автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Управление вентильным двигателем в системах точных электроприводов

Л .¿. -а- Ч " ■■" Л--«-' _______ .

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

КАЗАНСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ЗИННЕР АНДРЕЙ ЛЬВОВИЧ

УПРАВЛЕНИЕ ВЕНТИЛЬНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ В СИСТЕМАХ ТОЧНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - заслуженный деятель науки и техники России и РТ доктор технических наук, профессор A.B. Фафурин

Казань 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................5

1. АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРИЧИН НЕРАВНОМЕРНОСТИ ВРАЩЕНИЯ ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ..................................................................10

1Л. Состояние вопроса и постановка задачи исследования..........10

1.2. Анализ причин неравномерности вращения

вентильных двигателей..................................................16

1.3. Анализ составляющих магнитного поля ВД в равномерном воздушном зазоре......................................18

1.3.1. М.Д.С. вентильных двигателей.........................................18

1.3.2. Анализ магнитного поля якоря вентильного двигателя............28

1.3.3. Анализ магнитного поля ротора вентильного двигателя..........47

1.4. Электромагнитный момент ВД при равномерном воздушном зазоре и его анализ...........................................59

1.5. Аналитическая и экспериментальная проверки математической модели ВД...............................................64

ВЫВОДЫ.............................................................................88

2. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА НЕРАВНОМЕРНОСТЬ ВРАЩЕНИЯ ВД В СИСТЕМЕ ТОЧНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА...........................................90

2.1. Анализ механических причин неравномерности

вращения ВД в системе точного привода...............................91

2.1.1. Статический и динамический эксцентриситеты ротора............ .91

2.1.2. Эллиптичность статора и овальность ротора...........................95

2.1.3. Зубчатость статора и явнополюсность ротора.........................97

2.2. Проводимость неравномерного воздушного зазора.................100

2.3. Анализ составляющих магнитного поля в неравномерном воздушном зазоре ВД постояннго тока.................................103

ВЫВОДЫ.............................................................................113

3. АНАЛИЗ СОСТАВЛЯЮЩИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО МОМЕНТА ВД С НЕРАВНОМЕРНЫМ ВОЗДУШНЫМ ЗАЗОРОМ.........................................................................114

3 Л. Электромагнитный момент неявнополюсного ВД с

эксцентричным воздушным зазором....................................115

3.2. Электромагнитный момент ВД при эллиптичном статоре.........128

3.3. Электромагнитный момент в явнополюсных ВД......................131

3.3 Л. Электромагнитный момент в явнополюсных ВД при

коаксиальном распоряжении ротора в расточке статора...........132

3.3.2. Реактивный момент, обусловленный эксцентричном

расположением явнополюсного возбужденного ротора........„...134

ВЫВОДЫ..............................................................................139

4. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МОМЕНТ И НЕРАВНОМЕРНОСТЬ ВРАЩЕНИЯ ВД В ОБЛАСТИ НИЗКИХ И ПОЛЗУЧИХ ЧАСТОТ ВРАЩЕНИЯ.....................141

4.1. Анализ составляющих электромагнитного момента и неравномерности вращения ВД при работе коммутатора

в режиме инвертора тока....................................................142

4.2. Анализ составляющих электромагнитного момента и неравномерности вращения при работе в режиме инвертора напряжения.....................................................................149

4.3. Анализ составляющих момента и неравномерности вращения, обусловленных пространственными

гармониками поля............................................................153

4.4. Синтез оптимальных законов управления токами ВД для компенсации угловой неравномерности вращения....................158

4.5. Синтез системы управления ВД..........................................165

4.6. Результаты экспериментальных исследований

ВД в системе точного электропривода...................................173

ВЫВОДЫ...............................................................................178

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................180

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.........................................................182

ПРИЛОЖЕНИЯ......................................................................190

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы: появление новой техники в ряде производств предъявляет повышенные требования в отношении увеличения диапазона регулирования частоты вращения, точности отработки заданной частоты вращения, стабильности мгновенной частоты вращения и неравномерности вращения вала. Такие системы находят широкое применение в станочном приводе, металлургии, химической промышленности при получении тонких пленок и волокон, поверочной технике, звукозаписывающей и звуковоспроизводящей технике, приборостроении, тахометрической аппаратуре и т.д.

Среди возможных вариантов исполнения систем задания и поддержания необходимой частоты вращения наибольшее распространение в последние годы находят электроприводы на основе бесколлекторных двигателей постоянного тока - вентильных двигателей (ВД), содержащих в своем составе: полупроводниковый коммутатор (инвертор), управляемый или неуправляемый выпрямитель, датчик углового положения ротора, систему управления коммутатором по положению ротора и синхронную машину.

К основным достоинствам такой системы электропривода относятся возможность регулирования в широком диапазоне частоты вращения, направленное формирование механической и регулировочной характеристик, точное задание и поддержание средней и мгновенной частоты вращения, возможность работы в агрессивных и взрывоопасных средах.

Перечисленные достоинства систем с вентильными двигателями (ВД) достигается современным уровнем развития полупроводниковой и преобразовательной техники, а также высокоэффективных постоянных магнитов, что позволяет создать ВД с органически связанными коммутатором, системы управления по положению ротора и собственно электромеханическим преобразователем.

Учитывая, что ВД является довольно сложной машинно-вентильной системой, работа которого отличается от работы обычных электродвигателей требуется его дальнейшее исследование.

Основные результаты, посвященные исследованию и разработке ВД, отражены в работах по проектированию электромеханических преобразователей с постоянными магнитами (В. А. Балагуров, А.И. Бертинов, В.А. Лифанов, Ю.А. Конев, В.П. Комеников, Ф.М. Юферов); вопросы теории электромагнитных процессов ВД представлены в работах А.К. Аракеляна, A.A. Афанасьева, A.A. Ду-бенского, Л.Я. Зиннера, В.А. Кугумова, И.Е. Овчинникова, Н.И. Лебедева, А.Б. Цукублина, В.П. Фрумина, А.И. Скороспешкина и др.

Несмотря на достаточно обширный материал по теории и проектированию ВД, остаются неясными многие вопросы, связанные с особенностями работы ВД в системе электропривода.

К таким особенностям относятся питание ВД от сети переменного тока через выпрямитель, дискретный характер переключения фаз якорной обмотки через коммутатор, дискретное распределение якорной обмотки в пазах статора, возбуждение от постоянных магнитов. Перечисленные особенности приводят к появлению в магнитном поле машины высших гармонических составляющих как временного, так и пространственного характера. При работе ВД в системе точного задания мгновенной частоты вращения, где предъявляются высокие требования к равномерности вращения вала и рабочей машины, существенное влияние оказывают и механические факторы такие, как эксцентриситет ротора, эллиптичность расточки статора, овальность и явнополюсность ротора, зубчатость статора, приводящие к модуляции проводимости воздушного зазора и, как следствие, появлению в магнитном поле воздушного зазора дополнительных временных и пространственных гармоник поля.

Перечисленные особенности электромагнитного и механического характера приводят к модуляции электромагнитного момента и к угловой неравномерности вращения ВД. Отметим в связи с этим, что вопрос влияния перечисленных фак-

торов на стабильность мгновенной частоты вращения ВД, как теоретически, так и практически до сих пор не изучен.

Решению перечисленных проблем в комплексе и посвящена настоящая диссертация.

Цель работы заключается в исследовании электромагнитных и механических причин неравномерности вращения вентильных двигателей, разработке системы допусков на механические факторы и схем компенсации электромагнитных причин неравномерности вращения ВД.

Задача научного исследования состоит в систематизации причин неравномерности вращения ВД, их теоретическом описании и анализе и разработке оптимальных алгоритмов и схем управления для компенсации угловой неравномерности вращения ВД в системе электропривода.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе рассматриваются следующие вопросы:

- систематизация причин неравномерности вращения ВД;

- математическое описание магнитного поля в воздушном зазоре машины;

- математический анализ временных и пространственных составляющих электромагнитного момента, обусловленных неравномерностью магнитного поля;

- анализ механических причин неравномерности вращения ВД;

- математическое описание влияния механических факторов на магнитное поле, электромагнитный момент и неравномерность вращения ВД;

- исследование неравномерности вращения ВД в области низких частот вращения при питании от инвертора тока и инвертора напряжения;

- разработка алгоритмов и систем управления ВД, направленных на компенсацию причин угловой неравномерности вращения ВД;

- сравнение теоретических характеристик системы электропривода с ВД с результатами практического исследования.

Основные методы исследования. В основу теоретических исследований электромагнитных процессов в системе электропривода с вентильным двигате-

лем положены волновые уравнения теории электромагнитного поля и спектральные методы их решения и анализа.

В основу теоретических исследований влияний механических факторов положен метод гармонических проводимостей воздушного зазора и метод гармонического баланса, позволяющие оценить степень влияния составляющих неравномерности воздушного зазора машины на электромагнитный момент, пульсацию угловой частоты вращения и выработать систему допусков на механические факторы. Для оценки точности результатов и правильности теоретических выводов проведены расчеты и дано их сравнение с известными экспериментальными исследованиями, а также проведен ряд экспериментальных исследований, в ходе которых подтверждена правильность исходных положений и результатов исследований.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- систематизированы причины неравномерности вращения ВД в системе точного электропривода;

- разработана математическая модель и метод анализа электромагнитного поля ВД, позволяющие учесть как пространственную, так и временную его неравномерность;

- получены аналитические выражения для составляющих электромагнитного поля, электромагнитного момента;

- сформулированы условия аналитического процесса электромагнитного преобразования энергии в ВД и синтезированы уравнения управления напряжением якоря для компенсации пульсации момента;

- разработаны алгориты и схемы компенсации пульсации электромагнитного момента и угловой неравномерности вращения.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

- в разработке методики расчета параметров магнитного поля в воздушном зазоре ВД с учетом его пространственной и временной неоднородности;

в разработке методики и аналитических выражений для расчета составляющих электромагнитного момента, обусловленных временными и пространственными составляющими магнитного поля, а также составляющими неравномерности воздушного зазора ВД;

- в разработке программы на ПВЭМ для анализа и расчета магнитного поля и электромагнитного момента ВД;

- в разработке алгоритмов и систем у оптимального управления ВД, направленных на компенсацию угловой неравномерности вращения.

Реализация результатов работы

Основные результаты и рекомендации диссертационной работы использованы при проектировании и изготовлении экспериментального образца ВД для привода прецизионных дозаторов жидкостей и газов во Всероссийском Научно-Исследовательском Институте расходометрии г. Казани, в учебном процессе КГТУ.

Апробация. Основные положения и результаты работы докладывались на 2-й Республиканской научно-технической конференции «Электромеханические системы и перспективы их развития» г. Ульяновск, 1996г.; Республиканской научно-технической конференции «Проблемы энергетики» г. Казань, 1996г.; Республиканской научно-технической конференции «Проблемы энергетики» г. Казань, 1997г.; Республиканской научн. - техн. конф. «Электротехнические системы энергетики». - Казань, 1995г.; Республ. Студенческой научн. - техн. конф. «Энергетика, строительство и архитектура» - Казань, 1995г.; 8-й международной конф. Молодых ученых «Синтез, исследования свойств, модификаций и переработки ВМС». - Казань 1996г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ.

Структура и объем работ. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 189 страниц машинописного текста, 7 таблиц, 43 рисунка, списка литературы, включающего 90 наименований, 108 страниц приложений.

1. АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРИЧИН НЕРАВНОМЕРНОСТИ ВРАЩЕНИЯ ВЕНТИЛЬНОГО

ДВИГАТЕЛЯ

1.1. Состояние вопроса и постановка задачи исследования

В связи с широким применением в современной технике и технологии прецизионных приводов постоянного и переменного тока, включающих в свой состав электромеханические преобразователи постоянного и переменного тока, тиристорные и транзисторные преобразователи частоты, средства микроэлектроники, управляющие вычислительные машины, возникает острая необходимость в правильном выборе составляющих системы электропривода для улучшения точностных и динамических характеристик, надежности и массогабаритных показателей системы электропривода в целом.

Анализ технической и системной литературы показывает, что значительная часть выпускаемых электроприводов строится на основе коллекторных двигателей постоянного тока, удовлетворяющим многим требованиям современного состояния техники. Однако, применение машин постоянного тока в ряде случаев ограничивается их специфическими недостатками, такими как низкая надежность, малый ресурс, невозможность работы в агрессивных взрывоопасных средах, сложность технологии изготовления, низкие массогабаритные показатели, ограничения по частоте вращения и т.д.

Это заставляет искать другие возможности решения проблемы. Анализ указанных недостатков приводов на основе двигателей постоянного тока показывает, что расширение и улучшение электроприводов возможно за счет применения бесконтактных машин [1,2].

В областях, где предъявляются высокие требования к надежности в тяжелых условиях работы и эксплуатации широкое применение нашли электроприводы на основе асинхронных двигателей [3, 4].

Применение электроприводов на основе АД в системах с точным заданием и поддержанием частоты вращения затруднено сложностью поддержания постоянства скольжения, связанного с его зависимостью с моментом сопротивления на валу. Из сравнительного анализа различных приводов [1,2] по таким критериям, как точность регулирования, диапазон регулирования частоты вращения, кратность пускового момента, стоимость и др. Предпочтительным является электропривод на основе вентильного двигателя (ВД).

Наибольшее распространение в настоящее время получили ВД на основе синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов [5,6]. Это подтверждается их широким распространением в отечественной практике [7-11] и разработками ряда фирм зарубежных стран.

В качестве перспективы дальнейшего усовершенствования ВД намечается разработка оптимальных алгоритмов и систем управления, совершенствование конструкции электромеханического преобразователя, применение микропроцессорных схем автоматики, управляющих ЭВМ, схем на сверхбольших микросхемах и интегральных силовых схем на полупроводниковых приборах.

Необходимо отметить, что имеющийся на настоящее время опыт разработки, проектирования и методы анализа электромагнитных процессов ВД позволяют осуществить их широкое внедрение в самые различные области промышленности в качестве общепромышленного силового привода.

Однако применительно к системам, где требуется точное задание и поддержание средней и мгновенной частоты вращения использование существующих электроприводов встречает серьезные затруднения, органически связанные с их конструкцией и принципом работы, следующих из функциональной схемы ВД (Рис. 1.1)

В зависимости от углового положения индуктора относительно обмоток якоря (статора) датчики положения индуктора (ДПР) вырабатывают управляющие сигналы, поступающие на силовые ключи и управляющие их включением таким образом, чтобы относительное расположение векторов М.Д.С.

(X 2 71

якоря и индуктора составляло