автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Система точного задания и поддержания мгновенной скорости вращения с вентильным двигателем

Государственный комитет Российской Федерации ^ по высшему образованию

КАЗАНСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ЦЗЕНГЕР ИГОРЬ ГЕННАДЬЕВИЧ

СИСТЕМА ТОЧНОГО ЗАДАНИЯ И ПОДДЕРЖАНИЯ МГНОВЕННОЙ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ С ВЕНТИЛЬНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

Специальность 05.09.03 - Электромеханические комплексы и

системы, включая их управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 1997

Работа выполнена на кафедре электротехники и ( электроприв Казанского ордена Трудового Красного Знамени государственн технологического университета.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Зиннер Л.Я.

Официальные оппоненты

Ведущее предприятие

- академик АЭН РФ, доктор технических наук, профессор Калашников М. А

- кандидат технических нау доцент Тарасов В.Н.

- Всесоюзный научно-исследовательс институт расходометрии г.Казани.

Защита диссертации состоится 1997г. в 1

часов на заседании специализированного Совета К 063.43.06 при занском государственном техническом университете им.А.Н.Тупол в зале заседаний ученого Совета по адресу: 420111, Каза К.Маркса, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГТУ им А. Н. Туполева.

Ваши отзывы, заверенные печатью, в двух экземплярах про выслать по указанному адресу.

Автореферат разослан "<?£¿" ^оиг^А^ 1997г.

Ученый секретарь специализированного Совета к.т.н., доцент

1— А.Ю. Афанас

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Появление новой техники в ряде произ-здств предъявляет повышенные требования в отношении точности отмотки заданной частоты вращения и стабильности мгновенной ско-эсти вращения. Такие системы применяются в машиностроении, ме-1ллургии, станкостроении, химической промышленности при получе-т тонких пленок и волокон, измерительной и поверочной технике, зиборостроении, космической технике и др. Указанному перспектив-зму направлению в развитии автоматизированного электропривода в шчительной мере отвечают цифровые системы с силовыми транзис-эрными инверторами. Важнейшим элементом которых является неподдельный двигатель.

В последнее время наибольшее распространение получил элект-шривод на основе вентильных двигателей (ВД), основу которых вставляют синхронные двигатели с возбуждением от постоянных маг-1Тов (бесконтактные двигатели постоянного тока). Основным преи-/ществом таких ВД является то, что они имеют регулировочные и 1ергетические характеристики, близкие к двигателям постоянного жа и одновременно лишены недостатков, обусловленных механически коммутацией, что существенно расширяет область их применения делает незаменимыми в производстве с повышенной опасностью.

Учитывая, что ВД является довольно сложной машинно-вентиль-ш системой, работа которого отличается от работы обычных двига-;лей, проектирование ВД требует тщательного подхода. Несмотря на зстаточно обширный материал по теории и проектированию, сущест-лощие методики направлены на решение частных задач и, как прави-з, не учитывают особенностей работы ВД в составе электропривода.

Этим отчасти и объясняется недостаток в исследовании и синт систем стабилизации мгновенной скорости с ВД.

В связи с этим задача исследования особенностей работы В составе электропривода и синтеза системы стабилизации мгновен скорости является на сегодняшний день особенно актуальной.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ заключается в разработке системы точного зада и поддержания мгновенной скорости вращения в вентильном электр риводе.

В соответствии с поставленной целью, в диссертационной ра те рассматриваются следующие вопросы:

- описание электромагнитных процессов в ВД с помощью урав: ний математической модели синхронной машины;

- исследование влияния инверторов тока и напряжения, зако: управления инверторами, а так же схем соединения нагрузки инв торов на электромагнитные процессы в нагрузке;

- получение замкнутого аналитического решения для ВД с в буждением от постоянных магнитов;

- вывод функции управления напряжением питания ВД для к пенсации пульсаций электромагнитного момента;

- создание программы проектирования и исследования ВД в с> таве электропривода на ПЭВМ;

- разработка модели ВД используемой при проектировании с] темы стабилизации мгновенной скорости на САПР Р3р1се;

- разработка схемы цифрового регулятора;

- сравнение теоретических характеристик системы электроп] вода с результатами практического исследования.

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. В основу теоретического исс. дования процессов с системе вентильного электропривода полож(

налитическое решение уравнений ВД по мгновенным значениям. Точ-ое исследование проведено на основе численного метода расчета по нтервалам Рунге-Кутта. Имитационное моделирование всех полупро-одниковых приборов и электромеханических преобразователей прове-ено на САПР РБр1се. Для оценки точности результатов и правиль-ости теоретических выводов проведен ряд экспериментальных иссле-ований. в ходе которых выполнено осциллографирование токов и апряжений, измерение интервалов времени для точного определения гновенной частоты вращения.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ заключается в следующем:

- разработана цифровая система управления вентильным элект-оприводом;

- получены аналитические выражения мгновенного электромаг-итного момента применительно к ВД с возбуждением от постоянных агнитов;

- получены уравнения управления напряжением питания ВД для омпенсации пульсаций электромагнитного момента;

- разработана модель ВД для САПР PSpi.ce, а так же написана рограмма моделирования ВД в системе электропривода.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы состоит в следующем:

- в реализации на ЭВМ математической модели, позволяющей роводить исследования динамических и статических режимов с уче-ом различных законов управления и осуществлять поиск параметров, беспечивающих требуемые характеристики.

- в разработке модели ВД для САПР Р3р1се, необходимой при роектировании электронных преобразовательных и схем управления ентильных электроприводов;

- в разработке цифрового регулятора для компенсации пульса-

ций мгновенной скорости вращения.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Основные результаты и ре мендации диссертационной работы использованы при проектировани изготовлении экспериментального образца ВД для привода прецизи ных дозаторов жидкостей и газов во Всесоюзном научно-исследс тельском институте расходометрии г.Казани.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты раС докладывались на 2-й республиканской научно-технической конфер ции "Электромеханические системы в энергетике" г.Казань, 199£ Научно-технической конференции с международным участием "Проб; промышленных электромеханических систем и перспективы их ра; тия" г. Ульяновск, 1996г.; Республиканской научно-технической ь ференции "Проблемы энергетики" г.Казань, 1996г.; Республиканс научно-технической конференции "Проблемы энергетики" г. Казг 1997г.;

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 8 печа1 работ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введе! четырех глав и заключения, содержит 125 страниц машинопии текста, 1 таблицу, 40 рисунков, списка литературы, включающей наименования, 16 страниц приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВО ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность темы, сформулиро] цель работы, охарактеризована научная новизна и практическая ] ность результатов исследования.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ рассмотрены перспективы развития систем 1

1Г0 задания и поддержания частоты вращения. Отмечается, что важ-:йшим элементом системы является исполнительный двигатель.

На основании сравнительного анализа электрических машин вы-[рается ВД с возбуждением от постоянных магнитов, обладающий ря->м таких достоинств, как точность регулирования, диапазон регу-[рования частоты вращения, кратность пускового момента, и др.

Отмечено также, что на работу ВД существенное влияние оказы-1ет соотношение форм питающего напряжения и ЭДС вращения. Для злучения наименьшего значения пульсации тока на периоде комму-щии необходимо, чтобы формы приложенного напряжения и ЭДС вра-5ния соответствовали друг другу. Всякое нарушение этого условия зиводит к появлению пульсаций тока, а, следовательно, и электролитного момента и частоты вращения. Поэтому для работы с ин-зртором предпочтительнее применение машины с трапецеидальной зрмой ЭДС, чему более всего соответствуют двигатели с возбужде-1ем от постоянных магнитов.

Кроме того, сравнения, проведенные для ВД с различной формой 1С вращения, показывают, что ВД с трапецеидальной ЭДС имеют эльшую удельную мощность, более высокое отношение момента к то/, что дает возможность использовать их в условиях с ограничен-т массой и габаритами.

Далее был проведен обзор основных направлений развития сис-зм точного задания и стабилизации скорости. Отмечено, что особый •¡терес представляют чисто цифровые системы регулирования. Так 1К вентильный двигатель по своей природе является дискретным, то /ществует возможность отойти от стандартных схем цифро-аналого-ж приводов и спроектировать цифровую систему управления ВД. акой привод выигрывает по быстродействию и обладает значительно

большей помехо-защщенностыо и меньшей стоимостью. • Также за с1 исключения из схемы ЦАП и АЦП-преобразователей удается существе но повысить надежность системы управления.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ проведен анализ влияния типа инвертора, ; конов управления, а так же схем соединения обмоток статора ма1 ны на электромагнитные процессы в ВД.

Для получения наглядной картины при проведении сравнителы го анализа была рассмотрена работа инверторов с активно-индукт! ной нагрузкой и противо-ЭДС. Данная нагрузка довольно достове! описывает двигатель с постоянным магнитом на роторе в установ! шемся режиме работы. Это вытекает из ряда допущений:

- собственные индуктивности и взаимоиндуктивности фаз дви] теля на рассматриваемом периоде повторяемости мало зависят от ; ла поворота и их можно полагать постоянными, так как системы постоянными магнитами обладают малой магнитной проницаемостью;

- ротор, на котором укреплен постоянный магнит, не содерз демпферных контуров, а материал магнита обладает очень выси удельным сопротивлением, так что можно пренебречь токами, наво, мыми в массе магнита. Это допущение особенно хорошо оправдывае1 для магнитов ферритовой группы;

- принимается распределение индукции поля, создаваемого № тоянным магнитом, по прямоугольному закону, а фазы выполнены виде сосредоточенных обмоток. В таком случае фазные ЭДС, навед! ные потоком магнита, будут также изменяться по прямоугольному кону.

По отношению к инвертору напряжения приняты следующие до: щения:

- источник питания не имеет внутреннего сопротивления;

- ключи инвертора переключаются практически мгновенно;

- сопротивление открытых групп вентилей инверторов равно !Ж, является активным и одинаковым для токов обоих направлений;

- сопротивление закрытых групп вентилей стремится к беско-;чности;

В результате анализа были получены следующие выражения для

)эффициента пульсаций тока в цепи питания инвертора:

при 120° управлении

1шах-1тш (л ЗшЬ/ кп = - = 1 + — 0.2-е~То - 0.575

Icp V jfR I )

¡e Т0 = 7rR/3a>L;

L - индуктивность обмотки статора ВД; R - активное сопротивление обмотки статора ВД; (и - скорость вращения ротора ВД; при 180° управлении

Imax~Imin f„ 3íúL f kn = - = 2 + — e~To - 1

Icp l як L

Видно, что коэффициент пульсаций при 120 градусном управле-1и не менее чем в два раза больше коэффициента пульсаций при 180 )адусном управлении. Также было показано, что от схемы соедине-1я обмоток коэффициент пульсации тока не зависит.

Далее был проведен анализ электромагнитных процессов в трех-изных инверторах тока и напряжения при 120 градусном управлении с синусоидальным распределением ЭДС в обмотках статора мащины. 5лучены следующие выражения для средних моментов: для инвертора напряжения

3l/3E|jU Cos Р ЗЕа2 Cos ф 9\/ЗЕйг Cos (2Э+ф)

МСп = -----2---2-

Р 2Z Q Я 4Z Q 8Z Q Ж

для инвертора тока

' зИзЕфи Cos р ЗЕФ2 Cos ф 91/^Еф2 Соз(2Р+ф)

Мср ------

Р (2Z+XLd) Q Ж (4Z+2XLd)Q (8Z+4XLa) Q Ж где Еф - фазная ЭДС обмотки статора ВД;

U - напряжение на обмотках статора ВД;

(3 - угол опережения;

Ф - arctg X/R;

Z - общее сопротивление фазы статора ВД;

XLd- сопротивление дросселя предвключенной цепи;

Q - угловая скорость ротора.

Из уравнений видно, что механическая характеристика ВД с и вертором тока мягче, а при L>Ld приближается к механической х рактеристикой ВД с инвертором напряжения.

Также был проведен сравнительный анализ углов коммутации инверторах тока и напряжения, в результате которого было показ но, что в инверторе тока коммутационный интервал значитель больше, а значит и провалы в кривой момента будут вызывать бол существенные пульсации скорости, чем в инверторе напряжения.

С использованием уравнений среднего момента_ получено выр жение коэффициента пульсации электромагнитного момента:

кп =

% (U - ^Еф Cos(ф) - Sin(60-PKU - |/13Еф Sin(60-р-ф)))

Зи СОБ(Р) - 2.72 Еф Соэ(ф) - 2.25 Соз(20-ф) из которого видно что коэффициент пульсаций зависит как параметров машины, так и от угла опережения, что в свою очере позволяет снижать пульсации мгновенной скорости со стороны машу путем регулирования р.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ проведен анализ электромагнитных процессоЕ

¡стеме "управляемый инвертор напряжения - синхронный двигатель с >ратной связью по положению и возбуждением от постоянных магни-

)В ".

Основной задачей данного раздела являлось получение доста-)чно точных, и в тоже время приемлемых для практического исполь-)вания выражений электромагнитных процессов, механических и ре-ллировочных характеристик, а также законов формирования необхо-шой формы напряжения питания инвертора применительно к конкрет-зму классу машин, для использования их в проектировании как си-эвой, так и управляющей электронных систем электропривода.

Полученные в этом разделе выражения показывают что увеличе-ie параметра xfi = tg ф = pQ(l + m)/R, представляющего собой от-зшение эквивалентного индуктивного сопротивления фазы, соответс-зующего базовой скорости Q, к активному сопротивлению фазы неб-1гоприятно сказывается практически на все показатели машины, зиемлемых показателей можно ожидать, если параметр х6 не превы-1ет 1 - 2. Эту величину при необходимости можно обеспечить деньшением числа витков фаз и увеличением потока магнита за счет зеличения его объема. Эффективным способом уменьшения параметра 5 является также применение беззубцовой конструкции статора, иследняя мера связана с применением высококоэрцитивных магнитов.

Далее в разделе получены уравнения управления напряжением ^тания для компенсации влияния коммутационных токов на пульсацию пектромагнитного момента в ВД: на коммутационном интервале i2 = Мш/2ЕФ,

Ел

ii(ö) = ig■(1 - 2-ехр(~9 ctg ф)) --(1 - exp(-ü ctg ф)),

i3(3) = i2 - li(8).

и = 31^2 +■ 2ЕЛ, на внекоммутационном участке 12 = Мш/2Еф, и = 2Я1г + Ел. где М - электромагнитный момент в ВД; З^ЛгЛз - токи в фазах статора ВД.

Причем, при данном способе управления напряжением питан происходит существенное сокращение длительности самого коммутац онного интервала, а значит и улучшение энергетических характера тик машины.

При этом длительность коммутационного периода равна:

( 2Е2+ Мшй

1 = ф ш —--

I 2 (Е2+ 1«)

Так же получены уравнения питания ВД для компенсации пульс ции электромагнитного момента вследствии синусоидального распр деления ЭДС в обмотках статора:

ИсоМ ЬМшСоб (60 + д - Р)

и = ЕЛБШ(60 + д - Р) + - + -

ЕлБ1п(60 + д - Р) ЕлБ1п(60 + д - Р)

Однако необходимо отметить, что обладая достаточной эффе

тивностью, данные методы компенсации пульсаций со стороны майи-

не нашли практической реализации в данной диссертации. Это обы

няется как достаточно сложной реализацией самого функционально

регулятора, так и отсутствием компенсации пульсаций со сторс

рабочего органа электропривода.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ проведено проектирование системы точш

задания и поддержания мгновенной и средней скоростей вращения

основе вентильного двигателя с возбуждением от постоянных мап

- и -

ов. По заданию данная системы должна компенсировать пульсации ак со стороны исполнительного двигателя, так и со стороны рабо-его органа. Причем пульсации в рабочем органе на подлежат мате-атическому описанию и несут случайный характер.

Для решения поставленной задачи проведено моделирование лектромагнитных процессов в ВД при работе его в составе элект-опривода. Моделирование проводилось на программе написанной на зыке Pascal с использованием численного метода Рунге-Кутта для ешения системы уравнений описывающих ВД в фазных координатах.

По результатам расчета программы была выбрана замкнутая сис-ема стабилизации скорости с релейно-дифференциальным регулятором звене обратной связи по скорости (рис.1).

Рис.1. Принципиальная схема регулятора

В схеме используются двоичные счетчики (Сч1, Сч2), регист (Р1, Р2), сумматор (С), масштабный множитель (П), устройство з дания скорости (УЗС), две схемы сравнения (>) и элементы цифроЕ логики.

Информация о скорости вращения ротора ВД с ИДС поступает УЗС, представляющее собой делитель частоты с коэффициентом де; ния устанавливаемым двоичным кодом N3. Вследствии примене? данного метода задания скорости, на выходе УЗС (в установивше! режиме работы) всегда будут присутствовать импульсы определен! частоты (в данном случае 5кНг). При этом погрешность измере! скорости не будет зависеть от скорости вращения ротора.

Необходимо отметить, что на низких скоростях регулятор ] пользует информацию о мгновенной скорости вращения, а на высою когда неравномерность вращения ротора несущественна - о сред: скорости вращения.

Основной алгоритм работы регулятора заключается в формиро нии импульсов открытия группы ключей инвертора при отставании кущей скорости от заданной (релейный принцип) и вырезании в пульсах просечек пропорциональных увеличению текущей скоро вращения (дифференциальный принцип). При этом релейный закон равления устраняет статическую ошибку по скорости, а дифферен альный оказывает демпфирующее влияние на возникающие пульсации

В главе подробно описан принцип работы регулятора и прове но заключительное проектирование электропривода в целом. Це данного проектирования являлось определения оптимальных настр функционального регулятора при его работе с реальным коммута ром. Проектирование производилось на конструкторском пакете Р£ се, являющемся мировым лидером в моделировании электромехани1

и систем, с использованием реальных характеристик компонентов тектронных и магнитных цепей.

Результаты экспериментального исследования в сравнении с анными моделирования и проектирования системы электропривода зедставлены на рис.2. Из рисунка видно, что погрешность методики ючета относительно результатов эксперимента не превышает \0%.

а) 6)

в)

Рис. 2. Сравнительный анализ результатов эксперимента с расчетными данными

В ПРИЛОЖЕНИЯХ приведены листинги программы моделирования языке Pascal и модели ВД на пакете PSpice, а также акт о внел

НИИ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проанализированы электромагнитные процессы в ВД при рг те с инверторами тока и напряжения при разных законах управле и их влияние на характеристики вентильного электропривода.

2. Исследованы методы стабилизации мгновенной и средней с рости ВД и предложены функции управления напряжения на обмот статора двигателя для снижения влияния пульсации электромагню го момента на неравномерность вращения ротора.

3. Написана программа на алгоритмическом языке Pascal моделирования работы вентильного электропривода, а также поде оптимальных закона регулирования и параметров регулятора.

4. Исходя из особенностей работы данного электроприЕ предложен релейно-дифференциальный регулятор в звене обра! связи по скорости.

5. Спроектирован цифровой 16 разрядный регулятор скорос использующий адаптационный алгоритм измерения и регулировг скорости вращения ротора.

6. Разработана модель на конструкторскомпакете PSpice проектирования вентильного электропривода исходя из реальных рактеристик полупроводниковых элементов предвключенной uei системы управления.

7. Разработан электропривод на базе ЭПБ2, позволяющий < ществлять наиболее точное регулирование и стабилизацию средне!

чговенной скорости вращения ротора.

8. Разработанный аппарат исследования и проектирования вен-шьного электропривода адекватно отражает процессы происходящие системе, что подтверждается проведенными исследованиями на размотанной экспериментальной установке.

9. Основным практическим результатом работы следует считать )едложенный комплекс совместно используемых программ и методик и наиболее быстрого и качественного анализа работы электропри->да и синтеза системы управления им, а также разработку цифрово-) релейно-дифференциального регулятора, являющегося универсаль-IM для применения в широком классе приводов.

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ РАБОТЫ:

1. И.Г. Цвенгер, А.Л. Зиннер. Математическая модель вентиль-го двигателя в системе электропривода // Энергетика, строитель-'во, архитектура: Тез. докл. республиканской студенческой на-н. - техн. конф. - Казань, 1995. - С. 84.

2. А.Л. Зиннер, И. Г. Цвенгер. Определение неравномерности ащения вентильных двигателей // Энергетика, строительство, ар-тектура: Тез. докл. республиканской студенческой научн,- техн. нф. - Казань, 1995. - С. 84.

3. Зиннер А.Л., Валиуллин P.P., Цвенгер И.Г. Вентильный ектропривод с высокой стабильностью скорости вращения // Эл. хан. системы в энергетике: Тез. докл. 2-й республиканской на-н.- техн. конф. - Казань, 1995.

4. Зиннер А.Л., Цвенгер И.Г. Регулировочные характеристики нтильных двигателей // Эл. механ. системы в энергетике: Тез.

докл. 2-й республиканской научн.- техн. конф. - Казань, 1995.

5. Зиннер Л.Я., Зиннер А.Л., Гайнутдинов М.Р., Цвенгер I Анализ электромагнитных процессов в вентильном двигателе при р личных законах управления // Проблемы промышленных электромехе ческих систем и перспективы их развития: Тез. докл. научн. - те конф. с междунар. участ. - Ульяновск, 1996. - С. 11-12.

6. Е.К. Жигалко, И.Г. Цвенгер, А.Л. Зиннер. Передато1 функции вентильного двигателя постоянного тока с возбуждением постоянных магнитов // Проблемы энергетики: Тез. докл. респуС канской научн.- техн. конф. - Казань, 1996. - С. 47.

7. В. В. Зиннер, И. Г. Цвенгер, А. Л. Зиннер. Неравномернс вращения вентильных двигателей // Проблемы энергетики: Тез. дс республиканской научн.- техн. конф. - Казань, 1996. - С. 48.

8. В. В. Зиннер, И.Г. Цвенгер. Сравнительный анализ элекч магнитных процессов в трехфазных инверторах тока и напряжен® Проблемы энергетики: Тез. докл. республиканской научн.- те конф. - Казань, 1997. - С. 15-16.