автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Разработка и исследование полупроводникового преобразователя в системе вентильно-индукторного привода

• 1 ■л . I

- в £Н? 1333

на правах рукописи

Кристовао Жоао Зуа

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ В СИСТЕМЕ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНОГО ПРИВОДА

Специальность: 05.09.12 - "Силовая электроника"

А втореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998 г.

Работа выполнена ; ч кафедре промышленной электроники Московского энергетического института (МОИ, г. Москва)

Научный руководитель

Доктор техн и чески х 11аук, п рофессор О Г. Булатов

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор, действительный член

Российской электротехнической академии Ю.И.Конев

Кандидш технических наук,

доцент В.Я.Самойленко

Ведущее предприятие: Научно-инженерный центр электронных систем электротехники ( ЭЛСИЛВЭИ ) им. Ленина, Москва.

Занипа диссерщции состой 1ся ^О ач/СШ и аудитории ка(|)едры ЭНН в^Счас. на заседании Диссертационного совета Д 053.16.13 при Московском жерют теском институте (техническом университете) но адресу: 11250, Н-250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Московского энергетического института.

Автореферат разослан

Ученый секретарь Диссертационного совета Д053.16.13 к.т.н . доценг

И.Г.Буре

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы; Последние годы характеризуются развитием новых видов приводов, обладающих высокими энергетическими характеристиками, хорошей управляемостью и широким динамическим диапазоном. Эти новые виды приводов базируются как на классических типах двигателей, так и на новых, быстро развивающихся в последнее десятилетие. К новым и перспективным видам приводов относится так называемый вентнль-по-индукторный привод (оригинальное название которого -Switched Reluctance Drive - SRD), содержащий вентильно-индукторный двигатель (SRM - Switched Reluctance Motor), датчик положения ротора, регулируемый импульсный преобразователь, коммутатор, датчики тока и напряжения, регуляторы тока и напряжения.

г)тот вид привода характеризуется высокой экономичностью. технологичностью, малым расходом активных материалов, но его достоинства реализуются за счет развитой информационной части - системы управления и регулирования.

SRD молод, поэтому, несмотря на большое число публикаций обращает на себя внимание отсутствие фундаментальных работ по созданию и разработке его узлов. В этих условиях возникает необходимость системного анализа моментно-скоростных, вольт-амперных и временных характеристик двигателя с целью разработки электрической части - системы импульсного регулирования гоков статорных обмоток.

Принцип действия SRM прост. Значительно сложнее качественный анализ формирования и регулирования вращающего момента. Мри импульсной модуляции формирование тока статора должно отвечать некоторой совокупности правил и ограничений. Смысл этих ограничений сводится к следующему: формирование импульсов тока каждой пары статорных обмоток подчиняется сш налу задания вращающего момента; форма тока каждой вновь вступающей пары обмогок должна быть подобна эталонной и может отличаться лишь масштабом; форма тока обмотки статора должна обеспечивать постоянство вращающего момента или. по

крайней мере, ограниченные пульсации момента. Тактирование импульсов гока статора задастся датчиком положения ротора или автономным генератором. Поскольку формирование тока осуществляется методом импульсной модуляции, который позволяет получить высокую динамичность управления током, т.е. быстрое нарастание и спад тока на фронтах и формирование теоретически оптимального чакона изменения тока в течение активной части привода.

Перспективность Я КГ) подтверждается тем, что к нему проявляется интерес п весьма широком диапазоне параметров (от единиц Вт и скорости до 30000 об/мин до нескольких МВт при относительно низкой скорости). Имеющиеся в настоящее время результаты теоретических и расчетных исследований ЗИ!) показывают, что в этом виде привода имеются неиспользованные возможности повышения энергетических и регулировочных характеристик.

Несмотря на то, что массовый интерес к приводу возник относительно недавно, уже сейчас определились области его применения. На его базе серийно выпускаются системы позиционирования считывающих головок, вентиляторныне устройства, механизмы, работающие во вредной для здоровья среде. Цель работы: Целью работы является совершенствование нового перспективного вида привода - 8Ш), системный анализ его узлов, определение их взаимосвязи и взаимодеиствия, решение ряда задач по установление связи конструкции двигателя с требованиями к узлам силовой электроники и системы управления. Эта цель потребовала решения следующих задач:

-определение зависимости вращающего момента 01 углового положения ротора, тока статора и конструкции дв игателя;

определение скоростных параметров двигателя и и> связи с режимами возбуждения статора и сигналами системы управления;

- определение оптимальных временных зависимостей тока возбуждения и их реализация методами импульсной модуляции;

- анализ и расчет способов импульсной модуляции, которые дают возможность формирования тока возбуждения статора. На импульсную модуляцию, в свою очередь, накладывается ряд ограничений: регулируемые модулируемые интервалы должен лежать в ограниченных пределах, способы модуляции ограничены числом разрешенных уровней напряжений (два или, реже, три);

Методы исследований: Исследование процессов в элек-громагнитных системах выполняют классическими методами линейной и нелинейной теории цепей; моментно-скоростные характеристики исследовались методами, принятыми для электромеханических преобразователей. В решении задач управления исполь-ювались модуляционные методы теории сигналов, логические иетоды теории автоматов и их приложение к синтезу импульсных Л1стсм авторегулирования.

Научная новизна: Разработаны структуры коммутаторов тля управления 811М, выявлены особенности управления в режимах независимой синхронизации и рекуперативного торможения; разработаны алгоритмы управления ключами коммутатора методом коммутационных матриц для возбуждения статорных обмо-юк 8КМ различных конструкций; разработаны способы формирования и регулирования тока статорных обмоток ЯЯМ; рассмотрены возможности структурных решений путем построения функциональных схем, в том числе схем, не содержащих датчи-<ов положения рогора (ДПР).

Практическая ценность: Разработаны методики анализа ¿иловой части и системы управления коммутатором ЭИ-М; разра-Зотаны рекомендации по расчету параметров силовых элементов <оммутатора и драйвера; предложены методы описания работы финода с различным числом полюсов статора и рогора. Содер-

жащиеся в работе научные положения и обобщения представляю! практический интерес для развития 5ГШ.

Материалы диссертации могут быть использованы в процессе изучения нового перспективного вида привода - БИХ).

Апробация работы: Результаты выполненных исследований докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах кафедры промышленной электроники. Часть материалов диссертации изложена в статьях, принятых к опубликованию журналом «'Электричество».

Публикации: Основные результаты работы отражены в публикациях, подготовленных к печати.

Структура н объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, списка использованной литературы и содержит 82 стр. основного текста, 34 рисунков, 7 таблиц и заключения.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи исследования, рассмотрены степень их научном разработанности, их теоретические и методологические основы показаны научная новизна и практическая значимость результатов исследования, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В нерпой главе на основе имеющихся опубликованны> данных но нентилыю-индукторным приводам выявлены распро страненные структурные схемы БИХ) на базе вентильно индукторного двигателя. Рассмотрены принципы их действия, ; также их сравнительные характеристики с точки зрения создани: вращательного момента.

В значительном числе публикаций большое внимание сира ведливо уделяется законам создания вращающего момента в дви гательном режиме, зависимости момента от тока статорной об мотки и угла между осями полюсов статора и ротора. Характернс

что подавляющее большинство статей описывают SRM с двумя наиболее распространенными соотношениями чисел полюсов ст атора и ротора - 6/4 и 8/6.

Приводы 6/4, как правило, отличаются сравнительно малой мощностью и относительно невысокими требованиями по глубине регулирования по скорости.

Привод на базе SRM выполняется в соответствии со структурной схемой (рис. 1), которая содержит: собственно двигатель SRM, силовой управляемый коммутатор, источник постоянного напряжения и информационную часть (датчик положения ротора /IUP, источник управляющих сигналов установления режима привода, контроллер системы управления с драйверами силовых ключей). Названные узлы выполняют следующие функции:

Датчик положения ротора (ДПР) определяет положение ротора с необходимой степенью разрешения и указывает, какая

группа полюсов статора должна быть возбуждена в соответствии с сигналами управления.

Командо-аппарат или система управления высшего уровня задаст режим работы привода (пуск, разгон, торможение, реверс). Этот ре-

L Л# V .

о-- * к-м Л/ А •

"i ил А\ t SW -

О-- _ АV -Л* Ч ,

-V '

МО-

ДПР

3 Р

СУР

Рис. 1. Структурная схема БИ^

жим преобразуется контроллером в информационные сигналы управления силовыми ключами коммутатора.

Коммутатор превращает эти сигналы управления (с помощью буферных каскадов - драйверов) в силовые воздействия на магнитный поток полюсов статора.

В перечень вопросов, обсуждаемых и решаемых в настоящей диссертационной работе, входят:

- обзор видов ХКМ, поскольку они непосредственно влияют на моментно-скоростпые характеристики привода;

- обзор типов коммутаторов, обсуждение способов создания и регулирования маг ниткою потока в статоре ЬЯМ.

- краткий обзор аппаратных средств и способов построения

ДПР;

На основе этих обзорных данных предстоит решить следующие задачи:

1) разработан, способы управляемого энергообмена источника питания с соответствующими обмотками или комбинацией обмоток статора. Г)ги способы должны служить цели экономичного формирования тока в сгаторных обмотках с помощью силовых ключей;

2) разработать алгоритмы регулирования БЛЭ для обеспечения всех необходимых режимов: пуск, разгон, поддержание заданной скорости, перевод в генераторный режим, рекуперация, реверс.

Поскольку токи статорных обмоток формируются в системе где источником питания является источник напряжения, возникает задача создания таких функциональных преобразователей электрической энергии, которые методами импульсной модуляции напряжения создают необходимые гоки возбуждения в условиях высоко динамичных нелинейных и нестационарных магнитных цепей;

В приводе на основе 8ЯМ требовалось решение задачи построения коммутатора с возможностью быстрого регулирования напряжения для создания требуемой формы токов статора, возможностью рекуперации энергии сгаторных обмоток и регулирования тока возбуждения. В связи с этим к коммутаторам предъявлялись требования подключения фазных обмоток к источнику питающего постоянного напряжения для управления формой тока, создания возможности рекуперации энергии с целью повышения эффективности привода. Выбор используемых силовых схем при индуктивном характере нагрузки коммутатора определялся структурными и схемотехническими решениями для двигателей БИМ. Основными различиями в структурах коммутаторов являлись число ключей, структура силовых схем и способы рекупера-

ции накопленной энергии. Изучен большой класс коммутаторов, в которых применена рекуперация тока с помощью конденсатора. Для ускорения процесса вывода энергии напряжение на конденсаторе поддерживается на уровне, значительном превышающем питающее. Несмотря на то что SRM может работать от однопо-лярного источника питания, в некоторых случаях возможно использование двуполярного питающего напряжения, что дает возможность сократить число ключей и других элементов, приходящихся на одинаковое число фаз. Регулирование и формирование тока сгаторнмх обмоток SRM потребовало использования развитых методов широтпо-импульсной модуляции (1ПИМ). ")ти вопросы не полностью решены в публикациях, поэтому изучение структур схем коммутаторов, выбор способов модуляции и законов регулирования стали основными в дальнейших исследованиях.

SRI) характеризуется интегральным характером узлов, создающих вращающий момент, измеряющих частоту вращения, или обеспечивающих фиксацию углового положения ротора, управляющих током. Узлы, отвечающие за сбор и обработку информации, составляют неотъемлемую часть привода. Высокие требования к быстродействию информационных и коммутирующих узлов неизбежно влекут за собой увеличенные стоимости SRD в целом, поэтому актуальна разработка таких систем управления, которые сделают его конкурентоспособным в ряду регулируемых приводов.

В зависимости от конструкции SRM и алгоритма его функционирования возможны различные варианты возбуждения ста-горнмх обмоток. Они различаются числом фаз (обмоток статора), числом одновременно возбужденных полюсов статора, длительностью цикла возбуждения, а также способами регулирования и формирования тока обмогок. Число фаз коммутатора связано с числом полюсов статора отношением:

A'^N.T (1)

где S - число сегментов (синхронно возбуждаемых обмоток статора), S - 1, 2, ..., п.

/Ч или 1=1 в зависимости оттого, является ли поток статора однонаправленным в цикле работы коммутатора или двунаправленным.

Реагирование тока и оптимизация его формы являются важнейшей задачей комму татора при выбранном алгоритме возбуждения статора. При определении типов используемых ключей и структуры комму татора важно тпать формы токов и напряжений фаз, которые определяются конструкцией двигателя и параметрами ре!-улирования. Для правильного выбора ключевых элементов следует принимать в расчет рассеиваемую мощность, максимальное значение тока, напряжение, скорость переключения и стоимость.

11еобходимоеть использования силовых ключей и индуктивный характер нагрузки коммутатора определяют схемотехнические решения, положенные в его основу. Основными различиями н структурах коммутаторов являются число ключей и способ рекуперации накопленной энергии.

Создание вращающего момента для одной из распространенной систем 8/6 рассмотрим с помощью схемы, рис. 2а. На этой схеме в исходном положении минимальная энергия соответствует устойчивому состоянию ротора, при котором совпадают оси полюса ротора и возбужденного полюса статора (на рис. 2а это соответствует положению 1-5). В этом положении вращающий момент равен нулю.

Для создания вращающего момента необходимо последовательное возбуждение смежных полюсов статора (например, 2-6 рис. 2а). 11ри этом энергия системы отличается от минимальной, и возникает вращающий момент. При возникновении вращающего момента и замыкании потока между статором и ротором, ротор будет поворачиваться в направлении нового состояния на угол

360 360 _

<рп =— -— =-15 р N. N..

¿1

Рис. 2. Конструкция 8 ЯМ (а) и схема коммутатора (б)

Как видно на рис. 3, ток в обмотке ЯЯМ при подаче напряжения увеличивается до некоторого максимального значения, а при падении напряжения уменьшается до нуля, что обусловлено наличием потерь у двигателя.

Во второй главе рассмотрены моментно-скоростпые харак-тсриоики и электромагнитные режимы двигателя.

Описание управления ключами для различных БЯМ удобно проводить методом комму тационных матриц, - функций возбуждения. В табл. 1 представлены матрицы возбуждения стагорных обмоток двигателей различных конструкций.

— "Ii 1 1 г—1 i—

/V. i А 1 1 И : I \?

- 1 Lпс- 1

' I- -г

I I I

1 I I

I I ._L_

I

I

PL

л

Г

I I

г

L

| I

I I

I I I

г

зо

180

I I

1—I--

I 1 I I

2 Ю ~~ 360'

п

Рис. 3. Диаграмма алгоритмов работы силовых ключей

Таблица 1

Функции возбуждения SRM 3/2

1УТС 1 2 3 4 5 6

1 а 0 0 ß 0 0

2 0 ß 0 0 сх 0

3 0 0 а 0 0 ß

Yr 60 120 180 240 300 360

В таблице 1 приведена функция возбуждения етаторных об-моюк на последовательности тактов синхронизации за один период обращения ротора. Этот период совпадает с периодом работы коммутатора. Па каждом новом такте синхронизации знак функции возбуждения противоположен предыдущему |сх| = -|ß|. Величина функции возбуждения может быть поставлена в соответствие току статорной обмотки. Таблица наглядно убеждает' в необходимости реверса магнитного потока на каждом следующем такте синхронизации, а следовательно, при данном числе полюсом - в необходимости формирования двуполярного напряжения

па обмотке либо в исполнении двух независимо управляемых обмоток на каждом полюсном наконечнике.

На рис. 4 представлена пространственно периодически повторяющаяся структура БЯМ 8/6, которая в общем виде может быть записана как БЯМ 84/83, 8 = 2, 3... Матрица возбуждения в этом случае может быть записана в виде таблицы 2.

Рис. 4. Периодически повторяющаяся структура ЭЛМ 8/6

Таблица 2

Р|/фв

№№ полюсов статора 1,5, 9...48+ 1 2, 6, 10... 48 + 2 3, 7, 11 ... 48 + 3 4,8, 12... 48 + 4 а 0 0 0 0 р 0 0 0 0 а 0 о о о р

----соТк-----------

Как видно из рис. 3, на каждом такте ток в обмотке ЯЯМ увеличивается от нуля до величины, задаваемой источником питания, параметрами обмотки статора и момента на валу двигателя. После поворота ротора на угол (рри получения информации об

этом от ДПР изменяется состояние силовых ключей коммутатора. Происходит рекуперация энергии индуктивности. При односторонней проводимости источника питания происходит передача энергии индуктивности в цепь обмотки статора, либо в цепь конденсаторного демпфера. Разработка управляемого коммутатора, использующего принципы широтно-импульсного регулирования напряжения с целью синтеза оптимальной формы тока, преследует цель обеспечить создание требуемого вращающего момента при минимальном энергообмене с массивными накопителями. Заметим, что коммутатор сохраняет такую же относительно простую структуру, что и для ЯЛМ 8/6. Идея секционированного 8КМ с возбуждением части секций допускает самые разнообразные развития, например, линейные двигатели, их обсуждение выходит за рамки настоящей работы.

Для получения зависимости момента статора от тока и положения ротора воспользуемся уравнения, учитывающие зависимость индуктивности статора от углового положения ротора.

При двухуровневом питании (рис. 5а, б) напряжение на обмотках статора представляет собой последовательность знакопеременных импульсов. Энергообмен между обмоткой статора и источником питания может быть сделан менее интенсивным при трехуровневом питании (+Е, -Е, 0). Это не требует изменений в силовых цепях коммутатора и достигается лишь алгоритмом управления силовыми ключами (рис. 5в).

(

Ц.

/ у

- { .....'

Рис. 5. Диаграмма напряжения и тока

В третьей главе рассмотрены методы ишротпо-импульспой модуляции.

В зависимости от типа применяемых в схемах силовых элементов коммутаторов, широтно-импульсная модуляция (ШИМ) выполняет следующие задачи:

- регулирование тока в обмотках

- изменение длительности цикла силовых элементов коммутатора с целью регулирования частоты вращения;

- упарвление алгоритмом работы каммутатора, организация режима ШИМ и импульсного слежения при двух- или трехуровневом регулировании. Коммутаторы выполняют на полностью управляемых вентилях (транзисторах, двухоперационных тиристорах, ЮВТ и транзисторах со статической индукцией).

В настоящее время ШИМ используются во многих электрических схемах, что дает возможность широкого диапазона регулирования частоты вращения двигателя. Ограничения этого способа обусловлены большим диапазоном регулирования скорости и наличием некоторого критического значения несущей частоты вращения, которое обусловлено конечным временем обработки прерывания и наличием ограничения на максимальное значение коэффициента заполнения ШИМ.

Для анализа работы коммутатора с широтно-импульсной модуляцией разработана структурная схема коммутатора и исследованы на фиизической и математической моделях кривые тока и напряжения в силовых цепях.

В отличие от фазового режима регулирования, в котором, момент регулируется углами управления ключей коммутатора в режиме импульсного слежения, ток регулируется заданием установок тока, т.е. 1т„ и 1П11П.

С включением напряжения во второй половине цикла, когда оси полюсов статора и ротора полностью совпадают, электромагнитный момент изменяет свое направление на обратное и будет оказывать на ротор тормозящее действие. Ротор под действием инерции будет продолжать вращение в первоначальном направлении и часть его энергии возвращается в сеть. При переходе с двигательного режима на тормозной, ток в обмотках сохраняет свое направление, однако источник питания должен быть способным к работе в инверторном режиме, либо снабжен тормозным резистором.

На рис. 1 показана одна из распространенных схем системы

8/6. В этой схеме коммутатор преобразует входные импульсы произвольной формы в прямоугольные импульсы требуемой длительное!и.

Система импульсного регулирования преобразует импульсы в многофазную систему напряжения (токов), которая через датчик положения ротора (ДПР) подается на двигатель Я КМ Электрическая энергия поступает в коммутатор от источника постоянного напряжения или тока.

11ри однополярном возбуждении напряжение па каждой фазе меняется от 0 до -Нл, а при двухполярном - от -Г, до ^Е. Если каждый раз возбуждается одинаковое число фтз, то управление называется симметричным; в противном случае управление несимметричное. При импульсном управлении напряжение на фазу подается только во время появления сигнала: при прекращении подачи напряжения фаза обесточивается и положение ротора фиксируется в каком-то угловом положении. При потенциальном управлении напряжение на фазе изменяется только в моменты поступления управляющих импульсов. До прихода последующе-то сигнала фаза остается под напряжением и положение ротора фиксируется полем питаемой фазы.

Угол между начальным и новым положением равновесия составляет:

360 360

^ = ~лГ " лГ О)

Ротор совершает полный оборот за следующее число циклов возбуждения статорпых обмоток:

3 60

Как правиле, к каждом положении ротора ДПР указывается, какая пара статорпых полюсов должна быть возбуждена для по-

порога на угол ipp н чадаппом iiaiipattjiciiini. При повороте ротора на <pr:360/Np /1,1 II1 должен последовательно выдавать 4 сигнала возбуждения для всех пар статорных полюсов. Таким образом, разрешающая способность ДПР должна быть не менее 60/4. Сигналы датчика на каждом угловом интервале должны определяться одним из 4-х адресов возбужденных полюсов статора.

В четвертой главе рассмотрены результаты экспериментальных работ. Большое разнообразие конструкций двигателей, числа фаз, режимов работы и т.д. привело к разработке многочисленных коммутаторов, выполненных на разной элементной базе со схемами, существенно отличающимися от коммутаторов традиционных двигателей постоянного и переменного тока, приводится краткая сравнительная характеристика основных схем силовых коммутаторов, которые используются в SRM и двигателях шагового привода (8, 9].

Коммутатор исследуемого макета выполняет функции распределителя сигналов возбуждения по четырем (4) каналам и предназначен для питания SRM.

Основными различиями в схемах коммутаторов являются число ключей и способ рекуперации накопленной энергии.

Для проведения испытаний был использован транзисторный коммутатор (рис. 26), изготовленный на лабораторном стенде кафедры промышленной электроники. В этом коммутаторе использовались полевые транзисторы типа КГ1810А и диоды NAA. Этот коммутатор позволяет реализовать все возможные режимы работы и обеспечивает регулирование частоты и среднего напряжения импульсными способами (ШИМ или импульсное слежение).

Заключение

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований систем SRD и узлов привода решены следующие задачи:

- на основе сравнительного анализа различных видов вентильно-индукторного привода (SRD) разработан способ описания пространственно-временных зави-

1К

симостей для двигателей с различным числом полюсов и различными способами возбуждения;

- разработаны схемы силовых коммутаторов и способы регулирования тока статорных обмоток для получения требуемых моментно-скоростных характеристик с учетом особенностей конструкции статора;

- предложена методика формирования тока статора на основе импульсного слежения при низких скоростях и широтно-импульсное формирование - при больших частотах вращения;

- произведен анализ методов слежения при различных режимах питания привода (однополярное, дву-полярное) и различных способах рекуперации накопленной энергии;

- предложены способы регулирования, обеспечивающие малые пульсации и эффективное использование накопленной энергии;

- показаны области применения этих способов в диапазоне частоты вращения и развиваемого момента. В качестве одного из выводов предлагается система регулирования, использующая информацию о токе и напряжении питания и не требующая датчиков положения ротора.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования содержат некоторые новые решения актуальной научной проблемы, имеющей большое практическое значение для анализа и проектирования нетрадиционных электрических приводов.

1к'4:. л ^^ , _ Тираж /<?<? ^ Заказ АМ

Типография МЭИ, Красноказарменная, 1.1