автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Разработка регулятора положений коммутации фаз вентильно-индукторного двигателя

На правах рукописи

ТРУНИН Юлий Владимирович

РАЗРАБОТКА РЕГУЛЯТОРА ПОЛОЖЕНИЙ КОММУТАЦИИ ФАЗ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Специальность 05 13 05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2008

003444722

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете им Н Э Баумана (МГТУ им Н Э Баумана)

Научный руководитель

доктор технических наук, доцент Красовский Александр Борисович

Официальные оппоненты

доктор технический наук, профессор Бычков Михаил Григорьевич

кандидат технический наук Иванов Евгений Серафимович

Ведущая организация

Российский университет дружбы народов

(РУДЫ)

Защита состоится «23» сентября 2008 г в 14 час 30 мин

на заседании диссертационного совета Д212 14102 при Московском государственном техническом университете им НЭ Баумана, по адресу 107005, Москва 2-ая Бауманская, д 5 , ауд Мб 13

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н Э. Баумана Автореферат разослан «4» июля 2008 г

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Иванов В А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Вентильно-индукторные электродвигатели (ВИД) относятся к новому типу двигателей, которым в последнее время уделяется повышенное внимание специалистов, главным образом, благодаря их конструктивной простоте Они имеют неодинаковое число явновыраженных полюсов на статоре и роторе, причем фазные обмотки в виде сосредоточенных катушек располагаются только на полюсах статора, а ротор выполняется пассивным Из широко известных типов электродвигателей наиболее близким к ВИД по конструкции и структуре управления являются шаговые двигатели (ШД) Различия между ними обусловлены тем, что в ШД, как правило, стремятся к получению высокой точности отработки заданных перемещений, а для ВИД наиболее важными являются энергетические показатели Поэтому структуры и алгоритмы управления ШД а также другими двигателями, оказываются мало пригодными для ВИД

В настоящее время ВИД рассматриваются, как альтернатива широко применяемым в промышленности частотно-регулируемым асинхронным двигателям, прежде всего, в массовых регулируемых электроприводах таких установок, как конвейеры, вентиляторы, насосы и т п При этом ВИД значительно превосходят своего конкурента по простоте конструкции, технологичности, надежности и ремонтопригодности, низкой стоимости, функциональной гибкости и более высоким массогабаритным и энергетическим показателям Активные работы по исследованию ВИД и систем управления ими ведутся в таких промышленно развитых странах, как Германия, Великобритания, Швеция, Италия, США, Австралия, Япония

В силу характерных для ВИД нелинейностей и дискретности в управлении реально реализовать все их достоинства стало возможным только в последние годы благодаря успехам силовой и информационной электроники. Для ВИД характерно наличие двух независимых каналов управления - традиционного для большинства электрических машин канала за счет изменения амплитуды прикладываемого к фазам напряжения (амплитудного) и специфического - за счет изменения положений ротора в момент подключения и отключения фаз (аналогичного фазовому управлению) При этом, несмотря на то, что фазовое управление в той или иной мере используется в традиционных бесконтактных электрических двигателях, в частности, в бесконтактных двигателях постоянного тока (БДПТ), двухфазных исполнительных асинхронных двигателях, в ШД и т.п, специфичность ВИД исключает использование в них готовых технических решений

В известных публикациях, касающихся регулирования положений коммутации фаз ВИД, в основном, затрагиваются проблемы принципиальной возможности формирования тех или иных режимов работы ВИД в зоне высоких скоростей, но не раскрывается функциональная и алгоритмическая реализация необходимого для этого регулятора Практически нет работ, касающихся оценки эффективности регулирования положений коммутации ВИД и построения соответствующего регулятора в зоне низких скоростей Обычно в этой зоне предполагается лишь амплитудное управление при фиксированных усредненных положениях включения и отключения фаз Это снижает энергетические и регулировочные показатели ВИД Во многом это объясняется сложностью аналитического исследования этих явлений, а известные компьютерные модели ВИД либо достаточно

грубы и не позволяют получать приемлемые оценки, либо чрезвычайно громоздки. В этих условиях наиболее эффективным средством разработки и исследования элементов систем управления ВИД является имитационное моделирование

Таким образом, тема, связанная с разработкой принципов построения и алгоритмов работы наиболее специфичного и недостаточно изученного элемента системы управления ВИД - регулятора положений коммутации фаз - на базе современных компьютерных технологий, является весьма актуальной

Цель работы - Разработка регулятора положений коммутации фаз (РПК), как дополнительного функционально законченного элемента системы автоматического управления вентильно-индукторными двигателями для улучшения их регулировочных и энергетических показателей

Для достижения этой цели решены следующие задачи

□ определены функции и структура РПК в типовых режимах работы двигателя,

□ построена имитационная модель, наиболее полно отражающая особенности ВИД и приспособленная для решения задач синтеза структур и алгоритмов управления,

□ разработаны алгоритмы работы РПК и доказана их эффективность в типовых режимах работы ВИД,

□ определено влияние временной дискретизации сигналов управления на работу регулятора РПК при его программной реализации

Методы исследования. При решении поставленных в диссертационной работе задач использованы базовые положения теории автоматического регулирования, электрических машин, теоретические и практические аспекты компьютерного моделирования сложных динамических систем

Предложенные в диссертационной работе выводы основаны на проводимых автором в течение трех последних лет теоретических и экспериментальных исследованиях ВИД, элементов и структур его управления Основная часть экспериментальных исследований выполнена на аппаратуре и образцах ВИД кафедры автоматизированного электропривода МЭИ

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается сопоставлением теоретических и экспериментальных результатов Новые научные положения, выносимые на защиту:

1 Результаты исследования работы ВИД, подтверждающие целесообразность автоматического регулирования положений коммутации фаз при изменении его скорости и нагрузки

2 Принципы построения РПК, как функционально законченного элемента системы управления ВИД

3. Алгоритмы работы РПК, обеспечивающие максимальное использование энергетических и регулировочных возможностей ВИД в широком диапазоне изменения скорости и нагрузки

4 Результаты исследования работы РПК, в том числе с учетом влияния временной дискретизации сигналов управления

5 Рекомендации по выбору максимально допустимой величины временной задержки сигналов управления при программной реализации РПК

Практическая значимость работы. Разработан регулятор, обеспечивающий повышение энергетических и регулировочных возможностей ВИД, а также создана имитационная модель ВИД, наиболее полно учитывающая его характерные особенности и приспособленная для решения многих задач синтеза структур и алгоритмов управления двигателем

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и неоднократно обсуждались на заседаниях кафедры электротехники и промышленной электроники МГТУ им Н Э Баумана в 2005-2008 гг Результаты работы также были доложены и обсуждены на следующих научных конференциях

□ Международная конференция «Образование через науку», посвященная 175-летию МГТУ им НЭ Баумана, М МГТУ, 2004 г

□ Научно-методическая конференция «Современные естественно-научные и гуманитарные проблемы», посвященная 40-летию НУ К ФН, М МГТУ, 2004 г

□ XI международная открытая научная конференция «Современные проблемы информатизации в прикладных задачах», Россия, Воронеж 2006 г

□ XII международная открытая научная конференция «Современные проблемы информатизации в проектировании и телекоммуникациях», Россия, Воронеж 2007 г

Реализация и внедрение результатов. Материалы диссертации использованы филиалом №9 «Северо-западный» ОАО «МОЭК» при разработке регулируемых электроприводов нового поколения циркуляционных насосов в системах горячего водоснабжения населения

Публикации. Тема и содержание диссертации отражены в 7 научных работах, из них в журналах по списку ВАК - 2

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы Работа изложена на 156 страницах основного текста, содержит 102 рисунка Список литературы включает 73 наименования

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности темы диссертационной работы, ее научной и практической значимости Здесь же представлены цели и задачи работы, а также основные научные положения, выносимые на защиту

В первой главе приведены общие сведения о ВИД принцип действия, конструкция, наиболее специфические особенности, достоинства, недостатки и перспективы развития. Рассмотрены принципы управления ВИД, а также проведен анализ его типовой системы управления

В самом общем случае ВИД состоит из индукторной машины ИМ, коммутатора К, выпрямителя В с конденсатором С на выходе, датчика положения ротора ДПР и системы управления СУ (рис 1) Наиболее характерные особенности ВИД определяются конструкцией ИМ. Пассивный ротор и активный статор у такой электрической машины выполняются с явно выраженными полюсами (выступами), как показано на рис 1 Как правило, фазные катушки А-а, В-b и С-с, размещенные на диаметрально противоположных полюсах статора, соединяются последовательно Таким образом, число фаз обмотки в ИМ т= Ns/2 Фазные катушки связаны с /и-фазным электронным коммутатором К. Схемные решения коммутатора могут быть разными На рис 1 показана наиболее часто встречающаяся схема

силовой части одной фазы коммутатора на основе двух ключей - транзисторов и двух диодов

В основе работы ВИД лежит хорошо известное из физики явление, состоящее в стремлении ферромагнитного материала, помещенного в магнитное поле, перемещаться в положение с максимальной его интенсивностью Например, при возбуждении фазных катушек А-а ротор перемещается в согласованное положение, как показано на рис 1 Так как число полюсов статора и ротора различно, то в согласованном положении ротора для одной фазы следующая фаза оказывается в рассогласованном положении и подготовленной к включению (фазные катушки В-Ъ на рис 1) Поочередное переключение фазных обмоток статора в определенных угловых положениях ротора по командам ДПР обеспечивает непрерывное образование вращающего момента, т е однонаправленное вращение Отличительные признаки ВИД. Дискретность работы в сочетании с нелинейностью магнитной системы являются важнейшими отличительными признаками ВИД В общем случае состояние его магнитной системы может изменяться в широких пределах линейный режим, т е режим без насыщения, чередуется с режимом локального насыщения, которое иногда переходит к частичному общему насыщению На рис 2 показано несколько магнитных характеристик фазы ИМ при различном взаимном положении полюсов статора и ротора Нелинейный характер зависимостей ¥(/) соответствующим образом отражается в изменении дифференциальной L№ф = ^/¿ц и интегральной L = ^/j индуктивностей фазы Для линейных участков кривых законы изменения ¿ДИф и L в функции углового положения ротора 0 совпадают

Примерный вид этих зависимостей показан на рис 3 сплошной линией Однако, если по мере увеличения фазного тока (/¡>/з>/2>/[) развивается насыщение маг-нитопровода, то законы изменения ХДИф(0) и 1(0) не совпадают Характер трансформации кривой 1(0) по мере роста фазного тока отражают пунктирные линии на рис 3 Одновременная нелинейная зависимость магнитных характеристик фазы ИМ от взаимного располо-4

Рис 1

1-Ц©)

ф <2> Ф О

Рис 3

жения полюсов и намагничивающего тока чрезвычайно осложняет применение к ним традиционных методик исследования электрических машин

/зад ¿(0)

Рис 4 Рис 5 Рис 6

Особенности управления ВИД. Включение фазы происходит при угле 0В1С] подачей на нее положительного прямоугольного импульса напряжения Щ(&) амплитудой U = const (рис 4) Интервал перемещения увкл определяет этап включения фазы Ток /ф(0) и момент А/ф(0) фазы в пределах этого интервала нарастают по нелинейным законам, поскольку нелинейны L(Q) и ^^/^q При угле 0рас

начинается рабочий этап фазы ураб, который длится до момента подачи команды на ее отключение при угле 0КОМ Характер изменения /ф(0) на этом этапе определяется конкретными значениями параметров ИМ, соотношением амплитуды напряжения £/ф(0) и скорости и, длительностью интервала уво, а также состоянием

магнитной системы двигателя Наличие положительной производной ^^/¿q и

тока в фазе обуславливают положительный момент Мф(0) на этом этапе

Отключение фазы осуществляется подачей на нее импульса напряжения отрицательной полярности амплитудой - U-const с некоторым угловым упреждением уком относительно согласованного положения полюсов и заканчивается при угле ©откл В пределах интервала перемещения уоткл ток /ф(0) спадает до нуля, а

момент Л/ф(0) при изменении знака производной ПРИ Угле ©com меняет

знак и становится тормозящим В общем случае форма фазного тока ВИД /ф(0), его среднее значение и развиваемый момент Мф(0)зависят от соотношения напряжения £/ф к угловой скорости а и длительности интервалов включения утм работы ураб и отключения фазы уото При этом важно подчеркнуть, что поскольку при включении фазы ее индуктивность минимальна, темпы нарастания тока и момента на интервале увкл значительно превышают темпы их спадания на интервале Уоткл, когда индуктивность фазы близка к своему максимальному значению

Эта специфическая особенность ВИД открывает широкие возможности регулирования амплитуды его фазного тока и момента, как традиционным для всех электрических машин образом — за счет изменения амплитуды фазного напряжения, так и путем изменения упреждения включения фазы по отношению к моменту начала перекрытия полюсов статора и ротора Как видно, относительно незначительное изменение положения включения фазы приводит к весьма за-

метному изменению амплитуды фазного тока (на рис 6 кривые 1 и 2) С другой стороны, смещение 0ВКЛ в сторону опережения позволяет компенсировать влияние скорости в некотором диапазоне ее изменения на амплитуду фазного тока (кривые 2 и 3 на рис 6)

Рис 4 и рис 6 характеризуют цикл коммутации ВИД в наиболее общем случае - при питании фазных обмоток ИМ от источника напряжения, что характерно для средних и высоких скоростей В области низких скоростей обычно используют импульсное ограничение фазного тока на некотором заданном уровне /зад В этом случае форма фазного тока и напряжения имеют вид, как показано на рис 5 При этом положение включения фазы 0ВКЛ обычно остается неизменным, а регулирование /ф(0) осуществляют только за счет изменения уставки токоограни-чения /зад

Типовая структура системы управления ВИД обычно представляется в виде двухконтурной системы с внутренним контуром регулирования тока (момента) и внешним контуром регулирования скорости (см рис 7) Ее основными элементами являются регуляторы выходных координат регулятор тока РТ и регулятор скорости РС и специфический для системы управления ВИД регулятор положений коммутации фаз РПК Он обеспечивает формирование команд, задающих необходимые угловые интервалы упреждения включения увкл и отключения уком фаз ВИД за счет соответствующего изменения положений их коммутации ©вкл и ©ком

м

РПК 1 р

®>и| 10,

и ял Регуляторы выходных координат Цу шим Инвертор ВИМ

Х]ът0

Рис 7

Рис 8

При относительно невысоких требованиях по точности регулирования скорости используют одноконтурное управление с обратной связью по току На рис 8 показана типовая механическая характеристика ВИД, формируемая при таком управлении Ее условно можно разделить на два характерных участка линейный участок в зоне низких скоростей и нелинейный участок в зоне высоких скоростей ю>Ибаз (кривая 4) Регулирование момента ВИД в зоне низких скоростей может осуществляться за счет изменение уставки токоограничения /зад и упреждения включения увкл и отключения уком фаз В зоне высоких скоростей из-за того, что регулятор тока РТ входит в насыщение, регулирование момента ВИД возможно только за счет изменения увкл и уком

Управляющие воздействия, определяющие интервалы упреждения включения уВ1СЛ и отключения уком фаз расширяют регулировочные возможности ВИД Однако для их использования необходимы специальные алгоритмы коммутации, которые на сегодняшний день, в основном, ограничены простыми решениями при постоянных интервалах упреждения включения утл и жестко связанными с ними интервалами упреждения отключения уком фаз ВИД В более сложных алгоритмах интервалы увкл и уком могут задаваться в виде предварительно определяемых экспериментально или моделированием соответствующих табличных зависимостей

для типовых режимов ВИД Это ограничивает возможности этого канала управления.

В частности, в зоне высоких скоростей при автоматическом регулировании положений коммутации фаз ВИД 0ЕКЛ и 0КОЧ могут быть сформированы различные режимы его работы, например, с постоянством мощности (кривая 1), при полном использовании двигателя по теплу (кривая 2) или при полном использовании установленной мощности инвертора (кривая 3) и т п в широком диапазоне изменения скорости и нагрузки

В заключительной части главы на основе анализа состояния разработки и перспектив применения ВИД конкретизируются цели и задачи данной работы Подчеркивается, что максимальный учет особенностей ВИД в алгоритмах управления является необходимым условием при построении привода с высокими потребительскими свойствами Для этого необходима наглядная и удобная в использовании математическая модель ВИД, хорошо приспособленная для решения задач анализа и синтеза и адекватно воспроизводящая реальные процессы в двигателе

Вторая глава посвящена разработке модели объекта управления В ней рассматриваются различные варианты аналитического описания ВИД, проводятся сопоставительный анализ и оценка их адекватности реальным процессам в двигателе На основании этого делается выбор наиболее подходящей модели ВИД для решения задач синтеза структур и алгоритмов управления

С физической точки зрения ВИД описывается традиционным для электрических машин способом в виде уравнений электрического равновесия фаз

О)

и уравнения электромагнитного момента

джк(1 фк,©)

м = У

¿1 з©

(2)

где С/фк, /фк, Яфк - напряжение, ток, активное сопротивление и потокосцепление к-ой фазной обмотки ВИД, к= 1 т,т— число фаз ВИД, 0 - угловое положение

ротора относительно статора, 1¥к = |Чук(/фк,0)й//фк - коэнергия ¿-ой обмотки

о

Несмотря на относительную простоту уравнений (1) и (2), получить из них в общем виде пригодные для практики аналитические выражения для расчета мгновенных значений /ф(0) и А/ф(0) ВИД невозможно, так как потокосцепление фазы является нелинейной и заранее неизвестной функцией двух переменных -фазного тока Уф и положения ротора 0 (см рис 2). В литературе приводится ряд методов аппроксимации зависимостей ¥(4,0) с той или иной степенью приближения Получаемые при этом аналитические модели для численного расчета зависимостей /ф(0) и Мф (0) отличаются друг от друга, как по сложности построения, так и по точности

В работе проведена классификация аналитических моделей ВИД по способу представления в них зависимостей Ч^/ф, 0) В результате выделено три наиболее характерных аналитических модели ВИД

МКЬА - модель на основе кусочно-линейной аппроксимации, МКМ- модель на основе кривых Миллера, МТР- модель на основе табличных функций Установлено, что при моделировании некоторых режимов работы ВИД принятая в наиболее простой модели МКЬА аппроксимация магнитных характеристик может оказаться недопустимо грубой, а получаемые количественные и даже качественные оценки с ее использованием становятся неприемлемыми В частности, на рис 9 толстыми линиями представлено изменение основных величин, характеризующих одиночный цикл коммутации фазы ВИД при расчете фазного тока /ф(0) и момента Мф(0) на модели МК1А

Учет локального насыщения в ней производится представлением реальных кривых намагничивания ВИД в виде кусочно-линейных аппроксимирующих зависимостей потокосцепления ЧК от /ф при различных взаимных положениях полюсов статора и ротора 0 Изменение наклона ненасыщенных участков пропорционально площади перекрытия полюсов, наклон насыщенных участков совпадает с ¿рас, а насыщение наступает при одном и том же значении фазного тока /нас

В линейной зоне и в зоне локального насыщения ВИД в этой модели фазные ток и момент рассчитываются по разным зависимостям, причем критерием переключения алгоритмов их расчета является достижение током /ф(0) значения /„ас Поэтому локальное насыщение полюсов учитывается в форме кривых и в расчетных значениях фазных токов и моментов не с началом их перекрытия (как это имеет место реально), а ранее при =/шс В результате в расчетных кривых фазного тока и момента на уровне /ф=/нас наблюдается излом При значительных упреждениях включения фазы относительно начала перекрытия полюсов ошибка в токе и моменте может быть значительной Для подтверждения этого на рис 9 тонкими линиями показано изменение тех же величин в линейном режиме работы ВИД

/нас

Рис 9

Рис 11

Проведены другие модельные эксперименты, в том числе, с расчетом фазных токов /ф (0) и моментов (0) с использованием моделей МКМ и МТР В качестве примера на рис 10 приведено сопоставление кривых /ф(0), рассчитанных в моделях МКЬА и МТР, а на рис 11 для сравнения показаны кривые тока /ф(0), снятые при тех же условиях экспериментально

Таким образом, установлено, что для решения задач синтеза структур и алгоритмов управления ВИД наилучшими возможностями обладает модель МТР Ее основным отличием от моделей МКЬА и МКМ является то, что она позволяет определять наиболее близкие к реальным мгновенные значения фазного тока /ф(0) и момента А/ф(0) ВИД непосредственно по нелинейным таблично заданным зависимостям Ч^/ф, 0), которые затем преобразуют к виду /фОР, 0) и предварительно рассчитанным характеристикам Мф(/ф, О) Графически зависимости /фС?, 0) и МФ(7Ф, 0) представляют собой семейство моментных характеристик Л/(0) при некоторых постоянных значениях фазного тока /ф (рис 12) и семейство токовых характеристик /ф(Ч') при некоторых фиксированных положениях ротора© (рис. 13)

При получении табличных функций /ф(Ч', 0) и Л/ф(/ф,0) решен ряд проблем, связанных со сглаживанием, изменением сетки, численным интегрированием и дифференцированием исходной табличной функции магнитных характеристик х¥(1,0), получаемых на предварительном этапе экспериментально или в результате моделирования распределения магнитного поля в ИМ

Построение имитационной модели ВИД. Имитационная модель ВИД представлена в виде отдельных моделей его фаз и блока угловой развертки, как показано на рис 14 Модель каждой фазы строится на основе модели МТР, структурная схема которой показана на рис 15

Рис 13

Блок углоаой развертки

п-1

1

Модель

Фазы

0

Мь

Щ

УФ

I М Тг

А/ф

Рис 14 Рис 15

В ней блок «Г]» для текущих значений потокосцепления У(0) и углового положения ротора © рассчитывает мгновенные значения фазного тока /ф(0) по табличной функции тока /фСР, 0), используя метод кубической сплайновой интерполяции Аналогичным образом блок «Т2» рассчитывает мгновенные значения фаз-

ного момента Мф(0) для текущих значений фазного тока /ф(0) и углового положения ротора 0 по табличной функции моментных характеристик Мф(/ф, ©) Блок угловой развертки (см рис 14) служит для имитации цикличности работы ВИД и формирует для каждой фазы с соответствующим фазовым сдвигом соответствующий пилообразный сигнал Это позволяет воспроизводить кривые фазного тока и момента при непрерывном вращении ротора ВИД

Подчеркнуто, что в принципе реализовать имитационную модель ВИД можно при помощи различных программных пакетов, таких как SIMULINK (приложение пакета MATLAB), MODEL VISION STUDIUM, ANYLOGIC, OMSIM, DYMOLA и DYMOSIM, МВТУ Показано, что наиболее приемлемым для решения задач данной работы является программный пакет MATLAB с приложением визуального моделирования SIMULINK

В заключительной части главы рассматривается решение некоторых частных проблем, связанных с реализацией имитационной модели ВИД в программной среде SIMULINK

В третьей главе обосновываются функции регулятора РПК в зависимости от режимов работы ВИД, проводится оценка эффективности регулирования и раскрывается структура и алгоритмы его работы

Регулирование положений включения. Каждая фаза ВИД создает двигательный момент только в зоне частичного перекрытия полюсов статора и ротора (рабочая зона ураб), чему соответствует нарастающий участок кривой L(0) (см рис 16) Поэтому в зоне низких скоростей для создания максимально возможного двигательного момента каждую фазу ВИД необходимо включать с таким угловым упреждением увкл, при котором ток /ф нарастает до значения /зад к началу зоны формирования двигательного момента @рас Однако при включении фазы в

одном и том же положении ©вкл положение 0Т, при котором ток в фазах нарастает до значения /зал, может изменяться, так как темп нарастания фазного тока /ф зависит от режима работы ВИД Поэтому в общем случае без регулирования положения включения фазы 0ВКЛ положение нарастания тока 0Т и положение начала перекрытия полюсов 0рас> будут не совпадать, как это и показано на рис 16

С энергетической точки зрения наиболее невыгоден режим, при котором ток /ф нарастает до уровня /зад раньше начала перекрытия полюсов В этом случае появляется интервал движения Дут (далее смещение), в пределах которого фаза не развивает момента, хотя через нее протекает полный рабочий ток на уровне /зад Это приводит к излишнему потреблению электроэнергии из источника питания, большей частью расходуемой на нагрев фазных обмоток Проведенные модельные исследования показали, что экономия электроэнергии при поддержании оптимального положения включения 0ВЮ1 в этом случае будет составлять от 3 до 10% в зависимости от режима работы ВИД

Рис 16

В зоне высоких скоростей закон регулирования положений включения фаз ВИД определяется формируемым режимом работы (видом механической характеристики, как это показано на рис 8) Например, при формировании режима полного использования установленной мощности инвертора необходимо по мере изменения скорости и, соответственно, изменения противо-ЭДС фазы максимум фазного тока поддерживать на неизменном уровне, определяемом из условий безопасной работы инвертора Это требует при изменении скорости ВИД автоматического изменения упреждения включения фаз уВЮ1 в сторону увеличения или уменьшения соответственно повышению или понижению скорости Аналогично в режиме полного использования двигателя по теплу необходимо так изменять упреждение включения фазы ВИД увкл, чтобы действующее значение фазного тока поддерживать на заданном уровне, который выбирается исходя из теплового расчета двигателя

Регулирование положений отключения. Выбор положения начала отключения фазы 0КОМ зависит от многих факторов Прежде всего, необходимо исходить из принятого общего алгоритма коммутации фаз (одиночная, парная, симметричная, несимметричная и т д) В этом случае амплитуда пульсаций момента не контролируется и по разным оценкам может достигать 50% Если такой уровень пульсаций момента недопустим, применяются различные алгоритмы снижения пульсаций момента В некоторых случаях, например, при работе на инерционную нагрузку, уровень пульсаций момента не имеет принципиального значения Более важной здесь может быть задача получения максимальной выходной мощности или момента ВИД при заданном уровне фазного тока

На рис 17 в упрощенном виде показаны два варианта заднего фронта импульса фазного тока В первом варианте фронт с более крутым наклоном, который характерен для относительно низких скоростей (о«обаз Во втором варианте фронт с более пологим наклоном Он характерен для более высоких скоростей ВИД, близких к базовой скорости со=а>баз Как видно, по мере увеличения скорости процесс спадания фазного тока затягивается Вследствие этого, при постоянном упреждении отключения фаз ВИД уКОм ток в фазе может спадать до нуля либо при работе ВИД в двигательном режиме, либо частично в двигательном и частично в генераторном режиме

В первом варианте недоиспользуется рабочая зона, где создается двигательный момент, а во втором случае, наоборот наличие тока в фазе в генераторной зоне приводит к созданию отрицательного (тормозного) момента Поэтому при изменении скорости в области ш<(йбаз необходимо так регулировать величину упреждения отключения уком фаз ВИД, чтобы фазный ток спадал бы до нуля к началу генераторной зоны в положении ©к Это позволит исключить создание отрицательного момента при скоростях близких к базовой сй=шбаз, а также позволит более полно использовать рабочую зону при относительно низких скоростях ю«собаз

В зоне высоких скоростей (со>а>баз) релейный регулятор тока входит в насыщение, и импульс фазного тока приобретает форму с ярко выраженным максимумом (см рис 18) Как видно из рисунка, при ю>юба, фазный ток спадает по нелинейному закону и на заключительном этапе отключения фазы сильно затягивается Поэтому поддержание спадания тока до нуля в положении 0к становится нецелесообразным, так как при этом потребовалось бы значительное упреждение отключения (кривая 1на рис 18) Это приводит к быстрому спаданию тока в зоне перекрытия упер взаимодействующих полюсов ВИД и, следовательно, к значительному снижению развиваемого фазой момента В зоне и>сОбаз целесообразно отключать фазу ВИД с таким упреждением уком, при котором процесс спадания тока проходит частично в генераторной зоне, где создается тормозной момент (кривая 2 на рис 18) Это позволяет, несмотря на наличие небольшого тормозного (отрицательного) момента, значительно увеличить средний момент за цикл коммутации фазы, так как при малом упреждении отключения уком фазой создается больший двигательный (положительный) момент

Алгоритм регулирования. Для компенсации рассогласований Дут, Ауспал и А/, которые возникают при изменении в широких пределах нагрузки и скорости со необходимо в каждом цикле коммутации фаз ВИД автоматически корректировать положения их коммутации При этом в качестве сигналов коррекции могут использоваться сигналы, пропорциональные ошибкам упреждения включения Дуакл и отключения Дуоткл. Рис 19 иллюстрирует алгоритм формирования корректирующего сигнала на примере сигнала коррекции положения включения 0ВКЛ при

регулировании в зоне низких скоростей

Согласно данному алгоритму, по сигналу ДПР, который выдает импульсный сигнал в начале зоны рассогласования (положение ©дар на рис 19), программно или специальным блоком формируется линейно нарастающий сигнал 0(0, представляющий собой, по сути, развертку углового положения ротора При сравнении данного сигнала с некоторым постоянным уровнем напряжения, пропорциональным начальному положению включения фазы 0„ач, формируется предварительный разрешающий импульс включения фазы, после чего начинается процесс ее включения При достижении фазным током заданного значения 12

Лад детектором максимального (заданного) значения фазного тока формируется следующий управляющий импульс, по которому согласно сигналу развертки ©(/) регистрируется текущее положение нарастания фазного тока 0Т По измеренному значению 0Т рассчитывается действительная величина смещения

Д7т=®рас-©т (4)

и после ее преобразования в некоторый пропорциональный ей уровень напряжения подается на сумматор в качестве корректирующего воздействия Дуво, как по-

Рис 20

Алгоритмы формирования корректирующих сигналов в других режимах работы ВИД аналогичны представленному выше алгоритму Их отличие состоит в критерии, по которому определяется рассогласование по току ДI (при регулировании в зоне высоких скоростей) Для принятого разделения функций РПК и предложенных алгоритмов регулирования положений коммутации фаз ВИД, функциональная схема регулятора положений включения (РПВ) представлена на рис 20 На рис 21 аналогичным образом показана функциональная схема регулятора положений отключения (РПО) Оба регулятора имеют два канала, по которым в зависимости от скоростного режима работы ВИД осуществляется регулирование по одному_из разработанных алгоритмов ¡Регулирование в зоне

| высоких скоростей

, М>С0баз

[Канал 2 0к'-Гканал 1 0к -

Д/с„

Щ}

ДУот

0ш

©К

0»,

ЖК

ОХСО&м

I Регулирование в зоне I [низких скоростей _|

Рис 21

Наиболее специфическими элементами каждого из каналов регуляторов являются нелинейные элементы Ф1 и Ф2 Они преобразуют сигналы рассогласования по току Д/щах и углу Аут, Дуспад в сигналы коррекции положений включения Дувкл или отключения ДуОТИ1 фаз, а также обеспечивают необходимое качество ре-

13

гулирования во всем диапазоне регулирования скорости ВИД Для определения характеристик элементов Ф1 и Ф2 проведены модельные эксперименты по отработке ступенчатого задания скорости ВИД При этом нелинейные элементы Ф1 и Ф1 были заменены на усилители с изменяемыми коэффициентами передачи сигна-

Эксперимент показал, что по мере увеличения задания по скорости ВИД переходной процесс устанавливается за большее количество циклов коммутации фаз Ы, а при скоростях близких к базовой ю6аз переходной процесс приобретает колебательный характер Изменение коэффициентов Кп\ и К,а позволило определить их необходимые значения для различных скоростей ВИД Найдены приемлемые для практики аппроксимации характеристик нелинейных элементов Ф1 и Ф2

Для примера на рис 22, б приведен исходный и скорректированный переходной процесс при отработке ступенчатого изменения скорости с 0 бсОбаз до О 8©баз На рис 22, а приведена характеристика элемента Ф1, обеспечивающая длительность переходного процесса не более чем три - четыре цикла коммутации фаз ВИД при регулировании скорости ВИД во всем диапазоне низких скоростей

В заключительной части главы подробно рассматривается построение в среде БШШШК виртуального стенда, на котором проводились модельные исследования поведения ВИД и разработка алгоритмов и структур регулятора РГЖ Стенд включает в себя имитационную модель ВИД, описанную во второй главе, и непосредственно имитационные модели регуляторов РПО и РПВ

В четвертой главе приводятся результаты исследования влияния временной дискретизации сигналов управления на работу регулятора РПК при его программной реализации Как правило, управляющая часть ВИД выполняется на базе микропроцессорной системы (МС), для которой в общем случае характерно квантование сигналов по уровню и по времени Поскольку абсолютная величина ошибки квантования по уровню определяется разрядностью АЦП, уже при 8-10 разрядном АЦП, что и имеет место обычно на практике, ошибки связанные с квантованием по уровню, как правило, становятся несущественными и ими, как показывает практика, можно пренебречь Поэтому в работе рассмотрено только влияние временной дискретизации сигналов управления, которая определяется периодом квантования информации Ткв в МС и зависит от многих факторов, но в большей степени от тактовой частоты применяемого микропроцессора

Современные промышленные микропроцессоры обладают достаточно высокой тактовой частотой (порядка 30 МГц и более), что в большинстве практиче-14

ских случаев позволяет свести к минимуму ошибки, обусловленные квантованием сигналов по времени Однако по мере увеличения скорости ВИД период квантования Гкв МС и период коммутации фаз ВИД Гком становятся все более соизмеримы и ошибки, вызываемые этим фактом все же могут проявляться Так, например, из литературы известны ВИД, максимальная частота вращения которых достигает 15000 - 20000 об/мин и более

При регулировании фазного тока ВИД за счет соответствующей широтно-импульсной модуляции (ШИМ) напряжения источника питания, сигналы включения и отключения фаз приобретают дополнительную задержку по времени, вызываемую периодом квантования ШИМ Тшим Его величина значительно больше периода квантования Ткв и выбирается с учетом частотных возможностей ключевых элементов инвертора, которые обычно, находятся в пределах 10-40 кГц Исследования показали, что характер взаимных изменений амплитуд токов соседних фаз, обусловленных временной задержкой команд на коммутацию фазных напряжений, зависит от соотношения длительностей периода коммутации фаз Тко^ и периода квантования информации в МС Ткв

Проведены модельные эксперименты по отработке системой управления с РПК ступенчатого изменения скорости при различных значениях периода 7*ком =7,К0М/ГКВ На рис 23 показаны примеры результатов моделирования работы регулятора в зоне высоких скоростей при Ткон =20 2, Тком =40 2, ГКОМ=80 2 и Тти =100 2 Сформулировано общее требование к микропроцессорной системе, при программной реализации регулятора РПК для ВИД конфигурации 8/6, которое выражается в обеспечении дискретизации входных и выходных сигналов РПК с периодом квантования Ткв не более чем 0,01 от периода коммутации Ткои

В заключении подчеркивается, что основным итогом работы является разработка регулятора, обеспечивающего повышение энергетических и регулировочных возможностей ВИД, а также создание имитационных моделей, наиболее полно приспособленных для решения задач синтеза структур и алгоритмов управления двигателем

В диссертационной работе получены следующие основные результаты

1 Определены и систематизированы функции регулятора положений коммутации фаз в зависимости от реализуемых режимов работы ВИД

2 Проведен сопоставительный анализ известных аналитических моделей ВИД, на основании которого даны рекомендации по выбору каждой из них в зависимости от решаемых задач

3 Создана имитационная модель ВИД, приспособленная для решения широкого круга задач синтеза структур и алгоритмов управления приводом, отличающаяся тем, что основные величины, характеризующие работу двигателя непосредственно рассчитываются по его таблично заданным магнитным характеристикам, определяемым на предварительном этапе экспериментально или в результате полевых расчетов

I У икл

4 Разработаны алгоритмы регулирования положений коммутации фаз ВИД в широком диапазоне изменения нагрузки и скорости двигателя

5 Предложена структура регулятора положений коммутации фаз, а также даны рекомендации по определению параметров входящих в его состав нелинейных элементов, которые обеспечивают затухание переходных процессов не более чем за три - четыре цикла коммутации фаз ВИД

6 Доказана эффективность автоматического регулирования положений коммутации фаз ВИД Установлено, что в зоне низких скоростей потери энергии в двигателе могут быть снижены до 10%, а в зоне высоких скоростей обеспечивается компенсация снижения момента с ростом скорости

7 Построена имитационная модель ВИД с регулятором РПК, на которой апробированы структура и алгоритмы работы регулятора РПК

8 Установлено, что для исключения сбоев в работе РПК при его программной реализации для ВИД конфигурации 8/6 период квантования сигналов управления Ткв должен составлять не более, чем 0,01 от периода коммутации фазы двигателя Ткогл

Тема и содержание диссертации отражены в следующих работах:

1 Трунин ЮВ Автоматическое регулирование положений коммутации фаз вентильно-индукторных двигателей Н Системы управления и информационные технологии -2007 -№3 2(29) - С 306-310

2 Красовский А Б , Кузнецов С А, Трунин Ю В Моделирование магнитных характеристик вентильно-индукторных машин // Вестник Московского государственного технического университета Серия Естественные науки - 2007 -№4(27) - С 57-77

3 Красовский А Б, Мкртычян Б А, Трунин Ю В. Оптимизация параметров и алгоритмов управления вентильно-индукторного электропривода на базе имитационного моделирования // Образование через науку Сборник докладов Международного симпозиума - М Изд-во МГТУ им Н Э Баумана, 2006 - С 480-488

4 Красовский А Б , Трунин Ю В Подходы к построению имитационных моделей вентильно-индукторного двигателя // Современные проблемы информатизации в прикладных задачах- Сборник трудов XI международная открытая науч конф - Воронеж, 2006 -С 120-121

5 Трунин ЮВ Автоматическое регулирование положения коммутации фаз вентильно-индукторной электрической машины // Современные проблемы информатизации в проектировании и телекоммуникациях Сборник трудов XII международная открытая науч конф - Воронеж, 2007 -С 279-280

6 Красовский А Б , Зорин Ю Н, Мкртычян Б А, Трунин Ю В Принципы построения имитационных моделей вентильно-индукторного электропривода // Современные естественно-научные и гуманитарные проблемы Сборник трудов -М Логос, 2005.-С 207-214

7 Красовский А Б, Мкртычян Б А, Трунин Ю В Оптимизация параметров и алгоритмов управления вентильно-индукторного электропривода на базе имитационного моделирования // Образование через науку Тезисы докладов Международной конференции - М, 2005 - С 572-573

Подписано к печати 30 06 08 Заказ № 368 Объем 1,0 печ л Тираж 100 экз Типография МГТУ им Н Э Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская ул , д 5 263-62-01

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ХАРАКТЕРИСТИКА ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫХ

ДВИГАТЕЛЕЙ КАК ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ.

1.1. Общие сведения.

1.1.1. Принцип действия ВИД.

1.1.2. Наиболее существенные особенности ВИД.

1.2.Основные принципы управления ВИД.

1.2.1. Изменение основных величин ВИД в цикле коммутации фазы.

1.2.2. Определение реального положения ротора ВИД.

1.2.3. Виды коммутации ВИД.

1.2.4. Типовая структура системы управления ВИД.

1.3.Состояние разработки и перспективы применения ВИД, постановка задач исследования.

1.3.1. Основные этапы теоретических разработок в области методов и структур управления ВИД.

1.3.2. Области применения ВИД.

1.3.3. Постановка задач исследования.

1.4.Вывод ы.

Глава 2. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ.

2.1 .Введение.

2.2.Известные аналитические модели ВИД.

2.2.1. Модель на основе кусочно-линейной аппроксимации MKLA.

2.2.2. Модель на основе кривых Миллера МКМ.

2.2.3. Модель на основе табличных функций MTF.

2.2.4. Другие модели.

2.3.Выбор аналитической модели ВИД.

2.4.Построение модели ВИД.

2.4.1. Структура имитационной модели ВИД.

2.4.2. Степень идеализации и принимаемые допущения.

2.4.3. Получение экспериментальных магнитных характеристик.

2.4.4. Выбор относительных единиц.

2.4.5. Выбор программных средств.

2.4.6. Расчет табличных функций.

2.4.6.1. Расчет табличной функции тока.

2.4.6.2. Расчет табличной функции моментных характеристик.

2.4.7. Реализации имитационной модели ВИД в программной среде MA TLAB-SIMULINK.

2.5.Вывод ы.

Глава 3. СТРУКТУРА И АЛГОРИТМЫ РАБОТЫ РЕГУЛЯТОРА

ПОЛОЖЕНИЙ КОММУТАЦИИ ФАЗ ВИД.

3.1.Введени е.

3.2.Регулирование положений включения фаз ВИД в зоне низких

СКОрОСТеЙ Ю<С0баз.

3.2.1. Принцип регулирования.

3.2.2. Алгоритм регулирования.

3.2.3. Оценка эффективности регулирования.

3.3.Регулирование положений включения фаз ВИД в зоне высоких

СКОрОСТеЙ Ю>С0баз.

3.3.1. Принцип регулирования.

3.3.2. Алгоритм регулирования.

3.4.Регулирование положений отключения фаз ВИД.

3.4.1. Принцип регулирования.

3.4.2. Алгоритм регулирования.

3.4.3. Оценка эффективности регулирования.

3.5.Регулятор положений коммутации фаз ВИД.

3.5.1. Регулятор положений включения.

3.5.1.1. Нелинейный элемент Ф1.

3.5.1.2. Нелинейный элемент Ф2.

3.5.1.3. Начальное положение включения фаз ВИД.

3.5.2. Регулятор положений отключения.

3.6.Виртуальный стенд для проведения модельных экспериментов.

3.7. Выводы.

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВРЕМЕННОЙ ДИСКРЕТИЗАЦИИ СИГНАЛОВ УПРАВЛЕНИЯ НА РАБОТУ РЕГУЛЯТОРА РПК.

4.1.Введени е.

4.2.Метод исследования.

4.2.1. Аналитическая оценка влияния временной дискретизации.

4.2.2. Аналитическая оценка времени выполнения алгоритмов РПК.

4.2.3. Имитационная модель ВИД с временной дискретизацией сигналов управления.

4.3.Результаты моделирования.

4.3.1. Коммутация фаз ВИД с постоянным упреждением включения.

4.3.2. Коммутация фаз ВИД с автоматическим регулированием упреждения включения.

4.4.Влияние временной дискретизации сигналов управления РПК на работу алгоритмов отключения фаз ВИД.

4.5.Вывод ы.

Вентильно-индукторные электродвигатели (ВИД) относятся к новому перспективно развивающемуся типу двигателей, которым в последнее время уделяется повышенное внимание специалистов главным образом благодаря их конструктивной простоте. Они имеют неодинаковое число явновыражен-ных полюсов на статоре и роторе, причем фазные обмотки в виде сосредоточенных катушек располагаются только на полюсах статора, а ротор выполняется пассивным. Из широко известных типов электродвигателей наиболее близким к ВИД по конструкции и структуре управления являются шаговые двигатели (ШД). Различия между ними обусловлены тем, что в ШД, как правило, стремятся к получению высокой точности отработки заданных перемещений, а для ВИД наиболее важными являются энергетические показатели. Поэтому хорошо отработанные структуры и алгоритмы управления ШД, а также другими двигателями оказываются мало пригодными для ВИД.

В настоящее время ВИД рассматриваются, как альтернатива широко применяемым в промышленности частотно-регулируемым асинхронным двигателям, прежде всего, в массовых регулируемых электроприводах таких установок, как конвейеры, вентиляторы, насосы и т.п. При этом ВИД значительно превосходят своего конкурента по простоте конструкции, технологичности, высокой степени надежности и ремонтопригодности, низкой стоимости, функциональной гибкости и более высоким массогабаритным и энергетическим показателям. Активные работы по исследованию ВИД ведутся в таких промышленно развитых странах, как Германия, Великобритания, Швеция, Италия, США, Австралия, Япония. Наиболее существенный вклад в исследование ВИД внесли такие зарубежные ученые, как P.J. Lawrenson, T.J.E. Miller, J.M. Stephenson, R. Krishnan и др. Среди российских ученых следует выделить работы Н.Ф. Ильинского, М.Г. Бычкова, В.А. Кузнецова, С.А. Па-хомина, А.Б. Красовского и др.

Несмотря на то, что в основе работы ВИД лежит уже давно известное физическое явление, согласно которому на ферромагнитный материал в магнитном поле действует сила, стремящаяся переместить его в зону с максимальной интенсивностью поля, реально реализовать все его достоинства стало возможным только в последние годы благодаря успехам силовой и информационной электроники. Причина этого состоит в том, что для этого требуются отличные от традиционных алгоритмы управления, поиск и реализация которых известными методами затруднены в силу характерных для ВИД нелинейностей и дискретности в управлении.

В каждом цикле коммутации ВИД электромагнитные параметры каждой из фаз изменяются в широких пределах по нелинейным законам в функции положения ротора и фазного тока. Кроме того, одной из важнейших особенностей ВИД является необходимость коммутации его фазных обмоток в строго определенных положениях ротора, определяемых по датчику положения. Это, с одной стороны, диктует достаточно жесткие требования к системе управления, а с другой стороны, позволяет за счет соответствующего изменения этих положений существенно влиять на процесс электромеханического преобразования энергии в двигателе, а значит, и на его характеристики. Поэтому для ВИД характерно наличие двух независимых каналов управления -традиционного для всех классических электрических машин канала за счет изменения амплитуды прикладываемого к фазам напряжения (амплитудного) и специфического - за счет изменения положений ротора в момент подключения и отключения фаз (фазового). При этом, несмотря на то, что фазовое управление в той или иной мере используется в традиционных бесконтактных электрических машинах, в частности, в бесконтактных машинах постоянного тока (БДПТ), двухфазных исполнительных асинхронных двигателях, в ШД и т.п., специфичность ВИД исключает использование в них готовых технических решений.

В известных же публикациях, касающихся регулирования положений коммутации фаз ВИД, в основном затрагиваются проблемы принципиальной возможности формирования тех или иных режимов работы ВИД в зоне высоких скоростей, но не раскрывается функциональная и алгоритмическая реализация необходимого для этого регулятора. Практически нет работ, касающихся оценки эффективности регулирования положений коммутации ВИД и построения соответствующего регулятора в области низких скоростей. Обычно в этой зоне предполагается лишь амплитудное управление при фиксированных усредненных положениях включения и отключения фаз. Это снижает энергетические и регулировочные показатели ВИД. Во многом это объясняется сложностью аналитического исследования этих явлений, а известные компьютерные модели ВИД либо достаточно грубы и не позволяют получать приемлемые оценки, либо чрезвычайно громоздки. В этих условиях наиболее эффективным средством разработки и исследования элементов систем управления ВИД является имитационное моделирование.

Таким образом, тема, связанная с разработкой принципов построения и алгоритмов работы наиболее специфичного и недостаточно изученного элемента системы управления ВИД — регулятора положений коммутации фаз - на базе современных компьютерных технологий, является весьма актуальной.

Цель работы — Разработка регулятора положений коммутации фаз (РПК), как дополнительного функционально законченного элемента системы автоматического управления вентилъно-индукторными двигателями для улучшения их регулировочных и энергетических характеристик.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

П определены функции и структура РПК в типовых режимах работы ВИД;

П построена имитационная модель, наиболее полно отражающая особенности ВИД и приспособленная для решения задач синтеза структур и алгоритмов управления;

П разработаны алгоритмы работы РПК и доказана их эффективность в типовых режимах работы ВИД;

П определено влияние временной дискретизации сигналов управления на работу регулятора РПК при его программной реализации.

Методы исследований

При решении поставленных в диссертационной работе задач использованы базовые положения теории автоматического регулирования, электрических машин, теоретические и практические аспекты компьютерного моделирования сложных динамических систем.

Предложенные в диссертационной работе выводы основаны на проводимых автором в течение трех последних лет теоретических и экспериментальных исследованиях ВИД и структур его управления. Основная часть экспериментальных исследований выполнена на аппаратуре и образцах ВИД кафедры Автоматизированного электропривода МЭИ.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается сопоставлением теоретических и экспериментальных результатов.

Новые научные положения, выносимые на защиту

1. Результаты исследования работы ВИД, подтверждающие целесообразность автоматического регулирования положений коммутации фаз при изменении его скорости и нагрузки.

2. Принципы построения РПК, как функционально законченного элемента системы управления ВИД.

3. Алгоритмы работы РПК, обеспечивающие максимальное использование энергетических и регулировочных возможностей ВИД в широком диапазоне изменения скорости и нагрузки.

4. Результаты исследования работы РПК, в том числе, с учетом влияния временной дискретизации сигналов управления.

5. Рекомендации по выбору максимально допустимой величины временной задержки сигналов управления при программной реализации РПК

Практическая значимость работы: О разработан регулятор, обеспечивающий повышение энергетических и регулировочных возможностей ВИД; создана имитационная модель ВИД, наиболее полно учитывающая его характерные особенности и приспособленная для решения многих других задач синтеза структур и алгоритмов управления двигателем. Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и неоднократно обсуждались на заседаниях кафедры электротехники и промышленной электроники МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2005-2008 гг. Результаты работы также были доложены и обсуждены на следующих научных конференциях:

Международная конференция «Образование через науку», посвященная 175-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана, М. МГТУ, 2004 г. Научно-методическая конференция «Современные естественнонаучные и гуманитарные проблемы», посвященная 40-летию НУК ФН, М. МГТУ, 2004 г.

XI Международная открытая научная конференция «Современные проблемы информатизации в прикладных задачах», Россия, Воронеж 2006 г.

XII Международная открытая научная конференция «Современные проблемы информатизации- в проектировании и телекоммуникациях», Россия, Воронеж 2007 г.

Реализация и внедрение результатов. Материалы диссертации использованы филиалом №9 «Северо-западный» ОАО «МОЭК» при разработке регулируемых электроприводов нового поколения циркуляционных насосов в системах горячего водоснабжения населения.

Публикации. Тема и содержание диссертации отражены в 7 научных работах, из них в журналах по списку ВАК - 2.

Структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 156 страницах основного текста, содержит 102 рисунка. Список литературы включает 73 наименования.

4.5. Выводы

Моделирование показало, что в широком диапазоне изменения скорости и нагрузки для ВИД конфигурации 8/6 допустимое значение периода квантования сигналов, определяющих положения включения его фаз 0ПКЛ и начала отключения 0КОМ, а также сигнала ДПР составляет Ткв < Гком.

Аналогично, допустимое значение периода квантования для сигнала датчика фазного тока составляет Ткв < — Гком.

80

Таким образом, общее требование, предъявляемое к микропроцессорной системе при программной реализации регулятора РПК, для ВИД конфигурации 8/6 выражается в обеспечении дискретизации входных и выходных сигналов РПК с периодом квантования Ткв не более чем 0,01 от периода коммутации фазы Гком.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основным итогом работы является разработка принципиально нового, специфического для ВИД регулятора, обеспечивающего повышение энергетических и регулировочных возможностей ВИД, а также создание имитационной модели ВИД, наиболее полно учитывающей его характерные особенности и приспособленной для решения многих других задач синтеза структур и алгоритмов управления приводом. В диссертационной работе получены следующие основные результаты.

1. Определены и систематизированы функции регулятора положений коммутации фаз в зависимости от реализуемых режимов работы ВИД.

2. Проведен сопоставительный анализ известных аналитических моделей ВИД, на основании которого даны рекомендации по выбору каждой из них в зависимости от решаемых задач.

3. Создана имитационная модель ВИД, приспособленная для решения широкого круга задач синтеза структур и алгоритмов управления приводом, отличающаяся тем, что основные величины, характеризующие работу двигателя непосредственно рассчитываются по его таблично заданным магнитным характеристикам, определяемым на предварительном этапе экспериментально или в результате полевых расчетов.

4. Разработаны алгоритмы регулирования положений коммутации фаз ВИД в широком диапазоне изменения нагрузки и скорости двигателя.

5. Предложена структура регулятора положений коммутации фаз, а также даны рекомендации по определению параметров входящих в его состав нелинейных элементов, которые обеспечивают затухание переходных процессов не более чем за три - четыре цикла коммутации фаз ВИД.

6. Доказана эффективность автоматического регулирования положений коммутации фаз ВИД. Установлено, что в зоне низких скоростей потери энергии в двигателе могут быть снижены до 10%.

7. Построена имитационная модель ВИД с регулятором РПК, на которой апробированы структура и алгоритмы работы регулятора РПК.

8. Установлено, что для исключения сбоев в работе РПК при его программной реализации для ВИД конфигурации 8/6 период квантования сигналов управления Гкв должен составлять не более, чем 0,01 от периода коммутации фазы двигателя Гком.

1. Арменский Е.В., Фалк Г.Б. Электрические микромашины. М.: Высшая школа, 1976, - 415 с.

2. Ахунов Т.А., Ильинский Н.Ф., Бычков М.Г. Вентильно-индукторный электропривод перспективы применения // Состояние разработки и перспективы применения ВИП. Мат. 2 междунар. конф. -М., 2001. - С. 54-59.

3. Бенькович Е, Колесов Ю., Сениченков Ю. Практическое моделирование динамических систем. СПб.: БХВ - Петербург, 2002. - 280 с.

4. Бессекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управления. -М.: Наука, 1975. 767 с.

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

6. Бычков М.Г. Компьютеризированное оборудование для комплексных испытаний электрических машин // I Международная конф. по электромеханике и электротехнологии. Тез. докл. Суздаль, 1994. - Ч. 2— 13 с.

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

8. Бычков М.Г. Основы теории, управление и проектирование вентильно-индукторного электропривода: Автореферат дис. . докт. техн. наук. -М.: МЭИ, 1999.-38 с.

9. Бычков М.Г. Элементы теории вентильно-индукторного электропривода // Электричество. 1997. - № 8. - С. 35-44.

10. Ю.Бычков М.Г., Кисельникова А.В., Семенчук В.А. Экспериментальные исследования шума и вибраций в вентильно-индукторном электроприводе // Электричество. 1997. — № 12. - С. 41-46.

11. Бычков М.Г., Сусси Р.С. Расчетные соотношения для определения главных размеров вентильно-индукторной машины // Электротехника. -2000.-№3.-С. 15-19.

12. Бычкова Е.В. Обзор современного российского рынка преобразователей частоты для электропривода // Живая электроника России, 2001. - т.2. - С. 23-24.

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

14. Дьяконов В.П. Энциклопедия Mathcad 200П и Mathcad 11. М.: СО-ЛОН-Пресс, 2004. - 832 с.

15. Ильинский Н.Ф. Вентильно-индукторные машины в современном электроприводе // Вентильно-индукторный электропривод проблемы развития и перспективы применения: Тез. докл. всеросс. науч.-техн. семинара. - М.: МЭИ, 1996. - С. 3-4.

16. Ильинский Н.Ф. Вентильно-индукторный электропривод перед выходом на широкий рынок // Приводная техника. 1998. — №3. — С. 2-5.

17. Ильинский Н.Ф. Перспективы развития регулируемого электропривода // Электричество. 2003. - №3. - С. 2-7.

18. Ключев В.И. Теория электропривода. М.: Энергоатомиздат, 1998. - 704 с.

19. Красовский А.Б. Анализ процесса отключения фазной обмотки вентиль-но-индукторного двигателя при локальном насыщении зубцовой зоны // Электричество. -2001. №5. - С. 41-48.

20. Красовский А.Б. Анализ условий формирования постоянства выходной мощности в вентильно-индукторном электроприводе // Электричество. -2002.-№2.-С. 36-46.

21. Красовский А.Б. Замкнутый шаговый электропривод с изменяющимися параметрами и структурой // Вестник МГТУ. Серия Машиностроение. — 2000.-№2.-С. 120-127.

22. Красовский А.Б. Имитационные модели в теории и практике вентильно— индукторного электропривода: Автореферат дис. . докт. техн. наук. — М.: МЭИ, 2004.-40 с.

23. Красовский А.Б. Ограничение пульсаций момента в вентильно-индукторном электроприводе средствами управления // Вестник МГТУ. Серия Машиностроение. 2001. - №2. - С. 99-114.

24. Красовский А.Б. Получение максимальной выходной мощности вен-тильно-индукторного электропривода средствами управления // Электричество. 2002. - №9. - С. 29-36.

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

26. Красовский А.Б. Физические особенности и алгоритмы компенсации пульсаций момента в вентильно-индукторном электроприводе // Сост. разраб. и персп. прим. ВИП: Мат. 2 междунар. конф. М., 2001. - С. 40-45.

27. Красовский А.Б., Бычков М.Г. Исследование пульсаций момента в вентильно-индукторном электроприводе // Электричество. — 2001. №10. — С. 33-44.

28. Красовский А.Б., Кузнецов С.А., Трунин Ю.В. Моделирование магнитных характеристик вентильно-индукторных машин // Вестник МГТУ. Серия Естественные науки. 2007. - №4(27) - С. 57-77.

29. Кузнецов В.А. Универсальный метод расчета полей и процессов электрических машин с дискретно-распределенными обмотками: Автореф. дисс. . докт. техн. наук. -М.: МЭИ, 1990. 40 с.

30. Ланцош К. Практические методы прикладного анализа. М.: Физмат-лит, 1961. - 532 с.

31. Микропроцессорные системы автоматического управления / Под ред. В.А. Бессекерского. Л.: Машиностроение, 1988. — 374 с.

32. Прицкер А. Введение в имитационное моделирование и язык СЛАМII. -М.: Мир, 1987.-644 с.

33. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. М.: Высшая школа, 1998.-319 с.

34. Acarnley P. Position Estimation in Switched Reluctance Drives // Proc. EPE-95. 1995 - Vol. 3. - P. 3.765-3.770.

35. Andrade D.A., Krishnan R. Characterization of switched reluctance machines using Fourier series approach // Thirty-Sixth IAS Annual Meeting. Conference Record of the IEEE. 2001. - Vol. 1. - P. 48-54.

36. Barrie С. M., Christian W., Andrew C. Clothier The modeling of Switched Reluctance Machines with magnetically coupled windings // IEEE Transaction Industry Application. 2001. - Vol. 37, No. 6. - P. 20-31

37. Bartos F. J. Forward to the Past with SR Technology. // Control Ingineering. -1999.-Vol. 46.-P. 66-75.

38. Bartos, F. J. Springtime for Switched-Reluctance Motors // Control Engineering. 2003. - Vol. 21. - P. 47-49.

39. Bartos F. J. Switched-Reluctance Technology Strives for Wider Appeal // Control Ingineering. 1999. - Vol. 11. - P. 64-72.

40. Patent No. 5256923 (USA). Switched reluctance motor with sensorless position detection / Bartos R.P., Houle T.H, Johnson J.H. // A.O. Smith Corporation.-26 Oct. 1993.

41. Bass J.T., Ehsani M., Miller T.J.E. Robust Torque Control of Switched-Reluctance Motor Without a Shaft-Position Sensor // IEEE Transaction IE. -1986. Vol. IE-33, №3. - P. 212-216.

42. Brown G. V., Kascak A. F. NASA Glenn Research Center Program in High Power Density Motors for Aeropropulsion. NASA/TM, 2005. - 21 p.

43. D'hulster F., Stockman K., Podoleanu I. Optimal Switched Reluctance Motor Control Strategy For Wide Voltage Range Operation // Recent Developments Of Electrical Drives. 2007. - Vol. 2. - P. 187-200.

44. Elmas C., Zelaya-De la Parra H. Position sensorless operation of a switched reluctance drive based on observer // Proc. EPE'93. 1993. - Vol. 7. - P. 82-87.

45. Fisch J.H., Kjaer P.C., Miller T.J.E. Pareto-optimal firing angles for switched reluctance motor control // Genetic Algorithms in Engineering Systems: Innovations and Applications. 1997. - Vol. 2. - P. 90-96.

46. Gallegos-Lopez G. A New Sensorless Low-cost Methods for Switched Reluctance Motor Drives // University of Glasgow. SPEED Laboratory, 1997. -P. 38-43.

47. Khalil A., Husain I. A Fourier series generalized geometry based analytical model of switched reluctance machines // Electric Machines and Drives. -2005. Vol. 15. - P. 490-497.

48. Kioskeridis I., Mademlis C. Maximum Efficiency In Single-Pulse Controlled Switched Reluctance Motor Drives // IEEE Transactions On Energy Conversion. 2005. - Vol. 20, No. 4. - P. 809-817.

49. Kjaer P.C., Blaabjerg F., Pedersen J.K. A New Indirect Rotor Position Detection Method for Switched Reluctance Drives // ICEM'94. 1994. - Vol. 2. -P. 555-560.

50. Krishnan R. Switched Reluctance Motor Drives Modeling, Simulation, Analysis, Design, and Applications. London: CRC Press, 2001. - 398 p.

51. Lawrenson P.J. Brief Status Review of Switched Reluctance Drives // EPE Journal. 1992. - Vol. 2, No 3. - P. 27-38.

52. Lawrenson P.J., Stephenson J.M., Blenkinsop P.T. Variable-speed switched reluctance motors // IEEE Proc. 1980. - vol. 127, Pt. B, No. 4. - P. 253-265.

53. Lipo T. Advanced Motor Technologies: Converter Fed Machines // IEEE

54. Trans. 1997. - No. 4. - P. 204-222.

55. Lipo Т., Li Yue CFMs A New Family of Electrical Machines // Conf. Rec. IPEC'95. Apr., 1995. - Vol. 3-7. - P. 45-53.

56. Mademlis C., Kioskeridis I. Performance Optimization in Switched Reluctance Motor Drives With Online Commutation Angle Control // IEEE Transactions On Energy Conversion. 2003. - Vol. 18, No. 3. - P. 448-457.

57. Mathcad 11. Users Guide. New York: Mathsoft Engineering & Education Inc., 2003.-74 p.

58. Miller T.J.E. Switched Reluctance Motors and Their Control. Oxford: Magna Physics Publishing and Clarendon Press, 1993. - 205 p.

59. Miller T.J.E. Electronic Control of Switched Reluctance Motors. ser. New-nes Power Engineering Series. Oxford, U.K.: Newnes, 2001. - 272 p.

60. Miller T.J.E. Optimal Design of Switched Reluctance Motors // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2002. - Vol. 49, No. 1. - P. 46-59.

61. Miller T.J.E., Glinka M., Cossar C. Ultra-Fast Model Of The Switched Reluctance Motor // IEEE-IAS Annu. 1998. - Vol. 12. - P. 319-326.

62. Miller T.J.E., McGilp M. Nonlinear Theory Of The Switched Reluctance Motor For Rapid Computer-Aided Design // Proc. Inst. Elect. 1999. - Vol. 137, №6.-P. 337-347.

63. Rafajdus P., Zrak I., Hrabovcova V. Analysis Of The Switched Reluctance Motor (SRM) Parameters // Electrical Engineering. 2004. - Vol. 55, No. 7-8.-P. 195-200.

64. Stephenson J.M., El-Khazendar M.A. Saturation in Doubly Salient Reluctance Motors // IEEE Proc. 1989. - Vol. 136, Pt. B, No. 1. - P. 50-58.

65. Xue X., Cheng K.W.E., Ho S.L. Simulation of Switched Reluctance Motor Drives Using Two-Dimensional Bicubic Spline // Transactions On Energy Conversion. -2002. Vol. 17, No. 4. - P. 471-477.1. УТВЕРЖДАЮ»

66. Первый заместитель директора гл. инженер Филиала ОАО «МОЭК»н. Паныпин А.С. 2008 г.промышленного использования результатов диссертационной работы ТРУНИНА Юлия Владимировича «Разработка регулятора положений коммутации фаз вентильно-индукторного двигателя»

67. Полученные в диссертационной работе теоретические и практические результаты использованы нами при разработке регулируемых электроприводов циркуляционных насосов в системах горячего водоснабжения населения.

68. Нач. отдела главного энергетика Филиала № 9 ОАО «МОЭК» . Жиронкин П.В.