автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Управление моментом вентильно-индукторного двигателя

Введение.

Глава 1 Управление процессами электромеханического преобразования энергии в вентильно-индукторном двигателе.

1.1 Структуры систем управления регулируемых приводов.j j

1.2 Особенности конструкции индукторной машины.

1.3 Функциональная схема вентильно - индукторного двигателя.

1.4 Алгоритмы коммутации фаз ВИД.

1.4.1 Связь между частотой возбуждения фаз ВИД и частотой вращения ротора.

1.4.2 Токи обмоток ИД.

1.4.3 Электромагнитный момент в ВИД.

1.4.4 Кривая изменения мгновенного момента фазы ВИД. 1.5 Математические модели вентильно-индукторного двигателя.

1.6 Выводы.

Глава 2 Анализ процессов преобразования энергии в ВИД

2.1 Общие положения.

2.2 Основные положения теории электромеханического преобразования энергии в ВИД.

2.2.1 Влияние насыщения.

2.3 Анализ процессов изменения тока фазы в процессе коммутации.

2.3.1 Включение фазы и формирование переднего фронта тока.

2.3.2 Рабочий этап цикла коммутации.

2.3.3 Выключение фазы, и формирование заднего фронта тока.

2.4 Выводы.

Глава 3 Анализ колебаний электромагнитного момента ВИД 3.1 Причины вызывающие пульсации момента.

3.2 Исследование колебаний электромагнитного момента на математической модели ВИД.

3.2.1 Линейная модель ВИД.

3.3 Исследование колебаний электромагнитного момента с помощью линейной уточненной модели ВИД.

3.4 Выводы.

Глава 4 Способы уменьшения колебаний электромагнитного момента ВИД

4.1 Метод формирования фазных токов включенных обмоток обеспечивающихся постоянство ЭМ момента.

4.2 Описание вычислительного алгоритма (метод хука-дживса).

4.3 Использование экспериментальных характеристик ВИД для уточнения моделей двигателя. ц 4.4 Оптимизация управления из условия минимума потерь.

4.5 Оптимизация управления по минимуму напряжения питания.

4.6 Система управления ВИД.

4.7 Выводы.

В настоящее время одним из наиболее динамично развивающихся типов электромеханических преобразователей энергии (ЭМП) являются бесконтактные вентильные машины, к которым относятся и вентильно-ин-дукторные двигатели (ВИД).

ВИД имеют простую конструкцию, благодаря которой они исключительно надежны, долговечны и технологичны; хорошо приспособлены для работы во взрывоопасных и агрессивных средах при повышенной температуре; покрывают большой диапазон мощностей и обеспечивают глубокое регулирование частоты вращения, что обусловлено применением микропроцессорных регуляторов; имеют высокие энергетические показатели, в следствие пренебрежимо малого уровня потерь в роторе. Использование в ВИД полупроводниковых преобразователей в силу общемировых тенденций удешевления электронной техники не приводит к непомерному росту их стои-•i мости. Совместное рассмотрение цен на полупроводниковую технику и материалы, используемые при производстве ВИД, позволяет говорить о высоких экономических показателях данного класса ЭМП.

Высокие энергетические, экономические и технологические показатели позволяют ВИД все более успешно конкурировать с другими типами машин (двигателями постоянного тока, асинхронными и синхронными двигателями).

Области применения ВИД широки и разнообразны. Они могут быть использованы в электроприводах компрессоров, насосов, вентиляторов, стиральных машин, кухонных комбайнов и электроинструмента. Органическое объединение электромеханического звена и управляемого полупроводникового инвертора уже сегодня делает возможным создание на основе ВИД универсальных электроприводных комплексов, которые находят широкое применение в станкостроении, авиационно-космических системах, судовой технике, робототехнике, передовой технологии и медицине [83]. Одним из наи* более широких и важных применений ВИД в перспективе будет создание электромобильного транспорта. Существует прогноз, что через 20-40 лет на смену традиционному автомобилю придет электромобиль, оснащенный компактным источником электроэнергии и приводным вентильно-индукторным двигателем с микропроцессорной системой управления. В будущем ВИД, ин-тегрируясь с информационно-управляющими системами, обеспечат основу создания информационно-энергетических комплексов с дальнейшей их трансформацией в сложные агрегативные системы преобразования энергии, вещества, информации.

Первый ВИД был построен Дэвидсоном в Шотландии в 1838 году. Однако, в силу несовершенства существовавшей тогда элементной базы, широкого распространения вентильно-индукторные машины в те времена не получили. Современные достижения в области полупроводниковой техники, и прежде всего в создании силовых полупроводниковых ключей, а также микроконтроллеров и цифровых систем, способных реализовывать сложные алгоритмы управления, создало предпосылки для бурного развития ВИД.

Ведущие компании мира занимаются их разработкой и выпуском. Так, фирма Task Drives осуществляет серийный выпуск ВИД мощностью от 10 Вт до 200 кВт. Ведутся испытания машин мощностью до 300кВт с базовой скоростью от 500 до 1500 об/мин. Некоторые компании объявили о разработке ВИД малых мощностей со скоростями до 100000 об/мин. Для электромашинных усилителей аэрокосмической промышленности разрабатываются машины с номинальными данными 90 кВт и 50000 об/мин [84]. Научные работы по ВИД проводятся в разных странах мира в течение более чем двадцати последних лет. За это время были достигнуты большие успехи по расчету магнитного поля, характеристик, разработке способов управления. Однако до сих пор нет полного понимания процессов, происходящих в ВИД, не существует точной математической модели, не разработаны эффективные методы проектирования. Причиной тому являются ряд особенностей ВИД: относительно высокое насыщение магнитной цепи; резко несинусоидальный характер изменения тока, потока и напряжения; многообразие режимов регулирования частоты вращения. Одним из недостатков ВИД является колебание его электромагнитного момента, создающее сильной акустический шум, что создает серьезные препятствия для более широкого использования ВИД в промышленных и бытовых механизмах.

Имеющиеся способы снижения колебаний недостаточно эффективны и могут быть применены лишь для отдельных видов двигателей. Одной из основных задач данного диссертационного исследования является разработка общего, эффективного метода снижения колебаний электромагнитного момента и создание соответствующей системы управления.

Одной из важнейших характеристик ВИД, позволяющей оценить возможность его использования в следящих системах, является уровень пульсаций электромагнитного момента. Значения пульсаций момента в двигателях определяются соответствием форм распределения МДС обмотки и индукции воздушном зазоре по расточке статора. Формы распределения МДС и индукции зависят от типа электрической машины, принципа формирования электромагнитного момента [29].

В таблице приведены некоторые особенности регулируемых электроприводов и характерные или перспективные области их применения.

Таблица 1 исГ^пные Электропривод постоянного тока асинхронный вентильно-индукторный С машинами на постоянных магнитах оянства Отличные регулировочные возможности Возможность работы от жги переменного тока. Развитые схемотехника и программное обеспечение Простота, технологичность, низкая стоимость машины. Высокая надежность. Большие моменты при низких скоростях. Хорошие энергетические и массогабаритные показатели хггатки Трудоемкая и мате-риалоемкая дорогая машина Необходи-мостьобслуживания Сложность обеспечения высокой надежности. Относительно высокая стоимость Сложные алгоритмы управления. Недостаточно разработанное программное обеспечение Высокая стоимость машины. Маломощные ЭП цдочтигель-првменения Многодвигательные ЭПтехнологическкх пиний по систем источник то ка-дв ига-гели. Система Г-Д Общепромышленный ЭП широкого применения Легкие транспортные средства. Автомобильные стартер-генераторы. Общепромышленный Эп. эытовая техника. Низкоскоростные и высокоскоростные ЭП. Станки, роботы, бытовая гехника

В. 1 Актуальность темы

Важное место в современных электротехнических системах занимают электроприводы (ЭП) с электронным управлением. В настоящее время доля их выпуска быстро возрастает. Их применение позволяет снижать потребление # электроэнергии, увеличить производительность и расширить функциональные возможности производственного оборудования, а также, в ряде случаев, существенно повысить его надежность.

В 80-х годах в ряду приводов появился вентильно-индукторный двигатель (ВИД), который в зарубежной литературе он встречается с названием SRM (Switched Reluctance Motor).

Конструктивно ВИД аналогичен реактивному шаговому двигателю, питание обмоток двигателя от коммутатора с обратной связью по положению ротора обеспечивает высокие технико-экономические показатели ВИД и позволяет применять его в качестве управляемого электродвигателя в широком диапазоне мощностей. От традиционных конструкций электрических машин его отличает повышенная надежность, обусловленная отсутствием обмоток на роторе и применением для возбуждения полюсов статора простых и надежных сосредоточенных обмоток, не имеющих пересечений смежных катушек в лобовых частях. По простоте устройства и надежности ВИД 7 превосходит асинхронный двигатель (АД), трудоемкость его изготовления в 1,5.2 раза меньше, чем у АД. При этом КПД у ВИД на 2-5% выше. В сравнении с синхронными вентильными двигателями с электромагнитным возбуждением или возбуждением от постоянных магнитов (ПМ) ВИД конструктивно проще и надежнее, стоимость его существенно ниже. Характеристики ВИД находятся на уровне характеристик вентильных двигателей с ПМ. Диапазон мощностей создаваемых ВИД сегодня достаточно широк: от единиц Вт до сотен кВт.

В связи с вышеизложенным создание ЭП с ВИД, обладающих улучшенными технико-экономическими показателями и позволяющих создавать энергосберегающие технологии, является актуальной научно-технической задачей.

Интерес к реактивным индукторным двигателям в настоящее время вышел за рамки теоретических споров о месте ВИД среди регулируемых электрических машин. В настоящее время разработкой и внедрением их в новые сферы рынка занимаются практически все ведущие электротехнические компании -OULTON (Великобритания), EMERSON ELECTRIC, TRW, DANA, General Electric Company (США) и др. Над технологией проектирования и вопросами управления этих машин работают ученые ведущих университетов США, Великобритании, Германии и др. В России работы в этом направлении наиболее активно ведутся в Южно-Российском государственном техническом университете (ЮРГТУ), в Московском энергетическом институте (техническом университете), Всероссийском электровозостроительном научно-исследовательском и проектно-конструкторском институте (ОАО "ВЭлНИИ"), Ростовском государственном университете путей сообщения и др.

Есть основания полагать, что в ближайшее время вентильно-индукторные приводы составят серьезную альтернативу имеющимся электроприводам традиционных типов.

Однако, несмотря на простоту конструкции, проектирование ЭП с ВИД отличается спецификой, обусловленной двухсторонней явновыраженной зубчатостью магнитной системы и значительным влиянием насыщения зубдового слоя на электромагнитные процессы. Несмотря на большое количество патентов и публикаций, посвященных ЭП с ВИД, вопросы компьютерного моделирования процессов в системе «реактивный индукторный двигатель-преобразователь частоты-блок управления» (ВИД-ПЧ-БУ), выбора структуры и геометрии зубцового слоя РИД, а также оптимизационного проектирования, разработки алгоритмов питания обмоток и работы коммутатора, обеспечивающих высокие технико-экономические показатели и снижение пульсаций электромагнитного момента, не получили достаточного развития. Отсутствие методик проектирования и компьютерных моделей, позволяющих на уровне мгновенных значений электромагнитных величин с высокой точностью определять функциональные параметры ЭП с ВИД, и, как следствие, неразработанность указанных проблемных вопросов, в значительной степени сдерживают широкое внедрение этих двигателей в практику электромашиностроения и современные электротехнические комплексы.

В. 2 Цель работы

Целью работы является разработка методов снижения колебаний электромагнитного момента вентильно-индукгорных электроприводов и создание системы управления ВИД, реализующих эти методы.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

Анализ процессов преобразования энергии в вентильно-индукторных двигателях.

Исследование причины возникновения колебаний электромагнитного момента.

Разработка способов минимизации колебаний электромагнитного момента.

Создание математической модели ВИД, позволяющий исследовать процессы электромеханического преобразования энергии в двигателе.

Исследование на модели систем управления ВИД реализующих предложенные способы уменьшения колебаний электромагнитного момента, с учетом нелинейности магнитной системы и ошибок в измерении углового положения ротора. Разработка структур систем управления, реализующих разработанные методы.

Методы исследований. Исследования проведены с использованием следующих методов:

• Численные методы решения нелинейных алгебраических уравнений - для расчета цепных схем замещения магнитной системы двигателя;

• Численные методы решения дифференциальных уравнений - для расчета электромагнитных процессов в вентильно-индукгорном электроприводе.

• Методы аппроксимация с помощью сплайн функций - для расчета составляющих формы тока.

• Теория оптимизации - для расчета желаемого момента.

• Компьютерные моделирования.

В. 3 Практическая ценность и значение работы

1. Разработана компьютерная модель ЭП с ВИД, которая позволяет проводить исследование ВИД с улучшенными технико-экономическими показателями.

2. Выработаны рекомендации по выбору углов включения и отключения фазных обмоток двигателя, обеспечивающих максимальную эффективность электромеханического преобразования энергии.

3. Предложен метод аппроксимации кривых тока произвольной формы с помощью В-сплайн функций.

4. Разработана методика уменьшения пульсаций электромагнитного момента и предложена структура систем управления ВИД, позволяющие создавать электроприводы с улучшенными техническими характеристиками.

Выводы:

1- На рис. 4.5, 4.8, 4.12 показаны, кривые изменения токов и моментов всех фаз и результирующего момента при наличии напряжения на трех обмотках одновременно. Полученные результаты подтверждают тот факт, что метод фазных составляющих момента дает возможность уменьшить амплитуду колебаний момента двигателя за счет определения формы фазных токов. Результаты зависят от точности аппроксимации желаемой формы кривой В-сплайнами и могут быть улучшены за счет увеличения числа итераций и количества замещающих кривых. Однако улучшение результата ведет к возрастанию времени вычислений.

2- Полное устранение колебаний момента требует иметь бесконечно большую форсировку напряжения, т.к. ток фазы при ее включении должен мгновенно достигать установившегося значения, чему препятствует индуктивность.

3- При одновременны работе нескольких фаз уменьшение амплитуды колебаний момента приводит к возрастанию потерь в двигателе, поэтому при проектировании системы управления необходимо четко определить требования к величине пульсаций момента.

4- В работе показано, что приближенная линейная модель ВИД может быть уточнена за счет использования экспериментальных данных, определяющих зависимость магнитной проводимости от углового положения ротора и тока. Такая уточненная модель должна использоваться при построении реальной системы управления ВИД.