автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Разработка и компьютерное моделирование регуляторов коммутирующего поля машины постоянного тока

ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

МУЗЫЛЕВА Инна Васильевна

РАЗРАБОТКА И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕГУЛЯТОРОВ КОММУТИРУЮЩЕГО ПОЛЯ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Специальность 05.09.01 - Электромеханика Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель профессор, д.т.н. Битюцкий Й.Б.

Воронеж, 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.........................................................................................................4

1. Обзор литературы и постановка задачи исследования.............................11

1.1. Современное состояние проблемы коммутации..................................11

1.2. Недостатки традиционной системы дополнительных полюсов............12

1.2.1. Регулирование коэффициента пропорциональности между током якоря и коммутирующим потоком................................................................12

1.2.2. Недостаточная компенсация влияния поля главных полюсов...........13

1.2.3. Отставание коммутирующего потока от тока якоря..........................15

1.3. Распределение ЭДС в коммутационной зоне электродвигателя традиционного исполнения.........................................................................17

1.4. Известные системы управления коммутирующим полем....................21

1.5. Постановка задачи исследования............................................................26

2. Аналитические основы компьютерной модели регулятора коммутирующего поля....................................................................................................27

2.1. Принцип формирования коммутирующего поля..................................27

2.2. Базисные ЭДС........................................................................................31

2.3. Структура компьютерной модели регулятора коммутирующего поля.33

2.4. Расчет управляющих сигналов для текущего режима.........................37

3. Статические режимы работы регулятора коммутирущего поля............40

3.1. Компьютерное моделирование..............................................................40

3.2. Расчет магнитной цепи коммутирующих полюсов и анализ ее насыше

ния..........................................................................................................'.......48

3.2.1. Размеры магнитной цепи и коэффициенты для расчета кривой намаг

ничивания.....................................................................................................48

3.7- ?■ Т'ас^-"-" индукции в зазоре коммутирующих полюсов........../...............49

3.2.3. Оценка степени насыщения магнитной цепи коммутирующих полюсов ..................................................................................................................50

3.3. Выводы..............................................................................52

4. Динамические режимы работы регулятора коммутирующего поля......53

4.1. Математические основы моделирования переходных процессов........53

4.2. Учет инерционности тракта управления коммутацией....................56

4.3. Упреждающее управление возбуждением коммутирующих полюсов..57

4.3.1. Математические основы......................................................................57

4.3.2. Компьютерное моделирование............................................................61

4.4. Форсировка возбуждения коммутирующих полюсов...........................78

4.5. Основные результаты работы...................................................§3

Заключение.....................................................................................................92

Библиографический список...........................................................................93

Приложение.............................................................................100

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время повышение технического уровня машин постоянного тока жестко ограничивается по условиям коммутации. Наиболее щ-

т

фективным средством улучшения коммутационных условий продолжают оставаться дополнительные полюсы (ДП), но в традиционном исполнении они создают некоторую симметричную ЭДС, которая не может скомпенсировать не только искаженную из-за вихревых токов несимметричную относительно центра коммутационной зоны реактивную ЭДС, но и ЭДС. индуктируемую полем главных полюсов. При таких условиях, когда уровень небалансной ЭДС достигает 5... 6 В в номинальном режиме, скользящий контакт уже не справляется со своей задачей обеспечения безыскровой коммутации. В динамических режимах картина осложняется из-за рассогласования в изменениях коммутирующего поля и тока якоря вследствие демпфирующего действия вихревых токов в массивных участках магнито-провода.

Кроме того, возможности вычислительной техники и систем управления практически никак не используются для повышения коммутационной надежности. Нужны принципиально новые технические решения.

Таким образом, создание регулируемой системы возбуждения, формирующей коммутирующую ЭДС, наиболее полно компенсирующую совокупность всех ЭДС, имеющих место в коммутационной зоне, на уровне, соответствующем современной элементной' базе, является актуальной и своевременной задачей.

Поставленную задачу позволяет решить использование независимой системы возбуждения коммзтируюших тюдюео?,, управляемой мгткро-ЭВМ в зависимости от режима работы машины. Здесь и в дальнейшем при опи-

санни работы предлагаемой системы используется термин "коммутирующий полюс", как принято за рубежом.

Данная диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ Липецкого государственного технического университета, финансируемых из средств федерального бюджета по единому заказ-наряду в 1996, 1997, 1998 году, по теме "Совершенствование методов улучшения коммутации мощных машин постоянного тока".

Целью диссертационной работы" является разработка компьютерной модели регулятора коммутирующего поля, управляющего независимыми обмотками возбуждения коммутирующих полюсов. Для достижения г/оставленной цели необходимо было разработать: функциональную схему регулятора; структуру и алгоритм компьютерной модели регулятора; программы и выполнить предварительный расчет базисных кривых реактивной ЭДС, ЭДС, индуктируемой в зоне коммутации полем главных полюсов и ЭДС, индуктируемых каждым коммутирующим полюсом с модифицированным наконечником;

методику и алгоритм, составить программу расчета управляющих сигналов регулятора .для статических и динамических режимов, для.упреждающего и форсированного вариантов регулятора.

Для повышения информативности все расчеты выполнены на численном примере в сравнении с прототипом. В качестве прототипа и объекта управления разработанного регулятора выбран прокатный двигатель мощностью 6000 кВт.

представление рядами Фурье вероятных вариантов периодического закона изменения токов в секциях якорной обмотки, расчет результирующего электромагнитного поля в пазу для каждой гармоники пазовой составляющей реактивной ЭДС с учетом демпфирующего эффекта коммутационных вихревых токов и синтез искомой кривой пазовой составляющей реактивной ЭДС суммированием усеченного ряда гармонических составляющих;

метод точечной квадратичной аппроксимации для расчета управляющих сигналов регулятора для текущего режима;

метод вычисления многочлена в форме Ньютона для расчета упреждающих управляющих сигналов в динамических режимах;

метод численного дифференцирования для равноотстоящих узлов для расчета форсированных управляющих сигналов в динамических режимах.

Научная новизна.

Разработана функциональная схема регулятора коммутирующего поля, представляющего собой систему управления коммутирующими полюсами, обмотки возбуждения которых запйтываются от независимого источника. Ввиду полной новизны данного решения, на первом этапе исследования, результатом которого стала предлагаемая диссертационная работа, разработана компьютерная модель регулятора и исследованы его статические и динамические режимы. Разработан метод упреждающего управления для компенсации инерционности объекта регулирования путем корректировки алгоритма расчета управ,ляющих сигналов со стороны задающего воздействия.

Практическая значимость работы.

На конкретном численном примере показаны возможности принципиально новой системы управления коммутацией, позволяющей регулировать форму коммутирующего поля в зависимости от режима работы машины. Создана и реализована в виде программы методика расчета управляющих сигналов регулятора, позволяющая минимизировать небалансную ЭДС коммутируемых секций в любом рабочем режиме. Показано, что предлагаемая система формирования коммутирующего поля и в статических, и в динамических режимах обеспечивает приемлемый баланс ЭДС в зоне коммутации модифицированной машины. Предложен принципиально новый способ упреждающего управления коммутацией.

Реализация результатов работы.

Результаты работы использованы для создания физической модели регулятора коммутирующего поля в рамках решения задач по госбюджетной теме "Совершенствование методов улучшения коммутации мощных машин постоянного тока". Разработанный программный продукт может быть использован как элемент САПР мощных машин постоянного тока.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 40-летию Липецкого государственного технического университета (г. Липецк, октябрь 1996 г.), на областной научной конференции "Молодежь и наука на рубеже XXI века" (г. Липецк, апрель 1997 г.).

Публикации.

По материалам диссертации опубяяковано 10 работ: 3 статья., 1 авторское свидетельство, положительные решения по 3 заявкам на патент, 2

публикации тезисов докладов на конференциях, 1 отчет по госбюджетной НИР.

Объем и структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Объем диссертации составляет 152 стр. текста, включающего 43 рисунка, библиографический список из 61 наименования и приложение.

Основное содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы, определена цель работы, указана научная новизна и практическая ценность диссертации, даны основные положения, которые выносятся на защиту, а также информация об обсуждении результатов исследований.

В первой главе проведен литературный обзор и поставлена задача работы. Проанализировано современное состояние проблемы коммутации и недостатки традиционной системы дополнительных полюсов с качественной оценкой степени влияния каждой ЭДС на картину полей в зоне коммутации.

Анализ литературы по рассматриваемому вопросу показал, что самым перспективным средством улучшения коммутации продолжают оставаться дополнительные полюсы, создающие необходимое для компенсации реактивной ЭДС коммутирующее поле. При современном уровне требований к качеству коммутации в большинстве случаев недостаточно обеспечить равенство средних значений коммутирующей и реактивной ЭДС, необходимо соответствие их форм, поскольку коммутационные вихревые токи нарушают симметрию кривой реактивной ЭДС и делают невозможной точную компенсацию посредством симметричных дополнительных полюсов.

Анализ современного состояния проблемы коммутации показывает, что очевидна настоятельная необходимость в активизации роли формы наконечников дополнительных полюсов, которая безусловно должна быть несимметричной, что позволит в сочетании со специальной системой регулирования возбуждения получать коммутирующее поле желаемой конфигурации. Новые возможности может дать отказ от подпитки дополнительных полюсов в той или иной форме (и соответствующих добавочных обмоток на дополнительных полюсах) и переход к независимому возбуждению коммутирующих полюсов от источника, управляемого микроЭВМ в зависимости от режима работы машины постоянного тока.

Ввиду новизны данного направления на начальном этапе поставлена задача исследования регулятора коммутирующего поля на уровне его компьютерной модели и анализа его эффективности в статических и динамических режимах.

Во второй главе излагаются математические основы компьютерной модели предлагаемого регулятора коммутирующего поля: функциональная схема регулятора, принцип формирования коммутирующего поля с помощью несимметричных коммутирующих полюсов с независимыми обмотками возбуждения, структура компьютерной модели регулятора и метод расчета управляющих сигналов для текущего режима.

В третьей главе приведены результаты компьютерного моделирования наиболее характерных статических режимов работы модифицированного электродвигателя в сравнении с прототипом, дан их анализ, а также произведена оценка степени насыщения магнитной цепи коммутирующих полюсов.

• В четвертой главе дш. анализ результатов компьютерного моделирования динамических режимов работы модифицированного электродвигателя в сравнении с прототипом, произведена оценка влияния инерционности,

вносимой трактом управления возбуждением коммутирующих полюсов, а также изложены методы ее компенсации на алгоритмическом уровне (упреждающего управления коммутирующим полем и форсировки управляющих сигналов), приведен математический аппарат и анализ результатов компьютерного моделирования для наиболее характерных для прокатного двигателя переходных процессов.

В заключении дана оценка степени выполнения поставленной задачи и перечислены возможности, предоставляемые предлагаемой принципиально новой системой возбуждения коммутирующих полюсов.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ КОММУТАЦИИ

Крупные электродвигатели постоянного тока широко используются для привода прокатных станов, шагающих экскаваторов, гребных винтов и различных испытательных стендов [1 - 4], в которых применяется электропривод с широким регулированием частоты вращения. В настоящее время мощность-машин достигает 12... 14 тысяч кВт на один якорь. Повышение их технического уровня определяется надежностью, зависящей в первую очередь от состояния коммутации. Проблемы его улучшения традиционно разрешаются тремя способами: повышение допустимой величины реактивной ЭДС, усовершенствование щеточно-коллекторного узла и формирование коммутирующего поля посредством дополнительных полюсов.

В настоящее время в результате взаимодополняющих процессов совершенствования конструкции [5] , с одной стороны, и ужесточения требований к технологии, обеспечивающего большую симметрию магнитных потоков, большую механическую стабильность работы контакта щетка-коллектор и, следовательно, большую идентичность коммутационных циклов секций, с другой стороны, реактивная ЭДС в машинах предельного исполнения [6] уже в номинальном режиме достигает 10 ... 15 В в номинальном режиме.

Технические меры по усовершенствованию щеточно-коллекторного узла (увеличение сопротивления цепи коммутирующей секции посредством применения нетрадиционных материалов при изготовлении щеток, изменения конструкции щетки, коллектора и щеткодержателя, применение специальных устройств для контроля коммутации и для улучшения среды скользящего контакта) улучшают коммутационные условия, но рас-

сматриваются как последний резерв, когда проектные возможности снижения коммутационной напряженности уже исчерпаны.

Таким образом, самым перспективным средством улучшения коммутации остаются дополнительные полюсы, создающие необходимое для компенсации реактивной ЭДС коммутирующее поле.

1.2. НЕДОСТАТКИ ТРАДИЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ полюсов

1.2.1. Регулирование коэффициента пропорциональности между током

якоря и коммутирующим потоком

Недостатки традиционной системы дополнительных полюсов были сформулированы еще в 1960 г. О.Г.Вегнером [7]. Одним из недостатков является то, что регулирование коэффициента пропорциональности между коммутирующим полем и током якоря производится путем изменения величины воздушного зазора под башмаками дополнительных полюсов или толщины немагнитных прокладок между их сердечниками и ярмом [8]. В обоих случаях трудно сохранить симметричное расположение дополнительных полюсов, в особенности в крупных машинах, а сама операция регулирования зазора является довольно сложной. Для ее упрощения существует ряд специальных технических решений, имеющих целью изменение конструкции элементов крепления дополнительных полюсов, позволяющее производить настройку без разборки машины. Например, в [9] качестве немагнитной прокладки используется слой композиционного материала из ферромагнитного и немагнитного порошка, расположенный в специальной полости сердечника дополнительного полюса. Проводимость его магнитной цепи регулируется путем изменения процентного состава порошка без разборки машины, поскольку он подается в полость через отверстия под болты, крепящие полюсы к станине.

Машины с напряженными условиями коммутации изготавливаются заводом со сменными башмаками дополнительных полюсов, чтобы при испытаниях можно было выбрать их оптимальную ширину. Но изменением формы башмака в крупных машинах с большими воздушными зазорами нельзя добиться существенного улучшения коммутации из-за вялой формы коммутирующего поля [4].

Кроме того [7], при традици�