автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Синхронный реактивный электропривод с независимым управлением по каналу возбуждения и предельными характеристиками по быстродействию и перегрузочным способностям

На правах рукописи

Григорьев Максим Анатольевич

СИНХРОННЫИ РЕАКТИВНЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОД С НЕЗАВИСИМЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ПО КАНАЛУ ВОЗБУЖДЕНИЯ И ПРЕДЕЛЬНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ПО БЫСТРОДЕЙСТВИЮ И ПЕРЕГРУЗОЧНЫМ СПОСОБНОСТЯМ

Специальность 05.09.03 - "Электротехнические комплексы и системы"

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

3 п ЯЧВ ¿014 005544598

Челябинск - 2013

005544598

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "ЮжноУральский государственный университет" (национальный исследовательский университет) на кафедре электропривода и автоматизации промышленных установок.

Научный консультант -

д-р техн. наук, профессор Усынин Юрий Семёнович.

Официальные оппоненты:

Козярук Анатолий Евтихиевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой "Электротехника, электроэнергетика, электромеханика", Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Национальный минерально-сырьевой университет "Горный", г. Санкт-Петербург; Беспалов Виктор Яковлевич, д-р техн. наук, профессор, профессор кафедры "Электромеханика" Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ", г. Москва; Сарапулов Федор Никитич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой "Электротехника и электротехнологические системы" Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина", г. Екатеринбург. Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет", г. Томск.

Защита состоится 28 февраля 2014 г. в 14:00 часов, на заседании диссертационного совета Д212.298.05 при ФГБОУ ВПО "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)", г. Челябинск, пр-т Ленина, 76, ауд. 1001.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО "ЮжноУральский государственный университет" (национальный исследовательский университет) и на сайте ЮУрГУ по_адресу: http://www2.susu.ac.ru/ru/abstract/5 Автореферат разослан " " 2014 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76, гл. корпус, Ученый совет ЮУрГУ, тел./факс: (351) 775-14-16. E-mail: 9191236713@mail.ru.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д212.298.05

д-р. техн. наук, профессор Ю.С. Усынин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность работы. Появление новых технологий и совершенствование существующих не только повышает требования к электроприводу, но и требует реализации нового характера движения. Привычные требования к электроприводу: диапазон регулирования скорости и момента, полоса пропускания частот электропривода, энергоэффективность, - резко увеличиваются.

В настоящее время наибольший прогресс в современных регулируемых электроприводах наблюдается в приводах переменного тока и идет он за счет комплексного подхода, который учитывает особенности совместной работы полупроводникового преобразователя и электрической машины. Так, если обратить большее внимание на новые типы электрических машин и в комплексе "преобразователь - двигатель" проектировать не преобразователь под традиционный двигатель с синусоидальным напряжением на статоре, а попытаться при конструировании электропривода учесть особенности совместной работы электродвигателя с преобразователем, то можно добиться высоких результатов.

Электроприводы, работающие в экстремальных условиях, требуют нетрадиционного исполнения и сочетания параметров всего силового электрооборудования, так как существующие типовые решения при всех их достоинствах: высокой энергоэффективности, интенсивном использовании активных материалов, технологичности изготовления, - не способны обеспечить в полной мере требования современных и будущих технологий.

В этом случае необходимо по-иному формулировать критерии эффективности работы электропривода. Перечень требований, который не отвергает существующие показатели (coscp, КПД), необходимо дополнять критериями и показателями, непосредственно влияющими на качество ведения технологического процесса (МIm, M/J), где М, т, J - момент, масса, момент инерции двигателя.

Степень научной разработанности проблемы. Новый подход к разработке электроприводов коснулся как традиционных решений, например, на базе синхронных электрических машин (Вейнгер A.M., Lipo Т.), асинхронных электроприводов с векторным управлением (Бродовский В.Н., Дартау В.А., Шрей-нер Р.Т., Панкратов В.В., Макаров Л.Н., Дементьев Ю.Н., Поляков В.Н.), с DTC-управлением (Рудаков В.В., Козярук А.Е.), линейных асинхронных электроприводов (Сарапулов Ф.Н., Сарапулов С.Ф.), так и приводов, получивших своё развитие только в последнее время, например, вентильно-индукторных электроприводов (Чиликин М.Г., Ильинский Н.Ф., Ивоботенко Б.А., Lawrenson Р., Садовский JI.A, Бычков М.Г., Красовский А.Б., Козаченко В.Ф.), синхронных реактивных электроприводов (Vagati A., Francecchini G., Беспалов В.Я.). Особое место в этом ряду занимают синхронные реактивные электроприводы с независимым управлением по каналу возбуждения (СРМНВ) (по английской терминологии - Field Regulated Reluctance Machine) (Weh H., Lipo Т., Law J., Busch Т.).

Основы теории электроприводов, реализующих предельные режимы работы на базе специальных машин постоянного тока малой мощности, были предложены проф. Каганом В.Г.

Между тем, высокие удельные показатели, близкие к предельным, можно обеспечить и в рамках традиционных конструкций и технологий изготовления электрических машин и полупроводниковых преобразователей, если обратить внимание и воспользоваться принципиально новыми возможностями, которые появились в конце XX века благодаря прогрессу силовой электроники и микропроцессорных устройств.

Объект исследования — синхронные реактивные электроприводы с независимым управлением по каналу возбуждения с предельными по быстродействию и перегрузкам характеристиками.

Предмет исследования - электромагнитные, электромеханические процессы в синхронном реактивном электроприводе с независимым управлением по каналам возбуждения и якоря.

Целью диссертационной работы является создание теории, системы управления синхронных реактивных электроприводов, которые отличаются предельными показателями по быстродействию и перегрузкам, улучшенными массога-баритными и эксплуатационными характеристиками, что достигается за счёт учёта совместной работы источника питания и двигателя.

Идея работы заключается в том, что благодаря уровню развития силовой полупроводниковой и цифровой измерительной техники удаётся пересмотреть принципы согласования силовых элементов (электродвигателя, источника питания и рабочего органа) и добиться существенного улучшения потребительских свойств электромеханических преобразователей и электротехнических комплексов с единой позиции — обеспечения предельных характеристик по быстродействию и перегрузочной способности.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

— анализа предельных возможностей электропривода с СРМНВ и результатов экспериментальных исследований на физическом образце, подтверждающих актуальность дальнейших исследований;

— синтеза и обоснования обобщённой математической модели электропривода, включающей описание электромеханического преобразователя, полупроводникового преобразователя, учитывающей особенности их совместной работы;

— анализа результатов исследования на обобщённой математической модели электропривода и обоснования высоких удельных показателей и перегрузочной способности электропривода;

— синтеза алгоритма поэтапной оптимизации электропривода с СРМНВ;

— создания алгоритмов и структур управления электроприводом;

— синтеза методики последовательной частной оптимизации для позиционных электроприводов с СРМНВ.

Методы исследований. В работе использовались методы теоретического и экспериментального исследования.

Теоретические методы исследования: основные положения теории электромеханического преобразования энергии, теории электропривода и полупроводниковой преобразовательной техники, частотные методы теории регулирования, метод конечных элементов, методы теории вариационного исчисления, методы математического моделирования систем на ЭВМ.

Методы экспериментального исследования: наблюдение, измерение, - которые проводились на экспериментальных образцах и технологических объектах и были необходимы для получения исходных данных, проверки и уточнения результатов теоретического анализа.

Достоверность полученных результатов. Достоверность научных результатов определяется корректностью постановок задач, обоснованностью принятых допущений, использованием апробированных математических и численных методов, а также экспериментальным подтверждением основных теоретических выводов при достаточном для инженерной практики совпадении результатов теории, компьютерного моделирования и физического эксперимента.

Научные положения, выносимые на защиту и их научная новизна

1. Предложена обобщённая математическая модель электроприводов переменного тока с электродвигателями, имеющими произвольную конфигурацию магнитной цепи, в которой параметры полупроводникового преобразователя в диапазоне частот до половины от несущей аппроксимированы непрерывными динамическими звеньями, параметры электрической машины представлены как распределённые, и отличающаяся тем, что алгоритм параллельного вычисления обобщен для класса электроприводов переменного тока, а в основу построения модели положен критерий минимума расчетного времени.

2. Дана теория и определены предельные возможности объекта управления - нового класса синхронных реактивных электроприводов с существенно улучшенными техническими показателями: возможностью реализации весьма значительных перегрузок по моменту без увеличения габаритов двигателя и усложнения системы управления, благоприятными массогабаритными показателями, сверхвысокими угловыми скоростями. Синергетический эффект достигался за счет перехода к многофазным схемам силовых цепей, а также раздельного и независимого управления по каналам возбуждения и якоря.

3. Методом поэтапной многокритериальной оптимизации показано, что улучшение удельных показателей в электроприводах с предельными характеристиками можно добиться, если учитывать взаимное влияние звеньев электротехнического комплекса. На начальном этапе минимизировались удельные затраты на компоненты электромеханического преобразователя путем их перераспределения между активными частями двигателя и полупроводникового преобразователя, далее достигались максимальные удельные моменты за счет изменения геометрии машины и с учётом совместной работы преобразователя и двигателя, наконец, на последнем этапе оптимизировались структура и параметры силовых цепей по критерию минимума суммарных затрат.

4. С позиций системного подхода предложены и обоснованы алгоритмы управления электроприводом с СРМНВ, реализующие режимы работы с пре-

дельными возможностями по перегрузкам и быстродействию. При этом поскольку число степеней свободы управляющих воздействий в многомерной системе управления электроприводом с СРМНВ увеличено, оказывается целесообразным отказаться от стратегии векторного управления электроприводом переменного тока в пользу системы управления, аналогичной обращенной многофазной машине постоянного тока.

5. Показано, что в электроприводах реальных производственных механизмов, работающих в экстремальных условиях эксплуатации, оптимальная траектория движения сшивается из отдельных отрезков, которые складывались из нескольких фазовых траекторий с различным набором целевых функций.

Практическое значение работы заключается в следующем:

1. Разработанная обобщённая математическая модель электропривода позволила сформулировать методы решения следующих практических задач: учёта динамических свойств электропривода при проверке двигателя по нагреву и перегрузочной способности, расчета запаса по току и напряжению преобразователя, оценки эффекта от внедрения электропривода с СРМНВ по сравнению с традиционными решениями, что необходимо на этапе выбора системы привода. Разработанные методы приняты к использованию на ОАО "Челябгипромез";

2. Методика синтеза замкнутых многосвязных электроприводов переменного тока с амплитудной модуляцией сигнала в контуре регулирования момента позволяет выполнять синтез корректирующих устройств и может быть использована для высокоскоростных электроприводов, например, турбокомпрессоров;

3. Методика последовательной частной оптимизации комплекса "Регулируемый электропривод - рабочая машина" может быть использована в инженерных методах проектирования электроприводов, работающих в тяжёлых режимах работы с предельными требованиями по перегрузкам и динамическим характеристикам. В частности, методика успешно применялась при разработке электропривода подачи стана холодной прокатки труб: синтез параметров контура регулирования тока, передаточного числа редуктора, кинематической передачи, отношения длины ротора двигателя к его диаметру, параметров регулятора, - с позиции единого критерия — минимального времени позиционирования рабочего органа;

4. Предложены структуры импульсно-векторного управления электроприводов с СРМНВ, питающихся от тиристорных коммутаторов и отличающихся умеренными показателями регулирования, что позволяет снизить затраты на компоненты электропривода. Эти структуры приняты для реализации на механизмах с вентиляторным характером нагрузки ОАО ЧТПЗ, ОАО ЧЦЗ, ООО НТЦ "Приводная техника".

Реализация результатов диссертационной работы

Результаты диссертационной работы использованы в производственной и научно-исследовательской деятельности:

— ОАО "Челябинский трубопрокатный завод" при модернизации электропривода подачи стана холодной прокатки труб;

- ФГУП "Усть-Катавский вагоностроительный завод" при создании перспективных тяговых электроприводов трамваев с низким уровнем пола;

- ОАО "Челябинский цинковый завод" при модернизации электроприводов механизмов с вентиляторным характером нагрузки;

- ООО "Научно-технический центр "Приводная техника" (г. Челябинск) при разработке тяговых электроприводов тракторов ДЭТ-400 и при производстве новых типов синхронных реактивных машин;

- ОАО "Челябинский металлургический комбинат" при синтезе и наладке универсального рельсобалочного стана;

- ОАО "Ашинский металлургический завод" при наладке электропривода нажимного устройства стана 2850 Прокатного цеха №1;

- ОАО "ЧЕЛЯБГИПРОМЕЗ" (г. Челябинск) при разработке перспективных типов электроприводов различного назначения от простых с вентиляторным характером нагрузки до сложных технологических объектов металлургического производства с тяжёлыми и крайне тяжёлыми условиями эксплуатации.

Результаты работы нашли применение в учебном процессе и отражены в учебных программах по направлению подготовки бакалавров и магистров "Электроэнергетика и электротехника" (учебные курсы: "Теория электропривода", "Системы управления электроприводов", "Следящие электроприводы") в ФГБОУ ВПО "Южно-Уральский государственный университет", в AHO Учебный центр "МОМЕНТУМ" (г. Челябинск).

Диссертационная работа подготовлена в рамках реализации федеральных целевых программ:

- ФЦП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники" на 2002-2006 годы" по проблеме "Разработка основ теории энергосберегающего вентильного электропривода на базе синхронного реактивного двигателя независимого возбуждения" (госконтракт № 02.442.11.7281 от 28.02.2006);

- ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" в рамках мероприятия 1.2.2 по проблеме "Энергосберегающие электроприводы на основе новых типов электрических машин и вентильных преобразователей" (госконтракт № П1442 от 03.09.2009);

- ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" в рамках мероприятия 1.2.2 по проблеме "Высоконадёжные энергосберегающие комплексы на основе новых типов вентильных электроприводов и обеспечение их безопасности" (госконтракт № П 1135 от 02.06.2010);

- ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" в рамках мероприятия 1.2.2 по проблеме "Энергоэффективные электроприводы нового поколения для объектов с тяжелыми условиями эксплуатации" (госконтракт № 14.740.11.1100 от 24.05.2011);

- ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" в рамках мероприятия 1.3.1 по проблеме "Энергосберегающие решения на основе традиционных и новых типов электроприводов для городского электротранспорта" (госконтракт 14.В37.21.1503 от21.09.2012 г);

- ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" в рамках мероприятия 1.3.2 по проблеме "Энергосберегающие тяговые электроприводы электровозов" (госконтракт 14.132.21.1754 от 2012 г);

- гранта президента РФ (договор № 16.120.11.6780-МК от 01.02.2012).

Апробация работы. В полном объёме работа докладывалась и обсуждалась

на заседаниях кафедр:

- "Электропривод и автоматизация промышленных установок" ФГБОУ ВПО Южно-Уральского государственного университета, г. Челябинск;

- "Робототехника и автоматизация производственных систем" ФГБОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина), г. Санкт-Петербург";

- "Электрооборудование судов" ФГБОУ ВПО "Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева", г. Н. Новгород;

- "Электропривод и электрооборудование" ФГБОУ ВПО "Национальный исследовательский Томский политехнический университет";

- "Автоматизированный электропривод и мехатроника" ФГБОУ ВПО "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова", г. Магнитогорск.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах, в том числе на: 3... 7-ой Международных (14-18 Всероссийских) научно-технических конференциях по автоматизированному электроприводу (АЭП) (г. Н. Новгород, 2001, г. Магнитогорск - 2004; г. С.-Петербург - 2007; г. Тула-2010, г. Иваново-2012); на всемирных конгрессах SAE 2007,...SAE 2011, 2013, SAE 2013 Commercial Vehicle Engineering Congress United States Rosemont, 111, World Congress, Detroit, MI (2007-2011); на всемирном конгрессе International Powertrains, Fuels and Lubricants Congress, Shanghai, CHINA (2008), всемирном конгрессе Powertrains, Fuels and Lubricants Meeting, Florence, ITALY (2009); на 12... 15 научно-технических конференциях "Электроприводы переменного тока" (г. Екатеринбург — 2001 ...2012); 11...13 Международных конференциях "Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты" (г. Алушта — 2006, 2008 - 2012); 15-16 Международных научно-технических конференциях "Бенардосовские чтения" (г. Иваново - 2009, 2011); Национальном симпозиуме Russian National Symposium On Power Engineering (г. Казань - 2001), Национальном симпозиуме XXVIII, XXIX Российской школы, РАН (г. Миасс - 2008, 2009); международной конференции "Электроэнергетика и автоматизация в металлургии и машиностроении" (г. Магнитогорск - 2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано более 70 печатных работ, в том числе 2 монографии, 30 научных статей (из них - 24 в периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ), 20 докладов на конференциях, 6 патентов РФ на изобретение, 8 свидетельств РФ об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования, в разработке методов исследования и в обобщении результатов исследований. Все

научные положения разработаны автором лично. В работах, выполненных в соавторстве со своим научным консультантом Усыниным Ю.С., автору принадлежат результаты, относящиеся к разработке концепции исследования, постановке задач оптимизации, построения обобщённых моделей электропривода. В работах, выполненных совместно с аспирантами А.Е. Бычковым и Е.В. Белоусовым, автор осуществлял постановку задач и научное консультирование. В разработках с другими соавторами автору принадлежит ведущая роль в постановке задач исследования, обосновании математических моделей и методов решения.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, изложенных на 305 страницах машинописного текста, содержит 110 рисунков, 15 таблиц, список используемой литературы из 214 наименования.

Соответствие научной специальности: исследование, проводимое в рамках диссертационной работы, полностью соответствует формуле и области исследования, приведённой в паспорте специальности 05.09.03, в частности:

- первое, второе научные положения соответствуют п. 1;

— третье, четвертое, пятое положения соответствуют п. 3.

В первой главе обобщены требования со стороны технологических объектов, которые характеризуются экстремальными режимами работы по быстродействию, перегрузочной способности. Так, сегодня считается актуальной задача создания трамвая с низким полом {И < 110 мм). Ее решение возможно за счет применения электроприводов, имеющих жесткий в осевом направлении ротор. К тяговым электроприводам, питающимся от автономных источников ограниченной мощности, предъявляются требования по расширению диапазона регулирования момента до 10:1.

К механизмам возвратно-поворотной группы станов холодной прокатки бесшовных труб предъявляются требования по обеспечению предельных характеристик по быстродействию и точности: перемещение заготовки массой более 10 т за время позиционирования около 100 мс. При срыве трубы с оправки электропривод должен кратковременно развивать момент, больший 4Мн. Между тем, серийные электроприводы постоянного тока и асинхронные частотнорегулируе-мые электроприводы допускают кратковременные перегрузки по моменту не более (2,5 - 3)МН.

Реализация жестких требований технологического процесса возможна только за счет системного подхода к проектированию электропривода и учета особенностей совместной работы электротехнического комплекса, включающего полупроводниковый и электромеханический преобразователи. В технической литературе критически оцениваются возможности серийных электроприводов, обращается также внимание на нетрадиционные электроприводы, которые ранее считались малоперспективными, в частности, на класс реактивных электроприводов (вентилыю-индукторных, синхронных реактивных (СРД)), которые сегодня раскрыли новые возможности благодаря прогрессу силовой электроники и микропроцессорной техники. Обычный СРД, который питается от трехфазной сети переменного тока, развивает мощность, не превышающую 40% мощности

равного ему по габаритам асинхронного двигателя, и имеет коэффициент мощности не выше 0,5. Низкие удельные показатели электродвигателя объясняются разомкнутым по положению принципом управления, требующим большого запаса по углу нагрузки, а также малым значением отношения LdlLq ротора.

Улучшения удельных показателей электроприводов с СРД обычно добиваются усложнением конструкции ротора. Так, в работах Кононенко Е.В. оптимизацией геометрических размеров ротора энергосиловые показатели электроприводов с СРД, питающихся от промышленной сети, приближены к показателям асинхронных электроприводов.

Дальнейшее улучшение удельных показателей электроприводов с СРД достигнуто в работах А. Vagati. За счет оптимизации конструкции ротора и управления электроприводом в функции положения ротора удалось в габаритах асинхронного двигателя улучшить удельные показатели электроприводов с СРД по сравнению с асинхронными на 15-20 %. Полученное преимущество актуально для механизмов, работающих в частых пуско-тормозных режимах, для которых необходимо иметь значение показателя Мн/J максимальным.

В начале 2011 года компанией ABB предложен вариант синхронного реактивного электропривода с DTC (Direct Toque Control) управлением. Анализ мас-согабаритных показателей показал, что в габаритах асинхронного двигателя удалось выполнить электропривод, который развивает электромагнитный момент на 10-15 % выше, при этом полоса равномерного пропускания частот в контуре регулирования момента превышает в 1,5-2 раза частоту среза в асинхронном ча-стотнорегулируемом электроприводе с векторным управлением.

В 80-х годах прошлого века Н. Weh предложил вариант многофазного СРД, имеющего обмотку с полным шагом и питаемого не синусоидальным, а прямоугольным током. Такой тип электроприводов в зарубежной технической литературе получил название Field Regulated Reluctance Machine - FRRM (синхронный реактивный электропривод с независимым управлением по каналу возбуждения (СРМНВ)). Смысл этого термина объясняется тем, что благодаря полному шагу обе стороны той фазы (секции) обмотки статора, которые попадают в межполюсный промежуток и где в идеальных условиях нет магнитного потока, создают только поток возбуждения, а те фазы (секции) обмотки статора, которые находятся над полюсом и которые располагаются на пути магнитного потока, создают электромагнитный момент. Благодаря полному шагу функции секций (фаз) обмотки статора четко разделяются: каждая секция (фаза) в полной мере используется или только как обмотка возбуждения или только как обмотка якоря. Благодаря разделению этих функций появляется возможность независимого регулирования токов возбуждения и якоря, из-за чего, во-первых, увеличиваются перегрузочные моменты электропривода, а во-вторых, ослабляются перекрестные связи, что позволяет существенно упростить систему управления. При вращении ротора каждая фаза многофазной обмотки статора выполняет поочередно то функцию возбуждения, то - якоря, при этом все фазы (секции) ста-торной обмотки являются абсолютно одинаковыми.

Для оценки предельных возможностей электроприводов с обычным СРД, который подключен к промышленной сети, и с СРМНВ, который подключен к многофазному источнику питания, были приняты следующие допущения: электроприводы питаются от идеальных источников тока с бесконечной полосой равномерного пропускания; в машинах отсутствуют пульсации электромагнитного момента. В результате сопоставления установлено, что электропривод с СРМНВ развивает электромагнитный момент, больший, чем электропривод с СРД, на 1015%, что вполне согласуется с результатами исследований других авторов.

Выделен класс электроприводов с производственными механизмами, имеющими повышенные диапазоны изменения моментов нагрузки, скоростей, с тяжелыми и особо тяжелыми условиями эксплуатации. Показано, что расширение этих показателей без увеличения номинальной мощности электропривода дает существенное улучшение качества технологических режимов без увеличения затрат на электропривод.

Была сформулирована концепция синтеза (проектирования) электротехнических комплексов, в которых обеспечиваются предельные по возможностям характеристики:

- синтез обобщенных математических моделей объекта, учитывающих детальное описание работы системы, реализующей предельные режимы работы;

- оценка предельных возможностей объекта управления;

- параметрическая оптимизация электротехнического комплекса с позиции обеспечения предельных характеристик;

- выбор упрощенных математических моделей электропривода;

- синтез структур и системы управления, реализующих предельные режимы работы;

- поиск фазовых траекторий движения системы "Электропривод - рабочий орган", реализующих экстремальные режимы работы.

При этом возможно уточнение предыдущих этапов по результатам последующих.

Во второй главе выполнен обзор основных подходов к синтезу математических моделей. Сформулировано первое научное положение и представлено его доказательство. Выполнено сопоставление результатов расчета с общепринятыми методиками.

Анализ процессов в регулируемых электроприводах переменного тока, а также совершенствование электротехнических комплексов невозможно проводить без детализированного описания процессов в системе. Электроприводы, выполненные на базе электрических машин с нетрадиционной конструкцией, требуют обязательного учета распределенного характера параметров магнитной системы, что невозможно без знания подробной картины распределения магнитного поля в активных частях электромеханического преобразователя. Указанное требование распространяется и на традиционные электроприводы с "простой" конфигурацией магнитной системы (асинхронные электроприводы, синхронные электроприводы с неявнополюсным ротором), если электропривод работает в зоне перегрузок. Как правило, в математическом описании обычно

ограничиваются введением кривой намагничивания. В ряде исследований показано, что неучет характера перераспределения магнитных полей при перегрузках приводит к существенным расхождениям расчетных и экспериментальных кривых не только в динамике, но и в установившихся режимах работы. Это, в свою очередь, затрудняет выбор силового оборудования для технологических процессов, характеризующихся большими перегрузками по моменту.

Поэтому задача синтеза обобщенной математической модели электротехнического комплекса на базе электропривода переменного тока, которая бы учитывала особенности совместной работы полупроводникового преобразователя и двигателя, а именно, периодическую произвольную (несинусоидальную) форму фазного тока, распределенный характер магнитной системы, является актуальной.

Доказательство первого научного положения

Общая концепция построения универсальных математических моделей включала в себя требования учета особенностей распределения магнитного потока в электромеханическом преобразователе при упрощенном подходе к описанию полупроводникового преобразователя.

Чтобы удобнее сопоставлять возможности различных регулируемых электроприводов переменного тока, была предложена обобщенная математическая модель, выполненная в виде структурной схемы (см. рис. 1), которая реализована

Первый блок представлен в форме дифференциальных уравнений в полных производных и учитывал уравнения баланса напряжений в статорных обмотках, а также уравнения Лагранжа для тел, совершающих вращательное движение вокруг оси. Передаточная функция полупроводникового преобразователя аппроксимировалась апериодическим звеном с постоянной времени Т,, звеном чистого запаздывания с постоянной времени т, учитывающим инерционные свойства микропроцессорного блока, а в качестве переключающей функции х\'т использовался ШИМ-модулятор. Настраивались контуры регулирования фазных токов последовательными корректирующими устройствами ХУрт,(/?), при этом на вход системы подавались задания на / токов, где / равно количеству фаз.

Такое представление полупроводникового преобразователя исходило из опыта наладки с участием автора современных электроприводов металлургического производства.

Второй блок "Модель магнитной системы" включал в себя уравнения в частных производных, учитывающих распределение магнитных полей в электрической машине и для решения которых использовался метод конечных элементов в вариационной постановке. Метод конечных элементов по сравнению с широко известным методом конечных разностей позволяет значительно снизить погрешности в случаях скачкообразного изменения магнитной проницаемости при переходе из ферромагнитной в воздушную среду. На вход блока подавались текущие значения фазных токов.

Результирующий электромагнитный момент, создаваемый двигателем, является алгебраической суммой моментов, создаваемых каждой из фаз СРМНВ.

Так как непосредственная реализация на модели импульсного режима работы полупроводникового преобразователя с ШИМ-модуляцией потребовала бы ресурсов, превышающих вычислительные возможности суперкомпьютеров, была предпринята попытка замены реальных импульсных звеньев непрерывными функциями с обязательным указанием границ допустимости такой замены. При этом силовые электрические цепи электропривода, вращающиеся массы двигателя и соединенного с ним рабочего механизма описывались передаточной функцией не выше третьего порядка:

1

= а3р3 + а2р2 + а1Р + Г

Сравнивались относительные частотные характеристики двух вариантов математического описания электропривода: идеального, который представлялся в виде линейного звена не выше третьего порядка, и приближенного к реальному, в котором наличие полупроводникового преобразователя учитывалось последовательным подключением на выход линейного звена импульсного элемента с частотой следования ШИМ-модуляции. При этом линейное звено имело резонансный максимум, относительная частота которого принималась: сор= 0,32, 0,48, 0,64.

Частотные характеристики обоих вариантов математической модели электропривода при низких частотах совпадают, а затем, начиная с определенной частоты, которая названа граничной, расходятся. В расчете величина расхождения

между амплитудными характеристиками на граничной частоте принималась равной 5%. Показано (рис. 2), что величина шгр зависит от относительного значения резонансного максимума линейной части и порядка системы.

При этом (ОГР не доходит до частоты Нанквиста. Наиболее близкие результаты получаются при высоте резонансного максимума Ам > I. Эти результаты позволяют обосновать в электроприводах переменного тока границы допустимости аппроксимации реальной импульсной системы непрерывными звеньями и указать предельные значения частот среза контуров регулирования фазных токов.

С целью рационального использования временных ресурсов суперкомпьютерного центра ЮУрГУ были определены программно-тсхннчсскнс требования к суперкомпьютеру Скиф-Аврора (необходимое число каналов расчета, типы программных модулей для выполнения расчета), разработан алгоритм работы препроцессора и постпроцессора для автоматизации электромагнитного расчета электроприводов. В процессе расчетов количество элементов выбиралось с учетом ограничения погрешности не выше 5%. что позволило оптимизировать расчет (менее 30 с).

Предложенная модель сопоставлялась с общепринятыми методиками расчетов электроприводов переменного тока. В качестве примера были взяты серийные асинхронные электроприводы серии 4 А. Расчет выполнялся для 16 электрических машин. В табл. 1 даны результаты 3 двигателей. Чтобы ослабить влияние случайных факторов, была выполнена статистическая обработка результатов сопоставления предложенной и общепринятой математических моделей. В табл. 1 приняты обозначения: 1\клт - каталожное значение тока: /|*м. Мклм, - расчетные значения тока и критического момента, полученные по Т-образной схеме замещения; /им. Мкм-расчетные значения тока и критического момента, полученные по предложенной обобщенной математической модели; с1\км, квадраты разностей между каталожным значением тока и токами 1\ки, Ли соответственно; с/| квадрат разности между значениями критических моментов Мк*л/ и Мкм; SJ - стандартное отклонение разностей парных выборок; / квантиль Стьюденга; Мл _ среднее значение парных разностей из генеральной совокупности электрических машин.

В первом случае, когда сопоставлялись расчеты по предложенной математической модели с каталожными данными коэффициент I распределения Стью-дента оказался меньше критического 2.1 (см. табл. 1. столбец й\м).

Во втором случае сопоставлялись расчеты по стандартной методике (с использованием Т-образной схемы замещения) с результатами, которые дает разработанная методика при перегрузках, когда моменты на валу двигателя приближались к критическому. За базовое значение принимались результаты разработанной методики. В этом случае статистика I = 2,3 (см. столбец с?|) превышает критическое значение, поэтому пользоваться традиционными моделями некорректно из-за весьма приближенного учета насыщения магнитной системы.

Таблица 1

Сопоставление расчетов по разным методикам

я Типоразмер 1\КАТ 1\им Н2 а1 м ¡\м Н2 и1 км Мкл/ Мкдл/ а!

1 4А71В2УЗ 2,47 2,3 0,028 2,67 0,039 6,5 19,4 166

2 4А80В2УЗ 4,62 4,4 0,047 4,95 0,112 17,0 26,5 90,2

16 4АЭ5556УЗ 288 285 10 282 43 3410 4810 1950000

3,92 9,84 643

1,54 0,75 2,3

В третьей главе выполнялось сопоставление электроприводов с СРМНВ, асинхронных и синхронных электроприводов по функциональным признакам, удельным и перегрузочным показателям. На основании теоретических и экспериментальных исследований представлены доказательства второго научного положения.

Доказательство второго научного положения

Проектирование любой технической системы начинают с изучения свойств и возможностей объекта управления (неизменяемой части системы). Оценку удельных показателей электропривода с СРМНВ дадим в сравнении с серийными электроприводами постоянного тока, асинхронными и синхронными, рассматривая работу электроприводов в номинальном режиме, а также в экстремальных режимах при предельно больших перегрузках по моменту и сверхвысоких скоростях.

В электроприводе постоянного тока проводники обмотки якоря, находящиеся под главными полюсами, при протекании по ним тока создают электромагнитный момент. Но проводники обмотки якоря, попадающие в межполюсный промежуток, продуктивно не используются: ток якоря по ним протекает, но он не создаёт ни потока возбуждения, ни электромагнитного момента.

В электроприводе с СРМНВ токи в проводниках, расположенных напротив межполюсных промежутков (назовем их проводниками возбуждения), создают поток возбуждения, направленный вдоль магнитной оси явнополюсного ротора, а токи в проводниках, расположенных над полюсами (назовем их якорными), создают электромагнитный момент. Этот эффект наиболее выразительно проявля-

ется, если обмотки выполнены с диаметральным шагом, а электропривод многофазный. В результате эффективно используется вся обмотка. А для создания возбуждения не требуется специальный источник, так как одни и те же витки работают поочередно то якорными, то витками возбуждения. Это позволяет более продуктивно использовать активные материалы в электроприводе с СРМНВ.

По сравнению с традиционным синхронным реактивным электроприводом, питающимся от промышленной сети, в электроприводе с СРМНВ нет необходимости иметь запас по углу нагрузки, потому что привод предназначен для работы только в замкнутой системе, где угол нагрузки в номинальном режиме можно выставить любой. Это способствует более продуктивному использованию активных материалов. Расчеты показывают, что тяговые усилия в электроприводе с СРМНВ превышают усилия в традиционном электроприводе с СРД в 2 - 2,5 раза.

Сказанное показывает, что преимущества СРМНВ проявляются наиболее ярко в электроприводах с нагрузочной диаграммой, которая имеет крайне неравномерный характер с большими кратностями моментов статической нагрузки. Разработчики электроприводов обычно идут наиболее простым, но невыгодным путем, завышая установленную мощность силового электрооборудования, что приводит к перерасходу активных материалов, чрезмерным габаритам электропривода, снижению энергетических показателей. Переход к замкнутой системе регулирования с векторным способом формирования момента позволяет решать поставленные задачи, не завышая габариты электропривода из-за больших перегрузок, но ориентируясь на среднеквадратичное, а в некоторых случаях даже среднее значение момента за цикл.

В электроприводах с векторными системами регулирования управляющие воздействия формируются в функции положения ротора, а форма магнитного потока и кривые фазных токов имеют синусоидальную форму. Но если отказаться от обязательного ограничения на форму фазного тока синусоидальной формы, то можно добиться дополнительных потребительских качеств. В этом случае полезно, кроме общепринятых показателей энергетической эффективности электропривода (например, соэср), дополнительно оценивать привлекательные свойства электропривода другими показателями, например, отношением момента к массе (М1т), коэффициентом мощности электропривода со стороны питающей сети.

В электроприводах с СРД улучшенные показатели достигаются обычно изменением геометрии ротора, когда увеличивают отношение иьч. Решается эта задача за счет усложнения конструкции ротора. Физическое обоснование такого подхода обусловлено попыткой снизить влияние составляющей магнитного потока приходящегося на межполюсный промежуток в уравнении электромагнитного момента:

В процессе математического моделирования электропривода получены варианты кривых удельных касательных усилий в синхронных реактивных двигателях при разных вариантах геометрии ротора (рис. 3). В электроприводе с обычным СРД отрицательные значения усилий обусловлены большими величинами составляющей потока % (рис. 3 а). Обычно эту составляющую пытаются снизить усложнением конструкции ротора за счет немагнитных прокладок, направленных вдоль его продольной магнитной оси. Это приводит к увеличению результирующего окружного усилия, действующего на ротор машины (рис. 3 б).

Близкого эффекта можно добиться, не усложняя конструкции ротора, но применяя нетрадиционные законы управления фазными токами, независимо воздействуя на токи якоря и возбуждения (рис. 3 в). В этом случае попытка дальнейшего улучшения удельных моментов путем усложнения геометрии ротора успеха не даёт.

Выполним сопоставление электроприводов по перегрузочной способности. В асинхронных электроприводах критический момент ограничен из-за влияния индуктивности рассеяния обмотки ротора. Как показывает практика проектирования асинхронных электроприводов, предельные значения момента в асинхронном электроприводе достигают (2-2.5)Мн в обычных нерегулируемых электроприводах и ЗМн в частотнорегулируемых. В электроприводах постоянного тока предельные значения момента ограничены условиями коммутации якорного тока. В мощных металлургических электроприводах увеличение предельного значения момента достигается за счет выполнения двигателей постоянного тока двухъякорными. В синхронных частотнорегулируемых электроприводах зона работы элекггропринода в области перегрузок расширяется и достигает ЗМн и выше.

FT. КН

Ft. кН

400

Ft. кН

.Jill

0 200 400

т. мм

т, мм

Рис. 3. Кривые распределении усилий в »юре электроприводов: а) с СРД: б) с реактивной машиной, имеющей составной ротор: *) с СРМНВ

В электроприводах с СРМНВ зависимость момента от фазного тока (мо-ментная характеристика), как и в синхронных частотнорегулируемых электроприводах, имеет большую кратность перегрузок. При равных сигналах управляющих воздействий на токи возбуждения и якорные токи на моментной характеристике электропривода (рис. 4. кривая 2) выделяются следующие участки. В

зоне малых нагрузок, когда магнитная система двигателя не насыщена, зависимость момента от тока носит характер, близкий к квадратичному. При нагрузках выше номинального значения, когда магнитная система двигателя насыщается, эта зависимость близка к линейной. Здесь наблюдается определенная аналогия с двигателями постоянного тока последовательного возбуждения в зоне перегрузок. Правда, в случае СРМНВ нет проблем с коммутацией тока. Зона же чрезмерно больших токов, где должны сближаться величины индукции в межполюсном промежутке и над полюсом, в реальных условиях не достигается.

В электроприводах с СРД даже с векторным управлением и питанием обмоток статора от источников тока при перегрузках наблюдается весьма существенное размагничивающее влияние реакции якоря, что препятствует увеличению момента в функции тока, такому же значительному, как в СРМНВ (рис. 4. кривая I).

Предельные возможности электроприводов оцениваются не только перегрузочной способностью по моменту, но и максимальными значениями допустимой скорости, которые диктуются как электромагнитными, так и механическими ограничениями. Так. в электроприводах постоянного тока предельное значение скорости ограничено механической прочностью коллектора и условиями коммутации. В асинхронных электроприводах предельное значение скорости ограничено индуктивным сопротивлением рассеяния обмотки статора. В синхронных электроприводах в зоне больших скоростей систему управления можно строить таким образом, чтобы ввести корректирующих сигнал на скоростную ошибку, но в электроприводах с обмоткой возбуждения па роторе появляются механические ограничения. В электроприводах с СРМНВ ротор имеет большую механическую прочность, а обмотка статора за счет многофазности — сравнительно малые значения индуктивности рассеяния. Это позволяет расширить верхний предел диапазона регулирования скорости.

В четвертой главе сформулированы требования к этапам оптимального проектирования электропривода с позиции обеспечения предельных характеристик электропривода, сформулирована задача оптимизации, рассмотрено доказательство третьего научного положения и даны результаты оптимизации.

Доказательство третьего научного положении

При использовании традиционных методов проектирования электроприводов, как правило, в качестве критерия эффективности выбирают энергетические показатели. В электроприводах, в которых достигаются предельные возможности, требуется иначе выбирать соотношение компонентов силового оборудования и активных материалов. Эти критерии могут оказаться противоречивыми. Так, в электроприводах с СРМНВ. улучшая удельные показатели электрической

Я

6

О 2 4 6 Т

Рис. 4. Зависимость электромагнитного момента от тока: I - в СРД; 2-е СРМИВ (/в - /и); 3 - в СРМНВ (/в = 1.1/я)

машины, приходится увеличивать количество фаз, но при этом показатель экономической эффективности (массогабаритный показатель или показатель потерь в полупроводниковом преобразователе) падает. Поэтому при решении задачи многокритериальной оптимизации приходится находить компромиссные решения.

Задача многокритериальной оптимизации в общем случае может быть сформулирована в виде обобщенной целевой функции

<? = тшп {^(Х), <-/2(Х), <7з(Х)}.

дчч

Здесь <71, с/2, <73 - критерии оптимизации, являющиеся функциями вектора решений Хб Хдоп иХ= (/?в, f, ар): Р -МДС потокосцепления

ис г

возбуждения, потокосцепления "якоря" и результирующего вектора соответственно; — - отношение диаметра ротора к внешнему диаметру статора; /

"с

- количество фаз силовых цепей полупроводникового преобразователя (двигателя); ар — полюсное деление ротора. Оптимизация электропривода по массогабаритным показателям выполнялась поэтапно (рис. 5): на первом этапе выполнялся поиск оптимального распределения активных материалов в электроприводе по критерию минимального значения отношения массы к моменту, на втором этапе оптимизировался электромеханический преобразователь по критерию минимума величины, обратно пропорциональной электромагнитному моменту. Второй этап позволяет уточнить весовые коэффициенты активных материалов и при необходимости выполнить возврат к первому этапу. На третьем этапе оптимизировались схемы силовых цепей (выбор конфигурации и количества фаз полупроводникового преобразователя) с позиции экономического критерия качества. При улучшении третьего критерия ухудшаются значения первых двух, поэтому на этом этапе ищется множество оптимальных решений по критерию Парето.

Рис. 5. Методика поэтапной оптимизации 19

Рассмотрим детально каждый из этапов.

Как известно, электромагнитный момент, создаваемый /-гармоникой, пропорционален модулю векторного произведения:

Здесь/- число фаз; R — магнитное сопротивление потоку в электрической машине; FB, FA — амплитудные значения первых /'-гармоник МДС, создаваемых обмотками, расположенными над полюсом и над межполюсными промежутком соответственно; S - площадь треугольника (будем по тексту его называть "мо-

ментным треугольником"), образованного векторами-слагаемыми FB, FA и F -вектором-суммой. Необходимо обратить внимание на геометрический смысл выражения для электромагнитного момента: векторное произведение пропорционально площади треугольника, образованного векторами потокосцепления статора, ротора и результирующего вектора (для обобщённой электрической машины).

Затраты на активные материалы электропривода могут быть представлены суммой:

Q = aFB + bFA + cF, где а, Ъ, с-удельные весовые коэффициенты, а именно, a, b оценивают удельные затраты на медь и полупроводниковый преобразователь, коэффициент с - на сталь магнитной системы. Эти коэффициенты для серийных электроприводов известны. Однако, когда ставится задача выбора параметров двигателя и полупроводникового преобразователя, их номинальных данных для новых типов электроприводов, то эта задача далека от завершения.

Задачу минимизации удельных затрат активных материалов удобно решать введением критерия:

4i=Lm-

При этом на оптимизируемую систему накладываются ограничения: Fx = [FB + Fa:Fb + Fa < F } - из условий геометрических ограничений на "мо-ментный треугольник"; F < Fnon - определяется насыщением магнитной системы.

Уравнения связи устанавливают связь между линейными размерами "мо-ментного треугольника" и его площадью: FA ■ F ■ sina = S = Const, где a - угол между векторами FA, F .

Исходные значения параметров а, Ъ, с определялись по данным заводов-изготовителей электротехнического оборудования путем регрессионного анализа независимых параметров (весовых коэффициентов а, Ь, с) от мощности электроприводов для ряда серийных электродвигателей и полупроводниковых преобразователей. Такой анализ позволил исключить разброс значений параметров, вызванный ошибочными данными каталогов, а иногда и отсутствием информации на конкретную мощность.

Задача первого этапа решалась аналитическим методом неопределенных множителей Лагранжа. В этом случае функционал принимал значение:

cosa cosp cosy

a b с

где a, p и у - углы в треугольнике, лежащие напротив сторон FA, FB, F.

Оптимизация электроприводов проводилась для двух случаев. В первом случае массогабаритные показатели полупроводникового преобразователя принимались равными нулю. Этот случай актуален для стационарных объектов, в которых реализуются предельные показатели по быстродействию, например, механизмов металлургического производства. Результаты оптимизации показали, что за счет перераспределения активных материалов в сторону "малозатратных" по массогабаритным показателям частей машины можно в электроприводах малых мощностей получать эффект до 30-40 % (см. табл. 2). В приводах средней и большой мощностей этот результат оказывается скромнее и составляет не более 10 %. Такой ответ объясняется тем, что в приводах больших мощностей, спроектированных для сложных технологических объектов, в большей степени учитывают регулировочные показатели и в меньшей степени традиционные критерии, характерные для массовых регулируемых электроприводов.

Таблица 2

Результаты оптимизации 1 этапа

Система электропривода Исходный вариант Оптимизированный вариант

"Идеальный полупроводниковый преобразователь - асинхронный двигатель" Fa, А 38 82,2

Fe, А 28,2 82,1

F, А 25,97 8,93

Чх 0,76 0,46

Система "Преобразователь частоты -асинхронный двигатель" Fa, А 38 63

Fu, А 28,2 63,5

F, А 25,97 11,6

Qi 0,84 0,65

Электропривод с СРМНВ Fa, А 38 70

Fu, А 28,2 72,4

F, А 25,97 9,6

Яг 0,76 0,39

Во втором случае учитывались массогабаритные показатели полупроводниковой части. Эта задача актуальна, например, для автономных объектов в тяговых электроприводах. Учет выполнялся корректировкой весовых коэффициентов а и Ъ в сторону увеличения. Результаты оптимизации показали, что значение критерия в экстремальной точке снижается на 15-20% по сравнению с первым

случаем (табл. 2) и объясняется это тем, что силовые цепи полупроводникового преобразователя на этом этапе не оптимизировались и улучшение удельных показателей электропривода достигалось только за счет электромеханического преобразователя, в котором активные материалы перераспределяются в сторону малозатратных частей электропривода.

В электроприводе с СРМНВ значения показателя qi оказались наилучшими, но на последующих этапах они уточнялись.

С целью обобщения результатов и выявления устойчивости решений была построена пространственная поверхность критерия оптимизации от соотношения А = Г !РВ и угла аI между векторами Я' и _ , ( (рис. 6). На основании анализа изолиний пространственных поверхностей, которые представляют собой кривые, близкие к окружности, можно сделать вывод, что задача оптимизации относится к классу корректно поставленных и не требует приме- Рис. 6. Зависимость критерия нения дополнительных методов регуляри- оптимизации от и угла аI

зации.

При нахождении оптимальных значений векторов решений X исходили из предположения, что весовые коэффициенты остаются неизменными. На самом деле весовые коэффициенты можно считать условно постоянными.

Уточненные значения весовых коэффициентов могут быть получены только при детализированном расчете электропривода с учетом насыщения магнитной системы.

На втором этапе выполнялся поиск значений векторов решений X (отношения внешнего диаметра статора ко внутреннему, полюсного деления). При этом остальные значения вектора решений Ч(/\ Яв, /) на этапе поддерживались постоянными. В качестве критерия оптимизации принималась величина, обратная развиваемому электромагнитному моменту двигателя. Задача решалась градиентным методом Флстчсра-Рнвеа для двумерного случая, а шаг одною прохода оптимизации выбирался по приближенной функциональной зависимости момента двигателя от геометрических параметров машины, устанавливаемой машинной постоянной Арнольда.

Расчет критерия оптимизации выполнялся непосредственно на обобщенной математической модели электропривода. Если в качестве критерия выбирать один из энергетических показателей (со»<р, КПД), то эффект от оптимизации близок к нулю: результаты оказывались близкими к тем. которые даются заводами-изготовителями серийного оборудования. Если же в качестве критерия выбирать величину, обратную электромагнитному моменту, то удельные массогабаритные показатели электропривода улучшаются примерно на (IО-15) %.

В заключительной части этана вычислялись действительные значения коэффициентов а. Ь, сив случае значительного рассогласования этих значений выполнялся возврат к первому этапу.

На третьем этапе оптимизации существует несколько вариантов выбора

целевой функции. Например целевая функция может быть выбрана в виде ОД

Чз м м

где С(Х) - затраты на комплекс "Полупроводниковый преобразователь - двигатель" в функции вектора решений X. На этом этапе параметры оптимизации:

/•"в°. 7е ,а°. - фиксируются, а/- варьируется и принадлежит области

Ос

допустимых значений Р = {/: 0 < / < оо}; М - величина номинального электромагнитного момента двигателя.

В электроприводах с С'РМНВ при снижении количества фаз возрастают пульсации электромагнитного момента, а среднее значение электромагнитного момента снижается. При этом затраты на полупроводниковую часть снижаются.

Решение задачи оптимизации выполнялось численными чето дам и одномерного поиска.

На рис. 7 представлена пространственная поверхность - зависимость критерия qi от числа фаз / и номинального момента. Из рис. 7 следует, что при больших номинальных моментах двигателя (Ми > 2 кНм) стоимостные показатели многофазного электропривода с С'РМНВ М. кНм и трехфазного АД выравниваются, поэтому в этом диапазоне мощностей

многофазные схемы является нанбо- Рис Ъ 3иисимость КРИТСРИЯ *от момснта

и количества фа! /

лее естественными. '

В диапазоне моментов, где Ми <2 кНм, необходимо искать компромисс. Здесь решается задача поиска оптимальных значений вектора решений с использованием критерия Нарсто. Каждому критерию присваиваются весовые коэффициенты. значения которых определяются экспертными оценками. Так, если электропривод работает е предельных режимах (по быстродействию, точности перемещения рабочего органа), доля весового коэффициента при снижается).

На третьем этапе в качестве критерия оптимизации была принята функция

др(Х) _ Рл°. Р.

43 = М = М '

где ДР - величина, пропорциональная суммарным электрическим потерям, „о

FB°, Fa°, F°, ,а° фиксируются, а/- варьируется и принадлежит области допустимых значений F = [f:0 < f < оо}; М - величина номинального электромагнитного момента двигателя. Увеличение числа фаз ведет к снижению пульсаций электромагнитного момента, но при этом увеличиваются потери. Подход к поиску оптимальных значений вектора решений X сохраняется таким же. как и в случае экономического критерия.

В пятой главе дана классификация существующих структур управления электроприводами переменного тока. Рассмотрено доказательство четвертого научного положения. Приведены результаты экспериментальных исследований на опытных образцах электропривода.

Доказательство четвертого научного положения

Синтез системы управпения электроприводом начинался с анализа числа степеней свободы, которые понимались как количество независимых управляющих воздействий. Анализ возможностей систем управления электроприводов с СРМНВ выполнялся в сопоставлении с традиционными регулируемыми асинхронными и синхронными электроприводами.

В асинхронных электроприводах количество независимых управляющих воздействий равно двум. Для достижения высоких регулировочных показателей в системах векторного управления воздействуют на активную и реактивную составляющие тока. Такой подход создает иллюзию независимого управления полем возбуждения и активным током ротора.

При перегрузках усиливается влияние перекрестных связей, что вызвано увеличенным углом поворота вектора тока ротора относительно вектора магнитного потока и снижением электромагнитного момента в зоне закрнтических скольжений. Это вызывает шачительные погрешности в классической модели асинхронного электропривода.

В электроприводе с СРД. подключенном к промышленной сети, число степеней свободы такое же. как и в асинхронном электроприводе, а векторные схемы управления строят так, что контуры регулирования возбуждения и активной составляющей предполагаются независимыми. Между тем. эти составляющие связаны друг с другом общим уравнением связи, которое диктуется синусоидальной формой результирующего тока, так что рассматривать эти составляющие как независимые воздействия нельзя.

В идеальном электроприводе с СРМНВ за счет многофазности линейную плотность тока можно задать вдоль расточки статора любой формы. В работах Н. Weh это представлено как дополнительное "управление реакцией якоря". Данное обстоятельство используется как еще одна дополнительная степень свободы, которая позволяет более эффективно формировать управляющие воздействия в зоне перегрузок. Указанные рассуждения строятся из предположения, что электромеханический преобразователь имеет бесконечное число фаз. а источники тока являются идеальными (с бесконечно большой полосой равномерного пропускания частот).

В реальном электроприводе с СРМНВ статорные обмотки имеют п количество взаимных магнитных связей и питаются от источников с ограниченной полосой равномерного пропускания частот. Фазные зоны статорных обмоток при конечном числе фаз конечные, и при вращении ротора часть обмотки одной из фаз может находиться в зоне возбуждения, а часть - в зоне якоря. Это несколько снижает возможности независимого управления полем возбуждения и полем реакции якоря.

В электроприводе с СРМНВ каждая фаза питается от индивидуального источника тока. Современные полупроводниковые преобразователи имеют широкую полосу равномерного пропускания, которая ограничивайся либо несущей частотой (если/„„„ < 5 кГц), либо быстродействием микропроцессорной системы управления (конечным временем выполнения одного скала). В любом случае частота среза в контуре регулирования тока оказывается очень высокой и достигает 1300 рад/с. Контуры регулирования фазных токов выполняют роль внутренних корректирующих устройств и тем самым резко подавляют влияние межфазных связей. Поэтому в диапазоне частот тестового сигнала от 0 до 1000 рад/с контур регулирования тока правомерно считать безынерционным.

Если в электроприводе зафиксировать токи статора и поворачивать ротор вокруг оси. то угловая характеристика (зависимость электромагнитного момента от угла поворота) будет иметь два периода на один электрический оборот. Если количество фаз ограничено, то система работает по огибающей угловых характеристик (рис. 8. кривая 2). Если принять число фаз в электрической машине/ > 6. то можно считать что пульсации момента не превышают допустимый уровень. При этом также расширяются возможности независимой работы каналов возбуждения и якоря.

На рис. 9 представлена матричная структурная схема электропривода с СРМНВ. Основными управляющими воздействиями приняты составляющие тока статора /»«я, /щ». Кроме того, матрицей В по сигналам СУ осуществляется регулируемое смещение волны результирующего тока относительно углового положения ротора. Матрицей М учитываются составляющие электромагнитного момента, которые создаются каждой из фаз в электрической машине, а в преобразователе Тг выполняется суммирование элементов матрицы М. результатом которого является электромагнитный момент двигателя М.

Матричная структура (рис. 9) демонстрирует количество независимых управляющих воздействий в электроприводе, в качестве которых можно принять: /«ля. /&де и пространственное положение волны, образованной этими токами.

-15

Рис. Я. Угловые характеристики СРМНВ (I) и электропривола с СРМНВ при переключении тока в функции угла поворота (2)

['мая '««в]

Рис. 9. Матричная структура тлектропривода с СРМНВ

Чтобы достоверно синтезировать систему управления электроприводом с СРМНВ. необходимо знать зависимость электромагнитного момента от якорной составляющей тока статора. С целью выявления этой зависимости определялись частотные характеристики электропривода на обобщенной математической модели. При этом частота среза контура регулирования тока для всех случаев принималась за базу, частотные характеристики строились в относительных единицах. а резонансный максимум электропривода вблизи частоты среза принимался равным от 1 до 5. Для снятия частотных характеристик на вход модели системы подавался тестовый гармонический сигнал, а на выходе регистрировались сигналы момента и якорного тока. На рис. 10 представлены логарифмические амплитудные частотные характеристики контуров регулирования тока и момента. Анализ кривых показывает, что при малых значениях резонансного максимума (до Ат < 1,5) частотная характеристика контура регулирования момента полностью повторяет характеристику контура регулирования тока. При Ат > 1,5 из-за нелинейных искажений эти характеристики имеют разные значения резонансного максимума при равных коэффициентах демпфирования (на рис. 10 кривые 6 и 7).

Так как в электроприводе с / СРМНВ и постоянного тока существует однозначная линейная связь между электромагнитным моментом и якорным током, то структуры управления могут строиться по схемам, аналогичным электроприводам постоянного тока. Формирование электромагнитного момента проще всего осуществляется в схеме подчиненного регулирования.

В этом случае статорныс обмотки питаются от шести независимых источников тока. Управляющее воздействие на ток якорных

10 <°

Рис. 10. Амплитудные частотные характеристики контуров регулирования тока и момента при рашых коэффициентах демпфирования

обмоток подастся с выхода регулятора скорости через узел формирования фазных токов. Управляющее воздействие на ток возбуждения может подаваться постоянным (в схеме с независимым управлением) или в функции сигнала с выхода регулятора скорости ("последовательное" возбуждение). Для механизмов, в которых по условиям технологии допускается снижение момента сопротивления на повышенных скоростях, управляющее воздействие на ток возбуждения может строиться по зависимой схеме, аналогичной электроприводу постоянного тока. Желаемое значение скорости вращения электропривода поддерживается с помощью контура регулирования скорости, который настраивается на заданные показатели качества регулятором скорости. Допустимое значение тока фазных обмоток двигателя (и электромагнитного момента) ограничивается максимальным напряжением па выходе регулятора скорости, которое устанавливается блоком ограничения, как в обычной схеме подчиненного регулирования.

В работе теоретически обосновано и практически подтверждено методами частотной идентификации, что электропривод вблизи частоты среза может быть аппроксимирован последовательным соединением двух апериодических звеньев первого порядка.

В электроприводах с СРМНВ, выполняемых по критерию минимальных затрат на компоненты электропривода, выгодно иметь стандартные трехфазные схемы силовых цепей. В этом случае при реализации предельных по быстродействию режимов новые качественные показатели дает схема управления с нмиульсно-всторным регулированием, более известная как схема с ЭТС-управлсиисм, предложенная для асинхронных элеюропрнводов. На рис. II, а представлены функциональная схема электропривода и кривая переходной функции электромагнитного момента. В схеме присутствует датчик положения ротора, который ограничивает предельные значения угла расхождения между пространственными составляющими результирующего вектора магнитного потока. Время изменения момента от 0 до Мн не превышает 10 мс (рис. 11. б).

... *егу.мнф монжа у

^Чл]--

М. Нм

м.

Ру»>.нтЧ» щшета

Таблица иг

переключений

200 и мс

Рис. 11. Функциональная схема »лсктропрнвода с МС-управлением СРМНВ (а) И переходные характеристики контура регулирования момента в СРМНВ (6. кривая I)

и в АД (б. кривая 2)

В шестой главе представлено доказательство пятого научного положения. Приведены примеры внедрений электропривода с СРМНВ реальных производственных механизмов. Дан расчет ожидаемого экономического эффекта.

Доказательство пятого научного положения

Показано, что в электроприводах реальных производственных механизмов, работающих в экстремальных условиях эксплуатации, оптимальная траектория движения сшивается из отдельных отрезков, которые складываются из нескольких фазовых траекторий с различным набором целевых функций.

В этом случае функционал качества может быть представлен в виде:

f= mini min ... I min f(x,x\ П)1 ...1 =

= min f\(x,x') + min f2(x',x0,\\0) + min f„(x.x'),

ХЕХДО, x'exvn neuron

где / - обобщенная целевая функция; /1( /2,..., /„ - целевые функции на отдельных отрезках траекторий движения: X (х, х', Г1) вектор решений, содержащий как функциональные зависимости (*,*' - фазовые переменные), так и конструктивные или функциональные решения (П).

Предлагаемая задача является тривиальной, если она содержит только переменные состояния системы управления. Задача резко усложняется, если к переменным параметрам оптимизации добавить схемотехнические решения, которые формализованным математическим процедурам поиска экстремума не поддаются.

Как правило, электропривод, работающий в экстремальных режимах, выходит на предельные границы регулируемых переменных звеньев механо- и электрооборудования (М, /)• В этих случаях бывает очень важно раздвинуть область существования этих регулируемых переменных, чтобы обеспечить заданную производительность, точность и другие показатели качества движения рабочего органа.

В качестве примеров рассмотрим две задачи, иллюстрирующие идеологию подхода к идее оптимизации.

В первой задаче рассмотрим оптимизацию динамических процессов в электроприводе с СРМНВ - условия достижения предельного быстродействия в позиционном электроприводе металлургического механизма с учетом ограничений по максимальному допустимому току, скорости, условиям устойчивости контуров регулирования.

Подход к синтезу иллюстрируется фазовыми траекториями движения (рис.

12).

Наиболее актуальными являются отрезки OA, AB, DE, ЕО и они же, как правило, реализуются с наибольшими трудностями из-за ограниченных предельных возможностей силового электрооборудования (по скорости, по моменту и др.).

D

Е

Ишйаж

-I

Xmaxl , Хтах I J._i_/

W

х'пшх I

Л" max 2

1

.V mat?

Рис. 12. Фазовые траектории движения электротехнического комплекса

В электроприводе с СРМНВ за счет улучшенного отношения электромагнитного момента к моменту инерции участок ЛВ может быть сдвинут. Это вызывает изменение фазовых траекторий в сгорону интенсификации процессов движения.

Сегодня, когда требования со стороны технологических процессов к регулируемому электроприводу резко возросли, в том числе и по неравномерности его загрузки, полученные рекомендации являются полезным уточнением существующих методик выбора силового электрооборудования, в том числе и мощности двигателя.

Во второй задаче рассмотрено формирование статических режимов пример обоснования желаемых законов измс юния гоков якоря и возбуждения с целью достижения максимального диапазона регулирования момента в тяговом электроприводе при ограниченной мощности первичного источника питания.

В этом случае весь диапазон изменен ля момента полезно разбить на два поддиапазона: при работе элекгропрнвода на первом участке обеспечивать режим поддержания постоянства напряжения 11я = Const и тока якоря (статора) /„ = Const, при этом изменять магнитный поток двигателя пропорционально моменту. на втором участке снижать U„, но увеличивать /„. чтобы достигалось постоянство мощности / к = ия1я = Const.

В качестве примера приведена схема электропривода (рис. 13). реализующая названные законы управления. Особенностью схемы является параллельное и независимое управление токами якоря и возбуждения, которое удачно использует особенности конструкции СРМНВ (диаметральный шаг обмотки статора, многофазность). позволяющие ослабить естественные перекрестные связи в электродвигателе. Это дало возможность применить независимое

управление параллельно включенных каналов регулирования тока якоря (звенья РТЯ - регулятор тока якоря. II - полупроводниковый преобразователь. ЯЦ -якорная цепь) и возбуждения (звенья РТВ - регулятор тока возбуждения, П -

полупроводниковый преобразователь. ОВ - обмотка возбуждения. Ф - преобразователь тока возбуждения в поток), что обеспечило существенное улучшение качества процессов при упрощении системы управления. Благодаря законам изменения токов якоря и возбуждения, таким же. как в электроприводе постоянного тока последовательного возбуждения, достигается существенное снижение суммарных электрических потерь.

Особо следует остановиться на некоторых особенностях настройки контура регулирования мощности. Здесь канал обратной связи можно выполнить как по величине механической мощности РМ!К = М ■ Ук, так - и по электрической ?зл — У» I»■ Настройка тягового электропривода в режиме ограничения мощности сопряжена с изменяющейся величиной контурного коэффициента усиления, что при большом (до 1:10 и выше) диагазоне изменения момента может вызвать нарушение условий устойчивости контура и потребовать корректировки (рис. 14). Настройку контура следует начинать, создавая условия, соответствующие работе электропривода на максимальной скорости. Предпочтение следует отдать схеме с обратной связью по элеюрнческой мощности Ръя, имеющей больший запас устойчивости.

ДРит

| ¿с ~ 05 « сс

Рис. 14. Переходные функции тягового электропривода в режиме поддержания постоянства мощности при минимальном (а) и максимальном (б) значениях момента

Показатели эффективности электропривода с СРМНВ для разных производственных механизмов приведены в табл. 3. Суммарный ожидаемый годовой экономический эффект составляет более 10 млн. рублей.

Таблица 3

Т«ннчкш решении Технологический объект! Пре.1прин1»е (Оргаиитация! Технический »ффект Подтвержденный (ожмлае-мый) ТКОИОЧИЧС- екий >ффскт. Ч(ЛП„ ру&/тти

"Элоггропри-вюл с СРМНВ Ста» ХПТ450 ОАО ЧТПЗ (г. Челябинск) Увеличение быстро^ейстаиа системы мекгроприаола 1 оцените! ся частотой срси а контуре юка до 1000 род'с), повышение ючиости нотци-оннроаания тлектронриаола иронтполп венных чеханнт-моа на 20-304 3.0

Окончание табл.3

Имнульсно-век-торная схема с СРМНВ МПС 3000 ОАО ЧЦЗ (г. Челябинск) Снижено энергопотребление на 10-30% 3,7

Электропривод с СРМНВ Тяговый привод ДЭТ 400 Группа компаний Приводная техника (г. Челябинск) Снижены массогабаритные показатели на 10-50% 6,0

итого 12,7

В заключении даны основные научные результаты работы.

В приложении приведены результаты расчетов технико-экономического эффекта и акты внедрения результатов диссертационной работы в организациях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена крупная актуальная научно-техническая проблема - разработка и исследование самостоятельного класса электроприводов переменного тока с СРМНВ, имеющая важное хозяйственное значение. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволяют отметить следующие основные результаты и сделать выводы:

1. Бурный рост силовой электроники и вычислительной техники в послед-пне десятилетия привел к пересмотру традиционных решений в регулируемых электроприводах, например, стали необязательными такие традиционные решения, как трёхфазность, синусоидальность токов в многофазных электроприводах, а это, с одной стороны, открыло новые возможности, а с другой стороны, потребовало пересмотра многих привычных взглядов на проектирование регулируемого электропривода. Примером такого решения является электропривод с СРМНВ, который следует рассматривать как отдельный класс электроприводов, предназначенный, в первую очередь, для производственных механизмов с тяжелыми и особо тяжелыми условиями эксплуатации, имеющих повышенные диапазоны изменения моментов нагрузки и скоростей. При этом расширение указанных показателей достигается без увеличения номинальной мощности электропривода и дает существенное улучшение качества технологических режимов.

2. Электропривод с СРМНВ имеет ряд бесспорных очевидных достоинств: бесконтактность, простая технологичная конструкция ротора, высокая механическая жёсткость и прочность ротора, простая однослойная обмотка статора, отсутствие обмотки на роторе. Показано, что предложенная и развитая в работе концепция проектирования, реализующая идею системного подхода, позволила существенно улучшить потребительские качества электропривода: в длительном режиме при тех же электромагнитных нагрузках он развивает мощность на 15-20 % больше, чем асинхронный электропривод, имеет весьма высокие, до (5-7)Мн, перегрузочные моменты, характеризуется более высокими, чем серийные асинхронные, синхронные и электроприводы постоянного тока величинами отношения электромагнитного момента к моменту инерции ротора.

3. Предложена и показала свою эффективность обобщённая математическая модель электроприводов переменного тока с электродвигателями, имеющими

произвольную конфигурацию магнитной цепи, в которой параметры полупроводникового преобразователя в диапазоне частот до половины от несущей аппроксимированы непрерывными динамическими звеньями, параметры электрической машины представлены как распределённые, развит алгоритм параллельного вычисления, выполненный по критерию минимума расчетного времени. Благодаря углублённому изучению физики процессов в электроприводе, предложенная модель позволила обосновать ряд важных допущений и рекомендовать для применения в инженерных расчетах упрощенные методики, например, с использованием обмоточных функций.

4. Показано, что в электроприводе переменного тока с СРМНВ общепринятое усложнение конструкции ротора (например, применением немагнитопрово-дящих слоев вдоль продольной оси, снижающих механическую прочность ротора) не даёт должного эффекта, так как он уже выбран рациональным управлением токами статора. Это позволяет рекомендовать для электроприводов с тяжелыми условиями эксплуатации СРМНВ с массивным (цельным) ротором.

5. Предложен алгоритм поэтапной оптимизации электропривода с СРМНВ. На первом этапе рекомендовано определять рациональное соотношение между затратами на медь обмотки статора и железо магнитопровода. При этом учитываются затраты на все составляющие силовых элементов электропривода: активные материалы электромеханического преобразователя (магнитопровод и обмоточная медь) и полупроводниковые элементы.

На втором этапе рекомендовано определять наилучшие относительные размеры элементов конструкции двигателя (диаметр ротора, отношение диаметров сечения магнитопроводов статора и ротора, число пар полюсов).

Наконец, на третьем этапе обосновываются схемы силовых цепей статора и форма фазных токов. Показана целесообразность подключения фазных обмоток к индивидуальным источникам питания, выявлена по сравнению с синусоидальной эффективность прямоугольной формы фазного тока, обеспечивающая выигрыш в величине отношения электромагнитного момента к среднеквадратичному току фазы до 20 %.

6. В диссертационной работе обобщена на электроприводы переменного тока процедура идентификации электроприводов постоянного тока с использованием спектральных оценок и синхронного детектирования. Показана целесообразность выделения (вычисления) трудноизмеряемых переменных электропривода (прежде всего, электромагнитного момента) с помощью наблюдателей, которые построены на основании моделей, ранее доказанных и учитывающих специфику электромагнитных процессов в СРМНВ.

7. В диссертационной работе предложена и экспериментально проверена математическая модель контура регулирования момента электропривода с СРМНВ как многомерной однотипной системы регулирования с амплитудной модуляцией, в которой последовательно включены модулятор (узел формирования фазных токов), линейная часть (контур регулирования фазных токов) и демодулятор (статорные и роторные цепи, взаимодействующие в синхронном дви-

гателе). Отличительной особенностью этой модели является то, что она представлена частотными характеристиками двух параллельных с переменными параметрами каналов регулирования фазных токов, при этом амплитуда и фаза одного из них определяется суммой, а второго - разностью двух частот: частотой пробного сигнала и частотой, соответствующей текущей угловой скорости двигателя.

8. С позиции системного подхода предложены и обоснованы алгоритмы управления электроприводом с СРМНВ, реализующие режимы работы с предельными возможностями по перегрузкам и быстродействию. При этом поскольку число степеней свободы управляющих воздействий в многомерной системе управления электроприводом с СРМНВ увеличено, оказывается целесообразным отказаться от стратегии векторного управления электроприводом переменного тока в пользу системы управления, аналогичной обращенной многофазной машине постоянного тока. Предложены схемы, аналогичные электроприводам с независимым, последовательным возбуждением и двухзонным регулированием скорости.

9. Показано, что в электроприводах реальных производственных механизмов, работающих в экстремальных условиях эксплуатации, оптимальная траектория движения сшивается из отдельных отрезков, которые складываются из нескольких фазовых траекторий с различным набором целевых функций.

10. Примером удачного применения электропривода с СРМНВ можно назвать механизм подачи стана холодной прокатки труб 450. Используя предложенную методику последовательной частной оптимизации по быстродействию электропривода, удалось сложную многофакторную задачу разбить на ряд этапов меньшей размерности и выделить наиболее актуальные из них. "Узким звеном" оказались участки разгона и торможения электропривода. Чтобы уменьшить их продолжительность, было увеличено отношение электромагнитного момента к моменту инерции ротора, что в электроприводе с СРМНВ достигалось значительно легче, чем в электроприводах другого типа, так как благодаря высокой радиальной жёсткости монолитного ротора удалось резко увеличить его длину. В итоге в электроприводе подачи сократили время перемещения электропривода до 0,3-0,4 с и добились точности 0,1 мм на перемещениях до 2,5 см. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения результатов составляет около 3,0 млн. рублей.

9. Совокупность связанных единством целей и методологии научных положений представленного комплексного исследования может рассматриваться как решение крупной научно-технической проблемы - создания теории отдельного класса регулируемых бесконтактных электроприводов переменного тока с электрическими машинами нетрадиционной конструкции, на базе которой обеспечено повышение качества проектирования и технического уровня электроприводов переменного тока, освоенных рядом предприятий Южного Урала с общим годовым экономическим эффектом более 10 млн. рублей.

Основные содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

МОНОГРАФИИ

1. Григорьев, М.А. Вентильный электропривод с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения: монография / М.А. Григорьев; под ред. Ю.С. Усынина. - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2010. - 159 с.

2. Энергосбережение в электроприводе: монография / Ю.С. Усынин, М.А. Григорьев, А.Н. Шишков, С.М. Бутаков. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2011. - 104 с.

НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В ИЗДАНИЯХ, рекомендованных ВАК для докторских диссертаций

3. Grigorev, М. Control System of the Electric Drive with Field Regulated Reluctance Machine/ M. Grigorev // Russian Electrical Engineering. - 2013. - Volume 84. Issue 10. (Scopus).

4. Григорьев, М.А. Система управления электроприводом с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения / М.А. Григорьев // Электротехника. - 2013 - № 10. -С. 29-35.

5. Григорьев, М.А. Электропривод с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения / М.А. Григорьев // Изв. вузов. Электромеханика. -2013. — № 4. - С. 32 -36.

6. Grigorev, М.А. The Electric Drive with Field Regulated Reluctance Machine / M. Grigorev // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия "Энергетика". — 2013. — Том 13. —№1. — С. 118-123.

7. Григорьев, М.А. Удельные массогабаритные показатели электроприводов/ М.А. Григорьев // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия "Энергетика". -2013. - Том 13.-№1.-С. 111-117.

8. Григорьев, М.А. Системы с переменной структурой для синхронных реактивных электроприводов с независимым управлением по каналу возбуждения / М.А. Григорьев // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия "Энергетика". - 2013. - Том 13. -№2. - С.91 -96.

9. Григорьев, М.А. Предельные возможности электроприводов с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения / М.А. Григорьев // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия "Энергетика". - 2009. - Вып. 12. -№ 34(167). - С. 51-55.

10. Григорьев, М.А. Линейная плотность поверхностного тока в энергосберегающих электроприводах с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения / М.А. Григорьев, А.Е. Бычков // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия "Энергетика". - 2010. - Вып. 14. -№32(208). - С. 46 -51.

11. Усынин, Ю.С. Частотные характеристики канала регулирования момента в синхронных электроприводах / Ю.С. Усынин, М.А. Григорьев, А.Н. Шишков// Электричество. - 2012.

— № 4. - С. 54-59.

12. Вентильный электропривод с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения / Ю.С. Усынин, М.А. Григорьев, А.Н. Шишков// Электротехника. - 2013 - № 3. -С. 37-43.

13. Usinin, Yu.S. Electric drive with a field-regulated reluctance machine / Yu. S. Usinin, M. Grigorev, A. Shishkov // Russian Electrical Engineering. - 2013. - Volume 84. Issue 3. P. 149- 154. (Scopus).

14. Усынин, Ю.С. Электроприводы и генераторы с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения / Ю.С. Усынин, М.А. Григорьев, K.M. Виноградов// Электричество.

- 2007.-№3.-С.21-26.

15. Электропривод с синхронным реактивным двигателем независимого возбуждения / Ю.С. Усынин, Н.Д. Монюшко, Г.В. Караваев, М.А. Григорьев // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия "Энергетика". - 2001. - Вып. 1. - №4(4) - С. 70 -76.

16. Экспериментальные частотные характеристики электроприводов переменного тока с вентильными преобразователями частоты / Ю.С. Усынин, С.М. Бутаков, М.А. Григорьев, и др. // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия "Энергетика". - 2002. -Вып. 2. -№7(16)-С. 67-69.

17. Оптимальная форма линейной нагрузки в синхронном реактивном двигателе независимого возбуждения / Ю.С. Усынин, М.А. Григорьев, K.M. Виноградов, A.C. Герасимов // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия "Энергетика". — 2003. -Вып. 3.-№ 11 (27)-С. 80-83.

18. Удельные показатели электропривода с синхронным реактивным двигателем независимого возбуждения / Ю.С. Усынин, М.А. Григорьев, K.M. Виноградов, А.Н. Горожанкин // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия "Энергетика". — 2008. -Вып. 9. -№ 11(1 И).-С. 52-53.

19. Потери в регулируемых электроприводах при разных законах управления / Ю.С. Усынин, М.А. Григорьев, А.Н. Шишков и др. // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия "Энергетика". - 2010. - Вып. 13.-№ 14(190).-С. 47-51.

20. Новые высокомоментные энергосберегающие электроприводы с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения / Ю.С. Усынин, М.А. Григорьев, А.Н. Шишков и др. П Известия ТулГУ. Технические науки - 2010. -Вып. 3. - 4.4. - С.71 - 76.

21. Энергосбережение в электроприводах тягодутьевых механизмов многосвязных объектов / Ю.С. Усынин, М.А. Григорьев, А.Н. Шишков, А.Е. Бычков, Д.И. Катаев, Т.Т. Москов // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия "Энергетика". — 2011. — Вып. 15.-№15(232).-С. 40-45.

22. Развитие частотных методов синтеза электроприводов с синхронными электрическими машинами / Ю.С. Усынин, М.А. Григорьев, А.Н. Шишков, А.Е. Бычков, Е.В. Белоусов // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия "Энергетика". — 2011. — Вып. 16.-№34(251).-С. 21-27.

23. Электроприводы с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения для станов холодной прокатки труб / Ю.С. Усынин, С.П. Лохов, М.А. Григорьев, А.Н. Шишков, Е.В. Белоусов // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия "Энергетика". - 2012. - Вып. 17.-№16(275).-С. 107-110.

24. Синтез системы управления электроприводом с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения / Ю.С. Усынин, М.А. Григорьев, А.Н. Шишков, С.П. Гладышев, А.Н. Горожанкин // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия "Энергетика". - 2012. - Вып. 18. -№37(296). - С. 38 -41.

25. Параметрическая оптимизация частотно-регулируемых электроприводов/ Ю.С. Усынин, М.А. Григорьев, А.Н. Шишков, A.M. Журавлев, С.П. Лохов // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия "Энергетика". - 2012. - Вып. 18. -№37(296). - С. 30-33.

26. Моделирование электропривода активного прицепа / Ю.С. Усынин, М.А. Григорьев, А.Н. Шишков и др. // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия "Энергетика".-2013.-Том 13,-№2.-С. 106-114.

НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В ИЗДАНИЯХ, входящих в систему цитирования Scopus

27. The Losses in Control Electric Drives of Transport Mechanisms at Different Controlled Laws / Usinin U., Gladyshev, S.P., Grigoryev M., Shishkov A., Bychkov A.// SAE Paper 2011-01-0039, SAE 2011 World Congress and Exhibition; Detroit, MI; United States; 12 April 2011 through 14 April 2011; Code 91197.

28. Switching Losses in the Rotor of the Field Regulated Reluctance Machine / Gladyshev S.P., Usinin Y„ Grigoryev M., Vinogradov K., Shishkov A., Bychkov A.// SAE Paper 2010-01-0485, SAE 2010 World Congress and Exhibition; Detroit, Ml; United States; 13 April 2010 through 13 April 2010; Code 87929.

29. Pulse Vector Control of Wound Rotor Induction Motor / Gladyshev S.P., Usinin Y., Valov A., Grigoryev M., Bychkov A. // SAE Paper 2010-01-0703, SAE 2010 World Congress and Exhibition; Detroit, MI; United States; 13 April 2010 through 13 April 2010; Code 87929.

30. Weight and Dimensional Parameters of a Power Drive for Electrical Vehicle / Usinin U.S., Grigoriev M.A., Vinogradov K.M., Gorojankin A.N., Gladyshev S.P.// Powertrains, Fuels and Lubricants Meeting, Florence, ITALY. 09SFL-0251, Powertrains, Fuels and Lubricants Meeting, SFL 2009; Florence; Italy; 15 June 2009 through 15 June 2009; Code 90682.

31. The Electric Drive of a Tram with an Average Floor/Usinin Y.S., Grigorjev M.A., Vinogradov K.M., Gorozhankin A.N., Gladyshev S.P.// SAE International 2008, Powertrains, Fuels and Lubricants Congress, Shanghai, CHINA, 2008-01-1828, 2008 SAE International Powertrains, Fuels and Lubricants Congress; Shanghai; China; 23 June 2008 through 25 June 2008; Code 90787.

32. Generator for Vehicle Applications, Based on the Field Regulated Reluctance Machine / Usinin Y.S., Grigorjev M.A., Vinogradov K.M., Gladyshev S.P.// World Congress & Exhibition, Detroit, MI, USA, 2008 World Congress; Detroit, MI; United States; 14 April 2008 through 17 April 2008; Code 85694.

33. New Brushless Synchronous Machine For Vehicle Application / Usinin Yu.S., Grigorjev M.A., Vinogradov K.M., Gladyshev S.P.// World Congress & Exhibition, Detroit, MI, USA, 2007 World Congress; Detroit, MI; United States; 16 April 2007 through 19 April 2007; Code 90239.

ДРУГИЕ НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

34. Усынин, Ю.С. Физическая модель электропривода с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения / Ю.С. Усынин, М.А. Григорьев, А.Н. Шишков, А.Е. Бычков // Наука ЮУрГУ: материалы 62-й научной конференции. Секция технических наук. - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2010. -Т.З. - С. 152 - 155.

35. Усынин, Ю.С. Статические режимы электропривода с синхронным реактивным двигателем независимого возбуждения / Ю.С. Усынин, Г.В. Караваев, М.А. Григорьев// Труды двенадцатой научно-технической конференции "Электроприводы переменного тока". - Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2001. - С. 176 - 179.

36. Усынин, Ю.С. Синтез системы управления электроприводом с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения / Ю.С. Усынин, М.А. Григорьев, К.М. Виноградов. Тезисы докладов международной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электротехнологии" XV Бенардосовские чтения27-29 мая. — Том 1. - С. 225.

37. Усынин, Ю.С. Электропривод с синхронным реактивным двигателем независимого возбуждения / Ю.С. Усынин, Г.В. Караваев, М.А. Григорьев // Российский национальный симпозиум по энергетике. 10-14 сентября 2001: Материалы докладов. — Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2001. - Том 2. - С. 187 - 188.

38. Электропривод с синхронным реактивным двигателем независимого возбуждения / Ю.С. Усынин, Н.Д. Монюшко, Г.В. Караваев, М.А. Григорьев // Труды III Международной (XIV Всероссийской) научно-технической конференции по автоматизированному электроприводу "АЭП-2001" (Н. Новгород 12-14 сентября 2001 г.)/под ред С.В. Хватова. -Н. Новгород. "Вектор-ТиС", 2001.-С. 106- 107.

39. Usinin, Ju. S. The Electric Drive With Field Regulated Reluctance Machine / Ju.S. Usinin, G.V. Karavaev, M.A. Grigorjev // Russian National Symposium On Power Engineering, 10 -14 September 2001: Proceedings. - Kazan: Kazan State Power University, 2001.-V. 2. - P. 54.

40. Особенности расчета электромагнитного момента синхронных реактивных двигателей независимого возбуждения // Ю.С. Усынин, Н.Д. Монюшко, Г.В. Караваев, М.А. Григорьев // Электротехнические системы и комплексы: Межвузовский сб. научн. тр. Вып. 6 / под ред. А.С. Сарварова, К.Э. Одинцова. - Магнитогорск: МГТУ, 2001. - С. 16 - 24.

41. Григорьев, М.А. Физические основы теории электропривода с синхронным реактивным двигателем независимого возбуждения / М.А. Григорьев // Электротехнические системы и комплексы: Межвуз. сб. науч. тр. - Магнитогорск: Изд-во МГТУ, 2002. - вып. 7. С. 52 - 60.

42. Усынин, Ю.С. Силовые цепи вентильных электроприводов с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения / Ю.С. Усынин, М.А. Григорьев, К.М. Виноградов.

Электротехнические системы и комплексы: Межвуз. сб. науч. тр. - Магнитогорск: МГТУ,

2004.-вып. 8. С. 13-17.

43. Электропривод с синхронным реактивным двигателем независимого возбуждения / Ю.С. Усынин, М.А. Григорьев, Г.В. Караваев, K.M. Виноградов // Труды IV Международной (XV Всероссийской) научно-технической конференции по автоматизированному электроприводу "АЭП - 2004" / Магнитогорск, 2004. Часть 1. - С.181 - 183.

44. Оптимальная форма линейной нагрузки в синхронном реактивном генераторе независимого возбуждения / Ю.С. Усынин, М.А. Григорьев, K.M. Виноградов, A.C. Герасимов // Электротехнические системы и комплексы: Межвуз. сб. науч. тр. - Магнитогорск: Изд-во МГТУ, 2005. - Вып. 9. - С.52 - 60.

45. Электроприводы с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения / Ю.С. Усынин, М.А. Григорьев, Г.В. Караваев, K.M. Виноградов // Труды тринадцатой научно-технической конференции "Электроприводы переменного тока". - Екатеринбург: УГТУ-УПИ,

2005. - С. 111-112.

46. Электроприводы и генераторы с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения / Ю.С. Усынин, М.А. Григорьев, K.M. Виноградов, Г.В. Караваев// Труды Х1-ой Международной конференции "Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты" - Крым, Алушта, 2006 г. - С. 236.

47. Усынин, Ю.С. Автономный генератор на базе синхронной реактивной машины независимого возбуждения / Ю.С. Усынин, М.А. Григорьев, K.M. Виноградов // Труды международной XIV научно-технической конференции "Электроприводы переменного тока" - Екатеринбург, 2007. С. 73 - 75.

48. Статор синхронного реактивного двигателя независимого возбуждения / Ю.С. Усынин, М.А. Григорьев, K.M. Виноградов, А.Н. Горожанкин // Электротехнические системы и комплексы: межвуз. сб. науч. тр. - Магнитогорск: МГТУ, 2007.

49. Бесконтактные электроприводы и генераторы с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения / Ю.С. Усынин, С.А. Чупин, М.А. Григорьев, K.M. Виноградов и др. // Труды V Международной (XVI Всероссийской) научно-технической конференции по автоматизированному электроприводу "АЭП - 2007" ( С.-Пб. 18-21 сентября 2007 года ) / С.-Пб., 2007.-С. 192-194.

50. Усынин, Ю.С. Электропривод с синхронным реактивным двигателем независимого возбуждения для трамвая с пониженным уровнем пола / Ю.С. Усынин, С.А. Чупин, М.А. Григорьев и др. // Труды XII-ой Международной конференции "Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты" - Крым, Алушта, 2008 г. (29 сентября -4 октября). - С. 286.

51. Новые высокомоментные энергосберегающие электроприводы с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения / Ю.С. Усынин, М.А. Григорьев, K.M. Виноградов, А.Н. Горожанкин// Международная конференция "Электроэнергетика и автоматизация в металлургии и машиностроении 22-24 октября 2008 г. Магнитогорск. С 156-162.

52. Возможности и перспективы электроприводов с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения/ Ю.С. Усынин, М.А. Григорьев, K.M. Виноградов, А.Н. Горожанкин // Наука и технологии. Труды XXVIII Российской школы. - М.: РАН, 2008. - Том 2. - С. 113122.

53. Григорьев, М.А. Основы теории управления электроприводами с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения и проблемы внедрения на производстве / М.А. Григорьев // Наука и технологии. Тезисы докладов XXIX Российской школы. - Миасс.: МСНТ, 2009. - С. 77.

54. Методика расчета электродвигателей и генераторов на базе синхронной реактивной машины независимого возбуждения / Ю.С. Усынин, М.А. Григорьев, К.М Виноградов и др. // Электротехнические системы и комплексы: Межвуз. сб. науч. тр. - Магнитогорск: МГТУ, 2009. Сборник №17. - С.43 - 47.

55. Усынин, Ю.С. Экспериментальное определение потерь в электроприводе с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения / Ю.С. Усынин, М.А. Григорьев, К.М Виноградов и др.// Электротехнические системы и комплексы: Межвуз. сб. науч. тр. -Магнитогорск: МГТУ, 2009. Сборник №17. - С.48 - 53.

56. Григорьев, М.А. Схемы силовых цепей электроприводов с новыми типами электрических машин / М.А. Григорьев, K.M. Виноградов, А.Н. Шишков // Наука ЮУрГУ: материалы 61-й научной конференции. Секция технических наук. - Челябинск: Издательский цент ЮУрГУ, 2009,- Т.2. - С. 205 - 209.

57. Усынин, Ю.С. Weight and Dimensional Parameters of a Power Drive for Electrical Vehicle (Массогабаритные показатели электропривода для транспорта) / Ю.С. Усынин, М.А. Григорьев, А.Н. Шишков и др. // 13th International Conference on Electromechanics, Electrotechnology, Electromaterials and Components (Труды XIII-ой Международной конференции "Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты") - Крым, Алушта, 2010 г. (19 сентября - 25 сентября). - С. 175.

58. Синтез системы управления электроприводом с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения / Ю.С. Усынин, М.А. Григорьев, А.Н. Шишков, А.Е. Бычков, Д.И. Кашаев, Т.Т. Москов // Тезисы докладов международной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электротехнологии" XVI Бенардосовские чтения 1-3 июня 2011. - Том 3. - С. 33-34.

59. Примеры и перспективы применения электроприводов на базе синхронной реактивной машины независимого возбуждения / Усынин Ю.С., Григорьев М.А., Шишков А.Н., Бычков А.Е., Белоусов Е.В., Журавлев A.M. // Труды международной XV научно-технической конференции "Электроприводы переменного тока" - Екатеринбург, 2012. - С. 27 - 28.

60. Электроприводы с новыми типами электрических машин / Усынин Ю.С., Григорьев М.А., Шишков А.Н., Горожанкин А.Н., Бычков А.Е., Белоусов Е.В., Журавлев А.М // XIV Международная конференция «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (МКЭЭЭ-2012).

61. Основы теории электропривода с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения / Ю.С. Усынин, С.А. Чупин, М.А. Григорьев, А.Н. Шишков, А.Н. Горожанкин, Е.В. Белоусов, А.Е. Бычков, A.M. Журавлев // Труды VII Международной (XVIII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2012 — Иваново, 2012. -С. 31-33.

ПАТЕНТЫ

62. Пат. 2240640 Российская Федерация, МПК Н 02 G 1/02. Синхронный реактивный генератор автономной энергетической установки и способ управления им / Ю.С. Усынин, С.М. Бутаков, М.А. Григорьев, K.M. Виноградов. -№ 2003118611/09; заявл. 20.06.03; опубл. 20.11.04, Бюл. №32.

63. Пат. 2346376 Российская Федерация, МПК Н 02 К 19/24. Синхронная реактивная машина / Ю.С. Усынин, М.А. Григорьев, K.M. Виноградов, А.Н. Горожанкин, С.А. Чупин -№2007126685 заявл. 12.07.2007; опубл. 10.02.2009, Бюл. №4.

64. Пат. 2408972 Российская Федерация, МПК Н 02 Р 27/04, Н 02 Р 25/08, Н 02 Р 19/10. Электропривод с синхронной реактивной машиной и способ управления им / Ю.С. Усынин, М.А. Григорьев, K.M. Виноградов, А.Н. Горожанкин, Шишков А.Н., Бычков А.Е., Валов A.B. -№2009148381/07(071468) заявл. 24.12.2009.; опубл. 10.01.2011, Бюл. №1.

65. Пат. 2408967 Российская Федерация, МПК Н 02 К 19/10, Н 02 К 19/24, Н 02 К 29/03. Синхронная реактивная машина/ Ю.С. Усынин, М.А. Григорьев, K.M. Виноградов, А.Н. Горожанкин, Шишков А.Н., Бычков А.Е., Валов A.B. - №2009146993/07(066964); заявл. 17.12.2009.; опубл. 10.01.2011, Бюл. № 1.

66. Пат. 2422972 Российская Федерация, МПК Н 02 К 19/10, Н 02 К 19/24, Н 02 К 29/03. Синхронная реактивная машина/ Ю.С. Усынин, М.А. Григорьев, K.M. Виноградов, А.Н. Горожанин, Шишков А.Н., Бычков А.Е., Валов A.B. - №2009146987/07(066958); заявл. 17.12.2009.; опубл. 27.06.2011, Бюл. №18.

67. Пат. 2408973 Российская Федерация, МПК Н 02Р 27/05. Асинхронный электропривод с фазным ротором/ Ю.С. Усынин, A.B. Валов, Т.А. Козина, М.А. Григорьев, K.M. Виноградов, А.Н. Горожанкин, Шишков А.Н., Бычков А.Е. - №2009148035/07(070970); заявл. 23.12.2009.; опубл. 10.01.2011, Бюл. № 1.

68. Свид. 2011612473 о государственной регистрации программы для ЭВМ. Расчет частотных характеристик звеньев и систем с амплитудной модуляцией/ Ю.С. Усынин, М.А. Григорьев, А.Н. Шишков, А.Е. Бычков, Т.Т. Москов -№2011610566 заявл. 01.02.2011.; зарегистр

24.03.2011.

69. Свид. 2011617186 о государственной регистрации программы для ЭВМ. Программа расчета переходных процессов быстродействующих систем электроприводов/ Ю.С. Усынин, М.А. Григорьев, А.Н. Шишков, А.Е. Бычков, А.Н. Горожанкин, Е.В. Белоусов -№2011615635; заявл. 26.07.2011.; зарегистр 15.09.2011.

70. Свид. 2011617294 о государственной регистрации программы для ЭВМ. Программа расчета параметров новых типов электрических машин/ Ю.С. Усынин, М.А. Григорьев, А.Н. Шишков, А.Е. Бычков, Е.В. Белоусов-№2011615448 заявл. 21.07.2011.; зарегистр 19.09.2011.

71. Свид. 2011617185 о государственной регистрации программы для ЭВМ. Программа расчета мгновенных значений фазных токов комплекса "Вентильный преобразователь - двигатель" / Ю.С. Усынин, М.А. Григорьев, А.Н. Шишков, А.Е. Бычков, А.Н. Горожанкин Е.В. Белоусов-№2011615634 заявл. 26.07.2011.; зарегистр 15.09.2011.

72. Свид. 2012611914 о государственной регистрации программы для ЭВМ. Программа расчета электрических потерь в вентильном преобразователе/ Ю.С. Усынин, М.А. Григорьев, А.Н. Шишков, А.Е. Бычков, А.Н. Горожанкин Е.В. Белоусов - №2011619898 заявл.

21.12.2012.; зарегистр 20.02.2012.

73. Свид. №2013619100 о государственной регистрации программы для ЭВМ. Программа расчета среднего значения индукции в электрических машинах переменного тока/ М.А. Григорьев, А.Н. Шишков, A.M. Журавлев, и др. - № 2013616608; заявл.26.07.2013; зарегист.

25.09.2013.

74. Свид. № 2013619011 о государственной регистрации программы для ЭВМ. Программа расчета частотных характеристик синхронных электроприводов с распараллеливанием на 12 каналов/ М.А. Григорьев, А.Н. Шишков, A.M. Журавлев, и др. - № 2013616617; заявл.26.07.2013; зарегист. 24.09.2013.

75. Свид. № 2013619009 о государственной регистрации программы для ЭВМ. Программа расчета угловых характеристик синхронных электроприводов с распараллеливанием на 12 каналов / М.А. Григорьев, А.Н. Шишков, A.M. Журавлев, и др. - № 2013616616; заявл.26.07.2013; зарегист. 24.09.2013.

Работы [1,3-9] выполнены автором единолично. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежит 80% от общего объема научных публикаций, а именно: в [2, 10 - 26] -общая постановка проблем и задач оптимизации, разработка обобщенных математических моделей; в [27 - 75] - ведущая роль в постановке задач исследования (или в разработке объектов интеллектуальной собственности), обоснования математических моделей и методов решения.

Григорьев Максим Анатольевич

СИНХРОННЫЙ РЕАКТИВНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С НЕЗАВИСИМЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ПО КАНАЛУ ВОЗБУЖДЕНИЯ И ПРЕДЕЛЬНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ПО БЫСТРОДЕЙСТВИЮ И ПЕРЕГРУЗОЧНЫМ СПОСОБНОСТЯМ

Специальность 05.09.03 - "Электротехнические комплексы и системы"

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Издательский центр Южно-Уральского государственного университета

Подписано в печать 30.12.2013. Формат 60x84 1/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 2,32. Уч.-изд. л. 2. Тираж 100 экз. Заказ 885/9.

Отпечатано в типографии Издательского центра ЮУрГУ. 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76.

ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (национальный исследовательский университет)

СИНХРОННЫЙ РЕАКТИВНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С НЕЗАВИСИМЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ПО КАНАЛУ ВОЗБУЖДЕНИЯ И ПРЕДЕЛЬНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ПО БЫСТРОДЕЙСТВИЮ И ПЕРЕГРУЗОЧНЫМ СПОСОБНОСТЯМ

Специальность 05.09.03 - "Электротехнические комплексы и системы" Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук

05201450566

Григорьев Макс

УДК 62-83::621.313.3

Научный консультант -доктор технических наук, профессор Усынин Ю.С.

Челябинск - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...............................................................................................................6

Глава 1. ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТЕЙ РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С ПОЗИЦИЙ РЕАЛИЗАЦИИ ПРЕДЕЛЬНЫХ РЕЖИМОВ................................................................................................................16

1.1. Обобщенные требования технологического процесса к электроприводам, реализующим предельные режимы работы

по быстродействию и перегрузочной способности......................................16

1.2. Новые подходы к синтезу современных регулируемых электроприводов переменного тока.................................................................23

1.3. Новые типы электроприводов...............................................................30

1.3.1. Вентильно-индукторные электроприводы....................................30

1.3.2. Синхронные реактивные электроприводы с независимым управлением по каналу возбуждения........................................................32

1.4. Этапы синтеза регулируемых электроприводов, реализующих предельные режимы работы..............................................................................33

1.5. Оценка возможностей каждого из этапов разработки......................35

Выводы по главе 1...........................................................................................41

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КОМПЛЕКСА "ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ - ДВИГАТЕЛЬ".......43

2.1. Предварительная оценка возможностей существующих математических моделей электроприводов переменного тока..................43

2.2. Обобщенная математическая модель электропривода переменного тока................................................................................................56

2.2.1. Математическое описание электромеханического преобразователя с различными конфигурациями

магнитной системы.....................................................................................59

2.2.2. Математическое описание полупроводникового преобразователя...........................................................................................66

2.2.3. Анализ возможностей распараллеливания расчетов в электроприводах переменного тока...........................................................76

2.3. Анализ программно-технических возможностей суперкомьютерного центра Скиф-Аврора....................................................83

2.4. Алгоритм расчета математической модели

с распараллеливанием вычислительных операций...................................89

2.5. Оценка адекватности предложенной математической

модели....................................................................................................................94

2.6.Частные случаи математических моделей электроприводов переменного тока.................................................................................................98

2.6.1. Математическая модель асинхронного электропривода.............99

2.6.2. Математическая модель синхронного электропривода.............102

2.6.3. Математическая модель электропривода с СРМНВ..................106

Выводы по главе 2............................................................................................108

3. СПОСОБЫ ДОСТИЖЕНИЯ УЛУЧШЕННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ В ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ С СРМНВ

В СОПОСТОВЛЕНИИ С ДРУГИМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ...............110

3.1. Основные термины и определения. Показатели эффективности регулируемого электропривода......................................................................110

3.2. Влияние способа управления на удельные показатели..................113

3.2.1. Управление в электроприводах постоянного тока.....................ИЗ

3.2.2. Управление в асинхронных электроприводах............................115

3.2.3 Управление в синхронных электроприводах с возбужденным ротором.........................................................................118

3.2.4. Управление в синхронных реактивных

электроприводах и СРМНВ....................................................................121

3.3. Влияние способа управления на перегрузочные показатели электроприводов................................................................................................129

3.4. Предельные скоростные режимы работы электроприводов.........133

Выводы по главе 3.........................................................................................137

4. ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ КОМПЛЕКСА "ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ - ДВИГАТЕЛЬ".....139

4.1. Постановка задачи многокритериальной оптимизации с позиции достижения предельных показателей

по быстродействию и перегрузочной способности....................................139

4.2. Общая задача определения рационального соотношения затрат на активные материалы в системе

"Регулируемый преобразователь - двигатель"..........................................148

4.2.1. Решение задачи в системе с идеальным

источником питания.................................................................................148

4.2.2. Уточнение задачи с учетом нагрузочной диаграммы электропривода...........................................................................................153

4.2.3. Решение задачи в системе с реальным

источником питания.................................................................................155

4.3. Выбор основных размеров электромеханического преобразователя.................................................................................................162

4.3.1. Постановка задачи выбора главных размеров двигателя..........162

4.3.2. Алгоритм выбора размеров и уточнение

весовых коэффициентов расхода активных материалов......................164

4.3.3. Анализ результатов расчета..........................................................165

4.4. Выбор структуры и параметров силовых цепей..............................167

4.4.1. Особенности работы электропривода при ограниченном

числе фаз полупроводникового преобразователя.................................167

4.4.2. Выбор схемы силовых цепей при минимизации

затрат на электропривод..........................................................................187

4.4.3. Выбор схемы силовых цепей при минимизации электрических потерь в электроприводе................................................192

4.5. Оптимальные решения по критерию Парето...................................196

Выводы по главе 4.........................................................................................197

5. СИНТЕЗ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА.........200

5.1. Классификация структур управления электроприводами переменного тока...............................................................................................200

5.2. Обобщенная структура управления

электроприводом с СРМНВ...........................................................................202

5.2.1. Матричная модель контура регулирования

момента как многомерной системы.......................................................202

5.2.2. Анализ факторов, способствующих увеличению числа независимых управляющих воздействий................................................205

5.2.3. Выбор управляющих воздействий в электроприводе с СРМНВ........................................................................................................213

5.3. Обоснование возможности аппроксимации динамических характеристик электропривода с СРМНВ линейными звеньями...........214

5.3.1. Физические модели электроприводов с СРМНВ.......................215

5.3.2. Особенности идентификации электропривода с СРМНВ частотными методами................................................................................217

5.3.3. Частотные характеристики контуров регулирования

фазных токов.............................................................................................222

5.3.4. Частотные характеристики контура регулирования электромагнитного момента. Принятая математическая модель.........224

5.4. Синтез структур управления электроприводами с СРМНВ..........226

5.4.1. Системы управления с независимым возбуждением.................226

5.4.2. Системы управления с последовательным возбуждением........229

5.4.3. Системы управления с двухзонным

регулированием скорости........................................................................229

5.4.4. Потери в электроприводах при разных законах регулирования............................................................................................231

5.5. Особенности работы электропривода с СРМНВ на повышенных угловых скоростях.............................................................................................233

5.5.1. Структурная схема канала регулирования момента..................233

5.5.2. Расчетные и экспериментальные ЛЧХ КРТ и КРМ...................236

5.7. Синтез систем управления электроприводом с DTC............................238

5.7.1. Особенности и возможности систем с DTC-управлением в синхронных реактивных электроприводах.............................................238

5.7.2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований на математических моделях и физическом макете электропривода.... 240

Выводы по главе 5.........................................................................................241

6. ПРИМЕРЫ РЕАЛИЗАЦИЙ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С СРМНВ НА РЕАЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ МЕХАНИЗМАХ.....................................................................................................243

6.1. Оптимальная траектория движения электропривода, реализующего предельные характеристики...............................................243

6.1.1. Общий случай движения электропривода

для механизмов, реализующих предельные характеристики...............243

6.1.2. Формализованный метод поиска оптимальных процессов в электроприводах с предельными

режимами работы......................................................................................244

6.2. Электроприводы станов ХПТ..............................................................245

6.2.1. Участки оптимальных траекторий движения

привода подачи..........................................................................................246

6.2.2. Реализация предельных характеристик

в электроприводе подачи стана ХПТ......................................................248

6.3. Тяговые электроприводы......................................................................259

6.3.1. Участки оптимальных траекторий движения тягового электропривода...........................................................................................260

6.3.2. Реализация предельных характеристик в тяговом электроприводе...........................................................................................261

6.4. Электроприводы с вентиляторным характером нагрузки............276

6.4.1. Особенности требований технологического процесса..............277

6.4.2. Электрические схемы замещения технологического процесса 280

6.4.3. Идея импульсно-векторного управления....................................281

6.5. Реализация результатов работы на промышленных предприятиях.....................................................................................................284

Выводы по главе 6.........................................................................................285

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................................286

ЛИТЕРАТУРА................................................................................................290

ПРИЛОЖЕНИЕ....................................................................................................

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Появление новых технологий и совершенствование существующих не только повышает требования к электроприводу, но и требует реализации нового характера движения. Привычные требования к электроприводу: диапазон регулирования скорости и момента, полоса пропускания частот электропривода, энергоэффективность, - резко увеличиваются.

В настоящее время наибольший прогресс в современных регулируемых электроприводах наблюдается в приводах переменного тока и идет он за счет комплексного подхода, который учитывает особенности совместной работы полупроводникового преобразователя и электрической машины. Так, если обратить большее внимание на новые типы электрических машин и в комплексе "преобразователь - двигатель" проектировать не преобразователь под традиционный двигатель с синусоидальным напряжением на статоре, а попытаться при конструировании электропривода учесть особенности совместной работы электродвигателя с преобразователем, то можно добиться высоких результатов.

Электроприводы, работающие в экстремальных условиях, требуют нетрадиционного исполнения и сочетания параметров всего силового электрооборудования, так как существующие типовые решения при всех их достоинствах: высокой энергоэффективности, интенсивном использовании активных материалов, технологичности изготовления, - не способны обеспечить в полной мере требования современных и будущих технологий.

В этом случае необходимо по-иному формулировать критерии эффективности работы электропривода. Перечень требований, который не отвергает существующие показатели (coscp, КПД), необходимо дополнять критериями и показателями, непосредственно влияющими на качество ведения технологического процесса (МIm, М/J), где М, т, J - момент, масса, момент инерции двигателя.

Степень научной разработанности проблемы. Новый подход к разработке электроприводов коснулся как традиционных решений, например, на базе синхронных электрических машин (Вейнгер A.M., Lipo Т.), асинхронных электро-

приводов с векторным управлением (Бродовский В.Н., Дартау В.А., Шрей-нер Р.Т., Панкратов В.В., Макаров J1.H., Дементьев Ю.Н., Поляков В.Н.), с DTC-управлением (Рудаков В.В., Козярук А.Е.), линейных асинхронных электроприводов (Сарапулов Ф.Н., Сарапулов С.Ф.), так и приводов, получивших своё развитие только в последнее время, например, вентильно-индукторных электроприводов (Чиликин М.Г., Ильинский Н.Ф., Ивоботенко Б.А., Lawrenson Р., Садовский JT.A, Бычков М.Г., Красовский А.Б., Козаченко В.Ф.), синхронных реактивных электроприводов (Vagati A., Francecchini G., Беспалов В.Я.). Особое место в этом ряду занимают синхронные реактивные электроприводы с независимым управлением по каналу возбуждения (СРМНВ) (по английской терминологии - Field Regulated Reluctance Machine) (Weh H., Lipo Т., Law J., Busch Т.).

Основы теории электроприводов, реализующих предельные режимы работы на базе специальных машин постоянного тока малой мощности, были предложены проф. Каганом В.Г.

Между тем, высокие удельные показатели, близкие к предельным, можно обеспечить и в рамках традиционных конструкций и технологий изготовления электрических машин и полупроводниковых преобразователей, если обратить внимание и воспользоваться принципиально новыми возможностями, которые появились в конце XX века благодаря прогрессу силовой электроники и микропроцессорных устройств.

Объект исследования - синхронные реактивные электроприводы с независимым управлением по каналу возбуждения с предельными по быстродействию и перегрузкам характеристиками.

Предмет исследования - электромагнитные, электромеханические процессы в синхронном реактивном электроприводе с независимым управлением по каналам возбуждения и якоря.

Целью диссертационной работы является создание теории, системы управления синхронных реактивных электроприводов, которые отличаются предельными показателями по быстродействию и перегрузкам, улучшенными массога-баритными и эксплуатационными характеристиками, что достигается за счёт учёта совместной работы источника питания и двигателя.

Идея работы заключается в том, что благодаря уровню развития силовой полупроводниковой и цифровой измерительной техники удаётся пересмотреть принципы согласования силовых элементов (электродвигателя, источника питания и рабочего органа) и добиться существенного улучшения потребительских свойств электромеханических преобразователей и электротехнических комплексов с единой позиции - обеспечения предельных характеристик по быстродействию и перегрузочной способности.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

- анализа предельных возможностей электропривода с СРМНВ и результатов экспериментальных исследований на физическом образце, подтверждающих актуальность дальнейших исследований;

- синтеза и обоснования обобщённой математической модели электропривода, включающей описание электромеханического преобразователя, полупроводникового преобразователя, учитывающей особенности их совместной работы;

- анализа результатов исследования на обобщённой математической модели электропривода и обоснования высоких удельных показателей и перегрузочной способности электропривода;

- синтеза алгоритма поэтапной оптимизации электропривода с СРМНВ;

- создания алгоритмов и структур управления электроприводом;

- синтеза методики последовательной частной оптимизации для позиционных электроприводов с СРМНВ.

Методы исследований. В работе использовались методы теоретического и экспериментального исследования.

Теоретические методы исследования: основные положения теории электромеханического преобразования энергии, теории электропривода и полупроводниковой преобразовательной техники, частотные методы теории регулирования, метод конечных элементов, методы теории вариационного исчисления, методы математического моделирования систем на ЭВМ.

Методы экспериментального исследования: наблюдение, измерение, - которые проводились на экспериментальных образцах и технологических объектах

и были необходимы для получения исходных данных, проверки и уточнения результатов теоретического анализа.

Достоверность полученных результатов. Достоверность научных результатов определяется корректностью постановок задач, обоснованностью принятых допущений, использованием апробированных математических и численных методов, а также экспериментальным подтверждением основных теоретических выводов при достаточном для инженерной практики совпадении результатов теории, компьютерного моделирования и физического эксперимента.

Научные положения, выносимые на защиту и их научная новизна

1. Предложена обобщённая математическая модель электроприводов переменного тока с электродвигателями, имеющими произвольную конфигурацию магнитной цепи, в которой параме