автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Прецизионное устройство задания частоты вращения для контроля тахометрических датчиков

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. А.Н.ТУПОЛЕВА

На правах рукописи

ВАЛИУЛЛИН РАФИЛЬ РАВШ1БЕВИЧ

ПРЕЦИЗИОННОЕ УСТРОЙСТВО ЗАДАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТАХОМЕГРИЧЕСШХ ДАТЧИКОВ

Специальность 0b.l3.0o - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 1994

Работа выполнена на кафедре электропривода Казанского ордена Трудового Красного Знамени государственного технологического университета...

Научный руководитель

Официальные оппоненты

- доктор технических наук профессор Зиннер Л.Я.

- доктор технических наук профессор Столов Л.И.

- кандидат технических наук Овчинников А.Г.

Ведущее предприятие - Казанское приборострои-

тельное конструкторское бюро ШКБ)

Защита диссертации состоится 'УЗ" 1994г. в ) С

часов на заседании специализированного Совета К 063.43.05 при Казанском государственном техническом университете им.А.Н.Тупо лева в зале заседаний ученого Совета по адресу: 420111, Казань К.Маркса, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГТУ имени А.Н.Туполева.

Ваши отзывы, заверенные печатью, в двух экземплярах проси высылать по указанное адресу.

Автореферат разослан " Оси 1994г.

Ученый секретарь

специализированного Совета

к.т.н., доцент / // В.А.Козлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Для контроля всевозможных датчиков частоты вращения требуются устройства, к которым предъявляются повышенные требования в отношении точности отработки заданной частоты вращения при широком диапазоне её изменения. С появлением новой техники такие системы применяются в машиностроении, металлургии, станкостроении, химической промышленности, измерительной технике, самолетостроении, космической технике и др. Указанному направлению в развитии электропривода в значительной мере отвечают цифровые сисгеш с силовыми транзисторными преобразователями. Они позволяют строить как нереверсивные, так и реверсивные системы постоянного и переменного тока. Системы задания частоты вращения базируются на широком применении традиционных и специальных электрических машин постоянного и переменного тока, силовой полупроводниковой техники, средств микроэлектроники, управляющих вычислительных машин. Важнейшим элементом систем является исполнительный двигатель. Известно, что в настоящее время большая часть регулируемых электроприводов базируется на использовании машин постоянного тока. Однако, имеются существенные ограничения, препятствующие серьезному расширению применения электрических машин постоянного тока.

Основным недостатком коллекторных электрических машин является наличие щеточно-коллекторного узла, что определяет их низкие технико-эксплуатационные свойства и практически исключает их использование в качестве электропривода специальных видов техники. В связи с этим перспективным, а в ряде случаев и единственно возможным является применение машинно-вентильных систем переменного тока, практическая разработка и использование которых неразрывно связаны с современным темпом развития силовой полупроводниковой техники.

Из машин переменного тока для точной отработки заданной частоты вращения наиболее подходят по своим свойствам синхронные машины. Наиболее простыми из них, сочетающими в себе свойства синхронных машин и преимущества асинхронных машин, являются синхронные реактивные машины.

В настоящее время вопросы, связанные с машинно-вентильными системами, рассматриваются в значительном числе работ различных авторов как у нас в стране, так и за рубежом. Большинство этих работ посвящено вопросам практической разработки систем, т.е. описанию существующих и разрабатываемых конструкций двигателей и схем их питания и управления. В меньшей степени в них рассматриваются вопросы теоретического анализа разрабатываемых систем.

Устройство задания частоты вращения для контроля тахоме-трических датчиков (УЗЧВ), выполненное как система с управляемым инвертором и синхронным реактивным двигателем (ЗИ-СРД), обладает определенными преил^уществами среди различного рода устройств задания частоты вращения вала двигателя. Главной отличительной особенностью такой системы является отсутствие обратной связи между двигателем и задающим устройством, что значительно упрощает схецу системы, повышает ее надежность.

Характеристики системы, в значительной мере, определяются как схемой управления вентилями инвертора, так и работой синхронного реактивного двигателя при несинусоидальном питающем напряжении. В связи с этим, расчет токов, моментов и частот вращения двигателя при прямоугольном напряжении питания различной формы представляется недостаточно изученным и требующим подробного рассмотрения.

Решению задач, связанных с созданием УЗЧЗ и исследованием их характеристик посвящена настоящая диссертация.

Цель работы заключается в создании устройства задания .частоты вращения для контроля тахометрических датчиков, отличающегося более высокой точностью, стабильностью, дискретностью и надежностью в широком диапазоне регулирования.

Задача научного исследования, состоит в разработке и исследовании системы с управляемым инвертором и синхронным реактивным двигателем при различных формах прямоугольного напряжения питания двигателя.

В "соответствии с поставленной целью, в диссертационной работе рассматриваются следующие вопросы:

- теоретическое и экспериментальное исследование УЗЧВ,

выполненных как системы с управляемым инвертором (УИ) и синхронно-реактивным двигателем (СРД);

- построение математической модели системы;

- разработка и внедрение практических схем УИ для работы с СРД в УЗЧВ;

- разработка точных и приближенных методик расчета мгновенной частоты вращения и условий устойчивой работы двигателя системы.

Основные методы исследования. В основу теоретического исследования процессов в системе УИ-СРД положены аналитические методы мгновенных значений и гармонических составляющих. Точное исследование проведено на основе численного метода расчета по интервалам Рунге-Кутта. При выводе аналитических выражений электромагнитных процессов было использовано преобразование Лапласа. Для оценки точности результатов и правильности теоретических выводов проведен ряд экспериментальных исследований, в ходе которых выполнено осциллографирование токов и напряжений, измерение интервалов времени для точного определения мгновенной частоты вращения.

Научная новизна работы представлена следующими результатами :

- разработана математическая модель УИ-СРД с применением переключающих функций вентилей и методика ее исследования на основе метода расчета по интервалам;

- получены аналитические выражения для электромагнитных характеристик, справедливые для установившегося режима;

- предложена методика расчета пульсаций момента и частоты вращения на основе спектрального представления напряжений, токов и моментов;

- разработанный математический аппарат исследования адекватно отражает процессы происходящие в системе;

- дана оценка точности примененных в диссертации методов теоретического исследования, разработаны практические рекомендации, реализованные в опытных образцах.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

- создан комплекс устройств на основе систем УИ-СРД для различных диапазонов частот вращения;

- разработаны методики и программы расчета характеристик систем УИ-СРД на основе методов мгновенных значений и гармонических составляющих;

- разработаны схемы УИ для различных частот вращения с учетом переходных режимов;

- разработаны методики приближенного расчета и измерения мгн-овенной частоты вращения.

Реализация результатов работы. Основные результаты и рекомендации диссертационной работы использованы при проектировании и изготовлении устройств для контроля авиационных датчиков частоты вращения и внедрены в Казанском приборостроительном конструкторском бюро.

Апробация. Основные положения и результаты работы докладывались на Республиканской научно-технической конференции "Коммутация электрических машин" г.Харьков, 1984 г.; Научно-технической конференции "Электромашинные и машинно-вентильные источники импульсной мощности" г.Томск, 1987 г.региональной научно-технической конференции "Управляемые электромеханические системы" г.Киров, 1990 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, получено два авторских свидетельства.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 112 страниц машинописного текста, 4 таблицы, 39 рисунков, списка литературы, включающего 114 наименований, 19 страниц приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована необходимость разработки УЗ43 для контроля, датчиков частоты вращения на базе широкорегулируе-мого управляемого инвертора напряжения с синхронно-реактивным двигателем и актуальность её исследования. Определены цели и задачи работы, вопросы научной новизны, практической ценности и реализации полученных результатов.

В первой главе на основании анализа литературы рассмотрены перспективы развития систем точного задания частоты вращения. Отмечается, что важнейшим элементом системы является

исполнительный двигатель. В настоящее время большая часть регулируемых электроприводов базируется на использовании машин постоянного тока. Наличие в системе множества обратных связей по различным параметрам, для реализации и формирования' сигнала управления которых требуется сложное оборудование, приводит к повышению стоимости и снижению надежности работы. По этим же причинам представляется нецелесообразным использование в качестве исполнительного - асинхронного двигателя переменного тока.

Использование в системе частотно-регулируемого синхронного двигателя позволяет получить высокую точность средней частоты вращения, поскольку частота вращения его ротора пропорциональна частоте питания двигателя. Такие системы, с использованием управляемых инверторов, строятся по разомкнутому принципу. 3 последнее время значительное внимание стало уделяться частотно-регулируемым системам с синхронно-реактивными, гистерезисными и магнитоэлектрическими двигателями. Наиболее надежным и достаточно мощным для УЗЧВ является СРД.

3 главе отмечается, что имеется достаточное количество работ, в которых широко рассматриваются принципы работы разомкнутых систем с СРД, имеются конкретные схемные разработки, в которых реализованы достоинства подобных устройств.

Зйачительно изучены вопросы, связанные с работой синхронных двигателей в частотно-регулируемом электроприводе. Однако, в большинстве работ система рассматривается при синусоидальном питающем напряжении СРД, а вопросы, связанные с исследованием токов, моментов и мгновенной частоты вращения, при прямоугольном напряжении питания СРД от управляемого инвертора, недостаточно освещены.

Во второй главе рассмотрены методы применяемые для исследования процессов в квазинепрерывных системах, к каким можно отнести систему УИ-СРД. На основании этого рассмотрения делается вывод, что для расчёта процессов, связанных с несинусоидальностью питающего напряжения СРД, целесообразно воспользоваться численным методом прямого решения уравнений системы и методом гармонических составляющих.

Применение метода гармонических составляющих, в данном

случае, представляется целесообразным в связи с тем, что разрабатываемая система предназначается для работы в установившихся режимах. Фазные напряжения двигателя, питаемого от управляемого инвертора, имеют прямоугольную фор\у. Это позволяет представить их полигармоническим рядом и исследовать влияние каждой гармоники на электромагнитный момент и частоту вращения двигателя.

СРД представляется как некоторое множество двигателей с единым валом, каждый из которых питается синусоидальным напряжением своей гармоники. Один двигатель работает в синхронном режиме, а остальные в асинхронных.

Анализ проведен с помощью пространственных векторов в осях Ы, у, неподвижных относительно ротора. Система уравнений электрического равновесия обмоток в асинхронном режиме работы СРД, после исключения токов роторных цепей, следующая: "¡аырл+ГЩ ; (х)

где ^ - номер гармоники; 11^- проекции вектора напряжения 0-ой гармоники на оси с! и ; токи ^ -ой гармоники статора приведенного двигателя; 5>) - скольжение

- ой гармоники; операторные сопротивления СРД

по продольной и поперечной осям, которые находятся по схемам замещения СРД; Г - активное сопротивление статорных обмоток.

Проекции результирующего вектора напряжения на оси сI , ^ равны в комплексной форме записи:

где Угол между вектором напряжения т) - ой гармоники и осью ротора с1 в момент начала отсчета.

Реакция системы на возмущение (2) определяется как:

- б -

где - амплитуда вектора тока - ой гармоники.

Предположив, что ротор СРД, в установившемся режиме, движется равномерно, т.е. угол нагрузки основной гармоники неизменен, определены начальные значения этого угла для остальных гармоник и путем подстановки вместо оператора Лапласа Р в (I) значения , получены уравнения напряжений в комплексно^ форме. Решая их, получены шражения для комплексов токов ,

и потокосцеплений Ч^.), .

По полученным выражениям, несимметричная двухфазная система разложена на две симметричные системы прямого и обратного вращения. Составляющие токов и потокосцеплений имеют неизменные модули и вражаются относительно ротора в противоположные стороны с угловой частотой :

Их результирующие вектора имеют относительно неподвижных осей ротора частоту кратную Ш . Каждая гармоника создает свою постоянную и переменную составляющую момента. Кроме того, в двигателе возникают вибрационные моменты, обусловленные взаимодействием пространственных волн потоков и токов различных порядков. На основании этого записано общее выражение для электромагнитного момента:

мЫрЬ-рЯ

Первое слагаемое в (5) определяет постоянную и пульсирующую составляющие электромагнитного момента, которые обус-ловоены взаимодействием потоков и токов одного порядка ^ , второе слагаемое - вибрационную составляющую, равную векторному произведению пространственных векторов потокосцепленйй и токов различных порядков, т.е. вращающихся с различными угловыми частотами. При этом вибрационные моменты изменяются с частоташ, равными сумме угловых частот составляющих (кратными частоте первой гармоники).

На основании вышесказанного в главе представлена приближенная методика определения колебаний мгновенных значений момента и частоты вращения вала двигателя с системе УИ-СРД.

По этой методикё составлена программа расчета отклонения мгновенной частоты вращения от средней -Ш. Расчитаны режимы работы УЗЧ8 при различных: формах прямоугольного напряжения УИ подаваемого на СРД (с широтно-импульсной модуляцией и без нее); значениях параметров самой системы; значения^ параметров двигателя (рис.1,2).

Рис.1. Зависимость &и)от числа интервалов полупериода напряжения ШМ при = 28,076 с"1, = 0,035 яг-м2

ли;

<4

о.з

0,1

Ъ=70

0,1

Т6=30

0,07

с 4

О 0.01

о.оч

Рис.2.Влияние параметров пусковых обмоток СРД на Л(х} при = 0,48Т^ , 0=3

В третьей главе колебания частоты вращения й о) вала двигателя системы находятся методом прямого решения уравнений системы. За математическую модель системы принята система уравнений СРД в осях с| , Цу , неподвижных относительно ротора, при прямоугольном напряжении питания. При анализе электромагнитных процессов в системе были приняты следующие допущения, которые касались как СРД, так и преобразователя частоты:

- все обмотки СРД симметричны;

- магнитная проницаемость стали принимается бесконечно большой;

- машина со стороны статора включена, в сеть бесконечно большой мощности;

- напряжение инвертора симметрично, прямоугольной формы;

- коммутация.силовых ключей инвертора происходит мгновенно;

- сопротивление вентиля в отключенном состоянии равно бесконечности;

- сопротивление вентиля в открытом состоянии равно сопротивлению открытого вентиля.

. В осях о! , имеем:

о1й =о;

-рОЯ^Ь^и^Ь); (6)

где и^ (¥,"£) > У у, (К - напряжения статорных контуров, зависящие от формы напряжения инвертора, которые получены из разрывных, скачкообразных функций фазных напряжений, записанных в виде временных радов с использованием переключающих функций коммутаторов.

и0 Ш Ф, Л) М5-)+ [Ьь-ЬМФ^а Ир/З;

/3,

где - единичные функции интервалов постоянства структу-

ры цепи коммутаторов инвертора; Ыр - напряжение питания инвертора.

Система уравнений (6) дополняется двумя уравнениями движения:

ог=ры; сь)

В общем случае совместное решение уравнений напряжений и моментов возможно только численными методами. Система уравнений (6), (8) решалась методом Рунге-Кутта. Составлены алгоритм и программа расчета. В результате получены кривые изменения тока и частоты вращения вала двигателя, которые под-

тверждают справедливость приближенной методики расчета и хорошо совпадают с экспериментальными данными (рис.3).

Рис.3.Кривые изменения фазного тока и диЮРД

— расчетные, --- экспериментальные,

при Ц= 28,076 с"'

Четвертая глава посвящена описанию практических схем прецизионных устройств задания частоты вращения и вопросам их экспериментального исследования. Изложены требования к устройству точного задания частоты вращения. На основании проведенного ранее расчета весь диапазон частот вращения (25-5-20000 об/мин) разделен на три поддиапазона, что связано с изменением закона управления силовыми элементами инвертора:

- 2э4500об/мин - низкочастотная система (СНЧ);

- 5004-3000 об/мин - система средней частоты (ССЧ);

- 3000£20000 об/мин - высокочастотная система (СВЧ).

Каждая из них реализована отдельным приводом. Функциональная схема систем представлена на рис.4 и содержит следующие блоки:

- блок управления (задатчик частоты вращения) (БУ);

- кварцевый генератор (КГ);

- управляемый делитель (УД);

- выпрямитель (В);

- широтно-импульсный регулятор (ШИР);

- синхронный реактивный двигатель (СРД);

- инвертор (И);

- широтно-импульсный модулятор (ШИМ).

00-

КГ

БУ УД шим

В ШИР и

Рис.4. Функциональная схема УЗЧВ

Примененная в СНЧ оригинальная схема шИМ, которая формирует закон управления по известному вертикальному способу формирования управляющих сигналов цифровым, а не аналоговым способом, заменяется в ССЧ и С6Ч схемами распределителей импульсов на 6 управляющих входов инвертора со 180° законом коммутации. В главе описана работа различных функциональных блоков, приведены осциллограммы и фотографии разработанных устройств, представлена экспериментальная установка, позволяющая определить колебания мгновенной частоты вращения.

Результаты экспериментального исследования в сравнении с расчитанными по приближенной методике и при помощи численного метода, на различных диапазонах работы УЗЧВ, представлены в виде графиков (рис.5,6) и таблиц.

В приложениях приведены алгоритмы и листинги программ расчета, результаты определения точек эксперимента, акт о внедрении.

Рис.5,Изменение до^при и)= 28,076 с""', J= 0,0066 кг-м* Ист = 0,23 Н-м;1-экспер., 2-^очн.расч., 3-прибл. расч.

Рис.6.Зависимость ди)от О при и) = 110,038 с~\

Мег = 0,83 Н-м; 1-экспер., 2-точн..прибл.расч.

Результаты испытаний УЗЧВ

п об/мин 25 100 500 3000 11000 20000

<5с/> ^ 0,004 0,01 0,03 0,015 0,01 0,035

д1х) % 1,1 0,3 0,18 0,05 0,03 0,02

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Прецизионное устройство задания частоты вращения для контроля тахометрических датчиков, построенное как система с управляемым инверторам и синхронным реактивным двигателем, позволяет достичь более высокую точность, стабильность, дискретность и надежность в широком диапазоне частот по сравнению с применяемыми.

2. Построены математические модели, основанные на методах мгновенных значений и гармонических составляющих. По ним получены выражения для расчета изменения токов, потокосцеп-лений, моментов, мгновенной частоты вращения при прямоугольном напряжении питания двигателя, а также при различных законах управления инвертором.

3. Предложена методика приближенного расчета, основанная на методе гармонических составляющих, позволяющая достаточно просто, при небольшом объеме вычислений, с необходимой точностью рассчитать значения электромагнитного момента и частоты вращения.

4. Даны рекомендации по проектированию систем управления инвертором для различных частот вращения, исследовано поведение системы при различных параметрах двигателя. Увеличение постоянных времени обмоток ротора приводит к пропорциональному уменьшению амплитуды колебаний вала.

5. Рассчитанные по формулам приближенной методики характеристики отличаются от экспериментально полученных не более чем на 10%, что свидетельствует о пригодности данных формул для инженерного расчета, необходимого на начальном этапе проектирования.

6. Предложен способ управления инвертором, подтвержденный авторским свидетельством на изобретение, позволяющий задавать широтно-импульсную форму напряжения питания двигателя при помощи средств цифровой техники. По приближенной методике определено число интервалов разбиения полупериода напряжения питания, получаемого с инвертора, в системе низкой частоты вращения (1=12^16).

7. Получены алгоритмы и программы расчета электромеханических переходных процессов в. установившихся режимах системы по мгновенным значениям и по приближенной методике.

8. Разработанный математический аппарат исследования системы задания частоты вращения, построенной по принципу УИ-СРД, адекватно отражает процессы происходящие в системе, что подтверждается проведенными.исследованиями на разработанной экспериментальной установке.

9. Основным практическим результатом работы следует считать разработку комплекса устройств задания частоты вращения для контроля тахометрических датчиков, позволивших повысить точность, по сравнению с применяемыми, на порядок, увеличить ресурс более чем в два раза, что подтверждается актом о внедрении.

PABOTd, OiWnJlHiKOBAiiHHE ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИЙ

1. Разработка контрольной тахометрической установки: Отчет о НИР (итоговый) / Казанский химико-технологический институт: Руководитель Л.Я.Зиннер: № ГР 780I4I75. - Казань, 1961. - 43 с.

2. Управляемый вентильный электропривод / Р.Р.Валиулл-ин, В.С.Кузнецов, З.Г.Габидуллин, В.Г.и1агиморданов // Информационный листок № 299-82, Татарский межотраслевой ЦНТИ, 1982. - 2 с.

3. Прецизионный частотно-регулируемый синхронно-реактивный электропривод / Р.Р.Валиуллин, Л.Я.Зиннер, В.С.Кузнецов // Электрооборудование летательных аппаратов. Межвузовский сборник, Казань: КАИ, 1984. - С. 16-19.

4. Расчет режимов СРД при питании от статического преобразователя / Р.Р.Валиуллин, Ю.Г.Соколов, Н.Н.Зарипов, И.Э. Бастанов // Электромашнные и машинно-вентильные источники импульсной мощности: Тез. докл. республиканской научно-техн. конф. - Томск, - С. 43-44.

5. Анализ неравномерности угловой скорости вращения СРД в прецизионной машинно-вентильной системе / Р.Р.Валиуллин, Ю.Г.Соколов, Н.Н.Зарипов, Р.К.Цусалимов // Электромашинные и

машинно-вентильные источники импульсной мощности: Тез. докл. республиканской научно-гехн. конф. - Томск, 1987. - С. 45.

6. A.c. I127060, МКИ Н 02 М 7/537. Преобразователь постоянного напряжения // Р.Р.Валиуллин, JI.Я.Зиннер, Г.Ф.Кропа-чев, Н.Ф.Миляиов, В.Н.Тарасов, А.С.Чемерчев.

7. Валиуллин P.P., Зиннер Л.Я., Соколов Ю.Г. Вращающий момент СРД при прямоугольном питающем напряжении / Деп. в Информэлектро ВИНИТИ 1989 г., №11, с.165 № 67-эт89.

8. Валиуллин P.P., Зарипов H.H., Соколов Ю.Г. Схема управления стабильным регулируемым синхронным приводом / Деп.

в Информэлектро ВИНИТИ 1989 г., №11, с.164 № 58-эт89.

9. Валиуллин P.P., Зарипов H.H., Соколов Ю.Г. Расчёт пе реходных процессов в прецизионной системе ПЧ-СРД / Деп. в Информэлектро ВИНИТИ 1989 г., №11, с.165 № 65-эт89.

10. Валиуллин P.P., Зиннер Л.Я. Динамика прецизионного синхронного привода // Управляемые электромеханические системы: Тез. докл. региональной научно-гехн. конф. - Киров, 1991. - С. 30.

11. A.c. I7007I9, МКИ Н 02 М 7/48. Способ управления m фазным вентильным преобразователем // Ю.Г.Соколов, Д.Я.Зинне Р.Р.Валиуллин.

12. Зиннер Л.Я., Валиуллин P.P., Вастанов И.Э. Оценка пульсаций частоты вращения в частотно-регулируемом синхронно реактивном двигателе // Электротехнические системы летательных аппаратов. - Казань: КАИ, 199I. - С. 33-38.