индукторного электропривода средствами управления. На базе упрощенных моделей ВИМ получены аналитические соотношения для токов и моментов в различных режимах работы привода и на различных участках цикла коммутации. Сформулированы оптимальные по энергетическим критериям условия управления процессом коммутации. Полученные результаты являются основой для построения системы управления ВИМ, обеспечивающей эффективное преобразование энергии в различных режимах работы. Аналитические соотношения для мгновенных значений тока и момента ВИМ на различных этапах цикла коммутации могут быть использованы при проектировании ВИМ для расчетов среднего значения момента, действующего значения тока и уточненного значения коэффициента электромеханического преобразования.

Однако, при рассмотрении генераторного режима вентильно-индукторного двигателя, большинство авторов лишь упоминают, что необходимо инвертировать угол управления, но не конкретизируют, что при этом свойства машины как объекта управления изменятся, как это будет показано в данной работе. Поэтому задачей автора было: наиболее полно отобразить процессы происходящие в двигателе в генераторном режиме с различными способами управления на базе имитационной модели ВИП.

Проверка адекватности имитационной модели проводилась на вышеупомянутом приводе.

Таким образом, целью диссертационной работы является: оптимизация способов управления вентильно-индукторным двигателем на электрическом транспорте в тормозных режимах.

Предметом исследований является электропривод на базе трехфазного вентильно-индукторного двигателя с числом зубцов статора и ротора 12/14 соответствен но.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

• Разработка математической модели системы «электрический преобразователь - вентильно-индукторный двигатель»

• Снятие экспериментальных данных в двигательном и генераторном режиме

• Проверка адекватности математической модели

• Оптимизация алгоритмов управления для режима максимального КПД

• Оптимизация алгоритмов управления для режима торможения с постоянством момента

Для решения поставленных в работе задач использовалась как теоретическая литература, так и техническая информация, взятая, в основном, из зарубежных источников: каталоги, технические данные устройств, руководства по их применению, интернет-ресурсы. При моделировании на ЭВМ различных режимов работы вентильно-индукторного двигателя использовалось средство визуального моделирования SIMULINK, входящее в программный пакет MATLAB 6.1. Экспериментальные исследования проводились на промышленном образце трехфазного ВИД с преобразователем тока.

В первой главе отмечены отличительные признаки и специфика работы ВИД: дискретность работы, нелинейность магнитной системы и изменение в широких пределах электромагнитных параметров ВИД;

- приведены основные геометрические параметры и соотношения, показана кусочно-линейная апроксимация зависимости индуктивности фазы от угла поворота ротора, используемая для описания вентильно-индукторного двигателя;

- описано электромеханическое преобразование энергии в ВИД: показана графическая интерпретации энергии и коэнергии, выведена формула мгновенного момента, приведен расчет коэффициента электромагнитного преобразования энергии;

- показаны основные достоинства и недостатки вентильно-индукторного двигателя и привода в целом.

Во второй главе с использованием средства визуального моделирования SIMULINK, входящего в состав математического пакета MATLAB, разработана математическая модель ВИП.

В программе предусмотрены различные варианты задания индуктивности фазы, в частности зависимость может быть задана аппроксимирующими прямыми линиями по известным значениям минимальной индуктивности, максимальной индуктивности и значениям углов начала перекрытия и полного перекрытия зубцов. При наличии экспериментально определенной кривой возможно использование полиномиальной зависимости 4-го, 5-го порядка, полученной из экспериментальных данных, путем обработки с помощью любого программного пакета.

Модель содержит выделенный блок фазы двигателя, который может быть использован нужное число раз по количеству фаз двигателя.

В модели предусмотрена возможность разрыва контура скорости для снятия характеристик при постоянстве частоты вращения, при нарастании частоты вращения.

Модель производит расчет коэффициента электромеханического преобразования, величины среднего момента и его пульсации на электрическом обороте при постоянстве скорости вращения для определения оптимальных управляющих воздействий.

В третьей главе описан испытательный стенд вентильно-индукторного электропривода мощностью 5 кВт, разработанный для экспериментальных исследований, включающий два промышленных образца ИД, два преобразователя тока, порошковый тормоз типа ПТ40, датчики тока, напряжения и контрольно-измерительную аппаратуру.

Определены омические сопротивления фаз ИД, снята зависимость индуктивности фазы от угла поворота ротора, сняты статические моментные характеристики и механическая характеристика в двигательном режиме работы, а также кривые токов фаз в двигательном и генераторном режимах работы.

На основе экспериментальных исследований проведена проверка адекватности математической модели ВИЛ. Подтверждена возможность использования математической модели, созданной в визуальной среде Matlab для оценки поведения реального ИД в различных режимах работы.

В четвертой главе приведено математическое описание вентильно-индукторного двигателя в генераторном режиме работы и рассмотрены способы управления при достижении максимального коэффициента электромеханического преобразования и минимальной пульсации момента.

Проведен анализ зависимости коэффициента электромеханического преобразования от способа управления.

Рекомендован алгоритм оптимизации способа управления для ВИП разной конструкции и мощности в режимах оптимизации по коэффициенту электромеханического преобразования и по пульсации момента.

Сделан вывод о неэффективности генераторного режима при токоограничении. Рекомендуется регулировать момент путем снижения напряжения инвертора, используя преобразователь уровня напряжения.

В заключении обобщены основные результаты работы.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. |А.В. Сафронов|, М.Г. Колобов, А.В. Амелькин, М.В. Логинов, Д.В. Елисеев. Торможение одноименно-полюсных индукторных машин // Девятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. докл. - М., Моск. энерг. ин-т, 2003. - Т. 2. - С. 143 - 144.

2. |А.В. Сафронов|, А.В. Амелькин, П.Л. Бураков. Математическая модель вентильно-индукторного двигателя // Пятая Международная конференция «Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение»: Труды МКЭЭЭ-2003. докл. - Крым, Алушта, 2003. - Ч. 2. - С. 170-173.

3. А.В. Амелькин. Разработка вентильно-индукторного привода для вагонов метрополитена // Пятая Международная конференция «Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение»: Труды МКЭЭЭ-2003. докл. - Крым, Алушта, 2003. - Ч. 1. - С.720-721.

4. М.А. Слепцов, А.В. Амелькин, Построение математической модели вентильно-индукторного двигателя // Вестник ГЭТ России - 2003. - № 5. -С. 25-30.

1. Основные свойства вентильно-индукторного двигателя.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

В работе получены следующие основные результаты:

1. Разработана имитационная модель в среде MATLAB, для оценку коэффициента электромеханического преобразования, пульсаций момента, потребляемой и отдаваемой мощности, действующего значения тока фазы при различных способах управления ВИД.

2. Рекомендован алгоритм оптимизации способа управления для ВИД разной конструкции и мощности в режимах оптимизации по коэффициенту электромеханического преобразования и по пульсации момента во всем диапазоне изменения нагрузки и частоты вращения.

3. Анализ работы привода на низких скоростях показал, что для поддержания постоянного момента при работе фазы в токовом коридоре следует изменять угол включения фазы в сторону отставания, либо уменьшать напряжение, подводимое к фазе ВИД, с целью сохранения постоянства момента без режима токового коридора.

4. Предложена структурная схема и алгоритм управления вентильно-индукторным двигателем в генераторном режиме работы.

5. Сравнение результатов моделирования ВИД, его механических характеристик и кривых токов с характеристиками и осциллограммами, полученными экспериментально, подтверждают адекватность созданной имитационной математической модели с погрешностью менее 10%.

6. Рекомендованы желаемые свойства будущих разрабатываемых ВИП для задач с торможением и рекуперацией. Для реализации качественного управления требуется микропроцессорная система управления. Соотношение проводимостей максимальной к минимальной должно быть как можно выше.

7. Показано, что данный ВИД может работать в генераторном режиме с коэффициентом электромеханического преобразования 0,53 при этом пульсации момента составляют 39%.

1. Бычков М. Г. Основы теории, управление и проектирование вентильно-индукторного электропривода: Дис. на соискание ученой степени д-ра техн. наук. -М., 1999.-354 с.

2. Кузнецов В.А., Кузмичев В.А. Вентильно-индукторные двигатели. Учебное пособие по курсу «Специальные электрические машины» для студентов, обучающихся по направлению 180100 «Электромеханика». М. МЭИ, 2003г.

3. Lawrenson Р and al. Variable-Speed SRM.- IEEE Proc. Vol.127, No.4, July 1980.

4. Davis R. Variable Reluctance Rotor Structures-Their Influence on Torque Production. IEEE Trans, on Ind. Electron. Vol. 39, No. 5. Apr. 1992

5. Pollock C., Williams B. Power Convertor for SRM with minimum Number of switches. IEEE Proc. Vol. 137. No. 6. Nov. 1990. p.373-384

6. Miller T. SRM and Their Control. Oxford University Press. 1993

7. Оптимальное проектирование вентильно-индукторных двигателей/ Т.Миллер// IEEE Transactions on industrial electonics, Volume: 49 Issue: 1 , Feb. 2002.

8. Бычков М.Г. Элементы теории вентильно-индукторного электропривода. Электричество, №8, 1997, с.35-44

9. General Motors: интернет-доку мент. http://www.usmotors.com, 2000

10. П.Ильинский Н.Ф. Вентильно-индукторные машины в современномэлектроприводе. Тез. докл. научно-технич. семинара "Вентильно-индукторный электропривод проблемы развития и перспективы применения". М.: МЭИ, 1996

11. Рубцов В.П. Анализ перспективности разработки и применения вентильно-индукторного электропривода // Вентильно-индукторный электропривод -проблемы развития и перспективы применения: Тез. докл. науч.-техн. семин. 30-31 января 1996 г. М., 1996. - С. 7-8

12. З.Бычков М.Г. Оптимизация режимов вентильно-индукторного электропривода средствами управления. Вестник МЭИ, 1998, № 3, с. 73-81

13. И.Бычков М.Г. Анализ вентильно-индукторного электропривода с учетом локального насыщения магнитной системы. Электричество, №6, 1998, с.50-53

14. Sizing a switched reluctance motor for electric vehicles // Ramamurthy S.S.; Balda, J.C. IEEE Transactions on, Volume: 37, Issue: 5, Sept.-Oct. 2001 Page(s): 1256-1264.

15. P. Luk, P. Jinupun. Direct Torque Sensorless Control for Switched Reluctance Motor Drives. UK, 1999

16. W. Cai, P. Pillay. Resonance Frequencies and Mode Shapes of Switched Reluctance Motors. USA, 1999

17. Бычков M. Г. Элементы теории ВИП. Электричество №8, 1997, 10 с

18. Кузнецов В. А., Садовский Л. А., Лопатин В. В., Виноградов В. Л. Особенности расчета ИД для вентильного электропривода. Электротехника №6, 1998, 8 с

19. Виноградов В. Л. Выбор типа и особенности расчета индукторных двигателей для вентильного электропривода. Труды конференции. МЭИ. 1999 г

20. Виноградов В. JI Подход к системному проектированию вентильно -индукторного электропривода (ВИП). Труды конференции. Клязьма. 1998 г

21. Кузнецов В.А., Матвеев А.В. Дискретная математическая модель вентильно-индукторного двигателя. Электричество №4, 2000

22. Бычков М. Г., Козаченко В. Ф., Гольштейн М. Ю., Семенчук В. А. Испытательный комплекс для экспериментальных исследований ВИП. МКЭЭ 96. Международная конференция по электромеханике и электротехнологии. Тезисы 42, 5.10.1996, с.20-21

23. Ильинский Н. Ф., Бычков М. Г., Вентильно-индукторный привод для легких электрических транспортных средств. Электротехника №2, 2000, 4с

24. Кузнецов В.А., Матвеев А.В. К определению числа витков фазы вентильно-индукторного двигателя. Электротехника №4, 2000

25. Miller Т. Bruchless Perman.-Magnet and Reluctance Motor. Oxford, Clarendon Press, 1989

26. L. Xu, T. Raos. Analysis of a New Variable Speed Singly Salient Reluctance Motor Utiliting Only two Transistor Switches. IEEE Trans. Ind., Vol.26, March 1990, p. 229-236

27. Giuseppe S. Variable Structure Control of SRM Drive. IEEE TRANACTIONS INDUSTRY APLICATIONS VOL. 40, # 1, 1993

28. P. Nielsen, L. Andersen, and P.C. Kjmr. Energy optimization and control strategies for switched reluctance motor. MS Thesis, 1993. Aalborg University Denmark

29. W.F. Ray and I.H. Al-Bahadly. A sensorless method for determining rotor position forswitched reluctance motors. Conf. Proc. of Power electronics and variable-speed drives, pages 13 ~ 17, October 1994

30. L. Xu and J. Bu. Position transducerless control of a switched reluctance motor using minimum magnetizing input. Proc. IEEE-IAS'9/, October 1997

31. Уткин С. Ю. Разработка электронных коммутаторов вентильно-индукторных электроприводов широкого применения: Дис. на соискание ученой степени кандидата техн. наук. М., 2002. - 214 с.

32. K. McLaughlin, "Torque ripple control in a practical application," in Electronic Control of Switched Reluctance Motors, ser. Newnes Power Engineering Series, T. J. E. Miller, Ed. Oxford, U.K.: Newnes, 2001, ch. 8

33. Nesimi Ertugru/, Adrian D. Cheok, Indirect Angle Estimation in Switched Reluctance Motor Drives Using Fuzzy Logic Based Motor Model // IEEE transactions on power electronics, vol. 15, no. 6, november, 2000.

34. Optimal commutation in average torque control of switched reluctance motors. /Gnbble J. J., Kjaer P. C., Miller T. J. E.//IEE Proc. Elec. Power Appl.-1999.-t.146,N l.-C. 2-10.

35. Максимов А.А. «Разработка и исследование микропроцессорных системуправления электроприводами собственных нужд с индукторнымидвигателями». Дис. на соискание ученой степени кандидата техн. наук. М.,2000. 140 с.

36. W. Pengov and R.L. Weinberg, "Designing for low noise," in Electronic Control of Switched Reluctance Motors, ser. Newnes Power Engineering Series, Ed. Oxford, 2001

37. Nicolai Т. Simplified Electronics Bring the SRM to the Mass Market. Proc. EPE-95, Vol. 3, p. 3.903-3.907.

38. Acarnley P. Position Estimation in SRD. Proc. EPE-95, Vol.3, p.3.765-3.770.

39. Comfer T. Microprocessor-Controlled single-phase SRM. Drives/Motors/Controls, Brighton, 68-4, 1984

40. Кузнецов В.А. Усилия, действующие на зубцы электрических машин. -Тр./Моск.энерг.ин-т. Вып. 656. 1992. с.3-11

41. Е. Chabu, S.l. Nabeta, J.R. Cardoso. Design aspects of 4:2 Pole Phase Switched Reluctance Motor, Brasil, 1999

42. Mutsui N. Etc. High Precision Torque Control of Reluctance Motor. IEEE -1989, p. 335-340

43. Бычков M. Г. Основы теории, управление и проектирование ВИП. Автореферат по диссертации на соискание степени ДТН, МЭИ, 1999

44. Дроздов П. А. Разработка новых алгоритмов управления вентильно-индукторных электроприводов:. Дис. на соискание ученой степени кандидата техн. наук. М., 2003. - 120 с.

45. Кузнецов В.А., Матвеев А.В. К определению числа витков фазы вентильно-индукторного двигателя. Электротехника №4, 2000.

46. Виноградов В. JI Подход к системному проектированию вентильно -индукторного электропривода (ВИП). Труды конференции. Клязьма. 1998 г

47. S.E. Lyshevski, A. Nazarov, A. El-Antably. Design and optimization, Steady-State and Dynamic Analisys of Synchronous Reluctance Motors Conrolled by Voltage-Fed Converters with Nonlinear Controllers, USA, 1999