автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка бездатчикового управления вентильно-индукторной машиной

На правах рукописи

Митрофаненков Юрий Николаевич

Разработка бездатчикового управления вентильно-индукгорной машиной

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

13 МАЙ 2015

Москва 2015

005568715

005568715

Работа выполнена на кафедре «Электромеханические системы» филиала федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» в г. Смоленске.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Малиновский Александр Евгеньевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой электротехники и промышленной электроники Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана Красовский Александр Борисович

кандидат технических наук, инженер-программист ООО «НПФ Вектор» Лашкевич Максим Михайлович

Ведущая организация:

Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина

Защита диссертации состоится «26» июня 2015 года в 12 час. 00 мин. в аудитории М-606 на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 13, корп. М.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ МЭИ» и на сайте mpei.ru.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направить по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет ФГБОУ ВПО НИУ «МЭИ»

Автореферат разослан чЗ&>> ала&я 2015 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.02 ^^ //

канд.техн.наук, доцент Цырук С.А.

Актуальность научной работы

В настоящее время в практике современного электропривода снижается доля электроприводов постоянного тока. Это можно связать с ненадежностью механического коллекторного узла и более высокой стоимостью двигателей постоянного тока по сравнению с двигателями переменного тока.

Основной альтернативой приводам постоянного тока являются асинхронные-электроприводы. В то же время, развивается теория и практика электроприводов с вентильно-индукторными машинами (ВИМ). Машины этого типа обладают высокими техническими и экономическими показателями. Это обусловлено их конструктивной простотой и надежностью, низкими стоимостью и эксплуатационными затратами, возможностью широкого регулирования частоты вращения, высокого КПД и простоты управления при применении современной базы электроники.

Так как моменты включения и отключения обмоток ВИМ являются функцией углового положения ротора ВИМ, то в классическом исполнении вентильно-индукторный электропривод (ВИП) имеет датчик положения ротора.

Стремление упростить конструкцию,снизить стоимость привода и повысить надежность привело к отказу от датчика углового положения ротора и переходу к системам бездатчикового управления для оценки углового положения.

В связи с этим разработка бездатчикового управления ВИМ является актуальной.

Степень разработанности темы. В настоящее время существуетболыпое количество методов бездатчикового управления ВИМ. Исследованиями в области бездатчикового управления вентильно-индукторным электроприводом занимались ученые Ильинский Н.Ф., Бычков М.Г., Красовский А.Б., Глухенький Т.Г., Алямкин Д.И. и др. Общим недостатком этих методов является отсутствие возможности выделить сигнал, который через функциональную зависимость однозначно связан с угловым положением ротора, что не позволяет использоватьин-формацию об угловом положении системам управления разного уровня.Кроме того, в большинстве существующих методов для анализа углового положения определяются напряжения и токи в обмотках, формирующие электромагнитный момент, что накладывает ряд ограничений на режимы работы электропривода.

Целью диссертационной работы является разработка, исследование и апробация метода идентификации углового положения ротора ВИМ, основанного на изменении магнитных проводимостей под полюсами машины в зависимости от углового положения ротора ВИМ, отличающегося от существующих тем, что для идентификации угла ротора создаются дополнительные измерительные магнитные потоки, связанные квадратурными соотношения, и измеряется фаза электродвижущей силы (ЭДС), наводимой в отключенных катушках, что позволяет обеспечить работу ВИМ в режиме «датчика угловых положений» и двигателя одновременно, тем самым получить сигнал рассогласования зубцов статора и ротора в явной форме, что позволяет повысить точность измерений и обеспечить контроль углового положения на нулевых скоростях и торможении на выбеге.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

• разработки метода бездатчиковой идентификации углового положения ротора ВИМ, позволяющего ВИМ работать в режимах двигателя и «датчика углового положения» одновременно;

• анализа принципов коммутации обмоток ВИМ, позволяющих реализовать совмещение режимов двигателя и «датчика углового положения»;

• разработки математической и компьютерной имитационной моделей без-датчикового ВИЛ и макетного образца бездатчикового ВИЛ;

• исследования метода идентификации углового положения и системы бездатчикового управления ВИМ.

Научная новизна работы заключается в том, что

1. Предложен метод идентификации углового положения ротора ВИМ, основанный на изменении магнитных проводимостей под полюсами машины в зависимости от углового положения ротора ВИМ, отличающийся от существующих тем, что для идентификации угла ротора создаются дополнительные измерительные магнитные потоки, связанные квадратурными соотношения, и измеряется фаза ЭДС, наводимой в отключенных катушках, что позволяет обеспечить работу ВИМ в режиме «датчика угловых положений», тем самым получить сигнал рассогласования зубцов статора и ротора в явной форме, что позволяет повысить точность измерений и обеспечить контроль углового положения на нулевых скоростях и торможении на выбеге

2. Показаны принципы коммутации обмоток ВИМ, отличающиеся от используемых ранее тем, что совмещены во времени, но разделены пространственно I катушках машины моменты формирования силовых токов, создающих электромагнитный момент, и измерительных, необходимых для идентификации угловой положения, что позволяет совместить работу ВИМ в режимах двигателя и «датчика угловых положений».

3. Показана функциональная схема ВИП, реализующая предлагаемый мето; идентификации углового положения ротора ВИМ и позволяющая совместить I пределах одной машины двигательный режим работы и режим «датчика угловы> положений».

Теоретическая и практическая значимость. Теоретическая значимость ра боты заключается в разработке и теоретическом обосновании метода идентификации углового положения ротора ВИМ, основанного на изменении магнитны? проводимостей под полюсами машины в зависимости от углового положения ро тора ВИМ, для чего в магнитной системе машины создаются дополнительные измерительные магнитные потоки, связанные квадратурными соотношениями, I измеряется фаза ЭДС, наводимой в отключенных катушках, что позволяет обеспечить работу ВИМ в режиме «датчика угловых положений» и двигателя одновременно.

Практическую значимость представляет разработанная имитационная ком пьютерная модель системы с бездатчиковым управлением ВИМ и разработанный макетный образец, на котором возможно проводить экспериментальные исследо-

вания как метода бездатчикового управления В ИМ, так и самой машины в различных режимах работы.

В ООО ИТЦ «ПРОМИКС» внедрен макетный образец разработанной системы электропривода с предложенным методом идентификации углового положения ВИМ.

Методология и методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовались:

1) Теория электропривода и теория автоматического управления;

2) Методы имитационного моделирования в системе компьютерной математики MA TLAB и ее расширении Simulink.;

3) Элементы теории цифровой обработки сигналов;

4) Компьютерные методы отладки микропроцессорных систем управления с использованием интегрированной среды разработки MPLABIDE;

5) Экспериментальные исследования вентильно-индукторного электропривода.

Положения, выносимые на защиту:

1. Метод бездатчиковой идентификации углового положения ротора ВИМ, отличающийся от существующих тем, что для идентификации угла ротора создаются дополнительные измерительные магнитные потоки, связанные квадратурными соотношения, и измеряется фаза ЭДС, наводимой в отключенных катушках, что позволяет обеспечить работу ВИМ в режиме «датчика угловых положений».

2. Принципы коммутации обмоток ВИМ, отличающиеся от используемых ранее тем, что совмещены во времени, но разделены пространственно в катушках машины моменты формирования силовых токов, создающих электромагнитный момент, и измерительных, необходимых для идентификации углового положения, что позволяет совместить работу ВИМ в режимах двигателя и «датчика угловых положений».

3. Функциональная схема системы бездатчикового управления ВИМ, отли-| чающаяся от существующих тем, что позволяет в ВИМ совместить режимы двигателя и «датчика углового положения», тем самым повысить точность измерений.

4. Структура компьютерной имитационной модели системы ВИП с предложенным методом идентификации углового положения ВИМ.

5. Макетный образец, с помощью которого проведены исследования работы ВИМ в режиме «датчика угловых положений» и двигательном режиме. Результаты могут быть распространены на ВИМ с числом фаз три и более.

Апробация работы.Основные результаты диссертационных исследований докладывались и обсуждались на 7-й, 8-й, 9-й, 10-й, 11-й научно-технических конференциях студентов и аспирантов (г. Смоленск, филиал МЭИ в г. Смоленске, 2010, 2011, 2012, 2013, 2014 гг.), 19-й научно-технической конференции студентов и аспирантов (г. Москва, МЭИ, 2013 г.), 8-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (г. Иваново, ИГЭУ, 2013 г.). Научная

работа заняла 2-е место в областном конкурсе студенческих научных работ (г.Смоленск, 2011 г.), отмечена дипломом «за оригинальность и творческий подход» на областном конкурсе молодых ученых (г. Смоленск, 2013 г.).

Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 16 научных работ, из них 3 опубликовано в журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем

Диссертация состоит из введения, четырех основных глав, заключения, списка литературы, включающего 126 наименований, и приложений. Диссертация содержит 157 стр. машинописного текста, 70 рисунков, 2 таблицы и 5 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введенииобоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи, отражена научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главеосуществлен обзор предметной области. Произведена классификация методов определения углового положения ротора ВИМ, которая приведена в табл.1.

Таблица 1. Классификация методов углового положения ротора ВИМ.

к <Ц Использование энкодеров

2 1 й Использование оптических датчиков

В Использование вращающихся трансформаторов

5 § V о = 5 о й Анализ ЭДС машины

° 2 1 а м § X Анализ потокосцепления

2 Анализ токов

Показано, что существующие методы бездатчикового определения угловогс] положения ротора ВИМ не позволяют выделить сигнал текущего углового положения в явной форме, либо связанный фиксированной функциональной зависи' мостью, что ограничивает область применения бездатчиковых ВИП. Отмечено что большинство существующих методов бездатчикового определения угловогс положения ротора для идентификации положения производят измерения параметров электрического сигнала во включенной обмотке, что накладывает ограничения на режимы работы ВИМ и ее цепей питания.

Во второй главе представлен метод идентификации углового положения ротора ВИМ, основанный на изменении магнитных проводимостей под полюсам!: машины в зависимости от углового положения ротора. Работа ВИМ в режим« «датчика угловых положений»обеспечивается следующим образом:

- для идентификации углового положения ротора в магнитной системе дополнительно формируются измерительные потоки, связанные между собой квадратурными соотношениями;

- анализируется фаза ЭДС,наведенной измерительными потоками. Рассмотрена реализация метода на примере трехфазной ВИМ конфигурации 12/8.Для управления формированием электромагнитного момента ВИМ используется одиночная коммутация фаз. Таким образом, в каждый момент времени только через одну фазную обмотку ВИМ протекают силовые токи, при этом катушки в данной фазе соединены последовательно и согласно. Для того чтобы ВИМ выполнял одновременно функции двигателя и датчика углового положения, в двух катушках, незадействованных в данный момент времени для формирования электромагнитного момента и расположенных в разных фазных обмотках, создаются измерительные токи, связанные квадратурными соотношениями. Таким образом, если в формировании электромагнитного момента задействована фазная обмотка С, то в одной катушке фазной обмотки А и одной катушке фазной обмотки В формируются измерительные переменные токи частотой 10 кГц, связанные квадратурою. Для исключения влияния измерительных токов на электромеханическую характеристику ВИМ, их величина должна быть как минимум на порядок меньше номинальной.Протекающие по катушкам силовые и измерительные токи создают в магнитной системе машины МДС.

При допущениях, что магнитная проводимость стали равна бесконечности, и отсутствует поток рассеяния статора, магнитные потоки статора будут замыкаться через его зубцы, а магнитная проводимость магнитной цепи будет определяться магнитной проводимостью воздушного зазора между зубцами статора и ротора. В этом случае можно составить схему замещения магнитной цепи. На рисунке 1 представлена схема замещения магнитной цепи ВИМ. МДС FA и Fb возникают в результате протекания по катушками ВИМ измерительных токов. МДС FcH F'c возникают вследствие протекания по катушкам ВИМ силовых токов.

Для упрощения математического описания можно принять, что магнитные проводимости в зависимости от углового положения ротора ВИМ изменяются по синусоидальному закону от 0 до

О

о

о'

о

"(То1

Магнитные проводимости под полюсами фаз 3-фазной ВИМ конфигурации 12/8 описываются уравне-

Рис. 1. Схема замещения магнитной системы трехфазной ВИМ конфигурации 12/8

ниями:

- магнитная проводимость в воздушном зазоре под полюсами фазы А:

- магнитная проводимость в воздушном зазоре под полюсами фазы В.

(l + cos(120 +©))

- магнитная проводимость в воздушном зазоре под полюсами фазы С

(1) (2)

Лс=|ят„(1 + со3(120°-©)), (3)

где 0 - угол рассогласования зубцов ротора и статора под полюсом фазы А, Лтех-максимальная магнитная проводимость под полюсами фаз.

МДС в магнитной системе ВИМ приводят к возникновению разности магнитных потенциаловмежду статором и ротором: _ -2F'CЛс

4 (ЛА+Ла+Лс) KJ

При включении катушек в фазной обмотке ВИМ во время формирования силовых токов последовательно и согласно справедливо выражение: Fc =F'C. Разность магнитных потенциалов между статором приобретает вид:

9г-Ч\= FAa+FbÁb (5)

п 4 (ЛА+Л,+ЛС) W

Так как по катушкам фаз А и В протекают токи, связанные квадратурными соотношениями, то МДС рассчитываются по формулам:

Fa=W-I■ sin (at) = F • sin(fflí) - МДС фазы А. (6)

Fg=W-I-cos(at) = F- eos (at) - МДС фазы В. (7)

В результате в катушках, в которых не производится модулирование квадратур токов, формируется измерительный магнитный поток:

Ф = Фп„ [sin{ 0)0(1 + cos(©)) + cosOOCl + cos(120° + ©))], (8)

я

где Фт1Х -----максимальный поток для фазы А;

4 (Лл +ЛВ +ЛС)

д

Ф„„ =----максимальный поток для фазы В;

- 4 (Лл+Лв+Лс) W 4

Л

Фшах = —--f--максимальный поток для фазы С.

4(Ла +Лв+Лс)

Измерительный поток приводит к возникновениюизмерительной ЭДС: cos(atf)+—cos(ütf - ©)+—cos(©/ + ©)- sin(arf) -

dt

-^sin(o/-120°-©)-|sin(fflí + 120°+©)

(9)

= -£т„ [соз(©/)(1 + соз(0)) + зт(®г)(1+со8(120° + ©))]

Как видно, фаза измерительной ЭДС зависит от углового положения ротора двигателя. В связи с этим, для измерения углового положения ротора двигателя достаточно измерять фазу ЭДС, наведенной в одной из незадействованных кату-, шек.

Рассмотрено развитие разработанного метода применительно к 6-тифазной ВИМ конфигурации 12/10.

Показано, что в реальном ВИМ магнитная проводимость изменяется не от 0 ДО доХп,

ах» аот ^чшпДО Хт ах-

С учетом этого, магнитная проводимость под полюсами ВИМ при ненасыщенной магнитной системе примет вид:

Лпах Лп1д

COS(Q) = Xcp+AM • cos(0).

(10)

2 2

В то же время, зависимость измерительной ЭДС от углового положения ротора В ИМ принимает вид:

= [с°з(й'0(Л,7+ ^ам сов(©)) - 5'т(ач)(Яср+Лли соз(120°+©))]. (11)

На рисунке 2 показаны семейства зависимостей фазы измерительной ЭДС от углового положения ротора для реальной ВИМ, у которой средняя индуктивность: Ьср =48,25 мГн; амплитуда изменения индуктивности в зависимости от углового положения ротора ВИМ: Ьдм = 19.25 мГн.

Рассмотрены варианты коммутации обмоток ВИМ в зависимости от углового положения ротора.

В общем случае, мгновенный момент ВИМ, формируемый одной фазной обмоткой, описывается уравнением: 1 1

где ь{в)~ зависимость индуктивности фазной обмотки от угла поворота ротора, I ток в фазной обмотке.

Для ненасыщенной магнитной цепи ВИМ при постоянном токе и изменении магнитной проводимости под полюсами по синусоидальному закону выражение (12) принимает вид:

М = ~1ш*~1™-12.БШС©). (13)

Рис, 2. Семейство зависимостей фазы измерительной ЭДС от углового положения ротора ВИМ

1 - зависимость при модулировании измерительных токов в катушках фазных обмоток А и В;

2 - зависимость при модулировании измерительных токов в катушках фазных обмоток В и С;

3 - зависимость при модулировании измерительных токов в катушках фазных обмоток С и А.

Так как при работе ВИМ необходимо производить коммутацию обмоток в зависимости от текущего углового положения ротора, то для анализа и выбора наиболее оптимальных моментов включения и отключения обмоток ВИМ можно воспользоваться уравнением (13).

При помощи математического пакета Matead рассчитаны и построены зависимости электромагнитного момента от углового положения ВИМ, формируемого каждой фазной обмоткой при постоянном токе, и зависимости фазы измерительной ЭДС при различных вариантах формирования измерительных МДС. Результаты приведены на рисунке 3.

Рис. 3. Варианты коммутации обмоток ВИМ в зависимости от фазы измерительной ЭДС и электромагнитного момента.

На рисунке З.а. представлен вариант одиночной коммутации обмоток 3-х фазной ВИМ в зависимости от значения фазы измерительной ЭДС. Преимуществом данного варианта коммутации является то, что на всем цикле коммутации используется линейный участок зависимости фазы измерительной ЭДС от углового положения ротора. В результате, всегда можно однозначно определить текущее угловое положение, что упрощает выполнение реверса и перевод ВИМ в тормозные режимы работы. Недостатком данного варианта коммутации обмоток ВИМ

являются сильные пульсации момента, и, как следствие, недоиспользование машины, что приводит к увеличению массогабаритных свойств электропривода.

На рисунке З.б. представлен вариант одиночной коммутации обмоток ВИМ, при котором обеспечен максимальный момент ВИМ. В данном варианте энергетические характеристики привода находятся на максимальном уровне, что приводит к снижению массогабаритных свойств электропривода. Недостатком данного варианта коммутации является работа на экстремуме зависимости фазы измерительной ЭДС от углового положения ротора. Как следствие, имеются участки, где определенному значению фазы измерительной ЭДС соответствует два значения текущего углового положения. Имеется неоднозначность определенного углового положения ротора ВИМ. Для исключения неоднозначности необходимо контролировать прохождение экстремума зависимости. В этом случае при работе ВИМ на заданных оборотах, при контроле прохождение экстремума, однозначно определяется текущее угловое положение и обеспечивается формирование максимального момента. Однако, при реверсе ВИМ, если в момент изменения направления вращения ротора ВИМ находится вблизи экстремума зависимости фазы измерительной ЭДС от углового положения, возможно неверное определение углового положения, в результате чего произойдет неверная коммутация обмоток. В результате, при реверсе могут происходить колебания момента ВИМ, когда при прохождении нулевой скорости ВИМ несколько раз меняет направление вращения. После прохождения нулевой скорости нарушение циклов коммутации нивелируется, электропривод начинает работать в устойчивом режиме.

В случае применения рассмотренного метода бездатчиковой коммутации к ВИМ с большим количеством фазных обмоток, появляется возможность исключить недостатки, свойственные использованию трехфазной ВИМ, как большие пульсации электромагнитного момента - в случае первого варианта коммутации, и неоднозначность углового положения - в случае второго варианта коммутации.

На рисунке З.в. представлен вариант парной коммутации обмоток 6-ти фазной ВИМ конфигурации 12/10. Стоит отметить, что в данном варианте коммутации имеются низкие пульсации электромагнитного момента и каждому значению фазы измерительной ЭДС соответствует только одно значение углового положения ротора ВИМ. При этом на каждом цикле коммутации зависимость фазы измерительной ЭДС от углового положения можно считать линейным, что упрощает построение бездатчиковых следящих систем. В связи с этим, предложенный метод идентификации углового положения целесообразно использовать для ВИМ с большим количеством фазных обмоток.

В третьей главе разработана функциональная схема бездатчикового ВИП (рисунок 4)

Для бездатчиковой идентификации углового положения ротора ВИМ согласно описанной выше технологии необходимо в катушках ВИМ формировать связанные квадратурно измерительные токи. Эту функцию выполняют два источника тока, которые получают сигналы синхронизации частотой 10 кГц от генератора квадратурных сигналов. Источники квадратурных токов через ключи коммутато-

. амЦР

■Ч)

Ч)

а, »:

ра подключаются к катушкам ВИМ, в которых необходимо формировать измерительные токи.

Для управления формированием в катушках ВИМ силовых и измерительных токов используется полупроводниковый транзисторный коммутатор. Коммутатор, получая сигналы управления от микропроцессорной системы, осуществляет подключение катушек ВИМ к питающей сети и источникам измерительных токов, а

также подключение датчика напряжения к катушкам ВИМ для фиксации измерительной ЭДС.

Сигнал от датчика напряжения проходит через полосовой

фильтр, который выделяет первую гармонику измерительной ЭДС (10 кГц) и подает сигнал на компаратор, преобразующий синусоидальный сигнал в последовательность импульсов, при этом передний и задний фронт импульса формируются в момент изменения знака синусоиды изме^ рительной ЭДС. Последовательность импульсов поступа ет в микропроцессорную систему управления. Для анализа фазы измерительной ЭДС микропроцессорная система управления отчитывает фазовый сдвиг импульса, идущего от компаратора, относительно сигнала синхронизации, иду-

Рис. 4. Функциональная схема бездатчикового ВИЛ.

ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНАЯ МАШИНА

3£

ЗЕ

Коммутатор

2

ту ту гу

Си/халы упрм/ичив ] Сижалиупролвния |

| )_ытючаии_(I_сочаии_II_

Блок драйверов 1

Блок драйверов 2

1Е

Источники квадратурных тагов

—N Генератор квадратурно связанных —у сижапош

35

I Р

Цк

Блек драйверов 3

■Ч ' Г

ж

Михропроцвгссркая огетэыа управления

Р

пи

/и КН

Рис. 5.Функциональная схема взаимодействия аппаратных частей микропроцессорной системы управления бездатчикового ВИЛ.

щего от генератора квадратурных сигналов. Фазовый сдвиг импульса пропорционален фазе измерительной ЭДС. Бездатчиковое управление ВИМ осуществляет микропроцессорная система управления (рисунок 5), которая анализирует изменения фазы измерительной ЭДС и определяет необходимые моменты коммутации обмоток ВИМ, производит

регулирование силового тока в фазных обмотках В ИМ, рассчитывает текущую скорость вращения ротора. Кроме того, согласно требуемому закону регулирования, который зависит от типа механизма, где используется ВИЛ, производится стабилизация скорости вращения ротора.

Разработана система бездатчикового управления ВИМ, на основе которой собран макетный образец электропривода, предназначенный для исследования бездатчикового ВИЛ.

Распределены программно-аппаратные средства микропроцессорной системы управленияи контроллера управления.

Разработаны аппаратные модули макетного образца, рассчитаны его элементы.

Система управления высокого уровня

инфирыгЩйЯ о текущей скорости

Модуль расчета скорости вращения ротора ВИМ

ЗЕ

Модуль вычисления текущего углового положения ротора ВИМ

Измерительная Э^ ~

П"»

III

ЗЕ

Модуль регулятора скорости вращения ротора ВИМ

Модуль регулятора силового тока в обмотках ВИМ

АЦПф]|||

коммутации

Модуль включения/ отключения фазных обмоток ВИМ

Сигнал синхронизации

Модуль формирование ШИМ сигового тока в фажык обмотках ВИМ

Модуль расчета фазы измерительной ЭДС

Модуль формирования сигналов управления ключами коммутатора

Сигналу управления ключами коммутатора

Рис. 6. Структура взаимодействия программно-аппаратных средств контроллера управления.

Разработаны алгоритмы программной части системы управления.

Разработан коммутатор, способный формировать в катушках ВИМ как силовые токи, так и измерительные токи. При этом схема коммутатора будет отличаться от классической.

Схема коммутатора представлена на рисунке 7.

УТО^УТ«^ УГЗЗ ^ЕуТ^-

Рис. 7.Принципиальная схема силового вентильного коммутатора.

.) «|г

Рис. 8.Принцип работы коммутатора.

В приведенной схеме ключи УТ11-УТ13, УТ21 - УТ23коммутируют силовые токи в фазных обмотках машины (данные токи формируют электромагнитный момент машины). Датчики тока ДГ1-ДТЗ измеряют мгновенное значение силового тока в обмотках ВИМ и передают информацию в систему управления. Транзисторы УТ31-УТЗЗ производят выбор фазных обмоток, в которых необходимо модулировать косинусную составляющую квадратуры токов. Ключи УТ41-УТ43 производят выбор фазных обмоток, в которых необходимо модулировать синусную составляющую квадратур токов. Датчики напряжения ДН1-ДНЗ необходимы для измерения ЭДС, наведенной на катушках двигателя измерительными потоками. Диоды \ТЭ11-У013 и У021-У023 используются для вывода электромагнитной энергии из фазных обмоток ВИМ в процессе формирования силового тока. Диоды УОЗЬУОЗЗ, УБ41-УВ43 и У051 - У053 необходимы для исключения возникновения сквозных токов в процессе формирования силовых и измерительных токов. Диоды УБ61-УБ63 совместно с резисторами Ид1-КдЗ исключают возникновение перенапряжения на ключах УТ31-УТЗЗ, УТ41-УТ43 в момент коммутации.

Принцип работы коммутатора показан на рисунке 8 и подробно описан в диссертации.

Для обеспечения работоспособности предлагаемого коммутатора и исключения возникновения сквозных токов требуется осуществлять питание коммутатора и питание источников тока, формирующих квадратурные токи, от гальванически развязанных источников питания.

В среде Ма^аЬ/этиПпк разработана компьютерная имитационная модель трехфазной ВИМ, имеющей 12 зубцов на статоре и 8 на роторе.

При разработке модели ВИМ сделаем следующие допущения:

1. Магнитная проводимость в воздушном зазоре под полюсами статора изменяется ПО СИНуСОИДаЛЬНОМу Закону ОТ ХшшДО Хтпах!

2. Насыщение магнитной цепи обусловлено насыщением зубцовой зоны статора;

3. Магнитная проводимость стали равна бесконечности;

4. Зависимость потокосцепления от тока в фазной обмотке носит нелинейных характер и имеет вид, представленный на рисунке 9.

Так как индуктивность фазы в зависимости от углового положения изменяется по синусоидальному закону, то индуктивность обмотки описывается выражением:

¿(0) = Ьср + Ьл .«,8(0), (14)

Рис.9. Зависимости потокосцепления фазы тока.

Зависимость ф([) при рассогласованном положении

Зависимость при согласованном положении зубцов

где Ьср - среднее значение индуктивности фазной обмотки, ЬА - амплитуда изменения индуктивности.

Если принять, что потокосцепление фазы ВИМ в зависимости от тока в фазной обмотке изменяется согласно рисунку 9, то при ненасыщенной зубцовой зоне статора (приI<1тс), зависимость потокосцепления от тока определяется выражением:

¥(/,®) = /.Д®), (15)

где Ц®)-индуктивность фазной обмотки статора в зависимости от углового положения;

При насыщении зубцовой зоны статора (при 1>1тс), зависимость потокосцепления от тока определяется выражением:

ч-а.®)=кас-1+1иас ■ ь{®)-1тс ■ ьюс, (16)

где ЬНас - индуктивность фазной обмотки при насыщении зубцовой зоны статора, 1нас - ток насыщения

Суммарная ЭДС фазной обмотки ВИМ, включающая ЭДС самоиндукции и ЭДС вращения, рассчитывается как:

Е = (17)

Л

Мгновенный электромагнитный момент, формируемый фазной обмоткой ВИМ, численно равен производной коэнергии по угловому положению ротора. Коэнергия численно равна площади под графиком зависимости потокосцепления фазы от тока. С учетом вышесказанного, мгновенный электромагнитный момент рассчитывается по формуле:

(18)

2 й?©-10

При I < 1нас( 18) приобретает вид:

к ' ; 2 ¿в

При / > 1тс (18) приобретает вид:

Магнитная проводимость под полюсами ВИМ связана с индуктивностью фазной обмотки соотношением:

.Д®).

(21)

где V/ - число витков в фазной обмотке.

Так как фазная обмотка состоит из п катушек, в нашем случае п=4, соединенных последовательно, то можно принять, что индуктивность отдельной катушки рассчитывается по:

_т

>

п

Магнитный поток, создаваемый отдельной катушкой, согласно схеме замещения магнитной цепи, приведенной на рисунке 2, рассчитывается по формуле: Л(в)

(22)

Ф(г,0) = и<-г'

(23)

и®)

гдег - мгновенное значение тока в катушке ВИМ, - сумма проводимостей

под всеми полюсами статора ВИМ.

Согласно приведенным выше математическим соотношением составлена модель обмотки ВИМ.

Составлена модель бездат-чиковой системы управления ВИМ.

Сопоставления результатов исследования, полученных на компьютерной модели и макетном образце, подтвердили адекватность модели.

На основании разработанной функциональной схемы и принципиальной схемы собран макетный образец бездатчикового ВИЛ, в котором реализованы и проверены алгоритмы управления бездатчикового управления ВИМ.

Разработанный макетный образец бездатчикового ВИЛ представлен на рисунке 10.

В четвертой главе приведены результаты исследований, проведенных на макетном образце бездатчикового ВИЛ и компьютерной модели. Произведено исследование информационной системы, отвечающей за идентификацию углового положения ротора и исследование бездатчикового ВИЛ.

Сняты экспериментальные зависимости фазы измерительной ЭДС от углового положений ротора ВИМ.

Рис. Ю.Макетный образец бездатчикового ВИП.

Формирование токоп СплопвМ гок! ^-Г" юггугаки фазы В ■*:рИмгервтелы1ыП тою

Формирование токоп

__СпловпП тою

рТр^ , катушки фазы С ! ГГ. Измерительны!) тою

Формирование токов ^Силовой ТОК! "1 катушки фазы Л •] НгасрлтельиыИ тою *4 кдтушкн биС

Экспериментальная и теоретическая зависимости фазы измерительной ЭДС от углового положения ротора ВИМ имеют одинаковый диапазон изменения фазы измерительной ЭДС в зависимости от углового положения ротора, составляющий 0,68 радиан, что подтверждает верность приведенного математического описания. Но характеристики имеют различное абсолютное значение фазы, это связано с выбором различной точки отчета при расчете фазы измерительной ЭДС при ее экспериментальном измерении.

Сняты и проанализированы экспериментальные зависимости фазы измерительной ЭДС от углового положения

УглоКз« положение ротора.

Рис. П.Семейство экспериментальных зависимостей фазы измерительной ЭДС от углового положения ротора.

ротора (рисунок 11) при выполнении коммутации обмоток ВИМ.

Эксперименты, проведенные на макетном образце и компьютерной модели, показали полное соответствие экспериментальных и теоретических данных, что говорит о возможности массового внедрения предлагаемого способа управления ВИМ.

В работе получены следующие результаты:

1. Предложен метод идентификации углового положения ротора ВИМ, основанный на изменении магнитных проводимостей полюсов в зависимости от углового положения ротора ВИМ. Где для идентификации углового положения ротора в магнитной системе ВИМ дополнительно формируются измерительные потоки, связанные квадратурными соотношениями, и измеряется фаза ЭДС, наведенной суммарным потоком. По фазе ЭДС определяется текущее угловое положение ротора ВИМ. Данный подход позволяет обеспечить работу ВИМ в режиме двигателя и «датчика угловых положений» одновременно, что позволяет и обеспечить контроль углового положения на нулевых скоростях и торможении на выбеге.

2. Показаны принципы бездатчиковой коммутации обмоток ВИМ в зависимости от фазы измерительной ЭДС, отличающиеся различным уровнем пульсации электромагнитного момента ВИМ. Показанные принципы коммутации прошли апробацию на компьютерной модели и макетном образце. Исследования подтвердили реализуемость принципов коммутации.

3. Показана функциональная и принципиальная схемы системы бездатчико-вого управления ВИМ. На основе схем реализован макетный образец бездат-чикового ВИЛ, предназначенный для исследования метода бездатчиковой идентификации углового положения ротора ВИМ и режимов работы машины.

4. В среде Ма1:1аЬ\8шшПпк разработана компьютерная имитационная модель бездатчикового ВИП. Сопоставление экспериментальных данных, получен-

ных на компьютерной модели и макетном образце, подтвердило адекватность модели. .

5. Разработан макетный образец бездатчикового ВИЛ. На макетном образце произведено исследование разработанного метода идентификации углового положения ротора ВИМ и бездатчикового управления ВИМ. Результаты исследования подтвердили верность математического и теоретического описания метода идентификации углового положения ротора и возможность практического применения.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Митрофаненков Ю.Н., Малиновский А.Е. Способ определения углового положения ротора вентильно-индукторной машины. «Вестник МЭИ» -2014 №2-с. 46-50.

2.. Митрофаненков Ю.Н., Малиновский А.Е. Идентификация углового положения ротора вентильно-индукторной машины. «Научное обозрение»-2014 №3. с. 117-123.

3. Митрофаненков Ю.Н., Малиновский А.Е. Варианты бездатчиковой коммутации обмоток вентильно-индукторной машины. «Транспортное дело России» - 2014 №1. с. 81-83.

4. Митрофаненков Ю.Н. Бездатчиковый вентильно-индукторный электропривод. «ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, ЭНЕРГЕТИКА И ЭКОНОМИКА» Сб. трудов 7-ой Межрег. (межд.) науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. В 3 т. Т1. - 2010.- с. 50-53.

5. Митрофаненков Ю.Н. Определение углового положения ротора двигатеш в бездатчиковом вентильно-индукторном электроприводе. «Автоматизированный электропривод и промышленная электроника» Труды Четвертой Всероссийское научно-практической конференции / Под общей редакцией В.Ю. Островлянчика

- Новокузнецк изд-во СибГИУ, 2010 г.- с.250-256.

6. Митрофаненков Ю.Н. Бездатчиковый вентильно-индукторный электро привод.«РАДИОЭЛЕКТРОНИЬСА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА» сем надцатая научно-техническая конференция студентов и аспирантов: тез.докл. М Издательский дом МЭИ, 2011. с. 159-160. j

7. Митрофаненков Ю.Н. Бездатчиковый вентильно-индукторный электро привод«Сборник материалов областного конкурса студенческих научных работ»

- Смоленск: ВА ВПВО ВС РФ издательство «Смоленская городская типография» 2011. с. 194-200.

8. Малиновский А.Е., Митрофаненков Ю.Н. Бездатчико выйвентильно индукторный электропривод. «ЭНЕРГЕТИКА, ИНФОРМАТИКА, ИННОВАЦИИ 2011» - ЭИИ-2011: сб. трудов Международной науч.-техн. конф. В 2 т. Т. 1. Сек ции 1,2,6. Смоленск: РИО филиала ГОУВПО МЭИ(ТУ) в г. Смоленске, 2011. с.44 47.

9. Митрофаненков Ю.Н. Исследование информационной системы бездатчи кового вентильно-индукторного электропривода. «ИНФОРМАЦИОННЫ! ТЕХНОЛГИИ, ЭНЕРГТИКА И ЭКОНОМИКА» Сб. трудов 9-ой Международно!

научно-технической конференции студентов и аспирантов В 3 т. Т2.-2012. - с. 6670.

10. Митрофаненков Ю.Н., Малиновский А.Е. Коммутатор для бездатчико-вого вентильно-индукторного электропривода. «ЭНЕРГЕТИКА, ИНФОРМАТИКА, ИННОВАЦИИ-2012» - ЭИИ-2012: сб. трудов Международной науч.-техн. конф. В 2 т. Т. 1. Секции 1,2,3,4. Смоленск: филиал МЭИ в г. Смоленске, 2012,- с.115-118.

11. Митрофаненков Ю.Н. Способ определения углового положения ротора вентильно-индукгорной машины. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Девятнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов : Тез.докл. В 4 т. Т. 2. М.: Издательский дом МЭИ, 2013- с. 266.

13. Митрофаненков Ю.Н., Исаев Д.С. Микропроцессорная система управления бездатчиковым вентильно-индукторным электроприводом.«ВЕСТНИК Российского национального комитета СИГРЭ».Специальный выпуск № 1. Материалы Молодежной секции РНК СИГРЭ: сборник конкурсных докладов по электроэнергетической и электротехнической тематикам по направлениям исследований СИГРЭ «Энергия-2013». - Иваново: ФГБОУ ВПО Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина, 2013. - с. 423-427.

14. Митрофаненков Ю.Н. Бездатчиковое управление вентильно-индукторной машиной. «Материалы областного конкурса молодых ученых 2013 года» - Смоленск: ОГБУ СПО СПЭК, 2013. - с.223-228.

15. Исаев Д.С., Митрофаненков Ю.Н. Бездатчиковое определение углового положения ротора вентильно-индукторной машины.«Информационные технологии, энергетика и экономика». Сборник трудов 11-й международной научно технической конференции студентов и аспирантов Т 1. - «Универсум», Смоленск. 2014.-с.45-49.

16.Митрофаненков Ю.Н., Исаев Д.С. Лабораторный стенд для исследования бездатчикового вентильно-индукторного электропривода.«Информационные технологии, энергетика и экономика». Сборник трудов 11-й международной научно технической конференции студентов и аспирантов. Т 1. — «Универсум», Смоленск. 2014. - стр.64-67.

Печ. л. 1М

Тираж

40

Заказ

16