автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Разработка и исследование преобразователей для вентильно-индукторных двигателей с конфигурируемыми обмотками

004609547

На правах рукописи

Асташев Михаил Георгиевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ ВЕНТИЛЫЮ-ИНДУКТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С КОНФИГУРИРУЕМЫМИ ОБМОТКАМИ

Специальность 05.09.12 - Силовая электроника

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

з О СЕН 2010

Москва-2010

004609547

Работа выполнена в Московском энергетическом институте (Техническом университете) на кафедре промышленной электроники

доктор технических наук, профессор Панфилов Дмитрий Иванович доктор технических наук, профессор Розанов Юрий Константинович кандидат технических наук Абрамов Андрей Юрьевич Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-и сследовательский и экспериментальный институт автомобильной электроники и электрооборудования»

Защита состоится «15» октября 2010 г. в 14 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.157.12 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 13, аудитория Е-603.

, С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета)

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим присылать по адресу. 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Учёный совет МЭИ.

Автореферат разослан «±% Сеймур? 2010 г.

Научный руководитель Официальные оппоненты

Рпгкшшп лпшшиапнл ичд^ щал ур« иш^иции

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.12, к.т.н., доцент

Буреиг'

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. Вентильно-индукторные двигатели (ВИД) отличаются высокой энергетической эффективностью и надёжностью. По этой причине они получают всё большее распространение в различных областях техники, постепенно вытесняя двигатели других типов. В том случае, если речь идёт о двигателях малой и средней мощности, актуальной становится проблема общей стоимости системы «индукторная машина - преобразователь». При таких значениях мощности стоимость преобразователя ВИД становится соизмеримой со стоимостью его ИМ. Данное обстоятельство затрудняет внедрение вентильно-индукторных двигателей в ряде областей применения, среди которых наиболее значимой является автомобильное и автотракторное электрооборудование.

Одним из методов снижения стоимости ВИД является оптимизация структуры его силового преобразователя, которая может быть достигнута путём различного рода соединения (конфигурирования) его фазных обмоток. В ряде случаев это позволяет существенно снизить количество силовых ключей инвертора, а, следовательно, его габариты и стоимость. Конфигурирование же обмоток, в свою очередь, оказывает влияние и на электромагнитные процессы в самой индукторной машине, что требует их отдельного детального рассмотрения и разработки подходов к их анализу. Практическая реализация основных достоинств ВИД с конфигурируемыми фазными обмотками может быть осуществлена лишь на основе эффективных законов регулирования в системе «преобразователь - индукторная машина», разработка которых является также одной из задач диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование полупроводниковых преобразователей для вентильно-индукторных двигателей с возможностью конфигурирования их фазных обмоток.

Задачи диссертации. Поставленная цель достигается решением следующих

задач:

1. Исследование влияния способов соединения обмоток на электромагнитные процессы в вентильно-индукторных электрических машинах. Разработка подхода к расчету основных характеристик ВИД с конфигурируемыми обмотками;

2. Разработка имитационных моделей «преобразователь - ИМ - нагрузка». Разработка способов адаптации модели к конкретным параметрам системы;

3. Анализ и оптимизация процессов в силовой схеме полупроводникового преобразователя в режимах регулирования скорости вращения в широких пределах. Разработка структуры системы управления;

4. Создание и оптимизация алгоритмов управления полупроводниковым преобразователем с учётом требований современной элементной базы микроэлектроники;

5. Практическая реализация полупроводниковых преобразователей ВИД для автомобильного электрооборудования.

Методы исследований базируются на общих положениях теории цепей, теории дифференциальных и алгебраических уравнений, вычислительных методах и использовании современных инструментальных систем моделирования MatLab и MathCAD. Основным методом исследования, применённым и данной рабиявляется метод имитационного моделирования. При проведении экспериментальных исследований использовались компьютерные методы интерактивной отладки и исследования микропроцессорных систем управления с использованием интегрированной среды разработки Metrowerks Code Warrior, а так же современные средства измерения.

Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием математического аппарата, сравнением теоретических результатов с экспериментальными данными, а так же с результатами, известными из литературы.

Научная новизна:

1. Предложен подход к анализу электромагнитных процессов в системе «преобразователь - вентильно-индукторный двигатель» при изменяемой конфигурации обмоток статора двигателя. Получены соотношения для расчета основных характеристик двигателя при различной конфигурации фазных обмоток.

2. Разработана методика построения имитационной модели системы «преобразователь - ВИД - нагрузка» и предложен алгоритм адаптации модели к характеристикам исследуемой системы.

3. Разработаны алгоритмы управления преобразователями, обеспечивающие работу и эффективное управление двигателем в статических и динамических режимах.

Практическая полезность: 1. Разработаны модели для систем «преобразователь - ВИД» с различной конфигурацией обмоток статора, позволяющие проводить детальный анализ электромагнитных процессов в преобразователе и двигателе.

2. Проведена сравнительная оценка влияния способов соединения обмоток статора на электрические и механические характеристики двигателя. Проанализировано влияние способов соединения обмоток статора на структуру преобразователя.

3. Разработаны преобразователи для ВИД с различной конфигурацией обмоток статора.

4. Рассмотрены и реализованы алгоритмы управления для систем «преобразователь - ВИД» в момент пуска, динамических и установившихся режимах на маломощных микроконтроллерах низкой стоимости.

5. Результаты работы внедрены в системах автомобильного и автотракторного электрооборудования.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы лежат б основе серийно выпускаемого ВИД типа 81.3780 и насоса 812.3780, используемых в автомобильном и автотракторном электрооборудовании.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Сравнительный анализ электромагнитных процессов, электрических и механических характеристик ВИД с различными конфигурациями стагорных обмоток.

2. Имитационная модель для расчета электромагнитных процессов в ВИД с конфигурируемыми фазными обмотками.

3. Алгоритмы управления вентильно-индукторными двигателями с конфигурируемыми обмотками.

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, подтверждающие эффективность конфигурирования фазных обмоток ВИД.

5. Преобразователь серийно выпускаемого ВИД 81.3780, предназначенный для использования в автомобильном и автотракторном электрооборудовании.

Апробация полученных результатов: Основные результаты работы докладывались на заседании кафедры «Промышленная электроника» Московского энергетического института (Технического университета); XIV и XV международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика"; на IX Всероссийской выставке научно-технического творчества молодёжи (НТТМ 2009); на заседании учёного совета ФГУП «НИИАЭ».

На выставке НТТМ 2009 работа награждена медалью «лауреат ВВЦ» (постановление ВВЦ от 25.06.09 №13).

Публикации. Основные результаты диссертации освещены в 5 научных работах, из них две в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объём работы: диссертационная работа состоит из введения четырёх глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Основная часп работы изложена на 187 страницах, содержит 82 иллюстрации, 5 таблиц и списо литературы из 100 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, дана краткая характеристика работы, приведены ее квалификационные признаки.

В первой главе разрабатываются подходы к анализу электромагнитных процессов, протекающих в ВИД с конфигурируемыми обмотками. В начале главы на основе сравнения электромагнитных процессов, протекающих в исследуемых ВИД, с процессами классических вентильно-индукторных двигателей, выявлены их существенные отличия, вытекающие из наличия электрической и магнитной связи между фазами ВИД.

Отмеченные особенности не позволили использовать известные подходы для анализа процессов в ВИД с классическим возбуждением, так как основным допущением, принимаемым в данных подходах, является допущение о независимости отдельных фаз двигателя в электрическом и магнитном отношении. Для разработки аппарата исследования рассмотрены особенности общих подходов к анализу процессов в устройствах электротехники и электроники, к которым можно отнести: аналитическое моделирование объекта, имитационное моделирование, экспериментальные исследования физического макета объекта. Проведён анализ работ, в которых при исследовании ВИД применены перечисленные подходы. В случае классического ВИД в каждом из этих направлений достигнуты значительные успехи. Работы же по исследованию ВИД с конфигурируемыми обмотками в литературе практически отсутствуют. В работе показано, что, независимо от модификации ВИД, наиболее эффективно проводить его исследование на основе комбинации перечисленных подходов.

При разработке математического аппарата в диссертации был принят ряд допущений:

1. Падение МДС в стали статора и ротора не учитывается. Магнитная проводимость контура определяется только магнитной проводимостью воздушного зазора;

2. Потери на гистерезис и вихревые токи магнитопровода пренебрежимо малы;

3. До наступления насыщения магнитная проводимость не зависит от тока, поэтому исходная зависимость магнитной проводимости от положения ротора строится для ненасыщенной магнитной системы;

4. Насыщение стали при различных положениях ротора наступает при одном и том же значении тока;

5. Наклон насыщенных участков кривой намагничивания совпадает с наклоном кривой намагничивания рассогласованного состояния;

Допущение о независимости электрических и магнитных процессов в отдельных фазах ИМ, вводимое при создании моделей классического ВИД было снято, поскольку оно полностью не соответствует особенностям ВИД с конфигурируемыми обмотками.

Математический аппарат разработан на основе теории электромагнитного поля с применением аналогии между процессами электрических и магнитных цепей. . Одним из основных понятий, в данном случае, является разность магнитных потенциалов статора и ротора, которые, с учетом принятых допущений, считаются неизменными в каждой точке статора и ротора соответственно. Основной целью разрабатываемого аппарата является установление взаимосвязи между мгновенными значениями токов и напряжений фаз двигателя.

В случае согласного соединения катушек фаз разность магнитных потенциалов статора и ротора тождественно равна нулю. При этом связь токов и магнитных потоков' фаз устанавливается следующими соотношениями для ненасыщенной магнитной системы:

= и' • 1п(0), (1)

где /-'«(в) - есть МДС одной катушки п-ой фазы, /»(©)-ток этой катушки, и<-число . витков катушки, © - угловое положение ротора машины.

Фп(0)=^п(0)-Ли(0), (2)

где Фл(©)- магнитный поток, сцепленный с одной катушкой п-ой фазы, Яп(в)~ магнитная проницаемость воздушного зазора в цепи МДС катушки фазы.

Для насыщенной магнитной системы:

Ф п{®)=1н-м>-Лп{@)+™-лрас{1п{&) -1н), (3 )

где 1и - ток насыщения фазой катушки, Храс- магнитная проводимость воздушного зазора фазы в рассогласованном состоянии.

Если катушки фаз соединены встречно, разность магнитных потенциалов статора и ротора отлична от нуля. В этом случае связь между исследуемыми

параметрами для ненасыщенной магнитной системы устанавливается следующим образом:

еЫО) -- - М®) ■ М®)+ ^(е) ■ М&) - М®) • яс(е)+■

1 ' Яа(0) + Ай(0)+Яс(0) + Яс/(0) '

Фя(©) = ([Лг(0^я(©))-Лй(0), (5)

фф) = (Я>(в) - £Лг(0)) • Лб(©), (6)

где СЛг(©)-разность магнитных потенциалов между статором и ротором машины, ^и(0)-МДС, которая вычисляется для каждой фазы согласно соотношению (1). Магнитные потоки соседних фаз рассчитываются на основе различных соотношений по причине разнонаправленное™ вызывающих их МДС.

При учёте возможности насыщения магнитной системы машины математический аппарат ттетептгевает некоторые изменения:

где, например, для фазы А ^ ' {/н • >у,/а(©)> 1н

. (9)

ГО ,/«(©)</я

[Лрас, /о(©) > 1н

Расчёт магнитного потока проводится, для фазы А, на основе соотношения:

Фд(©)= (№г(©)+^я(©))Ао(0)+(№К©)+^а5)^ (11)

Для остальных фаз данные параметры вычисляются аналогично.

В том случае, когда катушки фаз в электрическом отношении соединены параллельно, ток фазы является суммой токов её катушек. Если параметры катушек идентичны, а именно так и должно быть, их токи равны. Электродвижущая сила, возникающая на зажимах фазы, вычисляется по формуле:

Е = (12)

Л

В том случае, если катушки фазы соединены последовательно, в них протекает одинаковый ток, который равен току фазы, а э.д.с., возникающая на зажимах фазы, является суммой э.д.с. отдельных катушек, и в том случае, когда их две, может быть определена следующим образом:

Е = (13)

а

Приведенные соотношения устанавливают взаимосвязь между токами и напряжениями фаз ВИД, в том числе и ВИД с конфигурируемыми обмотками. В дальнейшем эти соотношения положены в основу имитационной модели двигателя.

Рис.1 Структура модели одной фазы ИМ

Основным недостатком существующих имитационных моделей ВИД является представление фаз машины в качестве источников тока, управляемых напряжениями, приложенными к фазам. Кроме того, все элементы моделей имеют чисто математический характер. Эти обстоятельства принципиально не позволяют вводить между ними электрические соединения различного рода. В частности, невозможно соединить последовательно два источника тока.

В данной главе разработана имитационная модель на базе среды Matlab. При создании модели использованы не только элементы приложения Simulink, но и элементы приложения Sim Power System. Фазы машины представлены в качестве управляемых источников напряжения. В основе модели лежат соотношения (1) -(13). Структура модели одной фазы машины в обозначениях Matlab приведена на рисунке 1.

В данной главе приведены методы получения входных параметров модели, к которым относится кривая магнитной проводимости воздушных зазоров между сердечниками фаз в функции угла положения ротора, а также метод определения

тока насыщения фазы машины. Установлено, что для получения данной информации необходимо знание характеристик стали и геометрических размеров

машины. В работе рассмотрен пример экспериментально определения данных

параметров.

Предложен способ

адаптации модели к реальным параметрам системы.

Проведено сравнение

результатов моделирования с экспериментальными данными для ВИД с независимыми

рЯш

¡»СсцЛпу

¡1п«и 1 ( РгвЬ, К

Рис. 2 Экспериментальная и теоретическая кривые тока фазы РШ

показана

возбужденными фазных

обмоток. Его результаты представлены на рисунке 2. экспериментальная кривая, пунктирной -

Сплошной линией аналитическая.

Анализ рисунка показывает, что модель точно отражает поведение реального объекта как с качественной, так и с количественной стороны.

В главе 2 проведен анализ вариантов преобразователей ВИД с конфигурируемыми обмотками для 4-х фазной ИМ с конфигурацией магнитной

системы 8/6. Среди рассматриваемых вариантов некоторые имеют

наименьшее число силовых ключей, по этой причине им отдано предпочтение (рис.3 и 4).

Разработанная в

диссертации имитационная модель позволяет проводить

\ УТЗ

г

Рис.3 Преобразователь ВИД с конфигурацией обмоток по схеме «звезда»

анализ установившегося режима работы двигателя при номинальном

с

\ VT1

VT2

^ VD3

напряжении питания, номинальной скорости вращения ротора и номинальной входной мощности. Фрагмент имитационной модели ВИД с фазными обмотками, соединенными

А

в

с

D

по схеме «звезда» приведен на рисунке 5. Блоки Phase_A, Phase_B -

Рис.4 Преобразователь ВИД с конфигурацией обмоток по схеме «многоугольник»

базовые модели фаз машины со структурой, приведённой на рисунке 1.

В блоке Angles производится формирование текушего значения угла положения ротора для каждой фазы машины на основе установленного значения скорости Speed. Блок FIU формирует импульсы управления ключами преобразователя VT1 - VT4. В блоке Mag_volt производится вычисления разности магнитных потенциалов статора и ротора

В результате анализа установлено принципиальное отличие процессов, протекающих в электрических цепях ВИД с конфигурируемыми обмотками от процессов классического ВИД. В частности выявлена возможность одновременного наличия тока сразу во всех фазах машины.

С использованием данных моделей так же проведен анализ режимов работы полупроводниковых приборов преобразователя при номинальной выходной мощности и номинальной скорости вращения. В случае одноимпульсной ШИМ включение силовых ключей преобразователя происходит при нулевом токе, что облегчает динамику их работы. Проведена оценка статистических и динамических потерь в полупроводниковых приборах преобразователя. Установлено, что потери в приборах классического ВИД наименьшие. Максимальными потерями характеризуется ВИД с обмотками, соединенными по схеме «многоугольник» Общие потери в -приборах ВИД с конфигурацией «звезда» оказываются незначительно меньше общих потерь в приборах классического ВИД по причине их вдвое меньшего числа.

ИМ.

Рис. 5 Фрагмент модели ВИД с конфигурацией обмоток по схеме «звезда»

Также исследованы пусковые режимы ВИД предложенных модификаций. Выявлено, что наименьшие пусковые токи имеет двигатель с фазными обмотками, соединёнными по схеме звезда, тогда как наибольшие свойственны ВИД с фазными обмотками, соединёнными по схеме «многоугольник».

Проведено исследование влияния способов магнитного соединения фазных катушек на токи фаз и выходную мощность двигателя. В случае ВИД с фазными обмотками, соединёнными по схеме «звезда», встречное включение катушек приводит к увеличению тока фаз двигателя. В результате чего выходная мощность увеличивается, в среднем, на 14%. Для ВИД с фазными обмотками, соединенными по схеме «многоугольник», наиболее эффективно согласное включение катушек, тогда как встречное приводит к снижению выходной мощности в среднем на 10%.

Глава 3 посвящена разработке алгоритмов управления двигателем и синтезу системы управления преобразователем. Исследования в данной главе проводятся с использованием ранее разработанных имитационных моделей ВИД при номинальном напряжении питания и номинальной скорости вращения ротора.

В начале главы определяются предельные диапазоны выходных мощностей классического ВИД, а также ВИД с фазными обмотками, соединенными по схемам «звезда» и «многоугольник». Мощность на валу двигателя рассчитывается на основе соотношения: Р = М-со, (14)

где М - электромагнитный момент на валу двигателя, который может быть вычислен следующим образом:

<15> (16)

Первое выражение справедливо в случае ненасыщенной магнитной системы, второе - в случае насыщенной магнитной системы. Поскольку электромагнитный момент ВИД характеризуется значительными пульсациями, целесообразно использовать в выражении (14) среднее значение момента, определяемое соотношением:

1 те"

Мср = --\£мт-Л. (17)

I о '=!

Установлено, что наиболее широким теоретическим диапазоном выходных мощностей обладает классический ВИД, предельная мощность которого в 5.9 раза превышает номинальное значение. Показано, что данный показатель для ВИД с фазными обмотками, соединёнными по схеме «многоугольник» несколько ниже и равен 2.4. Для ВИД с фазными обмотками, соединёнными по схеме «звезда», предельное значение выходной мощности превышает номинальное в 1.88 раза.

Тем не менее, во всех случаях двигатель достигает номинальной мощности, что является основным критерием применимости исследуемых модификаций ВИД.

Отдельное внимание в диссертации уделено способам регулирования выходной мощности двигателя. Рассмотрены три различных способа регулирования. Первый реализуется за счёт изменения углового значения начала возбуждения фаз двигателя, при этом значение угла окончания процесса возбуждения остаётся фиксированным. Второй способ регулирования предполагает неизменный угол начала возбуждения фазы при изменяемом угле окончания данного процесса. Оба вышеперечисленных способа используют одноимпульсную ШИМ. Третий способ регулирования основан на многоимпульсной ШИМ внутри фиксированного углового интервала. Основными критериями выбора наиболее приемлемого способа регулирования являются плавность регулировочной характеристики и потери мощности в полупроводниковых приборах и обмотках двигателя. В результате анализа соответствующих характеристик было показано, что наиболее плавная

регулировочная характеристика свойственна методу многоимпульсной ШИМ, в то время как минимальными потерями на всём диапазоне регулирования характеризуется метод варьирования углового значения начала возбуждения фазы при фиксированном угле окончания. Тем не менее, сравнение потерь мощности при данных способах регулирования показало, что их увеличение при использовании многоимпульсной ШИМ не превышает 2%, ввиду достаточно высокого быстродействия современных ключевых элементов. Таким образом, применение многоимпульсной ШИМ при управлении выходной мощностью двигателя оказывается наиболее целесообразным.

Одной из задач, решаемой системой управления, является ограничение пусковых токов двигателя. Концепция минимизации стоимости преобразователя ВИД не позволяет использовать в его составе датчики тока, ввиду их высокой стоимости. Тем не менее, ограничение токов полупроводниковых приборов в пусковых режимах является весьма актуальной задачей, поскольку пусковые токи могут превышать нормальные рабочие токи двигателя в 4-6 раз, что вызывает необходимость выбора полупроводниковых приборов с существенно завышенными параметрами. Решение данной задачи может быть достигнуто путем использования в процессе пуска ШИМ с фиксированным коэффициентом заполнения, величина которого определяет предельный уровень пусковых токов в фазах ВИД и полупроводниковых приборах преобразователя и может быть подобрана как экспериментально, так и на основе имитационного моделирования. Эксперименты, проведённые в данной главе на имитационной модели, подтвердили состоятельность подобного подхода.

Существенным элементом системы управления ВИД является датчик положения ротора (ДПР), на основе показаний которого система управления осуществляет процесс возбуждения фаз двигателя. В настоящее время существуют различные типы ДПР, отличающиеся точностью преобразования угла, быстродействием, надёжностью и стоимостью. Для систем управления двигателями, разрабатываемыми в настоящей работе, наиболее подходящими являются дискретные оптоэлектрические датчики, отличающиеся относительно низкой стоимостью, высоким быстродействием и приемлемой надёжностью. Основным недостатком подобных датчиков является то, что они не способны определять точное угловое положение ротора, а могут лишь указывать системе управления начала и концы угловых интервалов определённой длительности. В данной ситуации длительность подобных интервалов составляет 90 эл.град. В процессе запуска система управления может установить положение ротора двигателя с

точностью до этого значения. При высоких значениях углов опережения внутри 90-градусного интервала возможно такое расположение ротора, при котором его движение начнётся в сторону, противоположную нормальному направлению вращения. Подобная проблема свойственна как ВИД с конфигурацией фазных обмоток по схеме «звезда», так и ВИД с конфигурацией фазных обмоток по схеме «многоугольник», различие проявляется лишь в абсолютных значениях предельных углов опережения, приводящих к возникновению реверсивных стартов.

Для устранения реверсивных стартов двигателя в работе рассмотрено два способа. Согласно первому способу, система управления ВИД отслеживает направление вращения ротора и в случае реверсивного старта осуществляет его торможение и перезапуск. При этом всегда существует вероятность того, что ротор внутри 90-градусного интервала остановится в положении, благоприятном для его последующего пуска в требуемом направлении. Однако в ряде приложений возможность реверса ротора должна быть полностью исключена. Эту задачу позволяет решить второй способ, согласно которому пуск двигателя должен осуществляться при значении угла опережения на 90 эл.град. меньшего требуемого значения угла. В этой ситуации старт ротора всегда осуществляется в заданном направлении при пониженном значении выходной мощности. Тем не менее, основной задачей данного алгоритма является именно осуществление процесса пуска, сразу после которого система управления может перейти к требуемому значению угла опережения, а инерционности ротора окажется достаточно для исключения возможности изменения направления вращения при переходе к рабочему значению угла. Данные алгоритмы были подвергнуты экспериментальной проверке, в результате которой была подтверждена их эффективность.

Четвёртая глава посвящена практической реализации ВИД для систем автомобильного и автотракторного электрооборудования. Рассмотрена специфика работы двигателей в данной области применения, сформулированы требования, предъявляемые к двигателю, работающему в составе подобных систем.

Основной целью предпринятых усилий является создание ВИД, конкурентоспособного по сравнению с двигателями постоянного тока (ДПТ), используемыми в настоящее время в большинстве автомобильных систем отечественного производства. В главе проведено сравнение основных характеристик ДПТ и ВИД и показано явное преимущество последних.

На основе параметров индукторной машины, приведённых в таблице I, и требований, предъявляемых к двигателю, разработана схема силового модуля преобразователя.

Таблица 1 Параметры индукторной машины ВИД

Так же, исходя и специфики разработанны в главе 3 алгоритме управления двигателем создана принципиальна схема системь

управлени

преобразователем, в основе которой лежит малопроизводительный 8-разрядньГ микроконтроллер низкой стоимости. Приведён алгоритм работы системь управления, реализованный на базе данного микроконтроллера. Алгоритм управления включает в себя алгоритм запуска двигателя с исключением возможности реверсивного старта, алгоритм ограничения пусковых токов двигателя, мониторинг напряжения питания, алгоритм управления процессом возбуждения фаз двигателя в установившемся режиме работы, алгоритм управления выходной мощностью (скоростью) на валу двигателя.

В главе приведены результаты исследования разработанных алгоритмов управления для ВИД с конфигурацией фазных обмоток по схеме «звезда». В частности, проведена проверка алгоритма управления процессом возбуждения фаз двигателя в установившемся режиме работы при номинальной выходной мощности. В главе 3 было установлено, что номинальная мощность достигается, в данном случае, если возбуждение фаз начинается с углом опережения, равном 65 эл.град, и заканчивается при угловом положении ротора 120 эл.град. В ходе проведения экспериментов значение угла опережения было скорректировано и составило 71 эл.град. При этом,длительность интервала возбуждения стала равна 191 эл.град. С точки зрения используемого датчика положения ротора, отсчёт интервала длительностью 191 эл.град. невозможен, т.к. длительность интервалов, указываемая датчиком, кратна 90 эл.град. Тем не менее, было установлено, что уменьшение длительности интервала коммутации на 11 эл.град. приводит лишь к 5-ти процентному уменьшению выходной мощности, что несущественно. Более того, для восстановления номинального значения выходной мощности при 180-градусном интервале коммутации, угол опережения достаточно увеличить на 2 эл.град. Таким образом, он будет равен 73 эл.град.

На рисунке 6 приведена осциллограмма тока фазы двигателя при номинальной выходной мощности (сплошная линия). С целью подтверждения адекватности имитационной модели, использованной в процессе теоретических

Номинальная мощность, Вт 125

Номинальное напряжение питания, В 24

Номинальная скорость вращения об/мин 5000

Число полюсов статора 8

Число полюсов ротора 6

исследований, на данном рисунке приведена осциллограмма тока фазы, полученная на модели (пунктирная линия). Качественное и количественное сравнение кривых подтверждает высокую степень адекватности разработанных имитационных моделей.

Проведено исследование алгоритмов управления выходной мощностью двигателя. Было подтверждено, что

многоимпульсная ШИМ является наиболее приемлемым методом регулирования выходной

мощности. Б данном случае достигается высокая плавность

Рис.6 Экспериментальная и теоретическая кривые тока фазы ВИД при номинальной мощности

регулировочной характеристики, в то время как уровень динамических потерь в полупроводниковых приборах силового преобразователя на частотах коммутации, не превышающих 20 кГц, остаётся достаточно низким. В среднем, динамические потери в полупроводниковых приборах при многоимпульсной ШИМ не превышают 2% от общих потерь мощности двигателя, что несущественно при столь высокой плавности регулировочной характеристики.

Исследование работы алгоритма ограничения пусковых токов двигателя, заключающегося в применении метода многоимпульсной ШИМ с фиксированным коэффициентом заполнения при запуске двигателя, подтвердило эффективность предложенного способа. Пусковой ток двигателя, в данном случае, может быть ограничен практически на любом уровне, что было неоднократно подтверждено в процессе экспериментов. Наряду с этим, было успешно проведено исследование алгоритма защиты двигателя от заклинивания ротора. Согласно данному алгоритму, возбуждение фаз двигателя прекращается в случае, если после осуществления запуска двигателя положение ротора не меняется в течение установленного времени.

В рамках данной работы была создана серия ВИД, имеющих тип 81.3780 с различными обмоточными данными статора для применения. Проведено исследование характеристик разработанных двигателей и их сравнение с характеристиками ДПТ, применяемых в большинстве отечественных автомобильных систем (рис.7 и 8). В данной серии ВИД со статором №1 имеет

M, Н*м

диаметр провода 0.85 мм и 98 витков в катушке; статор №2 - 1.0 мм, 78 витков; статор №3 1.12 мм, 64 витка в катушке. Анализ характеристик показывает, что ВИД отличается от ДПТ существенно большей энергетической эффективностью. Что подтверждает актуальность его внедрения в данной области техники.

В завершение главы рассмотрены методы адаптации разработанных ВИД к особенностям организации процессов управления скоростью вращения

исполнительных механизмов

автомобильных систем. Показаны способы модификации

преобразователей ВИД для их непосредственного включения в сети питания двигателей постоянного тока, регулирование скорости вращения которых осуществлялось путём введения гасящего резистора в цепь их питания. Приведён пример организации процесса адресного управления скоростью вращения двигателей, объединенных в общую систему, на базе однопроводного автомобильного интерфейса LIN.

Оценка экономической эффективности разработанных ВИД показала, что уменьшение числа силовых ключей преобразователя приводит к существенному снижению его стоимости и габаритных размеров. Так, по с классическим двигателя стоимость

Рис. 7 Механические характеристики серии ВИД 81.3780 и ДПТ U4814

1 U4814 -"- 81.3780стат№1 —^t-81.3780 С ТЭТ №2 -▼-81.3780 стат N23

У Г

0,05

0.1

0,15

0.2 М, Н'м

сравнению вариантом

Рис. 8 Зависимость тока потребления от момента на валу ВИД 81.3780 и ДПТ 114814

преобразователя ВИД с обмотками, соединёнными по схеме «звезда», снизилась в 1.9 раза, а габаритные размеры

уменьшились на 35%. Таким образом, общая стоимость разработанного двигателя (при ещё не доведённой до высокого уровня технологии производства) практически сравнялась со стоимостью используемых в настоящее время ДПТ, что открыло широкие перспективы для дальнейшего применения ВИД в области автомобильного и автотракторного электрооборудования.

Заключение.

По результатам работы можно сделать следующие выводы:

1. Проведён анализ электромагнитных процессов в ВИД с конфигурируемыми обмотками и выявлены их существенные отличия от аналогичных процессов в ВИД с независимым управлением обмоток.

2. Разработана имитационная модель, допускающая анализ электромагнитных процессов в ВИД с конфигурируемы фазными обмотками.

3. Исследовано влияние способов соединения обмоток двигателя на его электрические и механические характеристики. Сформулированы критерии выбора структуры силового преобразователя для ВИД с конфигурируемыми обмотками.

4. Разработаны алгоритмы управления ВИД с конфигурируемыми обмотками, учитывающие реализацию управления двигателем в динамических и установившихся режимах, а также устранение реверсивных стартов.

5. Разработана и реализована система управления двигателем, реализующая предложенные алгоритмы управления на 8-разрядных микроконтроллерах.

6. Проведено сравнение теоретически рассчитанных и экспериментально полученных электрических и механических характеристик ВИД при различных конфигурациях соединения фазных обмоток, в результате которого подтверждена адекватность разработанных имитационных моделей. Проведена экспериментальная проверка основных разработанных в диссертации положений.

7. Результаты работы внедрены в серийное производство ВИД циркуляционных насосов и зависимых воздушных отопителей систем отопления автобусов.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Асташев М.Г. Панфилов Д.И. Буренков К. Э. Особенности построения

преобразователей для вентильно-индукторных двигателей автомобильных

систем // Электроника и электрооборудование транспорта. 2009. №5-6. С. 1418

2. Асташев М.Г. Панфилов Д.И. Имитационные модели вентильш индукторных двигателей с конфигурируемыми обмотками // Электроника электрооборудование транспорта. 2010. №1. С. 27-32

3. Асташев М. Модуль электропривода вспомогательных устройст пассажирского автотранспорта // IX Всероссийская выставка научно технического творчества молодёжи НТТМ-2009. Всероссийский конкур научно-технического творчества молодёжи. Сборник материалов. Москва ОАО "ГАО ВВЦ", 2009. С.73-75

4. Асташев М.Г. Исследование характеристик вентильно-индукторны электрических машин // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика Четырнадцатая'Международная научно-техническая конференция студентов аспирантов: Тез. докладов. - М.: Издательский дом МЭИ, 2008. - Т. 1. - С.204 205

5. Асташев М.Г. Применение вентильно-индукторных электрических машин устройствах автомобильной электроники // Радиоэлектроника, электротехник и энергетика. Пятнадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. докладов. - М.: Издательский дом МЭИ, 2009,-Т.1.-С.188-189

Подписано в Зак. Тир.(00 д.л.

Полиграфический центр МЭИ (ТУ)

Красноказарменная ул., д. 13

Введение.

Квалификационные признаки работы.

Глава 1. Анализ электромагнитных процессов в индукторных электрических машинах

1.1 Индукторная машина как нагрузка полупроводникового преобразователя.

1.2 Задача анализа электромагнитных процессов в ВИД.

1.3 Математическая модель индукторной машины.

1.4 Методы оценки и расчёта входных параметров модели ИМ.

1.5 Разработка модели одной фазы индукторной машины.

1.6 Разработка модели двигателя и ее адаптация к особенностям исследуемой машины.

1.7 Выводы по главе.

Глава 2. Анализ процессов в преобразователях ВИД с конфигурируемыми фазными обмотками методами имитационного моделирования

2.1 Цели и инструменты анализа.

2.2 Влияние способов включения обмоток ВИД на структуру и процессы в преобразователе.

2.3 Анализ процессов в системе силовой преобразователь - ИМ с конфигурацией обмоток по схеме «звезда».

2.4 Анализ процессов в системе силовой преобразователь — ИМ с конфигурацией обмоток по схеме «многоугольник».

2.5 Режимы работы полупроводниковых приборов силовых преобразователей ВИД.

2.6 Анализ пусковых токов ВИД с конфигурируемыми обмотками.

2.7 Влияние способов соединения фазных обмоток на характеристики ВИД.

2.8 Выводы по главе.

Глава 3. Разработка и исследование алгоритмов управления преобразователями ВИД с конфигурируемыми обмотками

3.1 Цели и инструменты исследований.

3.2 Исследование диапазонов выходных мощностей ВИД с конфигурируемыми обмотками.

3.3 Анализ алгоритмов управления мощностью двигателей с учетом потерь энергии в ключевых полупроводниковых элементах преобразователя.

3.4 Ограничение пусковых токов ВИД.

3.5 Система управления преобразователями для ВИД с конфигурируемыми обмотками.

3.6 Особенности управления ВИД с конфигурируемыми обмотками.

3.7 Разработка структуры и выбор элементной базы системы управления ВИД с конфигурируемыми обмотками.

3.8 Выводы по главе.

Глава 4. Разработка и исследование систем отопления салона автобусов с использованием ВИД с конфигурируемыми обмотками возбуждения

4.1 Области применения ВИД с конфигурируемыми обмотками.

4.2 Особенности работы ВИД в составе системы.отопления салона пассажирского автотранспорта.

4.3 Силовой модуль и блок управления двигателя.

4.4 Отладочный комплекс для исследования характеристик ВИД.

4.5 Исследование алгоритмов управления ВИД с конфигурацией фазных обмоток по схеме «звезда».

4.6 Управление скоростью вращения ротора.

4.7 Ограничение пусковых токов и защита ВИД от заклинивания ротора.

4.8 Исследование характеристик серии ВИД с фазными обмотками, соединёнными по схеме «звезда».

4.9 Адаптация разработанных ВИД к особенностям организации процессов управления скоростью вращения исполнительных механизмов автомобильных систем.

4.10 Эффективность внедрения результатов работы. Перспективы развития.

4.11 Выводы по главе.

По данным многих источников вентильно-индукторные двигатели (ВИД) станут электрическими двигателями двадцать первого века [1, 3, 5, 29, 71, 77, 84]. Подобные предположения имеют под собой достаточно веские основания и базируются на ряде существенных преимуществ ВИД перед электрическими двигателями других типов. К его основным достоинствам, в первую очередь, относят явнополюсную магнитную систему и отсутствие обмоток на роторе, а также хорошие массогабаритные показатели, по которым ВИД превосходит даже асинхронные двигатели [5], и высокий к.п.д. Благодаря перечисленным особенностям, двигатели данного типа обладают высокой технологичностью и надёжностью, что позитивно сказывается на их стоимости, а так же высокой энергетической эффективностью, которая совместно с экономической составляющей позволяет им успешно конкурировать практически со всеми существующими электрическими двигателями.

На фоне достоинств вентильно-индуктроных двигателей наиболее ярко становятся выраженными недостатки двигателей постоянного тока (ДПТ). К таким недостаткам можно отнести наличие скользящих контактов, относительно низкий к.п.д. и высокие массогабаритные показатели [19]. Данные факторы способствуют тому, что ДПТ имеют высокую стоимость и низкую надёжность. Несмотря на это, традиционно, в ряде областей применения двигатели данного типа до сих пор остаются основными используемыми электрическими двигателями. Тем не менее, исходя из объективных причин, постепенно активизируется процесс их вытеснения двигателями других типов, в том числе и вентильно-индукторными. Потребность в этом наиболее ярко выражена в области автомобильного и автотракторного оборудования, в состав которого входит значительное число электрических двигателей [66, 72].

С точки зрения внедрения новых технологий автомобильный рынок, несомненно, является наиболее привлекательным: он очень ёмок по своим объемам потребления, постоянно совершенствуется и предъявляет весьма жёсткие требования к конструктивным, надёжностным и технико-экономическим показателям используемых устройств. Во многих случаях успех в решении актуальных для автомобильной электроники задач предопределяет дальнейшее быстрое внедрение разработанных технологий в смежные области техники. Возможность внедрения в серийное производство новых решений в данной области, как правило, оценивается по совокупности критериев, к основным из которых можно отнести: массогабаритные показатели, надежность, технологичность, ремонтопригодность, стоимость, электрические и механические характеристики систем.

Электрические двигатели, входящие в состав автомобильного оборудования, в большинстве своём, являются двигателями малой мощности [66, 72]. Исключение могут составлять только двигатели тяговых установок, речь о которых, в данном случае, не идёт. К настоящему времени наибольшее распространение в автомобилестроении получили двигатели постоянного тока ввиду их очевидных преимуществ в условиях питания от бортовой сети постоянного тока.

Непрекращающееся совершенствование силовых установок современных автомобилей, решение задач экологичности и энергоэффективности автомобильных систем предъявляют все более жесткие требования к электрическим двигателям, применяемым в этой области. Прежде всего, это сказывается именно на требованиях к массогабаритным, электрическим, энергетическим, регулировочным, надежностным и стоимостным характеристикам.

Ранее уже было отмечено, что по многим критериям вентильно-индукторные двигатели обладают рядом неоспоримых преимуществ перед двигателями других типов. Однако при анализе их свойств следует учитывать необходимость применения преобразователя, осуществляющего возбуждение фазных обмоток в соответствии с определёнными алгоритмами. Для ВИД малой и средней мощности стоимость преобразователя сравнима со стоимостью самой индукторной машины. При этом, чем меньше мощность двигателя, тем более существенный вклад в его стоимость вносит преобразователь.

У большинства двигателей, применяемых в автомобильном оборудовании, значение мощности лежит в диапазоне от нескольких десятков до нескольких сотен ватт. Стоимость силового преобразователя для таких ВИД практически равна стоимости индукторной машины (ИМ), вследствие чего общая стоимость двигателя оказывается достаточно высокой, делая его неконкурентоспособным даже по сравнению с ДПТ. При этом крайне актуальной является задача уменьшения стоимости ВИД, состоящей, как уже было отмечено, из стоимости индукторной машины и силового преобразователя.

В диссертации поставлена задача разработки методов управления индукторной машиной, позволяющих максимально упростить структуру преобразователя и тем самым снизить его габаритные размеры и стоимость, сохраняя при этом основные достоинства машины. Очевидно, что решить эту задачу можно на основе анализа электромагнитных процессов в самой индукторной машине и разработке специализированных методов её управления с последующим исследованием и оптимизацией процессов в преобразователях различной структуры.

Анализ процессов в индукторной машине проводился с целью исследования влияния различных способов соединения (конфигурирования) ее фазных обмоток на электромагнитные процессы и электромеханические характеристики двигателя. В результате анализа была подтверждена гипотеза о том, что конфигурирование фазных обмоток оказывает самое существенное влияние на электромагнитные процессы, электромеханические и регулировочные характеристики индукторной машины. Принципиальной особенностью индукторных машин с конфигурируемыми обмотками является наличие непосредственной электрической связи между последними, что совершенно не свойственно ВИД с независимым возбуждением фазных обмоток. В конечном счёте, это приводит к взаимному влиянию полей обмоток, что сказывается на общих электромагнитных процессах в машине. В связи с этим, существующие подходы к анализу и моделированию процессов в машине применить напрямую, практически, не удается, или процесс их адаптации становится трудоемким и неэффективным. Поэтому в диссертации было уделено особое внимание анализу электромагнитных процессов в индукторных машинах при различной конфигурации фазных обмоток и разработке методов математического моделирования протекающих в них процессов.

Так же в диссертации было проведено детальное исследование влияния конфигурирования обмоток индукторной машины на структуру преобразователя ВИД, процессы, протекающие в нём, его статические, динамические и энергетические характеристики. Проведенные исследования показали возможность упрощения структур преобразователей и минимизации количества их силовых ключей за счет конфигурирования фазных обмоток машины. Такой подход позволяет упростить конструкцию и стоимость преобразователя, что напрямую отвечает поставленным в диссертации целям.

Модификация структуры преобразователя влечёт за собой изменение процессов его ключевых элементов и режимов их работы. Причём тенденции данного изменения неочевидны. Режимы работы, в свою очередь, оказывают влияние, как на стоимость полупроводниковых приборов, так и на энергетические характеристики двигателя. Для их изучения требуется проведение анализа процессов, протекающих в системе «силовой преобразователь - индукторная машина» в различных условиях работы ВИД, т.е. при различных значениях напряжения питания, различных параметрах управления, вариации нагрузки и различных режимах работы самого двигателя. Этим проблемам в диссертации также уделено существенное внимание.

Таким образом, основное направление исследований в диссертационной работе связано с анализом влияния конфигурирования обмоток индукторной машины на электромагнитные и энергетические процессы в системе «преобразователь - индукторная машина - нагрузка», а также разработкой и исследованием соответствующих методов управления преобразователем на основе последних достижений микроэлектроники.

Предложенные в диссертации методы анализа могут быть использованы для разработки и исследования алгоритмов управления ВИД, которые до настоящего времени изучались только применительно к двигателям с независимым возбуждением фазных обмоток. При этом основной целью, преследуемой в процессе разработки алгоритмов управления ВИД в данной работе, является сохранение его основных преимуществ перед двигателями других типов в условиях нового подхода к организации процесса возбуждения его фаз. Только в случае достижения этой цели ВИД с конфигурируемыми обмотками может стать конкурентоспособным.

Значительная роль в диссертации отведена экспериментальным исследованиям, в результате которых может быть проведена оценка точности и адекватности разработанных аналитических подходов к анализу процессов в реальных устройствах.

Для достижения поставленной цели в первой главе диссертации рассматриваются основные различия электромагнитных процессов, протекающих в ВИД с конфигурируемыми обмотками, и процессов, протекающих в ВИД с независимым возбуждением фазных обмоток. Рассмотрены существующие подходы к анализу процессов ВИД и показана невозможность их непосредственного использования в отношении ВИД с конфигурируемыми обмотками. Разработана математическая модель индукторной машины, на базе которой в среде Ма^аЬ создана его имитационная модель. Для подтверждения точности модели приведено сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными. Представлен метод адаптации модели к параметрам реального двигателя.

Во второй главе проведён анализ возможных структур силовых преобразователей ВИД при конфигурировании его фазных обмоток. Выбраны наиболее подходящие варианты. На основе разработанных имитационных моделей проведены исследования процессов, протекающих в системе «преобразователь - индукторная машина». Большое внимание уделено режимам работы полупроводниковых приборов преобразователей. Показано их существенное отличие от режимов работы приборов ВИД с независимым возбуждением фазных обмоток. Проведено исследование характеристик ВИД при различных способах включения отдельных катушек его фаз, подтвердившее уникальность свойств подобных двигателей.

В третьей главе с помощью имитационной модели исследованы алгоритмы возбуждения фаз двигателей. На основе полученных энергетических и регулировочных характеристик машин с конфигурируемыми фазными обмотками проведено сравнение с аналогичными характеристиками машины с независимым возбуждением. Рассмотрены специфические особенности организации управления, свойственные ВИД с конфигурируемыми обмотками. Проведен анализ структуры и выбор элементной базы системы управления, позволяющей реализовать разработанные алгоритмы управления.

В четвёртой главе представлен силовой преобразователь ВИД для использования в составе автомобильного и автотракторного оборудования. Описаны алгоритмы управления преобразователем, позволяющие реализовать различные законы управления двигателем и защиту от аварийных режимов его работы. Приведены результаты экспериментальной проверки работоспособности ВИД и сравнение с результатами, полученными на имитационной модели. Проведенное сравнение результатов подтвердило адекватность предложенной в диссертации имитационной модели.

Представлены результаты внедрения в серийное производство разработанных ВИД с конфигурируемыми обмотками. Проведено сравнение механических и энергетических характеристик разработанных ВИД с аналогичными характеристиками для ДПТ и показаны их преимущества.

Квалификационные признаки работы

Целью диссертационной работы является разработка и исследование полупроводниковых преобразователей для вентильно-индукторных двигателей с возможностью конфигурирования их фазных обмоток.

Задачи диссертации. Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Исследование влияния способов соединения обмоток на электромагнитные процессы в вентильно-индукторных электрических машинах. Разработка подхода к расчету основных характеристик ВИД с конфигурируемыми обмотками;

2. Разработка имитационных моделей преобразователь - ИМ - нагрузка. Разработка алгоритма адаптации модели к конкретным параметрам системы;

3. Анализ и оптимизация процессов в силовой схеме полупроводникового преобразователя в режимах регулирования скорости вращения в широких пределах. Разработка структуры системы управления;

4. Создание и оптимизация алгоритмов управления полупроводниковым преобразователем с учётом требований современной элементной базы микроэлектроники;

5. Практическая реализация полупроводниковых преобразователей ВИД для автомобильного электрооборудования.

Методы исследований базируются на общих положениях теории цепей, теории дифференциальных и алгебраических уравнений, вычислительных методах и использовании современных инструментальных систем моделирования MatLab и MathCAD. Основным методом исследования, применённым в данной работе, является метод имитационного моделирования. При проведении экспериментальных исследований использовались компьютерные методы интерактивной отладки и исследования микропроцессорных систем управления с использованием интегрированной среды разработки Metrowerks Code Warrior, а так же современные средства измерения.

Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием математического аппарата, сравнением теоретических результатов с экспериментальными данными, а так же с результатами, известными из литературы.

Научная новизна:

1. Предложен подход к анализу электромагнитных процессов в системе «преобразователь - вентильно-индукторный* двигатель» при изменяемой конфигурации обмоток статора двигателя. Получены соотношения для расчета основных характеристик двигателя при различной конфигурации фазных обмоток.

2. Разработана методика построения имитационной модели системы «преобразователь — ВИД - нагрузка» и предложен алгоритм адаптации модели к характеристикам исследуемой системы.

3. Разработаны алгоритмы управления преобразователями, обеспечивающие работу и эффективное управление двигателем в статических и динамических режимах.

Практическая полезность:

1. Разработаны модели для систем «преобразователь - ВИД» с различной конфигурацией обмоток статора, позволяющие проводить детальный анализ электромагнитных процессов в преобразователе и двигателе.

2. Проведена сравнительная оценка влияния способов соединения обмоток статора на электрические и механические характеристики двигателя.

Проанализировано влияние способов соединения обмоток статора на структуру преобразователя.

3. Разработаны преобразователи для ВИД с различной конфигурацией обмоток статора.

4. Рассмотрены и реализованы алгоритмы управления для систем «преобразователь - ВИД» в момент пуска, динамических и установившихся режимах на маломощных микроконтроллерах низкой стоимости.

5. Результаты работы внедрены в системах автомобильного и автотракторного электрооборудования.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы лежат в основе серийно выпускаемого ВИД типа 81.3780 и насоса 812.3780, используемых в автомобильном и автотракторном электрооборудовании.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Сравнительный анализ электромагнитных процессов, электрических и механических характеристик ВИД с различными конфигурациями статорных обмоток.

2. Имитационная модель для расчета электромагнитных процессов в ВИД с конфигурируемыми фазными обмотками.

3. Алгоритмы управления вентильно-индукторными двигателями с конфигурируемыми обмотками.

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, подтверждающие эффективность конфигурирования фазных обмоток ВИД.

5. Преобразователь серийно выпускаемого ВИД 81.3780, предназначенный для использования в автомобильном и автотракторном электрооборудовании.

Апробация полученных результатов: Основные результаты работы докладывались на заседании кафедры «Промышленная электроника» Московского энергетического института (Технического университета); XII, XIII и XIV международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика"; на IX

Всероссийской выставке научно-технического творчества молодёжи (НТТМ 2009); на заседании учёного совета ФГУП «НИИАЭ».

На выставке НТТМ 2009 работа награждена медалью ВВЦ.

Публикации. Основные результаты диссертации освещены в 5 научных работах, из них две в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объём работы: диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Основная часть работы изложена на 187 страницах, содержит 82 иллюстрации, 5 таблиц и список литературы из 100 наименований.

Основные результаты и выводы.

1. Проведён анализ электромагнитных процессов в ВИД с конфигурируемыми обмотками и выявлены их существенные отличия от аналогичных процессов в ВИД с независимым управлением обмоток.

2. Разработана имитационная модель, допускающая анализ электромагнитных процессов в ВИД с конфигурируемыми фазными обмотками.

3. Исследовано влияние способов соединения обмоток двигателя на его электрические и механические характеристики. Сформулированы критерии выбора структуры силового преобразователя для ВИД с конфигурируемыми обмотками.

4. Разработаны алгоритмы управления ВИД с конфигурируемыми обмотками, учитывающие реализацию управления двигателем в динамических и установившихся режимах, а также устранение реверсивных стартов.

5. Разработана и реализована система управления двигателем, реализующая предложенные алгоритмы управления на 8 разрядных микроконтроллерах.

6. Проведено сравнение теоретически рассчитанных и экспериментально полученных электрических и механических характеристик ВИД при различных конфигурациях соединения фазных обмоток. Проведена экспериментальная проверка основных разработанных в диссертации положений.

7. Результаты разработок внедрены в серийное производство в системах отопления салона пассажирского автотранспорта.

1. Беляев A.B., Солтус К.П. Минимизация пульсаций момента индукторного двигателя изменением напряжения на фазной обмотке. Вестник Всероссийского научно-исследовательского и проектно-конструкторского института электровозостроения. 2005. № 1. С. 64-68

2. Бессонов J1.A. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. М.: Высшая школа, 1996. - 638 с.

3. Вентильно-индукторный электропривод. Доклады научно-практического семинара. -М.: Издательство МЭИ, 2006. -112с.

4. Вентильные преобразователи переменной структуры / В. Е. Тонкаль, и др., Акад. наук УССР. Ин-т электродинамики . Киев : Наукова думка, 1990.-336 с.

5. Виноградов А.Б. Минимизация пульсаций электромагнитного момента вентильно-индукторного электропривода. Электричество. 2008. № 2. С. 39-49

6. Власов А.И., ВолокитинаЕ.В., Шалагинов В.Ф. Систематизация общей процедуры проектирования вентильно-индукторного электродвигателя. Электроника и электрооборудование транспорта. 2005. № 5. С. 10-12

7. Воронин П.А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение. М.: Издательский дом Додека-ХХ1, 2001.-384 с.

8. Ю.Герман-Галкин С.Г. Силовая электроника. Лабораторные работы на ПК. СПб.: КОРОНА принт, 2002. - 304 с.

9. Герман-Галкин С.Г. Matlab&Simulink. Проектирование мехатронных систем на ПК. СПб.: КОРОНА-Век, 2008. - 368 с.

10. ГОСТ Р 52230-2004 Электрооборудование автотракторное. Общие технические условия. М.: ИПК Издательство стандартов, 2004. - 44 с.

11. Дианов А.Н. Разработка и исследование системы бездатчикового управления вентильным двигателем: 05.09.03 Электротехнические комплексы и системы : Диссертация кандидата' технических наук / А.Н. Дианов, Моск. энерг. ин-т (ТУ). - 2004 . - 200 с.

12. Жарков A.A. Датчики положения ротора для вентильно-индукторного электропривода с векторным управлением. Электричество. 2008. № 5. С. 36-41

13. ЖданкинВ. Абсолютные датчики углового положения с интерфейсом SSI. Электронные компоненты. 2004. №8. С. 52-57

14. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники. Издание 3 / Г.С. Зиновьев. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. - 672 с.

15. Ильинский Н.Ф. Общий курс электропривода : Учебник для электротехнических и электроэнергетических специальностей вузов /

16. H.Ф. Ильинский, В.Ф. Козаченко . М. : Энергоатомиздат, 1992 . - 543 с.

17. Киреев A.B., Кононов Г.Н., Лебедев A.B., Кулишов A.A. Тяговый привод с индукторными двигателями. Вестник Всероссийского научно-исследовательского и проектно-конструкторского института электровозостроения. 2007. № 2. С. 14-23

18. Киреев A.B., Крамсков С.А. Моделирование электромагнитных процессов в вентильно-индукторном электроприводе в математической системе MathCAD. Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2003. № 1. С. 42-46

19. Кононов Г.Н. Повышения энергетической эффективности вентильно-индукторного электропривода. Вестник Всероссийского научно-исследовательского и проектно-конструкторского института электровозостроения. 2005. № 1. С. 184-190

20. Красовский А.Б. Применение имитационного моделирования для исследования вентильно-индукторного электропривода // Электричество. 2003. №3. С.35-45

21. Красовский А.Б., Кузнецов С.А. Особенности замкнутого управления моментом вентильно-индукторного электродвигателя. Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия: Естественные науки. 2009. № 3. С. 84-102

22. Красовский А.Б., Кузнецов С.А., Трунин Ю.В. Моделирование магнитных характеристик вентильно-индукторных машин. Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия: Естественные науки. 2007. № 4. С. 57-77

23. Кузнецов В.А., Кузьмичёв В.А. Вентильно-индукторные двигатели. -М.: Издательство МЭИ, 2003. 70с.

24. Кузнецов В.А., МагинВ.В., Марков A.C. Особенности расчета и моделирования вентильно-реактивных электрических машин. Электричество. 2008. № 11. С. 30-36

25. Кузнецов В.А., Николаев В.В. Стратегия проектирования вентильно-индукторного стартёр-генератора. Электротехника. 2005. № 4. С. 46-51.

26. Кузнецов С.А. Учет нелинейных свойств вентильно-индукторных машин в алгоритмах управления. Системы управления и информационные технологии. 2008. № 4 (34). С. 82-86

27. Лебедев А.Г. Недолужко И.Г. Анализ коммутационных процессов в ключе на МДП-транзисторе с индуктивной нагрузкой. // Компоненты и Технология. -2007.-№4.-С. 123-128

28. Лебедев А.Г. Недолужко И.Г. Модели мощных МДП-транзисторов для анализа коммутационных процессов // Вестник МЭИ М.: МЭИ 2002г. №5, С. 87-94

29. Лебедев А.Г. Недолужко И.Г. Модели мощных МДП-транзисторов для анализа коммутационных процессов // Вестник МЭИ М.: МЭИ 2002г. №5, С. 87-94

30. Лин Д. Измерение углов во вращающихся системах с высоким разрешением. Электронные компоненты. 2007. №11. С. 46-50

31. Луков Н.М., Космодамианский A.C., Попов Ю.В. Электроприводы вентиляторов для регуляторов температуры энергетических установок подвижного состава. Наука и техника транспорта. 2005. № 1. С. 44-55

32. Никифоров Б.В., Пахомин С.А., ПтахГ.К. Вентильно-индукторные двигатели для тяговых электроприводов. Электричество. 2007. № 2. С. 34-38

33. Никифоров Б.В., Темирёв А.П., Лозицкий O.E. Создание корабельных систем электродвижения с вентильно-индукторным электроприводом. Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2007. № 4. С. 62-66

34. Николаев В.В., Рыбников В.А. Разработка интегрированного стартер-генератора на основе вентильно-индукторной машины. Электричество. 2005. № 5. С. 32-38

35. Осин И.Л. Электрические машины автоматических устройств : Учебное пособие по специальности "Электромеханика" направления "Электротехника, электромеханика и электротехнологии" / И.Л. Осин, Ф.М. Юферов . М. : Изд-во МЭИ, 2003 . - 424 с.

36. Пак Д.Дж., Баррет С.Ф. Встраиваемые системы. Проектирование приложений на микроконтроллерах семейства 68HC12/HCS12 сприменением языка С. М.: Издательский дом «ДМК-пресс», 2007. -640 с.

37. Петрушин А.Д., Ворон O.A., Смачный Ю.П. Вентильно-индукторные машины для железнодорожного подвижного состава. Вестник Всероссийского научно-исследовательского и проектно-конструкторского института электровозостроения. 2005. № 1. С. 147159

38. Петрушин А.Д., Шайхиев А.Р., Селютин Ю.В. Исследования динамических характеристик ВИЛ. Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2002. № 2. С. 39-42

39. ПтахГ.К. Макромодель индукторной машины. Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2002. № 6. С. 3-9

40. Работа с микроконтроллерами семейства HC(S)08 : пособие для технических вузов / X. Крейдл, и др. М. : Изд-во МЭИ, 2005. - 444 с.

41. Разевиг В.Д. Система проектирования OrCAD 9.2 Солон Р, 2003. -528 с.

42. Ремизевич Т.В. Микроконтроллеры для встраиваемых приложений : От общих подходов- к семействам НС05 и НС08 фирмы Motorola / T.B. Ремизевич . М. : ДОДЭКА, 2000 . - 272 с.

43. Розанов Ю.К. Основы силовой электроники / Ю.К. Розанов . М. : Энергоатомиздат, 1992 . -296 с.

44. Руденко B.C. Основы преобразовательной техники : Учебник для вузов по специальности "Промышленная электроника" / B.C. Руденко, В.И. Сенько, И.М. Чиженко . 2-е изд., перераб. и доп . - М. : Высшая школа, 1980 .-424 с

45. Смирнов Ю.В. Трёхфазные электромагнитные вентильно-индукторные двигатели. Электротехника. 2009. № 11. С. 23-26

46. Смирнов, Прохоров, Костенков и др. Автомобили ВАЗ -электрооборудование. М.: АТИС, 2002. — 96 с.

47. Справочник по электротехническим материалам /Под ред. Ю.Ф. Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева. Т.З. - 3-е изд., перераб. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. - 728 е.: ил.

48. Староверов К. Интегральные датчики Холла компании Honeywell. Новости электроники. 2010. №1. С. 9-13

49. Сулейманов У.М., Крайнов Д.В. Вентильно-индукторный электропривод электромеханического усилителя рулевого управления. Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2005. № 2. С. 56-59

50. Сысоева С. Рекомендации производителям автомобильных цифровых датчиков скорости и положения. Часть 2. Новые рекомендации по разработке датчиков с магнитным ротором. Компоненты и технологии. 2007. №2. С. 23-28

51. Трунин Ю.В. Автоматическое регулирование положений коммутации фаз вентильно-индукторных двигателей. Системы управления и информационные технологии. 2007. № 3.2 (29). С. 306-310

52. ТуговН.М. Полупроводниковые приборы : Учебник для вузов по специальности "Промышленная электроника" / Н.М. Тугов, Б.А. Глебов, Н.А. Чарыков ; Ред. В.А. Лабунцов . М. : Энергоатомиздат, 1990 . - 576 с.

53. Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. М.: Энергоатомиздат, 1984.-414 с.бб.Чижков Ю.П. Электрооборудование автомобилей и тракторов. Учебник. М.: Машиностроение, 2007. - 656 с.

54. Шабаев В.А., Кругликов О.В. Особенности управления двухфазными и однофазными нереверсивными вентильно-индукторными двигателями. Электротехника. 2008. № 11. С. 35-41

55. Шабаев В.А., Лазарев М.В., Захаров A.B. Алгоритмы управления вентильно-индукторным электроприводом, , обеспечивающие уменьшение неравномерности электромагнитного момента. Электротехника. 2005. № 5. С. 54-56

56. Шайхиев А.Р. Снижение пульсаций момента в вентильно-индукторном электроприводе. Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2004. № 1. С. 77-80

57. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с олупроводниковыми преобразователями частоты. — Екатеринбург: УРО РАН, 2000. 654 с.

58. Электропривод с вентильными двигателями // Докл. науч.-практ. семинара. М.: Издательский дом МЭИ, 2007. - 120 с.

59. ЮттВ.Е Электрооборудование автомобилей. -М.: Транспорт, 1995. -304 с.

60. Ahmed Tahour, Hamza Abid, Abdel Ghani Aissaoui. Adaptive neuro-fuzzy controller of switched reluctance motor. Serbian journal of electrical engineering Vol. 4, No. 1, June 2007, 23-34

61. B. Bekkouchel, A. Chaouch2 and Y. Mezari. A switched reluctance motors analyse using permeance network method. International journal of applied engineering research. Volume 1. Number 2 (2006) pp. 137-152

62. Dr. N.H. Mvungi. Sensorless commutation control of switched reluctance motor. Proceedings of world academy of science, engineering and technology. Volume 21. January 2007

63. Electronic control of switched reluctance machines/Edited by T.J.E. Miller. Newnes, 2001, 272p

64. G. Venkatesan, R. Arumugam, M. Vasudevan, S. Paramasivam and S. Vijayan. Modeling and simulation of a novel switched reluctance motor drive system with power factor improvement. American journal of applied sciences 3 (1): 1649-1654, 2006

65. Gabriel Gallegos-Lopez, Philip C. Kjaer, and Timothy J. E. Miller A new sensorless method for switched reluctance motor drives. IEEE transactions on industry applications, vol. 34, no. 4, July/August 1998

66. Hamid Ehsan Akhter, Virendra K. Sharma, A. Chandra, and Kamal Al-Haddad Performance simulation of switched reluctance motor drive system operating with fixed angle control scheme. Electrimacs 2002, August 18-21

67. J. Kokernak, D.Torrey." Magnetic circuit model for the mutually coupled switched reluctance machine". IEEE Transactions on Magnetics. Vol. 36 no. 2 March 2000.

68. Krishnan, R., Switched reluctance motor drives modeling, simulation, analysis, design and applications. CRC Press, London, 2001

69. Lawrenson P.J. Stephenson J.M. et.al. Variable-speed switched reluctance motors//IEE Proc., vol. 127, Pt. B N4, June 1980. P.253-265

70. M.S. Islam, S.A. Mir, T. Sebastian, and I. Husain, "Sensorless control of switched reluctance machines", US Patent # 6,801,012, Oct. 5, 2004

71. MC9S08SG8 MCU Series data sheet Rev. 0, 12. Freescale Semiconductor, 2006

72. Ichinokura, S.Suyama, T.Watanabe, H.J.Guo "A new calculation model of switched reluctance motor for use on Spice", IEEE Trans, on magnetics, vol. 37, July 2001, pp. 2834-2836

73. Paul D. Webster Converter circuit for a polyphase switched inductive load. US Patent #5,864,477, Jan. 26, 1999

74. Pavol Rafajdus, Ivan Zrak, Valeria Hrabovcova. Analysis of the switched reluctance motor (SRM) parameters. Journal of electrical engineering, vol. 55, no. 7-8,2004, 195-200

75. Pragasen Pillay, Yaguang Liu, Ormonde G. Durham A novel switched reluctance motor drive with optical graphical programming technology. IEEE transactions on industrial electronics, vol. 47, no. 4, August 2000.

76. S.Paramasivam and R.Arumugam. A hybrid controller design and implementation for switched reluctance motor drives. Journal of The Institution of Engineers, Singapore Vol. 45 Issue 5 2005

77. Switch reluctance motor control with PD78K0/KX2 Application Note U18498EE1V0AN00

78. W. Cai, "Comparison and review of electric machines for integrated starteralternator applications", Proc. of the 39th IEEE Indus. Appl. Soc. Annual Meeting, Oct. 200494. www.austriamicro systems .com95.www.freescale.com

79. Асташев М.Г. Панфилов Д.И. Буренков К.Э. Особенности построения преобразователей для вентильно-индукторных двигателей автомобильных систем. Электроника и электрооборудование транспорта. 2009. №5-6. С. 14-18

80. Асташев М.Г. Панфилов Д.И. Имитационные модели вентильно-индукторных двигателей с конфигурируемыми обмотками. Электроника и электрооборудование транспорта. 2010. №1. С. 27-32