автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка новых алгоритмов управления вентильно-индукторных электроприводов

Введение.

Глава 1. Описание ВИЛ.

1.1 Объект исследования.

1.2 Обзор публикаций и применений.

Глава 2. Электромеханические и энергетические свойства ВИЛ.

2.1 Общие сведения.

2.2.0писание модели В ИМ.

2.3 Анализ работы ВИЛ на участке токоограничения.

2.4 Анализ влияния управляющих воздействий на режим работы ВИЛ.

2.5 Выбор оптимальных углов коммутации.

Глава 3 Реализация алгоритма бездатчиковой самокоммутации ВИЛ.

3.1 Обзор способов реализации бездатчиковой самокоммутации.

3.2 Обоснование структуры бездатчикового управления ВИЛ.

3.3 Требования к аппаратным и программным средствам.

3.4 Влияние отклонения параметров алгоритма на электромеханические свойства ВИЛ.

3.4.1 Высокоскоростной привод.

3.4.2 Лизкоскоростной привод.

3.5 Уточнение алгоритма управления по результатам экспериментальных исследований.

Глава 4 Исследование пуска привода в режиме бездатчиковой самокоммутации.

4.1 Экспериментальное определение зоны устойчивого пуска.

4.2 Математическая модель пуска в режиме бездатчиковой самокоммутации.

4.3 Влияние управляющих воздействий и изменений параметров объекта на зону устойчивого пуска.

Регулируемый электропривод занимает важное место в современных электротехнических системах. Доля использования данных приводов возрастает с каждым годом. Применение регулируемых электроприводов в различных областях промышленности обусловлено общей тенденцией к уменьшению потребления электроэнергии, увеличению надежности, росту производительности и многофункциональности систем. Сопутствующим фактором в этом процессе является применение микропроцессоров и микроЭВМ, позволяющих существенно расширить функциональные возможности автоматизированного электропривода и улучшить его технические и экономические характеристики.

Последнее время, отмечается заметно возрастающее внимание, уделяемое исследованию вентильно-индукторного привода и возможностям его конкретного применения.

Индукторная машина это машина, в которой момент создается в процессе перемещения подвижной части в положение, когда индуктивность возбужденной обмотки является максимальной[1], [2]. Это относится как к вентильно-индукторной, так и к синхронной машине. Вентильно-индукторный двигатель имеет явновыраженные полюса на роторе и статоре и работает как вентильно-индукторный шаговый двигатель с той лишь разницей, что фазные токи включаются и отключаются в момент, когда ротор находится в определенных положениях, которые могут изменяться от скорости и момента. Такой тип двигателя не может работать без электронного преобразователя или котроллера, который в каждом конкретной случае имеет свою конструкцию и настройку и имеет мало общего с традиционным приводом переменного тока.

Вентильно-индукторный привод, введу своей конструкционной простоты, был известен очень давно, но лишь в последнее время благодаря бурному развитию силовой полупроводниковой техники нашел свое место среди других типов приводов. Есть основания полагать, что в ближайшее время вентильно индукторные привода составят серьезную конкуренцию имеющимся электроприводам традиционных типов. Однако высокие показатели можно получить лишь при алгоритме управления, учитывающем специфические особенности ВИП.

Конструкция рассматриваемых электрических машин такова, что традиционные методики расчета магнитной системы двигателя, а равно существующие алгоритмы управления не могут использоваться без серьезной адаптации к новым условиям.

Наиболее перспективными применениями ВИП являются высокоскоростные установки и низкоскоростные агрегаты с большими моментами. Одной из рациональных областей применения ВИП являются бытовая техника и малые транспортные средства, - велосипеды, скутеры, транспортные тележки, мотороллеры, инвалидные коляски и т.д. Для указанных применений предпочтительны алгоритмы, требующие минимального числа датчиков, исключающие специальные дорогие датчики электрических величин, невысокой процессорной мощности и обеспечивающие робастность функционирования.

Как уже было отмечено, под вентильным режимом работы электропривода подразумевается синхронная с изменением положения ротора коммутация тока в фазах электрической машины. Для этого обычно используется связанный с валом двигателя датчик положения. Наличие датчика положения ротора усложняет конструкцию двигателя, интерфейс между контроллером и двигателем, снижает надежность работы в условиях электромагнитных помех и в агрессивных средах, а в конечном счете увеличивает стоимость электропривода и затраты на его обслуживание. Этот недостаток является одним из факторов, сужающих сферу применения вентильных приводов, особенно в массовых приложениях, чувствительных к стоимости электропривода и уровню его эксплуатации.

Бурное развитие в течение последних десятилетий микропроцессорных средств стимулировало исследователей на разработку способов устранения из систем управления вентильных электроприводов датчика положения ротора за счет совершенствования алгоритмов управления и косвенного измерения положения по сигналам электрических величин.

Все изложенное выше определяет актуальность работы со следующей целью. Разработка новых алгоритмов управления, позволяющих эффективно использовать ВИЛ в качестве электропривода широкого назначения. Для достижения данной цели поставлены и решены следующие задачи, -исследование электромеханических свойств ВИЛ, анализ влияния изменения параметров объекта и алгоритма управления на механические характеристики ВИЛ;

-изучение возможности практической реализации бездатчикового алгоритма управления ВИЛ для указанных применений;

-анализ процесса пуска в режиме бездатчиковой коммутации и определение зоны устойчивого пуска;

-анализ влияния возмущающих и управляющих воздействий на пуск ВИЛ.

Основные результаты работы и сделанные выводы заключаются в следующем.

1. Установлено, что существуют углы коммутации обеспечивающие максимальную мощность либо минимальные относительные потери в диапазоне изменения нагрузки от холостого хода до номинальной и частоты вращения от 6% до номинальной. Для приводов с относительно невысокими требованиями к точности и диапазону регулирования скорости, где главным фактором является стоимость электропривода можно предложить как наиболее рациональную одноканальную систему управления с фиксированным оптимальным углом коммутации.

2. Показано, что в режиме токовой отсечки целесообразна работа с отстающим углом коммутации. Механические характеристики при этом могут иметь положительную жесткость.

3. Разработана компьютерная модель бездатчиковой коммутации фаз, отличающаяся параллельным моделированием работы объекта управления и микропроцессорной системы управления, что позволяет исследовать электромеханические свойства ВИП в режиме бездатчиковой коммутации.

4. Показано, что для высокоскоростных электроприводов можно не учитывать нагрев фаз в бездатчиковом режиме работы, а влияние отклонения сигнала напряжения на угол коммутации оценивать по упрощенной аналитической формуле без учета падения напряжения.

5. Коэффициенты Ки Кг, выбранные для обеспечения работы в бездатчиковом режиме, идентичном режиму работы с датчиком положения ротора, находятся на границе зоны устойчивого пуска. Для обеспечения устойчивого пуска в простейшем случае предложено работать с коэффициентами, имеющими фиксированные отклонения от значений в установившемся режиме.

6. Произведена оценка влияния момента инерции и уровня токоограничения на зону устойчивого пуска. Установлено, что увеличение суммарного момента инерции сужает ширину зоны устойчивого пуска в координатах Км Кг, а уменьшение уставки токоограничения, наоборот, расширяет ее.

7. Сравнение расчетных механических характеристик ВИП и осциллограмм токов с характеристиками и осциллограммами, полученными экспериментально, подтверждают адекватность созданной модели и полученных теоретических выводов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Бычков М. Г. Основы теории, управление и проектирование вентильно-индукторного электропривода: Дис. на соискание ученой степени д-ра техн. наук. - М., 1999. - 354 с.

2. Бычков М.Г. Анализ вентильно-индукторного электропривода с учетом локального насыщения магнитной системы //Электричество. 1998. - №6. -С. 50-53

3. Бычков М.Г. Оптимизация режимов вентильно-индукторного электропривода средствами управления // Вестник МЭИ. 1998.-№3. - С. 73-81.

4. Бычков М.Г., Дроздов П.А. Экспериментальное исследование характеристик вентильно индукторного электропривода малых транспортных средств. // Тр. ин-та / Моск. энерг. ин-т. 2000.- №676.- С. 40-46.

5. Бычков М.Г., Дроздов П.А., Кисельникова A.B. Электромеханические свойства и алгоритмы управления вентильно индукторного электропривода.// 3-я Международная конференция поавтоматизированным электроприводам: Тез. докл.- Н.Новгород, 2001.-С.54-55.

6. Бычков М.Г., Дроздов П.А., Кисельникова A.B. Экспериментальное исследование особенностей управления вентильно индукторного электропривода. // Вестник МЭИ.- 2001.-№2.- С25-27.

7. Дискретный электропривод с шаговыми двигателями / Под общей ред. М. Г. Чиликина. М.: Энергия, 1971. - 624 с.

8. Ю.Ивоботенко Б. А., Козаченко В. Ф. Шаговый электропривод в робототехнике / Под ред. JI. А. Садовского. М.: МЭИ, 1984. - 100 с.

9. П.Ильинский Н. Ф. Элементы теории эксперимента. 2-е изд., перераб. и доп.-М.: МЭИ, 1983.-92 с.

10. Ключев В. И. Теория электропривода. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1998. - 704 с. с ил.

11. Козаченко В. Ф. Микроконтроллеры: руководство по применению 16-разрядных микроконтроллеров Intel MCS-196/296 во встроенных системах управления. -М.: Издательство ЭКОМ, 1997. 688 е., ил.

12. Оптимальное проектирование вентильно-индукторных двигателей/ Т.Миллер// IEEE Transactions on industrial electonics, Volume: 49 Issue: 1 , Feb. 2002

13. Оптимизация режимов работы тягового вентильно-индукторного двигателя. /Петрушин А. Д. ,Янов В. П.//Изв. вузов. Электромех.-1999.-N3.-C. 33-38

14. Основы емкостного метода определения положения ротора вентильно-индукторного электродвигателя. /Zhan Qionghua ,Wang Shuanghong ,Xiao Chucheng//Diangong jishu xuebao.-1999.-T.14,N 3.-C. 1-5.-ISSN 1000-6753,-315

15. Семенчук В.А. Разработка высокоэффективных микроконтроллерных модульных систем управления вентильно-индукторными двигателями и базового комплекта программного обеспечения: Дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук. М., 1998. - 119 с.

16. Смехнов A.M. Энергосберегающий вентильно-индукторный привод: Дис. на соискание ученой степени к-та техн. наук. Новоуральск., 2000. - 154с.

17. Энергосберегающий электропривод. /Ильинский Н. Ф.//Энергия: Экон., техн., экол.-1999.-1Ч 2.-С.

18. Beckman Coulter:интернет-документ. -http://www.beckmancoulter.com,2002

19. Frank J. Bartos, Switched-Reluctance Technology Strives for Wider Appeal, Control Engineering, 2002,11

20. Fulton N.N., Lawrenson P.J. SR drives for electric vehicles: a comparative assessment Intelligent Motion, 1993, pp. 562-579.

21. Furmanek R., French A. and Horst G. E., "Horizontal axis washers," Appliance Manufacturer, pp. 52-53, Mar. 1997.

22. General Motors: интернет-документ. http://www.usmotors.com, 2000

23. Green Motoring: интернет-документ. http://www.dent.uk/Green Motoring, 200227.1ntel / Intel 8XC196MC User's manual, 1992.

24. J. M. Stephenson and J. Corda, "Computation of torque and current in doubly-salient reluctance motors from nonlinear magnetization data," Proc. Inst. Elect. Eng., vol. 126, no. 5, pp. 393-396, 1979.

25. James Kling, "Today's Centrifuges Offer Options For Every Research Need " The Scientist 115.:16, Mar. 03, 1997

26. K. McLaughlin, "Torque ripple control in a practical application," in Electronic Control of Switched Reluctance Motors, ser. Newnes Power Engineering Series, T. J. E. Miller, Ed. Oxford, U.K.: Newnes, 2001, ch. 8.

27. Switched reluctance motor control via fuzzy adaptive systems // Reay, D.S.; Mirkazemi-Moud, M.; Green, T.C.; Williams, B.W. . IEEE Control Systems Magazine , Volume: 15 Issue: 3 , June 1995, Page(s): 8-15

28. Texas Instruments: интернет-документ. http://www.ti.com, 2001, 2002.

29. W. Pengov and R.L. Weinberg, "Designing for low noise," in Electronic Control of Switched Reluctance Motors, ser. Newnes Power Engineering Series, Ed. Oxford, 2001