автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование двухфазного вентильно-индукторного электропривода насосов горячего водоснабжения

АЛЯМКИН ДМИТРИЙ ИВАНОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ДВУХФАЗНОГО ВЕНТИЛЬНО - ИНДУКТОРНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА НАСОСОВ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы

2 0Е5 2012

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2012

005008752

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированного электроприво да» федерального государственного бюджетного образовательного учреж дения высшего профессионального образования "Национального исследо

вательского университета "МЭИ". Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Козаченко Владимир Филиппович доктор технических наук, профессор Красовский Александр Борисович; капдидат технических наук Резвин Сергей Борисович

Ведущая организация: Федеральное государственное уни-

тарное предприятие «Всероссийский электротехнический институт имени В.И. Ленина»

Защита диссертации состоится 17 февраля 2012 года в 16 час. 00 мин. в аудитории М-611 на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при Московском энергетическом институте по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.13, корп. М.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВГІО "НИУ МЭИ".

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим отправлять по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый Совет МЭИ.

Автореферат разослан « /<*» _________20 /Ц г.

Ученый секретарь

-диссертационного совета Д 212.157.02

к.т.н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Работа направлена на создание нового типа отечественного регулируемого комплектного энерго- и ресурсо-сберегающего электропривода для нужд жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ) страны па базе оригинальных конструкций двухфазных вентильно-индукторных двигателей с самовозбуждением ВИД СВ (в иностранной литературе TPSRM - Two-Phase Switched Reluctance Motor). В последние годы наблюдается бурный рост отечественных и зарубежных исследований в области создания простых по конструкции и надежных электрических машин для электроприводов, где технологичность, простота и низкая цена исполнительного двигателя имеют решающее значение, а требуемые показатели качества достигаются за счет применения интеллектуальных преобразователей с высокопроизводительными цифровыми системами управления. Эти привода разрабатываются для электрического инструмента, насосов, вентиляторов, строительной техники, где требуемый диапазон регулирования скорости невелик (до 10:1), а простота, технологичность и низкая цена исполнительного двигателя имеют решающее значение. Одной из возможных сфер применения подобных систем может быть привод насосов горячего водоснабжения (ГВС).

Для ЖКХ энергосбережение является одной из наиболее важных и приоритетных задач, что связано с большой энергоемкостью данной сферы. Основным энергопотребителем является теплоноситель - вода, поступающая в каждый городской дом для обогрева и поддержания высокого качества жизни людей, проживающих в нем. Доля энергии, затрачиваемой на транспортировку теплоносителя к потребителям мала (менее 2%) по сравнению с энергией, затрачиваемой на нагрев теплоносителя. Это делает горячую воду весьма ценным ресурсом и основные усилия энергосбережения в данной сфере направлены на экономию именно тепловой энергии. Поэтому, создание оборудования, обеспечивающего экономию тепловой и электрической энергии, является актуальной задачей. В работе эта задача решается путем создания автономно работающих локальных узлов автоматизации на базе комплектных электроприводов нового типа, в которых цифровая система управления привода дополнительно выполняет функцию управления технологическим процессом подачи горячей воды по минимуму общих затрат энергии.

Целесообразность такого подхода подтверждается исследованиями ООО "Центртехкомплект", отраженными в диссертации Штина Е.Н.: использование на рециркуляционных насосах ГВС регулируемого электропривода со специальным законом управления скоростью в функции текущего потребления воды дает существенную экономию средств (до 300 тыс. рублей в год с одного объекта по ценам 2008г) без потери качества водоснабжения потребителей. Только в Москве несколько тысяч подобных объектов, поэтому создание относительно простых и дешевых решений для этого класса оборудования - актуальная задача.

Конкурентные преимущества привода с вентильно-индукторным двигателем по сравнению с асинхронным приводом связаны прежде всего с простотой и технологичностью самого двигателя. В работе решаются задачи разработки (

алгоритмов управления двухфазным ВИД СВ, в том числе системы бездатчико-вого управления, обеспечивающей работу электропривода на базе двухфазного ВИД СВ как в зоне высоких, так и в зоне низких, в том числе нулевых, скоростей. При этом устраняется главный недостаток ВИД - наличие датчика положения на валу.

Новая техника требует качественных сравнительных исследований, преодоления психологических проблем при внедрении, поэтому силовой преобразователь разрабатывается как унифицированный, способный управлять как асинхронными двигателями, так и вентильно - индукторными.

Таким образом, актуальность работы состоит в создании нового отечественного конкурентоспособного электропривода для энергосберегающих технологий жилищно-коммунальной сферы г.Москвы.

Разработка нового электропривода объединила усилия большого количества людей, научных групп и предприятий. Эскизное проектирование электродвигателя выполнялось в научной группе Ильинского Н.Ф. (каф. АЭП МЭИ); уточнение геометрии магнитопровода двигателя методами конечноэлементного анализа - научной группой Фисенко В.Г. (каф. Электромеханики МЭИ); проектирование электродвигателя, подготовка конструкторской документации - ОАО "НИПТИЭМ", г.Владимир; изготовление опытных образцов двигателей, изготовление .серийных двигателей - ОАО "ВЭМЗ", г.Владимир; проектирование и производство микропроцессорных контроллеров управления и разработка системы управления - научной группой Козаченко В.Ф. (каф. АЭП МЭИ, ООО "НПФ Вектор", г.Москва); проектирование и производство преобразователей частоты - научной группой Острирова В.Н. (каф. АЭП МЭИ,

ООО "НПП Цикл+", г.Москва); проектирование и производство станций группового управления - ООО "Энергосбережение", г.Пущино; внедряющая организация - ООО "Центртехкомплект"; основной заказчик и потребитель комплектного электропривода-ОАО "МОЭК", г.Москва.

Цель диссертационной работы: Разработка комплекса программноаппаратных средств для исследования и создания двухфазного вентилыго-индукторного электропривода насосов горячего водоснабжения.

Для достижения поставленной пели в диссертационной работе были решены следующие задачи:

1. Разработка компьютерной модели двухфазного вентильно-индукторного двигателя с самовозбуждением, учитывающей нелинейность магнитной системы (кривую намагничивания) двигателя.

2. Разработка компьютерной модели системы управления двухфазным вентильно-индукторным двигателем. Отладка алгоритмов СУ, исследование динамических, режимов машины, прогнозирование углов оптимальной коммутации фаз двигателя, формулирование требований к контроллерной и силовой части проектируемого преобразователя частоты на базе разработанной модели.

3. Создание комплекса программно-аппаратных средств для реализации системы управления двухфазным вентильно-индукторным двигателем.

4. Экспериментальные исследования разработанной системы управления и опытно-промышленных образцов двигателей мощностью 1.1кВт и 2.2кВт в составе лабораторного стенда.

5. Запуск разработанного комплекса программно-аппаратных средств в опытно-промышленную эксплуатацию на ЦТП г.Москвы.

6. Создание системы бездатчикового управления двухфазным вентильноиндукторным двигателем с самовозбуждением с целью снижения стоимости и повышения надежности электропривода вцелом.

7. Алгоритмическое и программное сопровождение внедрения промышленной партии комплектных электроприводов в ЖКХ г. Москвы.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовались:

- теория электропривода и цифрового управления;

- математическая обработка данных с применением высокоуровневого интерпретируемого языка программирования MATLAB;

- методы численного моделирования (Simulink MATLAB) с элементами программирования на языке высокого уровня С++/С;

- методы интерактивной отладки микропроцессорных систем управления с использованием интегрированной среды разработки Code Composer Studio;

- компьютерные методы экспериментальных исследований опытных образцов ВИП с использованием датчиков физических величин.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждена как на этапе экспериментальных исследований на лабораторном стенде, так и внедрением разработанных систем управления в опытнопромышленную и промышленную эксплуатацию.

Научная новизна работы заключается в следующем: v' Разработана унифицированная модель двухфазного вентильноиндукторного двигателя с самовозбуждением, учитывающая нелинейность магнитной системы двигателя.

S Разработана динамическая модель электропривода на базе двухфазного ВИД СВ, включающая в себя модель двигателя, инвертора, системы управления и датчика положения вала ротора низкого разрешения.

^ Разработан оригинальный алгоритм полуавтоматической юстировки датчика положения вала ротора с применением звуковой индикации углового положения обмотками исполнительного двигателя, что существенно упростило и ускорило процедуру настройки датчика, а также повысило точность настройки системы автокоммутации до 3 электрических градусов, v'' Разработана оригинальная система бездатчикового управления двухфазным вентильно-индукторным двигателем с переключаемой структурой наблюдателя, обеспечивающая работу вентильно-индукторного электропривода на базе двухфазного ВИД СВ как в зоне высоких, так и в зоне низких, в том числе нулевых, скоростей.

^ Разработана архитектура и схемотехника высокопроизводительного контроллера для реализации системы управления двухфазным ВИД.

^ Разработан программно-математический аппарат на базе интерполяции кубическими сплайнами и теории электромеханического преобразования энергии, осуществляющий расчет зависимости момента фазы вентильноиндукторного двигателя с самовозбуждением с любым, заданным пользователем разрешением по току фазы и угловому положению вала ротора, из входной зависимости потокосцепления фазы от тока фазы и углового положения вала ротора низкого разрешения, полученной экспериментально или в результате расчета магнитных полей методом конечных элементов.

Основные практические результаты диссертации состоят в экспериментальных исследованиях опытно-промышленных образцов ВИП, обосновании перспективных конструкций двигателей с точки зрения минимизации шумов; во внедрении разработанной датчиковой системы управления в опытнопромышленную эксплуатацию, в частности для центральных тепловых пунктов г.Москвы установлено шесть вентильно-индукторных электроприводов насосов ГВС (три мощностью 1.1 кВт и три мощностью 2.2 кВт) на базе преобразователя частоты Универс2.2(ВИ); во внедрении разработанной бездатчиковой системы управления в промышленную эксплуатацию - на ЦТП г.Москвы внедрено 100 комплектных электроприводов насосов горячего водоснабжения мощностью 2.2 кВт на базе преобразователя частоты ВИП-АД.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на заседании кафедры «Автоматизированного электропривода» Московского энергетического института, а также на XII Международной конференции "Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты" (Алушта, 2008г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 34 пунктов и приложений. Содержание работы изложено на 229 страницах машинописного текста, включает 110 рисунков, 13 таблиц и 2 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы.

В первой главе рассмотрена область применения проектируемого электропривода - рециркуляционные насосы горячего водоснабжения (ГВС), сформулированы основные требования к электроприводу и электродвигателю: мощность 1.1-г2.2 кВт, номинальная частота вращения 3000 об/мин, диапазон регулирования 2:1 вниз от номинальной скорости. При этом электропривод должен обеспечивать стабильность поддержания заданной частоты вращения насоса, однако высокое качество поддержания момента, а также возможность реверсирования двигателя не требуются.

Рассмотрены различные типы вентильно-индукторных машин с разделением по способу возбуждения двигателя (с магнитоэлектрическим, независимым, или самовозбуждением). Показаны преимущества и недостатки рассматриваемых двигателей и электроприводов на их основе, описана рациональная область применения.

Рис.1.

а) геометрия магнитонровода двухфазного вентильно-индукторного двигателя с трехзубцовым

ротором (конфигурация (6/3));

б) момент каждой из фаз двигателя в зависимости от электрического углового положения вала

ротора (I = 7.2А, в = Оэл.град. соответствует положению изображенному нарис.іа).

На основе проведенного анализа обоснована целесообразность применения для насосов горячего водоснабжения, машины малой фазности простой и технологичной конструкции, позволяющей строить силовую часть преобразователя на стандартной элементной базе - двухфазного вентильно-индукторного двигателя с самовозбуждением, выбрана базовая конструкция двигателя.

Сформулированы цели и задачи работы.

Вторая глава посвящена разработке модели двухфазного ВИД СВ с учетом нелинейности магнитной системы двигателя, разработке и исследованию комплексной модели электропривода, включающей в себя модель двигателя, инвертора, системы управления и датчика положения ротора низкого разрешения.

В первой части главы рассмотрена конструкция и принцип работы принятого за основу двухфазного ВИД СВ - рис.1. Момент ВИД СВ не зависит от знака тока, а так как машина двухфазная, то для возможности пуска двигателя зубцы ротора имеют несимметричный скос - см. рисЛа. За счет наличия скоса зона положительного момента каждой из фаз превосходит 180 электрических градусов, то есть при любом положении вала ротора имеется возможность создать положительный момент - рис. 16, что и обеспечивает возможность пуска машины при любом положении вала ротора.

Мш,Н-м

Кратко рассмотрен процесс проектирования машин такого типа и способ получения исходных данных для построения модели электродвигателя с учетом нелинейности магнитной системы, на базе результатов расчетов магнитных полей методами конечно-элементного анализа. На базе результатов этих расчетов показано, что минимальная собственная индуктивность фазы двигателя существенно больше взаимной индуктивности фаз двигателя, поэтому последней можно пренебречь. Таким образом, в качестве исходных данных для построения модели двигателя используется зависимость потокосцепления фазы от тока фазы и углового положения вала ротора ¥ (г, #)|1М1] • Зависимость имеет крайне

низкое разрешение как по току,, так и по угловому положению. Показано, что получить существенно большее разрешение методами конечно-элементного анализа в разумных временных рамках не представляется возможным.

Для увеличения разрешения исходной зависимости У(г,6,)г13хП] реализован в

среде МАТЬАВ алгоритм математической обработки на базе интерполяции кубическими сплайнами, позволяющий получить расширенную поверхность ^(4яи*/>3мв«ы) с любым, заданным пользователем разрешением по току фазы и угловому положению вала ротора - рис.2. Далее на основе теории электромеханического преобразования энергии:

, (1),

--Рп-

5Jco

дв

где Wco - коэнергия:

wco(h,e)= ]тт\.

(2),

разработан и реализован алгоритм получения зависимости момента фазы от тока фазы и углового положения вала ротора Мш = /((мты-Змяы) из поверхности

v extended > extended )

Ч'.Во

в, эл.град.

Рис.2. Использование интерполяции кубическими сплайнами для увеличения разрешения исходных данных:

1 - исходные точки поверхности

2 - точки поверхности расширен^

нойпояюку'ГЦштШ,в)раа7];

. - J

3 - точки поверхности расширенной по току и по углу I

^ (^extended 1 ^extended )]100х200]* j

Ч'М

О, эл.град.

i,A

О, эл.град.

LA

Рис.З. Зависимости, необходимые для построения модели ВИД СВ с учетом нелинейности магншц

ной системы

Подтверждена правильность произведенных вычислений на основе сравнения полученной зависимости Мт = /(гттЛа, 0,шпМ) с проверочными точками, полученными на этапе конечно-элементного анализа. Результирующие зависимости (рис.З) передаются в модель двигателя в виде двоичного файла.

Синтезирована структура модели двухфазного ВИД СВ (рис.4). Рассмотрен алгоритм расчета такой модели на одном интервале дискретизации с учетом полученных ранее зависимостей потокосцепления и момента от тока фазы и углового положения вала ротора (рис.5).

‘¡Ч', Рас чет'ЖаЩ а

ЮВТя

*о-

£/„!

Рис. 4. Схема алгоритма работы модели двигателя (БВН - блок вычисления напряжения, приложенного к фазам двигателя)

1 М» *П М гП г <!)„ 1

і V У р

Ь'.;

ЮВТц

±Цр с±Мг

■ Алгоритм расчета г I модели двигателя | :на одном интервале: дискретизации

^Входные данные^ ¡Расчет фазы а"^

Линейная интерполяция между точками 2-х ближайших зависимостей => получение зависимости

для текущего углового положения вала ротора

Линейная интерполяция между 2-я ближайшими точками => получение значения тока для текущего потокосцепления фазы

Действие №5 выполняется аналогично действиям пунктов №3 и №4, но для зависимостей поверхности

мэма$)

Рис. 5. Блок схема расчета модели двигателя на одном интервале квантования

В среде МАТЬАВ на языке программирования "С" реализована унифицированная модель двухфазного ВИД СВ, учитывающая нелинейность магнитной системы двигателя. Унификация модели заключается в том, что она позволяет производить моделирование любых двигателей такой же конструкции, но с отличающимися электромагнитными параметрами, при этом достаточно передать в модель соответствующий двоичный файл с поверхностями потокосцепления и момента, полученный на этапе математической обработки исходных данных.

На основе полученной модели двухфазного ВИД СВ в среде МАТЬАВ Бь пшНпк разработана комплексная модель электропривода, включающая в себя | модель двигателя, инвертора, системы управления (СУ) и датчика положения вала ротора низкого разрешения (рис.6). Модули, находящиеся в пределах за- I крашенной области, реализованы непосредственно на языке программирования "С". В результате, алгоритмы системы управления, реализованные и отлаженные на языке программирования "С", в последующем могут напрямую переноситься в программное обеспечение разрабатываемого контроллера. Иными ело-вами, определенная часть алгоритмов программного обеспечения (ПО) проектируемого преобразователя частоты (ПЧ) может быть отлажена еще на этапе моделирования. Модули вне закрашенной области реализованы стандартными

Результатом работы, описываемой во второй главе, является комплексная I модель электропривода на базе двухфазного ВИД СВ, позволяющая исследо- 1 вать алгоритмы системы управления с учетом структуры инвертора проектируемого ПЧ, исследовать динамические режимы работы электропривода, получать зависимости углов оптимальной коммутации фаз двигателя и др.

На основе исследования разработанной модели электропривода получены следующие результаты: произведена отладка алгоритмов системы управления,

доработана геометрия магнитопровода машины - увеличена длина магнитопро-вода двигателя с 92мм до 104мм для снижения плотности тока в проводниках двигателя при номинальной нагрузке до допустимых значений, спрогнозированы углы оптимальной коммутации фаз двигателя, обосновано применение простого датчика положения вала ротора низкого разрешения.

Третья глава посвящена разработке аппаратной части и программного обеспечения контроллера управления для решения задач управления электроприводом на базе двухфазного ВИД СВ.

Сформулированы минимальные требования к контроллерной части для реализации СУ двухфазным ВИД СВ. Описана структура разработанного контроллера МК20.1 на базе специализированного микроконтроллера TMS320F28335 компании Texas Instruments, обладающего необходимой периферией и вычислительной мощностью для решения задач управления двигателем, станцией группового управления, взаимодействия с пультом оперативного управления, расходомером, системой верхнего уровня и персональным компьютером. Обоснована избыточность в производительности разработанного контроллера для возможности реализации системы бездатчикового управления. Приведены технические характеристики разработанного контроллера.

Предложена модульная структура программного обеспечения (ПО) контроллера. Обоснована целесообразность применения единой технологии программирования при разработке ПО - дискретных управляющих автоматов с реализацией по методу графов автоматов. На базе этого подхода решены задачи по реализации требуемых структур управления; обеспечению защит ПЧ, двигателя, насоса и оборудования станции группового управления (СГУ); формированию диагностической и статусной информации; обработке команд оперативного управления с пульта оператора и ли от системы управления верхнего уровня; реализации сетевых взаимодействий с расходомером (RS485), пультом оперативного управления, персональным компьютером и системой верхнего уровня по протоколу высокого уровня CANOpen; управлению релейноконтакторной аппаратурой СГУ.

Предложен и реализован оригинальный алгоритм полуавтоматической юстировки датчика положения вала ротора (ДПР) с применением звуковой индикации углового положения обмотками самого двигателя. Реализация данного алгоритма позволила существенно упростить и ускорить процедуру настройки ДПР, а также повысить точность настройки до трех электрических градусов. •

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям электропривода. Испытания ПО и опытных образцов двигателей производилось как на лабораторном стенде, так и на ДТП г. Москвы в рамках опытно-промышленной эксплуатации.

В первой части главы приведены результаты отладки ПО ядра СУ двухфазным ВИД СВ. Показано полное соответствие результатов, получаемых на реальном оборудовании с результатами, полученными на этапе моделирования электропривода.

Во второй части главы приведены результаты исследований опытных образцов двигателей на лабораторном стенде, а также результаты опытнопромышленной эксплуатации.

Лабораторные исследования проводились на кафедре АЭП МЭИ (ТУ) с применением опытных образцов двухфазных ВИД СВ мощностью 1.1 кВт и 2.2 кВт производства Владимирского электромоторного завода.

Описан созданный лабораторный стенд. Рассмотрены конструкции и основные отличия опытных образцов двигателей.

Произведено сравнение экспериментальных угловых моментных характеристик опытных образцов двигателей с теоретическими характеристиками. Получен интересный результат - любой теоретической угловой моментной характеристике при токе фазы I точно соответствует экспериментальная характеристика, но при токе фазы на 16% больше (1.36 •/). На основе дальнейшего анализа характеристик, взаимодействия с представителями завода изготовителя, а также результатов промышленного внедрения серийных двухфазных ВИД СВ показано, что расхождение объясняется применением для изготовления листов магнитопровода двигателей метода лазерной резки. Это несколько увеличивает эффективный воздушный зазор, что, в свою очередь, при заданном моменте увеличивает уровень тока машины. Для серийных образцов двигателей, для которых листы магнитопровода изготавливались методом штамповки, номинальный уровень тока двигателя ниже на 18% (по сравнению с опытными образцами двигателей), а расхождение между теоретическими и реальными моментными характеристиками не превышает 2%, что полностью подтверждает правильность созданных в работе математических моделей и высокую точность проектных расчетов.

Представлены результаты тепловых, шумовых и вибрационных испытаний опытных образцов двигателей ДВИ1.1 У(6/3), ДВИ1.1Н(8/4) и ДВИ2.2Щ8/4).

Тепловые испытания показали, что все опытные образцы двигателей находятся в нормальном температурном режиме, имеют большой запас по допусти-

мой температуре и могут использоваться в качестве приводных двигателей заявленных мощностей.

Шумовые испытания показали, что двигатели ДВИ1.1У(6/3) имеют повышенный уровень шума, достигающий 77 дБА при работе машины на холостом ходу. Для снижения уровня шума предложен и реализован алгоритм профилирования формы тока на интервале коммутации, позволяющий снизить уровень шума двигателя в среднем на 5 дБ А, а максимальный уровень шума - до 67 дБА. Однако, такое решение несколько снижает КПД электропривода (при номинальной нагрузке на 1.5%).

Проведенный анализ показал, что повышенный уровень шума ВИД с трехзубцовым ротором обусловлен наличием неуравновешенной силы радиального тажения ротора, связанный с конструкцией машины. Была предложена новая симметрированная конструкция двигателя с восемью зубцами на статоре п четырьмя на роторе, в которой неуравновешенные силы радиального тяжепия отсутствуют. Были изготовлены опытные образцы двигателей улучшенной конструкции ДВИ1.1Н(8/4) и ДВИ2.2Н(8/4), испытания которых показали: уровень шума не более 65дБА даже без профилирования формы тока. Этот показатель соответствует уровню шума асинхронных двигателей аналогичной мощности. Даны рекомендации по промышленному производству ВИД симметрированной конструкции.

Представлены результаты опытно-промышленной эксплуатации шести электроприводов на основе опытных образцов ВИД СВ с конфигурацией (8/4) мощностью 1.1 кВт и 2.2 кВт в составе энергосберегающего оборудования на ЦТП города Москвы, которая полностью подтвердила работоспособность созданных программно-аппаратных средств. Полученный опыт эксплуатации позволил выработать стратегию дальнейшего совершенствования разработанного электропривода: целесообразность объединения станции.группового управления с бескорпусным преобразователем частоты в едином конструктиве; реализацию поддержки преобразователем частоты функций полноценного управления как двухфазным ВИД СВ, так и асинхронным двигателем. Указанные усовершенствования позволили снизить стоимость электропривода, увеличить его надежность, обеспечить равномерное использование ресурсов насосных агрегатов, исключить эффекты застаивания оборудования и преждевременного выхода его из строя.

Пятая глава посвящена разработке алгоритмов бездатчикового управления (БУ) двухфазным ВИД СВ. Основной особенностью предлагаемых алгоритмов является учет возможностей преобразователя частоты по определению всех необходимых параметров для работы наблюдателя на этапе автоматической идентификации параметров. Такой подход при построении наблюдателя позволяет полностью исключить необходимость вмешательства человека в процесс настройки БУ, что существенно ускоряет и упрощает процесс ввода электропривода в эксплуатацию.

В первой части главы рассматриваются принципы построения алгоритмов БУ в зоне высоких скоростей. Описан исходный алгоритм наблюдателя, выде-

ляющего угловое положение на основе сравнения текущего потокосцепления фазы, вычисляемого по формуле

'Г=1(и-1-Л)А (3),

со значением потокосцепления фазы для текущего значения тока в согласованном положении вала ротора. То есть наблюдатель имеет две точки (точки синхронизации) в которых происходит обновление углового положения вала ротора, соответствующие условиям ¥а0а к) = ^Т'(К к) для Фазы А и ХУЬ(гь к)-'¥°ьгл (Ц к) для фазы В. Показано, что исходный алгоритм имеет ряд недостатков. Первый недостаток связан с тем, что малейшая ошибка в подынтегральном выражении (ошибка в оценке напряжения и, тока / или сопротивления фазы Е) приводит к накоплению ошибки в вычислении потокосцепления на интервале коммутации фазы, что при определенных условиях может приводить к пропуску точки синхронизации и нестабильной работе наблюдателя и двигателя. Второй недостаток связан с тем, что исходный алгоритм накладывает ограничения на допустимые углы коммутации, а именно: угол опережения выключения фазы всегда должен быть нулевым (нейтральная коммутация по выключению), что существенно снижает эффективность работы машины на высоких скоростях.

Для устранения указанных недостатков реализован алгоритм, сдвигающий точку синхронизации наблюдателя к центру интервала проводимости. При этом точке синхронизации соответствует выполнение условия:

Ч'т^>Ксшар:Ч'— (4),

где К ■= 0^-1 - коэффициент, определяющий отношение потокосцепления

фазы в точке синхронизации к потокосцеплению фазы в согласованном положении.

Точка синхронизации при этом оказывается на возрастающем участке зависимости х¥(1,в), поэтому ошибка интегрирования не приводит к пропуску точки синхронизации, т.к. условие (4) все равно будет выполняться. Естественно, ошибка интегрирования должна быть меньше, чем запас, предоставляемый коэффициентом К , т.е. должно выполняться условие:

^интегрирования ^ ^ ^ _ \^/согл.

Введение алгоритма позволило обеспечить работу двигателя с требуемыми углами коммутации во всем диапазоне скоростей двигателя, а также исключить возможность пропуска точки синхронизации наблюдателя даже при наличии ошибки в вычисленном потокосцеплении. Однако, модернизированный алгоритм не только избавился от старых недостатков, но и привнес новый - точки синхронизации наблюдателя, определяемые коэффициентом Кстхр , оказываются не жестко привязанными к магнитной геометрии двигателя. Они могут смещаться в сторону опережения или отставания в зависимости от уровня тока фазы, т.е. в зависимости от текущей нагрузки привода, что связано с эффектом насыщения мапштопровода двигателя (рис.7).

Для компенсации "плавания" точки синхронизации в зависимости от уровня тока разработан алгоритм автоматической подстройки углов коммутации, I обеспечивающий поиск оптимальных углов коммутации фаз двигателя в процессе работы привода. Поиск оптимальных углов осуществляется в функции двух переменных: уровень тока двигателя (минимизируемая переменная), ско-I рость (максимизируемая переменная). Работа алгоритма основана на непрерывном малом изменении угла коммутации, оценке динамики изменения на-| блюдаемых переменных и формировании результирующего решения (используются принципы фаззи-логики) по дальнейшему направлению изменения оп-| тимизируемого угла. Подстройка углов осуществляется попеременно.

Рис. 7, Траектория точки синхронизации наблюдателя при = 0.7

(ДВИ1.1 У(6/3) фаза А)

Таким образом, фазы двигателя, за счет алгоритма автоподстройки, всегда I (в статике) будут коммутироваться оптимально и совершенно не важно, где I фактически находится точка синхронизации наблюдателя, главное чтобы она в принципе была. Реализация алгоритма позволила обеспечить качественную работу БУ (с точки зрения энергетики двигателя) во всем диапазоне изменения скорости и тока двигателя. Кроме того, наличие алгоритма автоподстройки по; зволяет исключить необходимость пользователю формировать таблицу углов I коммутации вручную.

Большое внимание в данной части главы уделено точности вычисления потокосцепления, определяемой ошибками в параметрах подынтегральной части формулы (3). Доказано, что основная часть погрешности обусловлена напряжением, приложенным к фазе, вычисляемым по известному состоянию | ключей инвертора. Показано, что для качественной работы наблюдателя БУ необходимо при вычислении напряжения приложенного к фазе двигателя, учитывать не только текущее состояние ключей инвертора и значение тока фаз, но и I переходной процесс переключения ключей с учетом времени включения, вы-I ключения, а также, в определенных условиях, падение напряжения на полупроводниковых элементах. Реализация алгоритмов уточненного расчета прикладываемого к фазам напряжения улучшила качество работы наблюдателя и позволила расширить диапазон работы БУ. В результате алгоритм БУ в зоне высоких скоростей обеспечил стабильную и надежную работу двигателя в диапазоне

Ч'.Вб

в , эл,град.

скоростей 300 т- 6000 об/мин (осциллограммы работы наблюдателя см. на рис.8). ■

Несмотря на все меры по уменьшению ошибки интегрирования потокосцепления, на скоростях ниже 300 об/мин интервал коммутации фазы становится очень продолжительным по времени, что увеличивает накопленную ошибку интегрирования до критических значений и делает алгоритм БУ неработоспособным. Поэтому вторая часть данной главы посвящена разработке наблюдателя углового положения вала ротора для диапазона низких скоростей.

Интервалы работы фаз определяются оптимальными

Рис.8. Осциллограммы работы алгоритма БУ в зоне высоких скоростей

Показано, что на низких скоростях для уменьшения накапливающейся | ошибки интегрирования при вычислении потокосцепления можно применять принцип деления интервала проводимости фазы на короткие по времени отрезки (далее принцип прерывания тока), за которые ошибка интегрирования не успевает достичь критических значений. В конце каждого такого короткого отрезка происходит выключение фазы и спадание тока до нуля. При этом лото-косцепление также обнуляется, что, естественно, сбрасывает накопившуюся ошибку интегрирования. После этого фаза вновь включается на заданное зна-I чение тока и начинается новый временной интервал. 1

Рассмотрен вариант наблюдателя для диапазона низких скоростей, анало- I гичный наблюдателю для верхнего диапазона скоростей, но вдобавок использующий принцип прерывания тока. Экспериментально подтверждена его рабо- 1 тоспособность на низких и нулевых скоростях. Показано, что недостатком та- 1 кого алгоритма БУ является высокий уровень шума при наличии нагрузки на г валу двигателя, что является следствием постоянного прерывания тока рабочей фазы.

В результате, предложен альтернативный метод БУ на низких скоростях, >

использующий для вычисления положения вала ротора нерабочую в данный момент фазу двигателя. При создании тока в нерабочей фазе используется тот же принцип прерывания тока для минимизации ошибки интегрирования при

I вычислении потокосцепления. При этохМ уровень тока в нерабочей фазе созда- (

ется настолько низкий, насколько это возможно для исключения создания от- 1 рицательного момента и звуковых эффектов, но достаточный для корректного вычисления потокосцепления. Рабочая же фаза включается на весь интервал

проводимости с постоянным током, определяемым уровнем нагрузки на валу двигателя, то есть алгоритм прерывания тока для нее не используется, что исключает звуковые эффекты при большом уровне тока (наличии нагрузки на валу двигателя).

Подробно рассмотрена реализация данного алгоритма. Показано, что для определения точки синхронизации целесообразно использовать не значение по-токосцепления, а значение индуктивности фазы. Это позволяет существенно упростить наблюдатель и сократить объем необходимой для его работы информации (на порядок) за счет того, что индуктивность фазы в рассогласованном положении не зависит от уровня тока фазы. Работоспособность алгоритма (в том числе на нулевых скоростях) подтверждена экспериментально. Осциллограммы работы БУ в диапазоне низких скоростей представлены на рис.9,10.

Уровень тока определяется регулятором тока, фаза создает момент машины

В согласованных положениях

Ниже этой границы наблюдателю разрешено использовать индуктивность для определения точки синхронизации. Выше наблюдатель не работает, чтобы не учитывать пульсации см. - - * *

Уровень тока низкий, фаза испопьзуется для определения положения вала ротора

Работа алгоритма прерывания тока - ка осциллограме видны не все моменты из-за большого прореживания

пт

В рассогласованном положениии качество поддержания тока ухудшается (маленькая индуктивность), поэтому строить наблюдатель на базе потокосцепления нецелесообразно. Лучше по индуктивности.

Рис.9. Осциллограмма работы наблюдателя в диапазоне низких скоростей в малом

Щ

I

і і

! •

. л 23*

В начальный момент определяемая индуктивность искусственно установлена выше, чтобы в последующем правильно находить минимум

Экстраполируемое угловое положение вала ротора (расчитывается из этого угла)-

^Угловое положение вала ротора, полученное на основе точек синхронизации наблюдателя (дискретность 180 эл. градусов)

Ж*Ъ

Интервалы работы фаз одинаковы и сотавляют 180 электрических градусов

:!НИ. !.:и

Рис.10. Осциллограмма работы наблюдателя е диапазоне низких скоростей в большом

В главе уделено внимание ряду моментов, реализация которых позволила обеспечить качественную и надежную работу реализованного алгоритма: про-17-

граммной компенсации эффекта взаимного влияния тока одной фазы на измерение тока другой; алгоритму старта, обеспечивающему правильную инициализацию наблюдателя; алгоритму детектирования обратного вращения вала ротора, исключающему возможность вращения двигателя в обратном направлении. В результате разработанный алгоритм БУ в зоне низких скоростей обеспечил стабильную и надежную работу двигателя в диапазоне скоростей 0 -г 700 об/мин (верхняя граница обусловлена тем, что коммутация фаз с интервалом проводимости в 180 электрических градусов и нулевыми углами коммутации становится нецелесообразной).

Третья часть главы посвящена разработке алгоритма автоматической идентификации параметров, необходимых для работы БУ. Последовательно рассмотрены этапы идентификации, позволяющие определить параметры и зависимости, необходимые для работы БУ как в диапазоне верхних скоростей, так и в диапазоне низких скоростей. Последовательность идентификации строится так, чтобы минимизировать количество этапов и время процедуры идентификации. При этом, каждый этап, помимо решения собственной задачи, обеспечивает подготовку к следующему этапу. Показано, что процедура идентификации может быть успешно объединена с процедурой старта двигателя, что ускоряет процесс запуска, а также исключает необходимость вмешательства наладчика в настройку БУ даже при замене двигателя.

Реализация алгоритма автоматической идентификации параметров позволила полностью исключить необходимость вмешательства оператора в настройку системы БУ, что в разы ускоряет процесс настройки электропривода. При этом настройка электропривода с БУ по времени стала менее продолжительной, чем настройка электропривода с ДПР (за счет отсутствия операции по юстировке датчика).

Таким образом, создана система бездатчикового управления двухфазным ВИД СВ с переключаемой структурой наблюдателя, надежно работающая как в зоне низких, в том числе нулевых, так и в зоне высоких скоростей. Переключение между алгоритмом низких и высоких скоростей осуществляется с гистерезисом для исключения возможности дребезга алгоритмов - переход из алгоритма низких скоростей в алгоритм высоких скоростей осуществляется при 500 об/мин. Переход из алгоритма высоких скоростей в алгоритм низких скоростей осуществляется при 300 об/мин.

Разработанная система бездатчикового управления обеспечивает следующие показатели:

■ диапазон стабильной работы наблюдателя углового положения вала ротора О-гбООО об/мин;

■ диапазон регулирования скорости вниз от номинальной (3000 об/мин) 20:1, при изменении момента на валу двигателя от нуля до номинального значения (нижняя граница определяется качеством поддержания скорости, а не наблюдателем);

■ диапазон регулирования скорости вверх от номинальной - не менее 2:1 (верхняя граница определяется подшипниками, а не наблюдателем), при изменении нагрузки на валу двигателя по закону постоянства мощности;

■ точность поддержания скорости по отношению к номинальной скорости ±0.3%.

Разработанная система бездатчикового управления прошла испытания как в лабораторных условиях, так и в условиях ЦТП и подтвердила свою работоспособность. В настоящее время все электропривода на базе СГУ ГВС -2.2(ВИП) с бескорпусным преобразователем частоты ВИП-АД (по состоянию на март 2011 года, в эксплуатацию введено 100 комплектных электроприводов мощностью 2.2кВт) работают в бездатчиковом режиме работы.

В заключении обобщены основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработан программно-математический аппарат на базе интерполяции кубическими сплайнами и теории электромеханического преобразования энергии для синтеза зависимостей потокосцепления фазы и электромагнитного момента машины с высоким разрешением по результатам расчета ВИД методом конечных элементов.

2. Разработана унифицированная модель двухфазного вентильно-индукторного двигателя с самовозбуждением, учитывающая нелинейность магнитной системы двигателя и полная динамическая модель электропривода, удобные для анализа и синтеза оптимальных алгоритмов управления ВИД.

3. Разработан и изготовлен специализированный контроллер МК20.1, обладающий необходимой производительностью и периферией для решения задач управления электроприводом рециркуляционных насосов горячего водоснабжения.

4. Разработано модульное программное обеспечение для реализации комплекса функций преобразователя частоты по управлению электроприводом рециркуляционных насосов горячего водоснабжения.

5. Произведены испытания опытных образцов двухфазных вентильноиндукторных двигателей с самовозбуждением мощностью 1.1 кВт и 2.2 кВт с различной конфигурацией магнитной системы двигателя. Получены момент-ные, тепловые, шумовые и вибрационные характеристики двигателей. Обоснована конструкция ВИД с симметрированным ротором, обеспечивающая снижение уровня шума ВИД до уровня шума асинхронных двигателей.

6. Осуществлена опытно-промышленная эксплуатация шести электроприводов на основе опытных образцов ВИД СВ с конфигурацией (8/4) мощностью 1.1кВт и 2.2 кВт на базе преобразователей частоты Универс2.2(ВИ) в составе энергосберегающего оборудования на ЦТП города Москвы.

7. Разработана система бездатчикового управления двухфазным ВИД СВ с переключаемой структурой наблюдателя для обеспечения работы вентильноиндукторного электропривода как в зоне низких, в том числе нулевых, так и в зоне высоких скоростей.

8. Разработанный комплекс программно-аппаратных средств, в том числе система бездатчикового управления, прошел полноценные испытания, как в лабораторных условиях, так и в условиях ЦТП в составе энергосберегающего

оборудования и полностью подтвердил свою работоспособность. Разработанный комплекс принят за основу при серийном производстве бескорпус-ных преобразователей частоты ВИП-АД, входящих в состав станции группового управления СГУ ГВС-2.2(ВИП) для рециркуляционных насосов горячего водоснабжения мощностью 2.2кВт. По состоянию на март 2011 года, в промышленную эксплуатацию на ЦГП города Москвы внедрено 100 комплектных электроприводов.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. Алямкин Д.И. Алгоритмы бездатчикового управления двухфазным вентильно-индукторным двигателем // Электричество - М.: ЗАО "Знак", 2011. - №8. - с.49-56.

2. Алямкин Д.И., Анучин A.C., Дроздов А.В., Козаченко В.Ф., Тарасов

A.C., Встраиваемые высокопроизводительные цифровые системы управления. Практический курс разработки и отладки программного обеспечения сигнальных микроконтроллеров TMS320x28xxx в интегрированной среде Code Composer Studio: Учебное пособие // - М: Издательский дом МЭИ, 2010. - 270с.

3. Алямкин Д.И., Бычкова Е.В., Крылов Ю.А. Сорокин A.B., Фисенко

B.Г. Двухфазный вептилыго-индукторный электропривод насосов горячего водоснабжения. - Труды ХП-Международной конференции Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты, г.Алушта - 2008. - с.194.

4. Козаченко В.Ф., Алямкин Д.И. Жарков А.А., Опыт разработки и применения высокопроизводительных модульных систем управления силовыми преобразователями и комплектными электроприводами //"ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес" - М.: РИД "Техносфера", 2008. - №12. - с.15-23.

5. Козаченко В.Ф., Алямкин Д.И. Жарков A.A., Высокопроизводительные модульные системы в управлении электроприводами //"ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес" - М.: РИЦ "Техносфера", 2008. - №8. - с.84-89.

Печ. л. f,Aà

Тираж WO

Заказ ±

61 12-5/1460

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ЕОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "МЭИ

На правах рукописи

АЛЯМКИН ДМИТРИЙ ИВАНОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ДВУХФАЗНОГО ВЕНТИЛЬНО - ИНДУКТОРНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА НАСОСОВ

ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Козаченко В.Ф.

Москва 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................5

ГЛАВА 1. КОНСТРУКЦИИ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ, ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ. ВЫБОР БАЗОВОЙ КОНСТРУКЦИИ............................................................................11

1.1 Формулировка требований к электроприводу насосов горячего водоснабжения.......................................................................................................................11

1.2 Типы вентильно-индукторных двигателей.........................................................14

1.2.1 Вентильно-индукторный двигатель с постоянными магнитами....................14

1.2.2 Вентильно-индукторный двигатель с независимым возбуждением..............14

1.2.3 Вентильно-индукторные двигатели с самовозбуждением..............................19

1.2.3.1 Двухфазные вентильно-индукторные двигатели с самовозбуждением (ГРвЯМ).........................................................................................................................25

1.3 Выбор базовой конструкции двигателя. Формулирование целей и задач работы......................................................................................................................................30

1.4 Выводы по главе........................................................................................................33

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ДВУХФАЗНЫМ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ......34

2.1 Модель двухфазного вентильно-индукторного двигателя с самовозбуждением, учитывающей нелинейность магнитной системы двигателя..35

2.1.1 Конструкция и принцип работы двухфазного вентильно-индукторного двигателя с самовозбуждением..........................................................................................35

2.1.2 Исходные данные для построения модели.......................................................36

2.1.3 Математическая обработка исходных данных для увеличения разрешения поверхности зависимости потокосцепления фазы от тока фазы и углового положения вала ротора...........................................................................................................................39

2.1.4 Применение энергетического подхода для получения поверхности зависимости момента фазы от тока фазы и углового положения вала ротора..............44

2.1.5 Верификация произведенной математической обработки исходных данных.................................................................................................................................47

2.1.6 Построение модели двигателя............................................................................48

2.1.7 Реализация модели двигателя в среде МАТЬАВ.............................................52

2.2 Разработка компьютерной модели системы управления двухфазным вентильно-индукторным двигателем................................................................................54

2.2.1 Структура системы управления.........................................................................54

2.2.2 Реализация модели системы управления в среде численного моделирования МАТЬАВ..............................................................................................................................56

2.2.2.1 Модуль системы управления..........................................................................58

2.2.2.1.1 Принципы релейного регулирования токов фаз..............................................................59

2.2.2.1.2 Понятие углов коммутации................................................................................................63

2.2.2.2 Модуль обработки сигналов датчика положения ротора...........................-.67

2.2.2.2.1 Квадратурное декодирования сигналов датчика положения..........................................68

2.2.2.2.2 Модуль программной экстраполяции угла.......................................................................70

2.2.2.2.3 Модуль расчета скорости...................................................................................................73

2.2.3 Обоснование применения датчика положения ротора низкого разрешения.74

2.2.4 Алгоритм определения зависимостей оптимальных углов коммутации в функции скорости двигателя..............................................................................................78

2.2.5 Доработка геометрии магнитопровода двигателя............................................84

2.3 Выводы по главе........................................................................................................85

ГЛАВА 3. СИНТЕЗ АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ И МОДУЛЬНОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВУХФАЗНЫМ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ.....................................................................................................87

3.1 Синтез аппаратных средств для реализации СУ двухфазным ВИД...............87

3.1.1 Минимальные требования к контроллеру для реализации СУ двухфазным видев...............................................................................................................................87

3.1.2 Состав модулей, основные интерфейсы и технические данные контроллера МК20.1 ................................................................................................................................91

3.2 Разработка унифицированного программного обеспечения для реализации системы управления...........................................................................................................100

3.2.1 Структура ядра системы управления двухфазным ВИД СВ.........................100

3.2.2 Схема организации программного обеспечения............................................103

3.2.3 Использование принципа дискретных автоматов при построении ПО.......106

3.2.4 Алгоритм настройки датчика положения вала ротора..................................111

3.2.5 Таблица углов коммутации..............................................................................116

3.3 Выводы по главе......................................................................................................118

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА........................................................................................120

4.1 Отладка элементов системы управления...........................................................120

4.1.1 Блок обработки сигналов датчика положения................................................121

4.1.2 Блок регулирования токов фаз.........................................................................124

4.1.2.1 Блок релейного регулирования токов..........................................................125

4.1.2.2 Блок формирования заданий........................................................................126

4.1.2.3 Блок формирования фронтов тока...............................................................127

4.2 Экспериментальные исследования опытных образцов электродвигателей на лабораторном стенде...........................................................................................................130

4.2.1 Испытательный стенд.......................................................................................130

4.2.2 Опытные образцы двигателей..........................................................................133

4.2.3 Угловые моментные характеристики двигателей. Сопоставление экспериментальных данных с теорией............................................................................137

4.2.4 Тепловые испытания.........................................................................................145

4.2.5 Вибрационные испытания................................................................................145

4.2.6 Шумовые испытания.........................................................................................147

4.2.7 Результаты испытаний опытных образцов двухфазных ВИД СВ в лабораторных условиях....................................................................................................150

4.3 Опытно промышленная эксплуатация двухфазного вентильно-индукторного электропривода в составе комплектного энергосберегающего оборудования........................................................................................................................152

4.4 Выводы по главе......................................................................................................162

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ БЕЗДАТЧИКОВОГО УПРАВЛЕНИЯ ДВУХФАЗНЫМ ВИД СВ...................................................165

5.1 Исходные данные.....................................................................................................165

5.2 Принцип работы в зоне высоких скоростей. Основной алгоритм работы.. 168

5.2.1 Учет конфигурации ключей инвертора и потерь на силовых элементах (транзисторах и диодах)....................................................................................................175

5.2.2 Алгоритм автоматической подстройки улов коммутации............................184

5.3 Принцип работы наблюдателя положения в зоне низких и нулевых скоростей...............................................................................................................................190

5.3.1 Компенсация взаимного влияния токов фаз...................................................202

5.3.2 Алгоритм детектирования обратного вращения вала ротора.......................207

5.4 Идентификация параметров двигателя..............................................................210

5.5 Выводы по главе........................................................................................... 216

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..............................................................................Л24

ПРИЛОЖЕНИЕ 1...........................................................................................'.'226

Данные машины ДВИ1.Щ6/3).........................................................................................226

ПРИЛОЖЕНИЕ 2...................................................................................1Т.У..228

Введение

Работа направлена на создание нового типа отечественного регулируемого комплектного энерго- и ресурсо-сберегающего электропривода для нужд жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ) страны на базе оригинальных конструкций двухфазных вентильно-индукторных двигателей с самовозбуждением ВИД СВ (в иностранной литературе TPSRM - Two-Phase Switched Reluctance Motor). В последние годы наблюдается бурный рост отечественных и зарубежных исследований в области создания простых по конструкции и надежных электрических машин для электроприводов, где технологичность, простота и низкая цена исполнительного двигателя имеют решающее значение, а требуемые показатели качества достигаются за счет применения интеллектуальных преобразователей с высокопроизводительными цифровыми системами управления. Эти привода разрабатываются для электрического инструмента, насосов, вентиляторов, строительной техники, где требуемый диапазон регулирования скорости невелик (до 10:1), а простота, технологичность и низкая цена исполнительного двигателя имеют решающее значение. Одной из возможных сфер применения подобных систем может быть привод насосов горячего водоснабжения (ГВС).

Для ЖКХ энергосбережение является одной из наиболее важных и приоритетных задач, что связано с большой энергоемкостью данной сферы. Основным энергопотребителем является теплоноситель - вода, поступающая в каждый городской дом для обогрева и поддержания высокого качества жизни людей, проживающих в нем. Доля энергии, затрачиваемой на транспортировку теплоносителя к потребителям мала (менее 2%) по сравнению с энергией, затрачиваемой на нагрев теплоносителя. Это делает горячую воду весьма ценным ресурсом и основные усилия энергосбережения в данной сфере направлены на экономию именно тепловой энергии. Поэтому, создание оборудования, обеспечивающего экономию тепловой и электрической энергии, является актуальной задачей. В работе эта задача

решается путем создания автономно работающих локальных узлов автоматизации на базе комплектных электроприводов нового типа, в которых цифровая система управления привода дополнительно выполняет функцию управления технологическим процессом подачи горячей воды по минимуму общих затрат энергии.

Целесообразность такого подхода подтверждается исследованиями ООО "Центртехкомплект", отраженными в диссертации Штина E.H.: использование на рециркуляционных насосах ГВС регулируемого электропривода со специальным законом управления скоростью в функции текущего потребления воды дает существенную экономию средств (до 300 тыс. рублей в год с одного объекта по ценам 2008г) без потери качества водоснабжения потребителей. Только в Москве несколько тысяч подобных объектов, поэтому создание относительно простых и дешевых решений для этого класса оборудования - актуальная задача.

Конкурентные преимущества привода с вентильно-индукторным двигателем по сравнению с асинхронным приводом связаны прежде всего с простотой и технологичностью самого двигателя. В работе решаются задачи разработки алгоритмов управления двухфазным ВИД СВ, в том числе системы бездатчикового управления, обеспечивающей работу электропривода на базе двухфазного ВИД СВ как в зоне высоких, так и в зоне низких, в том числе нулевых, скоростей. При этом устраняется главный недостаток ВИД - наличие датчика положения на валу.

Новая техника требует качественных сравнительных исследований, преодоления психологических проблем при внедрении, поэтому силовой преобразователь разрабатывается как унифицированный, способный управлять как асинхронными двигателями, так и вентильно - индукторными.

Таким образом, актуальность работы состоит в создании нового отечественного конкурентоспособного электропривода для энергосберегающих технологий жилищно-коммунальной сферы г.Москвы.

Разработка нового электропривода объединила усилия большого количества людей, научных групп и предприятий. Эскизное проектирование электродвигателя выполнялось в научной группе Ильинского Н.Ф. (каф. АЭП МЭИ(ТУ)); уточнение геометрии магнитопровода двигателя методами конечно-элементного анализа - научной группой Фисенко В.Г. (каф. Электромеханики МЭИ(ТУ)); проектирование электродвигателя, подготовка конструкторской документации - ОАО "НИПТИЭМ", г.Владимир; изготовление опытных образцов двигателей, изготовление серийных двигателей - ОАО "ВЭМЗ", г.Владимир; проектирование и производство микропроцессорных контроллеров управления и разработка системы управления - научной группой Козаченко В.Ф. (каф. АЭП МЭИ(ТУ), ООО "НПФ Вектор", г.Москва); проектирование и производство преобразователей частоты - научной группой Острирова В.Н. (каф. АЭП МЭИ(ТУ), ООО "НПП Цикл+", г.Москва); проектирование и производство станций группового управления - ООО "Энергосбережение", г.Пущино; внедряющая организация - ООО "Центртехкомплект"; основной заказчик и потребитель комплектного электропривода - ОАО "МОЭК", г.Москва.

В первой главе рассмотрена предполагаемая область применения проектируемого электропривода, сформулированы основные требования к электроприводу и электродвигателю. Рассмотрены различные типы вентильно-индукторных машин (классификация по способу возбуждения двигателя). Показаны основные преимущества и недостатки рассматриваемых двигателей и электроприводов на их основе, кратко описана рациональная область применения.

Обоснована целесообразность применения для насосов горячего водоснабжения машины малой фазности - двухфазного вентильно-индукторного двигателя с самовозбуждением, выбрана базовая конструкция двигателя.

Сформулированы цели и задачи работы.

Во второй главе рассмотрена конструкция и принцип работы принятого за основу двухфазного вентильно-индукторного двигателя с самовозбуждением.

Кратко рассмотрен процесс проектирования машин такого типа и способ получения исходных данных для построения модели электродвигателя с учетом нелинейности магнитной системы.

Описана методика и реализован в среде МАТЬАВ алгоритм математической обработки исходных данных - зависимости потокосцепления фазы от тока фазы и углового положения вала ротора на базе интерполяции кубическими сплайнами для увеличения разрешения зависимости, как по току, так и по положению. Отражены результаты математической обработки исходных данных.

Показан принцип получения зависимости момента фазы от тока фазы и углового положения вала ротора из поверхности потокосцеплений на основе теории электромеханического преобразования энергии [9,11].

Синтезирована структура модели двухфазного ВИД СВ. Описан алгоритм расчета такой модели на одном интервале дискретизации с учетом полученных ранее зависимостей потокосцепления и момента от тока фазы и углового положения вала ротора. В среде МАТЬАВ реализована унифицированная модель двухфазного ВИД СВ, учитывающая нелинейность магнитной системы.

Рассмотрена структура системы управления двухфазным ВИД СВ, рассмотрены вопросы создания комплексной модели электропривода, включающей в себя модели двигателя, инвертора, системы управления и датчика положения вала ротора. Обоснована реализация элементов модели непосредственно на языке программирования "С".

Представлены основные результаты исследования комплексной модели электропривода.

В третьей главе представлено обоснование структуры контроллера для реализации системы управления двухфазным ВИД СВ, описана структура

разработанного контроллера МК20.1, обладающего необходимой периферией для решения задач управления двигателем, станцией группового управления, взаимодействия с пультом оперативного управления, расходомером, системой верхнего уровня и персональным компьютером. Обоснована избыточность в производительности разработанного контроллера для возможности реализации системы бездатчикового управления в будущем.

Обоснована структура организации программного обеспечения контроллера. Рассмотрены принципы создания модульного программного обеспечения на основе применения методов конечных автоматов.

Предложен и реализован оригинальный алгоритм полуавтоматической юстировки датчика положения вала ротора с применением звуковой индикации углового положения обмотками самого двигателя. Реализация данного алгоритма позволяет существенно ускорить и упростить процедуру настройки датчика положения.

В четвертой главе приведены резуль�