автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Установившиеся электромагнитные процессы многофазных вентильных двигателей в штатных и аварийных режимах

На правах рукописи

Вигриянов Павел Георгиевич

УСТАНОВИВШИЕСЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ МНОГОФАЗНЫХ ВЕНТИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В ШТАТНЫХ И АВАРИЙНЫХ РЕЖИМАХ

Специальность 05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

МАЙ 2013

0050ьи<*"~

Томск - 2013

005060463

Работа выполнена на кафедре электрооборудования и автоматизации производственных процессов филиала ФБГОУ ВПО « ЮУрГУ» (НИУ) в г. Златоусте

Научный консультант Воронин Сергей Григорьевич,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Казанцев Юрий Михайлович,

доктор технических наук, профессор,

ОАО НПЦ «Полюс»,

заместитель главного конструктора;

Казаков Юрий Борисович, доктор технических наук, профессор, Ивановский государственный энергетический университет, зав. кафедрой электромеханики;

Исмагилов Флюр Рашитович, доктор технических наук, профессор, Уфимский государственный авиационный технический университет, зав. кафедрой электромеханики.

Ведущая организация ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», г. Екатеринбург

Защита состоится 28 июня 2013 г. в 15-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.269.11 при ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» по адресу 634050, г. Томск, ул. Усова д.7, ауд. 217.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОГУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ул. Белинского, 55).

Автореферат разослан « ¡иСЬ^ 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.269.11 канд. техн. наук, доцент -«—Ю.Н. Дементьев

ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность избранной темы

В автоматизированных приводах техники новых поколений заметное место занимает электропривод на основе вентильных двигателей (ВД) постоянного тока, нашедший применение в системах управления летательных аппаратов, космических аппаратах и промышленных роботах, манипуляторах, металлорежущих станках, медико-биологических и информационно-преобразовательных устройствах. Это объясняется его гибкостью и многофункциональностью, возможностью построения высококачественных систем управления, хорошими динамическими показателями и регулировочными свойствами, разнообразием конструкций и схем, возможностью работы в тяжелых условиях эксплуатации, большим сроком службы.

Вопросам обеспечения высокой надежности при конструировании и эксплуатации электроприводов автономных объектов всегда уделялось значительное внимание. Несмотря на значительные усилия в этой области, за последние 20 лет уровень надежности электроприводов остается недостаточно высоким и не удовлетворяет все возрастающим требованиям, поскольку приводит не только к увеличению стоимости эксплуатации, но часто и к аварийным ситуациям более сложного объекта.

Дальнейшее повышение надежности, улучшение массоэнергетических, точностных и динамических характеристик электроприводов на основе ВД возможно главным образом за счет применения новых материалов и конструктивных решений при создании электромеханического преобразователя (ЭМП) исполнительного элемента, а также использования новых методов резервирования, так как совершенствование и миниатюризация электронной аппаратуры привода и микропроцессорной техники пока не ограничены. Для эффективного использования новых методов резервирования необходим соответствующий математический аппарат, адекватно отражающий свойства реального объекта при всем разнообразии схем управления ВД, позволяющий учесть многообразие предъявляемых к нему технических требований и позволяющий реализовать возможные алгоритмы управления коммутацией фаз в штатных и аварийных режимах работы.

Цель диссертационной работы - развитие общей теории электромагнитных процессов электромеханических преобразователей в составе ВД для штатных и аварийных режимов работы и создание на этой основе методов обеспечения надежности и энергетической эффективности многофазных вентильных двигателей.

Научная гипотеза заключается в том, что увеличение числа фаз ЭМП позволит повысить показатели надежности и энергетическую эффективность ВД.

Основные задачи исследования

Для достижения поставленной цели необходимо последовательно решить следующие задачи.

1. Провести анализ и систематизацию схем соединений, способов питания и алгоритмов коммутации фаз обмотки ВД.

2. Построить математические модели многофазных ВД с сосредоточенными параметрами для штатных и аварийных режимов работы.

3. Провести анализ методов исследования физических процессов ВД и выбрать метод исследования ЭМП с изменяющейся структурой в исправном состоянии и при отказах отдельных элементов.

4. Провести разработку общей методики исследования электромагнитных процессов многофазных ВД различных вариантов исполнения в штатных и аварийных режимах работы.

5. Разработать математический аппарат исследования установившихся электромагнитных процессов ЭМП с изменяемой структурой в штатных и аварийных режимах работы многофазных ВД.

6. Создать программное обеспечение для расчета мгновенных значений координат и интегральных характеристик многофазных ВД в штатных и аварийных режимах работы.

7. Исследовать особенности протекания электромагнитных процессов в ЭМП в аварийных режимах работы.

8. Сформулировать практические рекомендации по проектированию многофазных ВД повышенной надежности для систем управления автономных объектов.

Объект исследования - электромеханические преобразователи многофазных вентильных двигателей постоянного тока малой мощности (до одного кВт), имеющие различные варианты схем построения.

Предмет исследования - установившиеся электромагнитные процессы электромеханических преобразователей многофазных вентильных двигателей в штатных и аварийных режимах работы.

Методы исследования

Исследования проведены с использованием фундаментальных основ теории электрических машин, традиционных методов интегрального и дифференциального исчисления, методах вычислительной математики, нашедших применение в процессе аналитических и численных операций. Основным методом исследования выбран метод численного моделирования. Для решения систем дифференциальных уравнений высокого порядка разработана общая методика расчета, ориентированная на применение средств вычислительной техники. Решение трансцендентных уравнений и интегрирование функций осуществляется с помощью численных и аналитических методов, доработанных с учетом особенностей протекания физических процессов в электромеханических преобразователях многофазных ВД.

Математическое моделирование осуществлялось на IBM PC совместимых персональных компьютерах, среда объектно-ориентированного программирования Borland C++Builder 5 Enterprise Edition, язык программиро-

вания С++. Экспериментальные исследования проводились на специально разработанных стендах.

Достоверность полученных результатов обеспечивается обоснованностью и корректностью принятых допущений, адекватностью используемых математических методов, моделей и алгоритмов, совпадением результатов расчетов электромагнитных процессов различными методами, подтверждением результатов расчетов физическими экспериментами на опытных и серийных образцах многофазных ВД, а также в составе опытных партий устройств систем автоматики.

Связь темы диссертации с научно-техническими программами

Работа выполнялась в соответствии с планом научных исследований Минвуза по направлению 8 «Автоматизация и повышение надежности электроснабжения и электроприводов промышленных предприятий» проблеме 30 «Разработка и исследование электрических машин, систем автоматики и специальных установок».

Научная новизна исследования

1. Предложен новый научный подход к проектированию вентильных двигателей, позволяющий на стадии проектно-конструкторской проработки обосновать выбор рациональной структуры ЭМП с целью обеспечения заданных показателей надежности и обоснования необходимого резервирования.

2. Предложены математические модели ВД малой мощности с возбуждением от постоянных магнитов, позволяющие исследовать характеристики машин с любым числом фаз при различных схемах соединения, способах питания и алгоритмах коммутации фаз обмотки.

3. Реализован углубленный метод анализа ЭМП, позволивший исследовать физические процессы при асимметрии электромагнитных связей между фазами обмотки якоря.

4. Впервые предложена, обоснована и применена для формального описания алгоритмов коммутации и исследования электромагнитных процессов специальная коммутационная функция, позволившая получить удобный для программирования математический аппарат в виде циклов и рекуррентных выражений.

5. Предложена и разработана общая методика исследования установившихся электромагнитных процессов ВД с постоянной и изменяющейся структурой ЭМП в штатных и аварийных режимах работы, позволяющая исследовать физические процессы в двигателях с любым числом фаз и обосновать выбор рациональной структуры исполнительных элементов электропривода с целью обеспечения заданных показателей надежности и обоснования необходимого резервирования.

6. Впервые разработано алгоритмическое и программное обеспечение, позволившее реализовать абсолютно устойчивый адаптивный метод решения систем дифференциальных уравнений и проводить исследования уста-

новившихся электромагнитных процессов ВД с любым числом фаз с постоянной и изменяющейся структурой ЭМП в штатных и аварийных режимах работы.

7. Получены результаты расчетов энергетических, электромеханических, механических характеристик и пульсаций токовой составляющей электромагнитного момента многофазных ВД в штатных и аварийных режимах работы, которые позволили провести анализ влияния на них параметров обмотки якоря ЭМП и угла управления коммутацией.

8. Проведена количественная оценка влияния единичных отказов элементов силовой части на мгновенные значения координат и интегральные характеристики машины, что позволило установить степень влияния на них отказов элементов, получить обоснованные критерии оценки показателей надежности, реализовать новые методы резервирования ЭМП и оценить работоспособность бесконтактного электропривода на основе ВД.

9. Предложены инженерные методы расчёта характеристик многофазных ВД в штатных и аварийных режимах работы.

Новизна предложенных методики исследования, алгоритмов и программных комплексов, подтверждена свидетельствами о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Практическая значимость диссертационного исследования

Основным практическим результатом теоретических исследований является разработка программных комплексов для исследования электромагнитных процессов многофазных ВД в штатных и аварийных режимах работы, показавших свою эффективность при разработке ряда проектов. Программные комплексы представляют собой эффективный инструмент проектирования, позволяющий облегчить работу по проектированию целого класса машин - многофазных ВД, повысить качество проектных работ при сокращении сроков их выполнения, экономить ресурсы за счет исключения этапа макетирования при разработке бесконтактных электроприводов на основе ВД.

Практическое значение проведенных исследований подтверждается выполнением следующих работ.

1. Проведена сравнительная оценка точности и определена область применения инженерных методов расчета энергетических параметров.

2. Разработаны программные комплексы для расчета энергетических характеристик многофазных ВД по мгновенным значениям координат в штатных и аварийных режимах работы, позволившие на стадии проектно-конструкторской проработки вариантов исполнения машины провести исследование влияния параметров обмотки якоря и угла управления коммутацией на характеристики двигателей, обосновать выбор рациональной структуры ЭМП и необходимого резервирования ВД.

3. Определена степень влияния количества фаз на характеристики двигателей в штатных и аварийных режимах работы, что позволило дать ре-

комендации по выбору вариантов схем исполнения двигателей, алгоритмов управления коммутацией фаз обмотки якоря и оценить работоспособность многофазных ВД.

4. Установлены зависимости между выходными характеристиками ВД и параметрами обмотки якоря, получены упрощенные аппроксимирующие зависимости, позволяющие в процессе синтеза электроприводов и решении задач оптимального проектирования учитывать энергетические параметры многофазных ВД в штатных и аварийных режимах работы.

Внедрение результатов работы

Практическая полезность работы заключается в эффективном использовании программных комплексов в конкретных проектах, внедренных в инженерную практику предприятий и организаций Российской Федерации.

1. Всесоюзный научно-исследовательский институт электромеханики (51 отдел, г. Миасс) при разработке опытной серии вентильных электроприводов приводов специализированных механизмов.

2. ОАО «Миассэлектроаппарат», г. Миасс.

3. Государственный ракетный центр имени академика В.П. Макеева, г. Миасс.

4. Научно-исследовательский институт прикладной механики им. В.И. Кузнецова, г. Москва.

5. Государственный научно-производственный ракетно-космический центр «ЦСКБ-Прогресс» г. Самара.

6. ОАО «Научно-производственное объединение «Электромашина», г. Челябинск.

7. Златоустовское УПП ВОС им. Н.Р. Музыченко, г. Златоуст.

Использование в учебном процессе

Разработанный теоретический материал и программные комплексы внедрены в учебный процесс ЮУрГУ в виде монографий и используются при чтении лекций по курсам «Электрические машины», «Системы управления электроприводов», «Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов», а также в курсовом проектировании в дисциплинах связанных с изучением электрических машин и систем управления автоматизированных электроприводов.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались и получили положительные отзывы на 11 всесоюзных и всероссийских научно-технических конференциях, включая конференции с международным участием:

1. Всесоюзный семинар «Электромеханические системы с постоянными магнитами» (г. Златоуст, 1985);

2. 1-я Всесоюзная научно-техническая конференция по электромехано-тронике (г. Ленинград, 1987);

3. Научно-технический семинар «Контроль, техническая диагностика и прогнозирование в приборостроении» (г. Ленинград, 1989);

4. Всесоюзная научно-техническая конференция «Вентильные электромеханические системы с постоянными магнитами» (г. Москва, 1989);

5. Всесоюзный семинар «Кибернетика электроэнергетических систем» (г. Челябинск, 1990);

6. Региональная научно-техническая конференция «Управляемые электромеханические системы» (г. Киров, 1990);

7. Российская научно-техническая конференция «Новейшие технологии в приборостроении» (г. Томск: ТПУ, 1999).

8. Межвузовской научно-технической конференции «Управляющие и вычислительные системы. Новые технологии» (г. Вологда, 2000);

9. Всероссийская научно-техническая конференция «Аэрокосмическая техника и высокие технологии - 2001» (г. Пермь, 2001);

10. Международная научно-техническая конференция «Электромеханические преобразователи энергии» (г. Томск, 2001);

11. VII Международный симпозиуме «Фундаментальные и прикладные проблемы науки» (п. Непряхино, Челябинской обл., 2012).

Публикации

Основные теоретические выводы и результаты диссертации изложены в 57 опубликованных работах, в том числе в 16 изданиях, рекомендованных ВАК и двух монографиях. По результатам диссертационной работы оформлено 9 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ лично автором.

Основные научные результаты и положения, выносимые на защиту

1. Специальная коммутационная функция, связывающая фазные координаты на смежных межкоммутационных интервалах (МКИ) при симметричной коммутации.

2. Способ формального описания и расчет алгоритмов управления коммутацией фаз ВД с любым числом фаз обмотки якоря для штатных и аварийных режимов работы при изменяющейся и постоянной структуре ЭМП.

3. Общая методика исследования электромагнитных процессов ВД с постоянной и изменяющейся структурой ЭМП в штатных и аварийных режимах работы.

4. Математический аппарат исследования электромагнитных процессов ориентированный на применение численного метода моделирования физических процессов.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения; содержит 330 страниц машинописного текста, 26 таблиц, 71 рисунок, библиографический список, включающий 208 наименований, 30 страниц приложений.

В заключении приводятся основные теоретические п практические результаты работы

В диссертационной работе содержатся научно доказанные теоретические положения, касающиеся описания установившихся электромагнитных процессов в штатных и аварийных режимах работы многофазных ВД малой мощности. В результате расширена существующая теоретическая база по проектированию электрических машин этого класса. На основе теоретических исследований разработаны и внедрены в производственную инженерную практику программные комплексы расчета мгновенных значений координат и энергетических характеристик широкого круга вариантов исполнения многофазных ВД. Решенная проблема позволяет внести значительный вклад в развитие отечественного электромашиностроения, играющего важную роль в экономике и обеспечении обороноспособности страны.

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований автором получены следующие основные результаты.

1. Предложена научная гипотеза этапа предварительного проектирования ВД повышенной надежности, основой которой является положение о том, что многофазный двигатель сохраняет работоспособность при отказах отдельных его элементов. Проведенный анализ позволил свести наиболее вероятные отказы в схеме двигателя к четырем видам отказов элементов силового канала, что помогло формализовать исследование электромагнитных процессов ЭМП с постоянной и изменяемой структурой в штатных и аварийных режимах работы.

2. Предложен новый подход, общая методика и разработан математический аппарат, позволяющий исследовать установившиеся электромагнитные процессы ЭМП с постоянной и изменяющейся структурой по мгновенным значениям координат. Это дает возможность провести количественную оценку мгновенных значений координат и энергетических параметров машины в штатных и аварийных режимах, применить новые методы резервирования исполнительных элементов электроприводов систем автоматики, выполненных на базе многофазных ВД с автономными каналами управления коммутацией, повысить надежность их работы.

3. Впервые предложена специальная коммутационная функция, связывающая электромагнитные процессы в ЭМП на смежных МКИ. Применение этой функции позволяет проводить расчеты алгоритмов управления коммутацией фаз в исправной машине и в аварийных режимах работы. При этом реализован последовательный переход от алгоритма управления коммутацией фаз с одной структурой ЭМП к алгоритму управления коммутацией с другой структурой ЭМП по результатам контроля мгновенных значений фазных токов.

4. Проведенная количественная оценка влияния единичных отказов элементов на мгновенные значения координат и интегральные характери-

стики позволила оценить работоспособность машины в аварийных режимах работы, а проведенные ресурсные испытания опытных образцов на предприятии Заказчика подтвердили исходную научную гипотезу о возможности повышения уровня надежности бесконтактных электроприводов на основе многофазных ВД.

5. Основным практическим результатом работы следует считать разработку программных комплексов, которые применялось для исследования электромагнитных процессов многофазных ВД в штатных и аварийных режимах работы и были использованы при создании опытных образцов бесконтактных электроприводов специального назначения на предприятиях НИИ ИМ (г. Москва), ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» (г. Самара), ГРЦ им. В.П. Макеева (г. Миасс), ОАО «Миассэлектроаппарат» (г. Миасс), ОАО «НПО «Электромашина» (г. Челябинск), что позволило сократить затраты времени на разработку и улучшить основные характеристики электромеханических систем, в частности, увеличить в 5 раз среднее время безотказной работы и уменьшить при этом до 10 раз вероятность отказов исполнительных элементов по сравнению с аналогичными промышленными образцами.

6. В результате исследования физических процессов многофазных ВД накоплена детерминированная апостериорная информация о состоянии машины, на основании которой предложены инженерные методы расчета характеристик многофазных ВД в штатных и аварийных режимах работы, позволяющие разрабатывать исполнительные элементы бесконтактных электроприводов с различными сочетаниями показателей надежности.

7. Опыт разработки бесконтактных электроприводов специализированных механизмов показал, что применение многофазных ВД позволяет при существующем уровне развития технологии электромашиностроения и микроэлектроники на порядок повысить вероятность безотказной работы исполнительных элементов за счет новых конструктивных решений и применения методов неявного резервирования ЭМП. Полное использование функциональных возможностей многофазных ВД позволяет создавать перспективные и уникальные устройства систем автоматики повышенной надежности при жестких ограничениях по спецстойкости, массе, габаритам, качеству выходных характеристик машины.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, проанализировано современное состояние проблемы, определены объект и предмет исследования, сформулирована цель работы, указаны пути её достижения, определены научная новизна и основные результаты, выносимые на защиту, показана практическая значимость проведенных научных исследований, приведена информация по апробации работы и публикациям, дан краткий обзор содержания диссертации по главам.

В первой главе рассмотрены области применения, показаны особенности работы и основные направления совершенствования ВД.

Выделены существенные особенности ВД, которые отличают его от других видов электрических машин: двигатель содержит все элементы управляемого электропривода (исполнительный элемент, усилитель мощности и следящее устройство). Отмечено, что в машине существуют две цепи воздействия на полупроводниковый коммутатор (ПК): первая цепь -силовая, где можно изменять напряжение питания; вторая - слаботочная цепь обратной связи, что позволяет управлять двигателем путем воздействия на каждую из них.

Анализ научных публикаций показал, что ВД наиболее полно удовлетворяет совокупности требований, предъявляемых к двигателям систем автоматики в отношении регулировочных и энергетических характеристик, надежности и массогабаритных показателей, и поэтому признаны на ближайшее десятилетие наиболее перспективными исполнительными элементами. Становится реальной возможность создания полностью электрифицированных объектов на основе бесконтактных приводов, соизмеримых по всем основным показателям с гидравлическими и пневматическими приводами. Анализ патентной, научной и технической литературы, вышедшей в нашей стране и за рубежом, позволяет выделить основные направления совершенствования ВД: разработка и использование более совершенных магнитных материалов, разработка новых вариантов конструкции ЭМП, миниатюризация электронной части машины, создание датчиков новых типов.

В течение последних 10-15 лет у нас в стране и за рубежом разработаны технологии и налажен выпуск высококоэрцитивных магнитотвердых материалов на основе интерметаллических соединений кобальта с редкоземельными металлами. Высокая удельная энергия редкоземельных постоянных магнитов позволяет существенно снизить массу и габаритные размеры электрических машин.

Совершенствование схем, конструкций и технологии изготовления ПК в настоящее время происходит путем широкого использования гибридной тонкопленочной технологии производства больших интегральных схем и силовых больших интегральных схем (СБИС), трудоемкость изготовления которых слабо зависит от их структурной сложности. Открываются принципиально новые функциональные и схемотехнические возможности интеграции цифровой и аналоговой обработки данных, фильтрации и преобразования сигналов, важнейшей из которых является создание отказоустойчивых мощных интегральных распределенных структур, «самозащищенных» от перегрузок, нарушений в нагрузке и питании, и сохраняющих характеристики системы при локальных отказах в самой структуре. Структуры СБИС позволяют практически детерминировано задать почти любой ресурс электронной части ВД.

Наряду с совершенствованием материалов, элементов, конструкций, технологии производства и технических характеристик все более жесткие требования предъявляются к надежности ВД. Наиболее ярко эти требования проявляются при разработке и создании исполнительных элементов регулируемых электроприводов специальных механизмов и систем автоматики летательных аппаратов, когда в зависимости от назначения двигателя и условий его применения надежность определяется сочетанием нескольких свойств: безотказности, долговечности и сохраняемости. В качестве показателей надежности чаще всего выдвигаются требования обеспечения высокой вероятности безотказной работы (р=0,99500 ... 0,99999), наработки до отказа (5000 ... 20000 ч), назначенного ресурса ( 110000 ... 350000 включений) при суммарном времени работы 250 ...5500 ч) или назначенного срока службы (14 ...20 лет), среднего срока сохраняемости (9 ... 20 лет). В связи с этим уже на стадии проектно-конструкторской проработки вариантов исполнения ВД необходимо учитывать современный уровень развития технологии электромашиностроения и электроники, проанализировать возможные отказы элементов и исследовать их влияние на выходные характеристики и работоспособность двигателя, предусмотреть оптимальные способы резервирования, мероприятия по диагностике технического состояния и управлению надежностью ВД. Эти вопросы являются составляющими частями системного подхода к проектированию сложных технических систем.

Одним из путей создания двигателей повышенной надежности является увеличение числа фаз ЭМП при неизменной мощности двигателя. Это позволяет уменьшить величину тока в каждой фазе разомкнутой обмотки и выполнить ПК в интегральном исполнении, что дает возможность встраивать последний внутри корпуса электрической машины. Получаемое при этом многообразие возможных схем соединения, способов питания и алгоритмов коммутации фаз обмотки якоря позволяет реализовать ЭМП, структура и параметры которого могут автоматически меняться в зависимости от целей и условий функционирования, а автономное исполнение каналов коммутации каждой фазы обеспечит повышенную надежность машины на основе принципов функционального резервирования.

Если в машине с малым числом фаз подавляющее большинство отказов элементов приводит к полному отказу двигателя, то в многофазной машине работоспособность может сохраниться, хотя при этом изменяются выходные характеристики двигателя. Отсюда появляется возможность иного пути резервирования. Увеличение числа фаз ЭМП уменьшает влияние отказа в канале управления или фазы ЭМП на характеристики ВД. С другой стороны, увеличение числа фаз приводит к увеличению вероятности отказа в одном из них. Поэтому здесь необходимо искать разумный компромисс, исходя из требований к выходным характеристикам с одной стороны, ресурсом и надежностью машины, с другой стороны. При из-

вестной вероятности отказа одного канала можно найти такое количество фаз ЭМП, при котором обеспечиваются заданные показатели надежности двигателя с учетом возможности возникновения одного или нескольких отказов в аппаратуре управления и удовлетворительные выходные характеристики ВД. Использование такого способа резервирования имеет свои особенности, которые необходимо учитывать при исследовании физических процессов и проектировании ВД в целом. Способ совпадает с общим стремлением к увеличению числа фаз ЭМП, исходя из условий улучшения характеристик.

Для решения перечисленных задач необходимо разработать общие методы исследования электромагнитных процессов для получения количественной оценки характеристик многофазных ВД в штатных режимах работы и при отказах отдельных элементов схемы. Анализ отказов ВД позволил свести наиболее вероятные отказы в схеме двигателя к четырем видам отказов элементов силового канала. Это позволило формализовать исследование электромагнитных процессов ЭМП с постоянной и изменяющейся структурой в штатных и аварийных режимах работы.

Достоинством и отличительной особенностью рассмотренного способа резервирования является то, что введение небольшой функциональной и структурной избыточности с использованием набора алгоритмов управления коммутацией дает возможность сохранения работоспособности ВД при единичных внезапных отказах элементов схемы.

Во второй главе приводится математическое описание многофазных ВД. Рассмотрены физическая модель и методы исследования электромагнитных процессов в ЭМП, обоснованы допущения, вытекающие из конструктивных особенностей, специфики обмоток ЭМП, схемы коммутатора и принципов функционирования всей системы.

Проведена классификация схем обмоток, в основу которой положены следующие признаки: число фаз, образующих обмотку; способ соединения фаз обмотки; способ питания, характеризующий возможность изменения тока в каждой фазе. По способу соединения фаз обмотки можно разделить на три типа: гальванически развязанные фазы (рис. 1а); разомкнутая обмотка (рис. 16) и замкнутая обмотка (рис. 1в). Приведены основные структуры выходных каскадов ПК при реверсивном (рис. 1г, д) и нереверсивном (рис. 1е) питании фаз обмотки. Из возможных алгоритмов коммутации выделены наиболее целесообразные с точки зрения максимального использования каждой фазы в электромеханическом преобразовании энергии.

В соответствии с общей теорией электромеханического преобразования энергии для описания электромагнитных процессов при полной ком мутации достаточно п уравнений контуров. Эквивалентные схемы электрических контуров определяются режимом, в котором находится фаза или группа фаз на рассматриваемом межкоммутационном интервале.

Г)

© *

ГЛ1 (ТО"

ф

ЖИ)! ИМЖ

I О'л

О'"

н

5л

•Уш-П

\ н

-и»

Ж

1Т1

Д) -+

6/]

Жга2

Г+

т

и

С)

> гл.

ил

(71

..VI Ф

О

(ТС

т

Ф-

-(Л,

Рис. 1. Схемы соединения фаз обмотки и структуры выходных каскадов коммутатора

Показано, что с учетом принятых допущений для ВД с гальванически развязанными фазами и разомкнутой обмоткой можно рассматривать контур, образованный каждой фазой, отдельно.

Исходные уравнения электрического равновесия для каждого контура могут быть представлены в традиционном виде

ик=Я 4 + с1щ/Ж, (1)

где к - номер фазы; Я - электрическое сопротивление фазы; С4, 4, у* -мгновенные значения напряжения, тока и потокосцепления фаз.

Потокосцепление каждой фазы описывается линейным относительно тока выражением вида

ч^ЕМе,)«,,

м

где 0Р - угол поворота ротора; Ьк1 при представляет собой собственную индуктивность фазы, а при к#1 взаимную индуктивность с другими фазами или полем ротора. Магнитная проницаемость магнита индуктора изменяется согласно выражению

Ц( 0р )=Ц1+Ц2( 0Р), где 6р ) _ периодическая функция.

ц2( 0Р )=Ц2Соз20р.

Уравнения напряжения в матричной форме

||и||=||г||||1|| + ||Е||, (2)

где ||и||, ||1||, ||Е|| - матрицы соответственно напряжения, тока и ЭДС; матрица сопротивлений \Щ\, Ь\,М\ - амплитуды вторых гармоник собственной и взаимных индуктивностей обмотки.

Рассмотрены алгоритмы управления коммутацией фаз обмотки якоря ЭМП. Приведен порядок составления алгоритмов управления коммутацией фаз в двигателях с малым числом фаз, введены понятия полной и неполной коммутации. Рассмотрены методы исследования электромагнитных процессов многофазных ВД. Показано, что выбор метода исследования зависит от мощности двигателя и его конструктивного исполнения, частоты вращения, схемы включения фаз обмотки и её выполнения, а также от принятых допущений при описании процессов. Проведена сравнительная оценка точности расчетов энергетических параметров двигателей, определена область применения каждого из них. Показано, что наибольшей точностью обладает метод исследования по мгновенным значениям координат.

В третьей главе для исследования установившихся электромагнитных процессов исправной машины при неполной коммутации, когда нарушается симметрия связей и изменяется структура ЭМП, использовано дополнительное преобразование координат - «симметрирование». При этом мы переходим от реальной схемы обмотки ВД (рис. 2а) к эквивалентной пре-

образованной (рис. 26) с симметричными электромагнитными связями. Условиями эквивалентности являются инвариантность по мощности и соответствие динамических свойств в исходной и преобразованной системах.

Разработан алгоритм преобразования координат при неполной коммутации, представленный на рис. 2в, где обозначены: |Хи|, |Хэ| и |Xs| - векторы исходных, эквивалентных и симметричных составляющих координат; |С|' и |С|"' - матрицы прямого и обратного преобразований симметрирования (ПС); jS|1 и |Sf'- матрицы прямого и обратного преобразований Фор-тескью (ПФ).

Рис. 2. Преобразование координат при неполной коммутации

Показано, что при широком диапазоне изменения параметров обмотки якоря, алгоритмов коммутации и режимов работы использование численных методов интегрирования кусочно-непрерывных функций требует обязательного исследования устойчивости применяемых методов, что представляет собой сложную самостоятельную задачу и требует неоправданно больших затрат времени на определение областей устойчивости. Предложено упрощение системы уравнений с учетом того, что амплитуды второй гармоники собственной и взаимных проводимостей для рассматриваемого класса машин обычно незначительны и уменьшаются с увеличением числа фаз. Это позволяет избавиться от переменных коэффициентов в уравнениях путем использования эквивалентной индуктивности.

Для анализа электромагнитных процессов многофазного ВД с разомкнутой схемой обмотки в установившемся режиме используется метод ис-

следования на одном МКИ по мгновенным значениям координат. Исходное уравнение электрического равновесия в естественных фазных координатах для каждой из фаз может быть представлено в виде

и,=[Я + 1р]1¥+ек, (3)

где 1/к, /(/, е* - мгновенные значения фазных напряжения, тока, ЭДС; Ь -эквивалентная индуктивность фазы с учетом взаимной индуктивности от других фаз.

При анализе работы ВД расчеты удобно вести в относительных единицах. Переход к системе относительных единиц упрощает запись уравнений, облегчает вычисления и делает возможным сравнение результатов, получаемых для машин различной мощности. Принимаем за базисные следующие величины

£/б= [/„; 16 = иб /Я; У= Ет /Е/б, (4)

где £/6, /6 - базисные напряжение и ток; £/„, Я — номинальное напряжение и активное сопротивление фазы обмотки якоря; Ет, V - амплитуды эквивалентной и относительной ЭДС фазы обмотки якоря.

В общем случае, для п- фазного ВД, система будет содержать п уравнений вида

«,=(1 + т/;К+^(0р) (5)

где 9р - угол поворота ротора относительно плоскости первой фазы; 11 к • 'к • К -Т~ относительные фазные напряжение, ток, ЭДС и индуктивное сопротивление к - й фазы; р — оператор дифференцирования по углу поворота ротора 0Р, причем

ик ■ V Т/ ек а , d apL ( ut = —; и =— К = —, 9„ = соJ; р =-;! = —£—= —

и; i; < и; <■ ¿е' r I R

Здесь coo, ыр - угловая частота вращения идеального холостого хода, текущая угловая частота вращения.

Многообразие возможных схем соединения фаз обмотки позволяет реализовать преобразователь, структура и параметры которого будут автоматически меняться в зависимости от целей и условий функционирования. Однако чаще всего повышенные требования по надежности электропривода могут быть достигнуты только при наличии отказов отдельных элементов схемы ВД. В связи с этим предлагается уточненная задача исследования: разработка математического аппарата и исследование установившихся электромагнитных процессов ЭМП с целью получения на этапе предварительного проектирования количественных оценок характеристик ВД с различным числом фаз обмотки, схем соединения, способов питания и алгоритмов управления коммутацией фаз обмотки в штатных и аварийных режимах работы.

Обычно алгоритм управления коммутацией фаз составляется вручную и ориентирован только на один из возможных вариантов исполнения дви-

гателя при неизменном числе фаз машины и неизменном числе фаз, участвующих в преобразовании энергии. Теперь ставится задача расчета алгоритмов управления коммутацией, а не их составления.

Исходными данными для реализации расчета алгоритмов коммутации являются особенности конструкции ЭМП двигателя. Метод исследования установившихся физических процессов ВД по мгновенным значениям координат базируется на том, что электромагнитные процессы на всех МКИ протекают одинаково. Необходимо найти единый способ математического описания этих связей для различных вариантов алгоритмов управления коммутацией. Для этого следует изменить форму записи алгоритма управления коммутацией: вместо матрицы подключения предлагается записывать порядок подключения фаз на каждом такте коммутации в виде замкнутого ряда целых чисел, количество которых определяется числом фаз обмотки якоря. Члены ряда записывать в определенной последовательности, определяемой особенностями протекания физических процессов ЭМП смежных МКИ и (или) участках МКИ. Для полной и неполной коммутации желательно получить аналогичные последовательности. Алгоритм коммутации должен допускать модификацию описания электрического состояния фаз текущего МКИ (или его участка) с целью получения электрического состояния фаз следующего МКИ (или его участка), причем изменения в записи алгоритмов при переходе от одного участка к другому должны быть минимальными.

Использование матриц связи для формального описания громоздко и неудобно, поскольку для каждого числа фаз обмотки якоря необходимо составить одну матрицу при полной коммутации, две - при неполной. В аварийных режимах к ним добавляется третья матрица, учитывающая вид неисправности. Всей совокупности требований для реализации расчета алгоритмов управления коммутацией наиболее полно отвечает связь положения фаз относительно результирующего вектора МДС обмотки якоря на смежных интервалах.

Порядок подключения фаз обмотки якоря, питающегося от одного источника, на трех, следующих друг за другом МКИ при полной и неполной коммутации пятифазного ВД показан на рис. 3. Находим положение магнитной оси каждой фазы (Да&) относительно результирующего вектора МДС якоря (Ра) на каждом из интервалов. Отсчет угла ведем в положительном направлении. Для ЭМП ВД связь между положением магнитных осей фаз, в которых совпадают физические процессы смежных МКИ, можно выразить одним числом. Назовем его специальной коммутационной функцией £02?. При полной коммутации фаз 5Ш=3.

Вычисляется величина специальной коммутационной функции просто. Для нечетного числа фаз и четного (при я/2=чет.)

Ш=(и+1)/2,

для четного числа фаз (при п /2=нечет.)

5£>В=(н+2)/2.

Порядок подключения фаз обмотки при неполной коммутации фаз обмотки того же ВД на трех тактах, следующих друг за другом, приведен на

\ Н 3) - б) в»

ж)

Алгоритмы управления коммутацией ВД с нечетным числом фаз(и=5)

Номер такта коммутации Первый улен ряда Н «и г Подключение фаз на Г-м такте.Ряд Н «>

Полная коммутация Неполная коммутация

1 1 1, -3, 5,-2, 4 1,-3, 5, 0, 0

2 -4 4, 1.-3. 5,-2 -4, 1,-3. 0, 0

3 2 2, -4, 1,-3, 5 2,-4, 1, 0, 0

4 -5 -5, 2,-4. 1,-3 -5, 2,-4. 0, 0

5 3 3, -5, 2,-4. 1 3,-5, 2, 0, 0

6 »1 -1, 3.-5, 2,-4 -1, 3,-5, 0, 0

7 4 4. -1, 3,-5, 2 4,-1, 3, 0, 0

8 _2 -2, 4,-1. 3,-5 -2, 4,-1, 0, 0

9 5 5, -2, 4,-1, 3 5, -2, 4, 0. 0

10 -3 -3, 5,-2, 4,-1 -3, 5, -2, 0. 0

Рис. 3. К вопросу о выводе специальной коммутационной функции при нечетном и четном числе фаз (н/2=нечетное) для полной (а, б, в) и неполной (г, д, е) коммутации; алгоритмы управления коммутацией (ж)

рис. Зг, д, е. Величина специальной коммутационной функции остается такой же, как и при полной коммутации ББВ =3. Используя функцию 50Й, рассчитываем алгоритмы коммутации. На первое место в первом такте коммутации, ставим подключаемую к источнику питания фазу (/?Л> =+4).

Расчет членов ряда на каждом из тактов проводим по (7), тогда алгоритм неполной коммутации будет иметь вид, приведенный на рис. Зж.

Составить алгоритмы коммутации замкнутой обмотки гораздо проще, чем для разомкнутой обмотки, поскольку здесь одновременно переключаются один или два ключа коммутатора. Обычно индексы этих ключей отличаются на п!2 или (/¡/2+1).

Применение специальной коммутационной функции SDB позволяет полностью формализовать процесс расчета алгоритмов коммутации путем вычисления номеров начального члена ряда, а также подключаемой и отключаемой фаз.

Расчет начального и последующих членов расчетного ряда проводим по следующим выражениям

SD В 1 3

R. =--еслиSDB = нечетное; R., = —SDB -еслиSDB= четное. (6)

2 2

к,= -Signfej/Culi^tf]. (7)

Зная первый член ряда RN на первом такте, можно найти первый член каждого последующего такта.

<=-sign[<-''|<-'1±5H- (8)

Модуль любого члена ряда принимает значения 0 <1/?г|<",

Расчет порядка подключения каждой фазы и полярности напряжения проводим относительно первой фазы, выявляя при этом подключаемую (BKL) и отключаемую фазы (OTKL). Для расчета номера и полярности подключаемой фазы нужно сделать h шагов величиной +SDB относительно первой фазы в одном направлении

BKL = (- if (l + h- SDB). (9)

Номер и полярность отключаемой фазы рассчитываем, выполняя на один шаг больше (/г+1) в обратном направлении (-SDB) относительно первой фазы

OTKL = (- l)(/,+l)[l - (h +1)- SDB], (10)

Ряды для первого и второго участков МКИ (R1 и R2) рассчитываются одинаково, только второй ряд имеет на один член меньше, чем первый

Л1(1) =Rn = BKL- Rl[k) = (-l)''[|/?l(t_,)|-SDB];

Д2(1) = Rn= BKL', R2(k) = (-I)"|^2(i_1)|-5DS]. (H)

Здесь h = 1,2, ... m — число шагов для первого участка; h = 1,2, ... (m—l) -для второго участка МКИ.

Следует отметить, что расчет порядка подключения фаз при полной коммутации является частным случаем расчета подключения фаз при неполной коммутации, когда подключаемая к источнику питания фаза одновременно является и отключаемой. При расчете алгоритмов полной ком-

мутации эта фаза является переключаемой с шины одной полярности на шину другой полярности и обозначена Именно поэтому переключаемую фаза при полной коммутации всегда удобнее поставить первым членом расчетного ряда, как подключаемую фазу при неполной коммутации.

Для штатных и аварийных режимов работы многофазных ВД с постоянной и изменяющейся структурой ЭМП разработана инженерная методика решения систем дифференциальных уравнений высокого порядка и расчета энергетических характеристик по мгновенным значениям координат на периоде повторяемости электромагнитных процессов. Особенностью методики является её абсолютная устойчивость и тот факт, что она допускает варьирование числа фаз, алгоритмов коммутации, асимметрию электромагнитных связей и изменение структуры ЭМП. Это позволяет проводить исследование энергетических характеристик ВД в штатных и аварийных режимах работы при меньших затратах машинного времени по сравнению с известными методами численного интегрирования. Экономия машинного времени достигается путем сокращения или полной ликвидации итерационных циклов при решении систем дифференциальных уравнений.

Математическая модель и-фазного ВД (при постоянном фазном напряжении разомкнутой обмотки и гальванически развязанных фазах) для полной коммутации состоит из системы дифференциальных уравнений порядка п. Каждое уравнение системы имеет вид (5). При неполной коммутации в преобразовании энергии принимают участие т фаз обмотки якоря, а структура ЭМП в процессе работы изменяется. Поэтому математическая модель двигателя состоит из двух систем уравнений. На первом участке МКИ система содержит (т+1) уравнение (5), на втором - т уравнений. Для определения границы участков МКИ необходимо определить положение ротора, соответствующее моменту затуханию тока в отключаемой фазе, т.е. решить трансцендентное уравнение

Здесь Ь - индекс отключаемой фазы; 0Р - угол поворота ротора, соответствующий моменту затухания тока в отключаемой фазе; ¡о(ц- переменный коэффициент и начальный ток отключаемей фазы.

Рассмотрены особенности расчета электромагнитных процессов при отказах отдельных элементов схемы ВД. Показана коррекция алгоритма управления коммутацией исправного двигателя в зависимости от вида и места отказа и граничных значений фазных токов; предложен выбор момента введения метки неисправности, обеспечивающий минимальные затраты машинного времени для перехода от установившегося штатного режима к установившемуся аварийному режиму работы. Период повторяемости физических процессов определяется путем контроля токов на границах МКИ.

Четвертая глава посвящена исследованию установившихся электромагнитных процессов силовых и исполнительных ВД с числом фаз от трех до одиннадцати в исправном состоянии при полной и неполной коммутации. Относительные значения потребляемой мощности Р], электромагнитной мощности Рэ, среднего значения электромагнитного момента т3 и электромагнитного КПД т|э двигателя определяются на одном МКИ по выражениям.

Рх =1!^• (12) Здесь гср - относительное среднее значение тока, потребляемого из сети, равное относительному значению потребляемой мощности Р\, — сумма мгновенных значений токов, потребляемых от всех источников питания;

— сумма произведений относительных мгновенных значений фазных токов и ЭДС; Д — длительность МКИ; V — относительная угловая частота вращения; угол поворота ротора

0р=рау,

где р - число пар полюсов; шр - угловая частота вращения ротора. При неполной коммутации

(13)

где 0о - угол поворота ротора, соответствующий границе участков МКИ. Подынтегральные функции ^ и определяются следующим образом. При питании разомкнутой обмотки от одного источника они представляют собой сумму токов тех фаз, которые подключены к одной из шин источника питания. Функции F2 и ./«У представляют собой сумму произведений относительных мгновенных значений токов и ЭДС тех фаз, которые работают на данном участке МКИ.

В качестве базисных величин напряжения, тока, мощности приняты

СЛ = (/„; /б = —; А = —, (14)

г г

где ип — напряжение источника питания; г- активное сопротивление фазы обмотки якоря.

Результаты исследования энергетических характеристик исправных ВД (с числом фаз от трех до одиннадцати) при полной коммутации для разных способов питания фаз обмотки позволили оценить влияние индуктивности обмотки якоря на величины потребляемой и максимальной электромагнитной мощности, электромагнитного КПД, среднего значения электромагнитного момента. Показано, что увеличение индуктивности обмотки якоря приводит к уменьшению электромагнитной мощности и увеличению электромагнитного КПД при изменении частоты вращения от нуля до частоты холостого хода (рис. 4в, б), а также приводит к увеличению нелиней-

ности электромеханической и механической характеристик (рис. 4а, г).

Величина электромагнитной мощности двигателя (рис. 46) зависит от частоты вращения и индуктивности обмотки якоря, причем каждая кривая имеет явно выраженный максимум электромагнитной мощности (Р ™'"). Этот максимум с увеличением индуктивности уменьшается и смещается в сторону уменьшения частоты вращения. Обе эти закономерности выполняются для двигателей с любым числом фаз.

С увеличением числа фаз обмотки якоря ВД максимальная величина электромагнитной мощности увеличивается при любой величине индуктивности обмотки. Однако это увеличение зависит от индуктивности обмотки. Так, например, увеличение числа фаз с трех до одиннадцати пропорционально увеличивает (в 3,65 раза) максимальное значение электромагнитной мощности только в случае пренебрежения величиной индуктивности обмотки. При относительном индуктивном сопротивлении 4 = 0,5; 1,0 и 2,0 увеличение составляет соответственно 2,5; 2,2 и 2,0. Аналогичные результаты получаются и при других сочетаниях числа фаз. Относительная частота вращения, соответствующая максимуму электромагнитной мощности, при изменении относительного индуктивного сопротивления Ъ, (от 0 до 2,0) уменьшается одинаково.

При неизменном числе фаз двигателя в отношении электромагнитного КПД индуктивность действует противоположно, то есть увеличивает его. Худшими энергетическими показателями обладают двигатели, обладающие меньшей величиной индуктивности обмотки якоря (рис. 4в). Это объясняется наличием короткозамкнутых контуров, образованных параллельно соединенными фазами. Электрические потери в этих контурах вызывают существенное снижение КПД, особенно заметное в случае пренебрежения величиной индуктивности обмотки. Максимальное значение электромагнитного КПД г), с увеличением числа фаз уменьшается по этой же причине. Кроме этого увеличение относительного индуктивного сопротивления в машине с неизменным числом фаз смещает положение максимума КПД в область высоких частот вращения. В машинах с меньшим числом фаз такое смещение более существенно: если в трехфазной машине составляет 0,1, то в одиннадцатифазной становится равным нулю.

Зависимость относительного значения потребляемой мощности от относительной частоты вращения Р1=1ср=/(У) по своей сути является электромеханической характеристикой двигателя (рис. 4а). Поскольку в ВД всегда протекают переходные процессы, в которых не достигается установившегося состояния, то величина индуктивности определяет величину постоянной времени эквивалентной обмотки якоря и зависит от частоты вращения. Соотношение между этой постоянной и длительностью МКИ

д)

существенно влияет на коммутационные процессы и среднее значение потребляемого тока, определяет величину пульсаций электромагнитного момента и использование объема машины. Увеличение индуктивности обмотки якоря приводит к снижению среднего значения потребляемого тока (рис. 4а), тем большему, чем больше становится величина индуктивности. Такая закономерность выполняется для двигателей с любым числом фаз.

На вид механической характеристики пц=/(У) существенное влияние оказывают параметры двигателя (рис. 4г). Для идеализированного двигателя при любом числе фаз механическая характеристика представляет собой прямую линию. Величина начального пускового момента ВД пропорциональна числу фаз обмотки якоря и изменяется от 0,955 до 3,5 при увеличении числа фаз от трех до одиннадцати (рис.4з).

Индуктивность обмотки якоря влияет на форму характеристики, увеличивая её нелинейность. Под нелинейностью Дшэтах понимаем отклонение момента реальной характеристики от момента характеристики идеализированного двигателя, отнесенной к величине начального пускового момента. Согласно полученным результатам величина начального пускового момента пропорциональна числу фаз обмотки, а величина нелинейности механической характеристики возрастает в 1,25 раза (с 0,12 до 0,15) при изменении числа фаз с трех до одиннадцати для ^=0,25. При большей индуктивности ^=2,0 величина нелинейности увеличивается в 1,42 раза (с 0,38 до 0,54).

Получены энергетические характеристики ВД при неполной коммутации для разной величины индуктивности обмотки якоря, их анализ позволил количественно оценить влияние величины индуктивного сопротивления обмотки якоря на электромагнитную мощность и электромагнитный КПД при изменении частоты вращения от нуля до частоты холостого хода. Установлено, что, по сравнению с полной коммутацией, сохраняются общие закономерности в поведении характеристик, а уменьшение числа работающих фаз при неполной коммутации приводит к уменьшению электромагнитной мощности и увеличению электромагнитного КПД двигателя. Количественные изменения параметров ВД зависят от способа питания, числа работающих фаз и индуктивности обмотки якоря (рис. 4е, ж).

При анализе энергетических характеристик управляемых ВД при изменении угла управления коммутацией в пределах МКИ установлено, что: для ВД с гальванически развязанными фазами изменения электромагнитной мощности и электромагнитного момента при отстающей коммутации оказывается больше, чем при опережающей коммутации при одинаковой величине угла управления (рис. 5а, б, в, г); при питании разомкнутой обмотки от одного источника величина индуктивности обмотки существенно влияет на величину электромагнитной мощности, величина же электромагнитного КПД практически не изменяется (рис. 56, г); в машины с большим числом фаз имеют больший диапазон изменения электромагнит-

ной мощности, чем машины с меньшим числом фаз и зависит он от величины индуктивности обмотки якоря и угла управления коммутацией (рис. 5д, е).

Анализ поведения мгновенных значений электромагнитного момента ВД при заданном диапазоне изменения частоты вращения позволил определить величину пульсаций в зависимости от величины индуктивности обмотки и угла управления коммутацией и провести количественное сравнение по этому параметру ВД с разным числом фаз (рис. 6). Неравномерность электромагнитного момента будем оценивать по разности максимального и минимального моментов

Л'»='Ип,ах-ттт

или по отношению этой разности к среднему моменту, выраженному в процентах

Д/н, %= 100(шгшх-шП1т)/шср).

Даже в идеализированном двигателе при нейтральной коммутации (0у=О) отклонение мгновенного значения момента от его среднего значения (рис. 6а) в большую и меньшую сторону отличаются по величине (|ятах=+0,11; шШ1П=-0,16). При относительной частоте вращения У= 0,4 среднее значение электромагнитного момента на МКИ составляет 111^= 1,28 8, а величина пульсаций Дш=0,268 (или 20,8%). Форма фазного тока при отсутствии индуктивного сопротивления определяется формой результирующего фазного напряжения. Форма кривой электромагнитного момента и величина его пульсаций полностью зависит от формы и пульсаций фазных токов.

Оценка влияния индуктивности обмотки якоря на мгновенные значения фазных токов и электромагнитного момента в трехфазной машине (рис. 66, в, г) позволила количественно оценить влияние формы фазных токов на величину средних значений электромагнитного момента. Для приведенных примеров средний момент составляет соответственно 1,286; 1,239; 1,111 и 0,947. Увеличение числа фаз ведет к пропорциональному увеличению среднего электромагнитного момента двигателя и пропорциональному уменьшению величины пульсаций момента, выраженной в относительных единицах (рис. бе). Если величину пульсаций оценивать в процентах, то пульсации уменьшаются пропорционально квадрату числа фаз. Характер изменения пульсаций момента в полученной зависимости качественно совпадает с зависимостью, полученной для пятифазного ВД (рис. 6д), имеются количественные отличия, которые заключаются в уменьшении пульсаций электромагнитного момента более, чем в три раза.

Для случая нейтральной коммутации величина пульсаций девятифаз-ного двигателя (рис. б.е) уменьшается при минимальной частоте 1^=0,1 в 3,25 раза, при максимальной частоте в 3,4 раза и составляет соответственно 1,66 и 7,14% . При частоте вращения ниже 0,86 пульсации менее 5%.

В девятифазном ВД величина пульсаций не превышает 20% при любой величине угла управления коммутацией в пределах МКИ практически для

а) б)

в) г)

Изменение электромагнитной мощности (в процентах) при изменении угла управления коммутацией 0У при питании ВД от одного источника

9у Число фаз двигателя

3 5 7 9 11

0,5 -30 31,4 33.3 33,6 33,3 31.3

+30 16,9 20.6 21,8 29.5 23.6

1,0 30 38,6 37,1 37.6 32,4 34,3

+30 13,6 20,0 22,6 26.9 21,5

Изменение электромагнитной мощности (в процентах) при изменении угла е)

управления коммутацией 0> при гальванически развязанных фазах обмотки

°у Число фаз двигателя

3 5 7 9 11

0,5 30 44,8 39.1 35,9 33,8 32,4

+30 13,5 19,2 21,8 22,8 23,5

1,0 30 53,1 41,3 37,6 34,7 33,0

430 11,2 19,5 21,9 23,0 23.5

Рис. 5. Характеристики управляемых ВД

а)

Л/6

Угол поворота ротора, рад.

в)

Электромагнитный момент трехфазного ВД при К~0,4; 0У= 0; var б)

Величина момента Относительное индуктивное сопротивление о на МКИ

Максимальная, ттх Средняя, #иСр Минимальная, тшш 11ульсании, Л/П) Пульсации, Д/;».%

0.0 0,1 0,25 0,5 1,0 1,5

1,400 1,400 1,400 1,361 1,202 0,901

1,288 1,286 1,276 1,239 1.111 0,947

1,132 1,128 1,123 1,115 1.039 1.011

0,268 0,272 0,277 0,245 0.163 0,110

20,8 21,2 21,28 19,8 14,7 12,3

Ю 00

Д)

град

град

5 (О

Рис. 6. Пульсации электроманитного момента исправных двигателей

Момент

члектромш 1ШП1ЫЙ ОПЮСН

я/3 л/2

Угол поворота ротора, рал

Токи фатные опгосн тельные

В 25-30

■ 20-25

□ 15-20

□ 10-15

■ 5-10 а 0-5

я/3 л/2

Угол поворота рот ора. рад.

всего диапазона изменения частоты вращения при нейтральной и опережающей коммутации. Только в случае отстающей коммутации и предельной величине угла управления частота не должна превышать 0,87.

Наибольшие величины пульсации достигаются при максимальной частоте вращения и предельных углах управления коммутацией. Для отстающей коммутации пульсации составляют 29%, а для опережающей 21,3%. Различие между этими величинами уменьшается при уменьшении частоты вращения и при минимальной частоте У=0,1 составляет 10 %. По сравнению с пятифазными ВД максимальная величина пульсаций в девятифазном уменьшается в 3,9 раза, а минимальная в 3,25 раза.

В пятой главе рассмотрен вопрос о возможности сохранения двигателем работоспособного состояния при возникновении отказов элементов силового канала на основе результатов расчетов мгновенных значений координат и энергетических параметров многофазных ВД с различными вариантами построения схем. Показано, что с точки зрения обеспечения повышенной надежности наиболее перспективным является схема ВД с гальванической развязкой фаз. Установлена степень влияния отказов на энергетические параметры, мгновенные значения токов и моментов при одинаковой величине индуктивности фаз обмотки якоря для двигателей с числом фаз от трех до одиннадцати при отстающей, нейтральной и опережающей коммутации. Во всех двигателях для рассматриваемых видов отказов величина максимальной электромагнитной мощности уменьшается. Выявлено, что по степени влияния на энергетические параметры отказы располагаются в последовательности «обрыв ключа ПК» (ОК), «обрыв фазы ЭМП» (ОФ), «короткое замыкание фазы ЭМП» (КФ), «короткое замыкание ключа ПК» (КК) (рис. 8.). Так если в трехфазной машине максимальная электромагнитная мощность для указанной последовательности отказов составляет соответственно 83, 66, 54 и 45 % от той же мощности, развиваемой исправной машиной, то для одиннадцатифазной получаем соотношение 95, 91, 87 и 82%. С другой стороны, получена оценка влияния числа фаз ЭМП на величину максимальной электромагнитной мощности при каждом виде отказа. Так если при отказе ОК эта мощность с увеличение числа фаз уменьшается до 83, 90, 92 и 95%, то при отказе КК до 45, 64, 74, и 82%. Таким образом, получена оценка предельных энергетических параметров многофазных ВД в аварийных режимах работы. Вместе с этим получаем подобные зависимости для электромагнитного КПД, потребляемой мощности и среднего электромагнитного момента. В результате показана возможность проведения количественной оценки влияния отказов на характеристики ВД для заданного режима (или режимов) работы.

Проведена количественная оценка влияния отказов на характеристики управляемых ВД в аварийных режимах работы. Для каждого вида отказа проведен расчет мгновенных значений момента на периоде повторяемости электромагнитных процессов, а затем определена величина пульсаций для

каждого сочетания независимых координат (относительной частоты вращения Ун угла управления коммутацией 0У). На примере пятифазного двигателя сделан анализ влияния отказов элементов силовой части ВД при нейтральной, отстающей и опережающей коммутации (рис. 7). Показано, что при отказах типа «обрыв» (ОК и ОФ) величина пульсаций возрастает при заданных пределах изменения независимых координат в случаях нейтральной коммутации в (3 ... 7) раз. В случаях опережающей коммутации и предельной величине угла управления - в (1,9 ... 2,7) раза, при отстающей и предельной величине угла управления - в (1,6 ... 2,7) раза.

Пульсации момента при предельных значениях угла управления для отстающей коммутации в случае обрыва ключа остаются больше, чем пульсации для опережающей коммутации при любой частоте вращения. Так при минимальной частоте вращения они составляют 2,3%, а при максимальной - 53%. Максимальную величину пульсаций 178% ВД имеет при максимальной частоте вращения и предельной величине угла управления в случае отстающей коммутации. При заданных пределах изменения независимых координат величина пульсаций при ОК изменяется от 38,0 до 178%, в то время как в исправном двигателе (рис. 6д) от 5,4% до 114%.

Величина пульсаций возрастает при заданных пределах изменения независимых координат в случаях нейтральной коммутации в (3 ... 7) раз. В случаях опережающей коммутации и предельной величине угла управления - в (1,9 ... 2,7) раза, при отстающей и предельной величине угла управления - в (1,6 ... 2,7) раза. Таким образом, пульсации выросли в большей мере для тех режимов коммутации исправного двигателя, в которых они были минимальными.

Пульсации момента при предельных значениях угла управления для отстающей коммутации в случае ОК остаются больше, чем пульсации для опережающей коммутации при любой частоте вращения. Так при минимальной частоте вращения они составляют 2,3%, а при максимальной -53%. Максимальную величину пульсаций 178% ВД имеют при максимальной частоте вращения и предельной величине угла управления в случае отстающей коммутации. При заданных пределах изменения независимых координат величина пульсаций при ОК изменяется от 38,0 до 178%, в то время как в исправном двигателе от 5,4% до 114%. В случае отказов ОФ величина пульсаций мало отличаются от величины пульсаций при отказе ОК. В обоих случаях минимум пульсаций момента соответствует частоте вращения, при которой электромагнитная мощность максимальна.

В случаях отказов типа «короткое замыкание» (КК и КФ) при высоких частотах вращения величина пульсаций момента возрастает более чем на два порядка. При нейтральной коммутации и минимальной частоте вращения пульсации выросли в 16,7 раза, а при максимальной частоте 0,8 — 27,5 раза. В случае отказа КФ и тех же частотах вращения соответственно в 7,7 и 12,3 раза. Причем при увеличении частоты вращения пульсации

Рис. 7. Пульсации электромагнитного момента пятифазного ВД при отказах ОК, ОФ, КК, КФ

Обрыв фазы ЭМП

Короткое заиыканне кп

Королем чймнкяни^ фазы ЭМП

только возрастают для обоих видов отказов в случае нейтральной коммутации одинаково (в 4,2 раза). Изменение угла управления в любую сторону от нейтральной коммутации приводит к росту пульсаций в случае КК при отстающей и опережающей коммутации (по сравнению с пульсациями при нейтральной коммутации) соответственно в (1,34 ... 1,76) и (1,31 ... 1,37) раза для предельных значений угла управления и граничных значений частоты вращения. В случае КФ и тех же значениях координат пульсации увеличиваются в (1,62 ... 2,12) раза при отстающей и 1,56 раза при опережающей коммутации.

Для всего диапазона изменения независимых координат при отказе КК величина пульсаций изменяется от 41,7 до 376% (в 9 раз), а при отказе КФ от 90 до 674% (7,48 раз). При одинаковых значениях координат величина пульсаций при КК превышают величину пульсаций при КФ примерно в два раза. Для всех видов отказов в силовой части минимальный уровень пульсаций имеют ВД в случаях нейтральной коммутации. Максимальный уровень пульсаций имеет место в случаях отстающей и опережающей коммутации при предельной величине угла управления и максимальной частоте вращения. Для отказов типа «обрыв» эта частота 1,0, а для отказов типа «короткое замыкание» - 0,8. Тогда в порядке возрастания пульсаций отказы располагаются в следующей последовательности: ОК+ (1,56), ОФ-(1,68), ОК-(1,87), 0ф+(2,08), КФ-(6,44), КФ+(7,1), КК-(11,8), КК+(13,5). Знаки плюс и минус здесь соответствуют опережающей и отстающей коммутации, а в скобках указана кратность возрастания пульсаций по сравнению с пульсациями при нейтральной коммутации. Таким образом, отказ

ЮС является самым неблагоприятным вариантом отказов силового канала ВД. Расположение рассматриваемых видов отказов в порядке возрастания пульсаций момента при одинаковой частоте вращения (V= 0,8) будет таким: ОФ(36,4%), ОК(47,2%), КФ(177%) и КК(382%).

В девятифазном двигателе при заданных пределах изменения независимых координат величины пульсаций при отказах ОК (19,6 ... 54,1) и ОФ (19,0 ... 58,3) мало отличаются друг от друга (рис. 8а, в). По сравнению с пульсациями исправного двигателя (рис. бе) они увеличились в 2 ... 2,5 раза. В пятифазном двигателе пульсации были ещё в 1,8 ... 3,3 раза больше, чем девятифазном. Пульсации в девятифазном двигателе уменьшаются по двум причинам: уменьшение дискретности перемещения вектора МДС обмотки якоря; уменьшение величины угла управления коммутацией в машине с большим числом фаз, причем первая причина оказывает большее влияние, чем вторая. При отказах типа «обрыв» и нейтральной коммутации пульсации возрастают в 1,94 ... 2,63 раза, при отстающей коммутации в 2,4 ... 3,3 раза и при опережающей - в 2,3 ...2,7 раза. В этих выражениях первое число относится к минимальной частоте вращения (К=0,1), второе - к максимальной (Г=1,0). При отказах типа «обрыв», как и в пятифазных машинах, на низких частотах вращения наблюдается уменьшение пульсаций момента. Это происходит как при нейтральной коммутации, так и при отстающей и опережающей. Угол управления коммутацией при этом изменяется от минус 6° до плюс 8° (рис. 8а, б). Уровень пульсаций 30% девя-тифазный ВД имеет при отказах типа «обрыв».

В случаях КФ девятифазного двигателя и заданных пределах изменения независимых координат пульсации изменяются в пределах (21 ... 90)%, а в случае КК - (44 ... 168)%. Это указывает на то, что отказ КК по-прежнему является самым неблагоприятным из всех видов отказов (рис. 86, г). Но при сравнении с пульсациями пятифазного двигателя оказывается, что изменения пульсаций для каждого вида отказа практически одинаковы и составляют 2,0 ... 2,7 при нейтральной коммутации, (2,3 ... 4,0) при отстающей и (2,4 .. .3,4) при опережающей коммутации.

Проведенный анализ интегральных характеристик и мгновенных значений координат на этапе внешнего проектирования ВД позволяет обоснованно выбрать число фаз, схему соединения, способ питания фаз ЭМП, структуру и силовые ключи выходного каскада ПК с тем, чтобы обеспечить требуемые характеристики и показатели надежности машины.

В шестой главе приведены основные алгоритмы, необходимые для реализации общей методики расчета электромагнитных процессов и энергетических характеристик многофазного ВД в штатных и аварийных режимах работы. На основе этих алгоритмов разработано девять программных комплексов, реализованных в среде разработки IDE Borland C++Builder 5, на компоненты которых получены свидетельства о государственной регистрации. Программные комплексы были использованы при

выполнении ряда НИР и ОКР по разработке бесконтактных электроприводов.

б)

■ 160-180

□ 140-160

■ 120-140

■ 100-170

■ 80-100

□ 80-80

□ 40-00

■ 70-40

□ 0-20

Г)

■ 90-100

■ 80-00

□ 70-80

■ ЁО-ТО

■ 50-80

■ 40-50

□ 30-40

□ 20-38

■ 10-70

девятифазного ВД при отказах ОК, ОФ, КК, КФ

Предложен инженерный метод расчета энергетических параметров ВД в исправном состоянии и в случаях отказов типа «обрыв» при нулевой индуктивности фаз обмотки. Потребляемая мощность линейно зависит от частоты вращения, а форма зависимости электромагнитной мощности от частоты вращения близка к синусоидальной. В базисных величинах (4) выражения имеют вид

Р\ =т - 0,6366 V. (15)

Рэ =т'[а0&т.(а]У)+а2{у-а^)2 }а4. (16)

При отказах типа «короткое замыкание» изменится выражение для электромагнитной мощности

Рэ =т{аа$т[а^(у-а^\+аг{у-а^)2)^. (17)

Относительный электромагнитный момент и электромагнитный КПД определяются по (12). В выражениях (15)-(17) т - означает минимальное число фаз, участвующих в электромеханическом преобразовании энергии; коэффициенты ай-а.ц, найденные с использованием эвристических методов, учитывают режим работы, вид коммутации, число фаз ВД и зависят от выбора базовых величин.

При Е>0 аппроксимирующие зависимости будем искать в виде общих выражений мощностей. Для исправного ВД и при неисправностях типа

«обрыв» выражения для относительных потребляемой и электромагнитной мощностей имеют вид

ы&у (18)

1^ (19) где к\=Ъ1щ А'2=8/тг2; къ =<я(с); кА=ал. Коэффициенты в этих формулах зависят от выбора базисных величин. В этом случае в качестве базисных приняты следующие величины

и.-й. ия: /.-Vу Лё*,. =

3 г 3 г 2 1/п г

«йн+^М')

Здесь и6 , /б , Р6 - базисные напряжение, ток и мощность; (/„, Ет - напряжение питающей сети и амплитуда фазной ЭДС обмотки; V- относительная частота вращения ротора; т - относительное индуктивное сопротивление фазы обмотки статора.

Полученные результаты расчетов (гл. 4, 5) использованы при проектировании многофазных ВД для решения задач оптимального проектирования исполнительных элементов электропривода. Удобно пользоваться упрощенными выражениями аппроксимирующих кривых в виде полиномов, которые связывают потребляемую Р\ или электромагнитную Рэ мощность с частотой вращения при заданном числе фаз и индуктивности обмотки якоря двигателя в штатных и аварийных режимах с высокой степенью достоверности (оценивается коэффициентом корреляции Я2). ВД в исправном состоянии: Р1 = 0,0034К2 - 0,2137К+ 3,1944; (5=1,0; Я2=0,9999).

Р3 = 0,0001 К3 - 0,009V2 + 0,1444К- 0,1317; (5=1,0; Я2=0,9997). Отказ КФ:

Л = 0,0041 V2 - 0,2859У+ 4,7033; (§=0,8; Д2=0,9999).

Рэ = 0,0002 Г5 - 0,0113 V2 + 0Д775К- 0,1755; (5=0,8; Д2=0,9996) Упрощенные выражения могут быть применены и для оценки пульсации электромагнитного момента в штатных и аварийных режимах работы (л=3 ... 11; 5=0,25).

И Ат,% = 2,0929п2 - 17,007л + 35,42 (5=0,25; Я2 =0,967)

ОК Лт,% = 7,2143л2 - 60,586л + 139,6 (5=0,25; Я2 =0,967)

ОФ Лт,% = 5,7857л2-48,614п+ 113,8 (5=0,25; Я1 =0^967)

КФ Лт,%=9,2\43л2 - 79,586л + 203,4 (Д2=0,988)

КК Лт, % = 23л2 - 194,4л + 475,4 (Я2 =0,985)

Включение уравнений аппроксимирующих кривых в математическую

модель поиска оптимальных вариантов исполнения двигателя позволяет использовать простые зависимости между переменными.

Приведен порядок действий при оценке работоспособности многофазных ВД по заданной величине электромагнитной мощности (рис. 9а).

Проведена проверка достоверности полученных решений систем дифференциальных уравнений, описывающих физические процессы в ЭМП. Оценка погрешностей проводилась в два этапа. На первом этапе оценивались погрешности математических моделей, вносимые принятыми допущениями, приближенным решением системы уравнений, выбранным методом численного интегрирования и т.п. Для этого были проведены работы по оценке точности расчета энергетических параметров по известным моделям (1), (2), которые применяются в классической теории для синхронных двигателей и ВД с малым числом фаз при полной и неполной коммутации. Проведена сравнительная оценка точности расчета энергетических характеристик многофазного ВД при полной коммутации фаз разомкнутой обмотки относительно метода непосредственного интегрирования уравнений электромагнитных процессов на МКИ, дающего наиболее точные результаты, с расчетами по действующим значениям первой и высших гармоник напряжения. Эти характеристики приведены на рис. 9 в, г. Анализ полученных результатов позволил определить области применения каждого метода при точности расчетов 3 ... 5%.

При полной и неполной коммутации обмотки сопоставлялись результаты, полученные по предложенной численно-аналитической методике расчета, с результатами, полученными методом непосредственного интегрирования уравнения электромагнитных процессов на примере трехфазного двигателя со 180 и 120 - градусной коммутацией при одинаковых эквивалентных индуктивностях фаз. Для этого относительные частоты вращения, мощности и индуктивные сопротивления приведены к единой системе базовых величин (4). Относительная погрешность расчета параметров при полной коммутации для с, =0 ... 8,0 и относительной частоте вращения V=0 ... 0,6 не превышает 1,2%; при неполной коммутации — 2%.

При расчете мощностей (15) - ( 19) по аппроксимирующим выражениям погрешности вычисления при полной и неполной коммутации исправного ВД в диапазоне частот вращения V=0 ... 1,2 не превышают 1% (с, =0) и 5% (^ >0). В аварийных режимах реальных ВД =0 ... 4,0) - 8% (рис. 96).

Объективную оценку точности расчета в целом дает сопоставление его с экспериментом. Экспериментальные испытания опытных образцов один-надцатифазных ВД типа МД-5 проводились в лаборатории отдела 51 ВНИИ ЭМ на специальной установке. Дополнительные исследования ВД в составе привода специализированного механизма проведены на испыта-

Рис. 9. К вопросу оценки работоспособности ВД и точности расчетов энергетических параметров

тельном стенде предприятия Заказчика ГРЦ им. В.П. Макеева, г. Миасс по штатной документации для исправной машины и при имитации отказов элементов силового канала. Результаты измерения и расчета энергетических характеристик машины, работающей в аварийных режимах, оказывающих меньшее и большее влияние (ОФ и КК) на характеристики ВД приведены на рис. 10. Сравнивая полученные зависимости можно установить однозначность и полное качественное совпадение, что подтверждает правильность решения задачи, приемлемость предложенной методики расчета энергетических характеристик и достоверность полученных выводов и данных рекомендаций.

Для оценки точности расчета энергетических параметров на основе упрощенной модели ВД проведен аналогичный вычислительный эксперимент с исходными данными исследуемого двигателя. В аварийных режимах расчетные значения энергетических параметров отличаются от экспериментальных на 16-20% при моменте нагрузки не более \,2Ма. Таким образом, математический аппарат исследования характеристик многофазного ВД адекватно отражает особенности проектируемого объекта, а точность расчета энергетических параметров двигателя можно читать удовлетворительной.

б)

N ч^П: -Г-О.Г. ОФ

Раем

\

к ч

ч

о о.: <ы о.б п,8 |.о г

г)

ч ^Эьсп „^п, 4-о.г:; кк

Рас»

V

\

Рис.10. Оценка точности расчета энергетических параметров двигателя МД-5

Предложенный вариант исполнения специализированных устройств был использован ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс» (г. Самара) при разработке конструкторской документации на бесконтактный силовой электропривод крышек специальной аппаратуры изделий 17Ф113, 17Ф20. В ходе выполнения НИР проведены испытания опытных образцов в университете, подтвердившие расчетные технические характеристики электропривода. По результатам выполнения НИР изготовлена опытная партия электроприводов, которая успешно прошла комплексные испытания, проведенные на предприятии Заказчика. Согласно протоколу № 0722-01-97, испытания с целью определения границ по ресурсным характеристикам привода проводилась в ЦСКБ на оборудовании экспериментального производства по сетевому графику № 752-17Ф119-506-92 с 01.05.92 по 30.12.96гг. По программе испытаний обеспечивался предельный штатный цикл: ВД работал на максимальной частоте вращения и номинальной стабильной нагрузке с реверсом по достижении крайних положений. Кроме того, в процессе испытаний изменялись температурные условия работы от нормальных до предельных эксплуатационных. Испытания были завершены после выработки требуемого ресурса. На момент завершения испытаний наработка двигателей составила 7261 час, в том числе: 2148 часов - при нормальных

условиях; 2648 часов - при минус 50°С; 2465 часов - при плюс 50°С. В ряде электроприводов наблюдались отказы одного из каналов блоков управления или обмоток ЭМП, что не приводило к потере работоспособности. В целом проведенные ресурсные испытания подтвердили улучшение характеристик электропривода и правильность принятых технических решений.

Инженерная методика расчета электромагнитных процессов многофазных ВД принята на ОАО «НПО «ЭЛЕКТРОМАШИНА» (г. Челябинск) к реализации при выполнении НИИОКР по проектированию систем, содержащих высоконадежные ВД.

Программные комплексы использованы для поверочного расчета серийных образцов двигателей ДБ-80, выпускаемых Златоустовским УПП ВОС. Были выявлены причины низкой эффективности преобразования энергии и даны рекомендации по применению магнитопласта НМ20Р для изготовления индуктора. Изготовлена и испытана опытная партия ВД, рассчитанных на разные величины номинальных мощностей, напряжений питания и частот вращения. В качестве магнитов использовались магнито-пласт НМ20Р, материалы на основе сплавов кобальта БтСо5 и сплав на основе ШЕеВ. Результаты испытаний подтвердили достоверность полученных результатов: относительная погрешность расчета полезной мощности для номинальных режимов не превышает 8... 15% для машин с индукторами из магнитопласта и 7 ...11% для машин с индукторами из сплавов на основе 8тСо5 и ШИеВ.

Определены направления дальнейшего развития исследований в области теории и инженерной практики многофазных ВД.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Основное содержание диссертации отражено в публикациях:

- в ведущих рецензируемых периодических изданиях;

1. Вигриянов, П.Г. Исследование энергетических параметров пятифаз-ного вентильного двигателя при полной коммутации / П.Г. Вигриянов // Вестник Южно-Уральского технического университета, серия «Энергетика».-2012,-№ 37.-С. 50-53.

2. Вигриянов, П.Г. Общая методика исследования электромагнитных процессов вентильного двигателя с изменяемой структурой электромеханического преобразователя коммутации / П.Г. Вигриянов // Электричество. -2012.-№8.-С. 44-51.

3. Вигриянов, П.Г. Общая методика исследования электромагнитных процессов вентильного двигателя при полной коммутации / П.Г. Вигриянов // Электротехника. - 2012. -№ 10 - С. 31-35.

4. Вигриянов, П.Г. Особенности исследования электромагнитных процессов вентильных двигателей с изменяемой структурой электромеханического преобразователя при отказах элементов силовой части / П.Г. Вигриянов // Электричество. - 2012. - № 12. - С. 46-50.

5. Вигриянов, П.Г. Оценка влияния индуктивности обмотки якоря на энергетические характеристики семифазных вентильных двигателей малой мощности при полной коммутации / П.Г. Вигриянов // Энергетик. -2012.-№ 11.-С. 45-47.

6. Вигриянов, П.Г. Оценка влияния отказов на энергетические характеристики девятифазного вентильного двигателя / П.Г. Вигриянов // Известия Томского политехнического университета. Энергетика. Выпуск 4. -2012». - Т. 321. - № 4. - С. 67-71.

7. Вигриянов, П.Г. Оценка влияния отказов на энергетические характеристики семифазных вентильных двигателей малой мощности / П.Г. Вигриянов // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ.-2012- Т.128 -№3.-С. 3-8.

8. Вигриянов, П.Г. Оценка влияния отказов на энергетические характеристики пятифазных вентильных двигателей малой мощности / П.Г. Вигриянов // ЭЛЕКТРО. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. - 2012. - № 6. - С. 14-18.

9. Вигриянов, П.Г. Пульсации электромагнитного момента многофазных вентильных двигателей в аварийных режимах работы / П.Г. Вигриянов // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ.-2012.-Т.128-№3 - С. 9-15.

10. Вигриянов, П.Г. Пульсации электромагнитного момента управляемых девятифазных вентильных двигателей при отказах типа «обрыв» / П.Г. Вигриянов // Вестник Магнитогорского государственного технического университета. - 2012. - № 3 .- С. 14-17.

11. Вигриянов, П.Г. Расчет алгоритмов коммутации многофазных вентильных двигателей / П.Г. Вигриянов // Вестник Южно-Уральского технического университета, серия «Энергетика». Выпуск 16. - 2011. - № 34(251).-С. 46-49.

12. Вигриянов, П.Г. Формирование механической характеристики тягового вентильного двигателя / П.Г. Вигриянов // Вестник ЮжноУральского технического университета, серия «Энергетика». Выпуск 5. -2004. - № 4(33). - С. 44-45.

13. Вигриянов, П.Г. Энергетические характеристики девятифазного вентильного двигателя при полной и неполной коммутации / П.Г. Вигриянов // Известия Томского политехнического университета. Энергетика. Выпуск 5. - 2011. - Т. 319. - № 4. - С. 103-106.

14. Вигриянов, П.Г. Энергетические характеристики пятифазных вентильных двигателей малой мощности при неполной коммутации / П.Г. Вигриянов // ЭЛЕКТРО. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. -2012. - № 5. - С. 37-40.

15. Вигриянов, П.Г. Энергетические характеристики семифазных вентильных двигателей малой мощности при неполной коммутации / П.Г. Вигриянов // Энергетик. -2012. - № 12. - С. 49-51.

16. Вигриянов, П.Г. Энергетические характеристики управляемых пя-тифазных вентильных двигателей малой мощности / П.Г. Вигриянов // Вестник Южно-Уральского технического университета, серия «Энергетика». - 2012. -№ 37. - С. 54-59.

- в прочих сборниках;

17. Вигриянов, П.Г. Алгоритмы управления коммутацией секций исполнительного элемента дисковода магнитной памяти / П.Г. Вигриянов, С.Г. Воронин //Межвуз. сб. тр. Рязань: Рязан. радиотехн. ин-т. 1986. - С. 95-99.

18. Вигриянов, П.Г. Анализ энергетических возможностей двигателя ДБ80 / П.Г. Вигриянов //Совершенствование наукоемких технологий и конструкций: сб. науч. тр. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2001г. - С. 96-98.

19. Вигриянов, П.Г. Выбор числа фаз вентильного двигателя / П.Г. Вигриянов, Л.Ю. Блажевич // Проблемы машиностроения: сб. научн. тр-Екатеринбург: УрО РАН, 2005. - С. - 275.

20. Вигриянов, П.Г. Критерии выбора числа фаз вентильного двигателя / П.Г. Вигриянов // Тез. доклада науч.-техн. конф. «Электронные и электромеханические системы и устройства»,- Томск: ФГУП « НПЦ Полюс, 2006. - С. 121-122.

21. Вигриянов, П.Г. Многофазные вентильные двигатели / П.Г. Вигриянов // Научные труды Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», 6-7 сентября 2001 г. Томск: ТПУ, 2001 г.-С. 136-137.

22. Вигриянов, П.Г. Особенности преобразования координат в уравнениях движения многосекционного вентильного двигателя / П.Г. Вигриянов, С.Г. Воронин // Тез. докл. науч. техн. конф. по электромеханотронике 21-23 окт. 1987.-Ленинград, 1987.-С. 17-18.

23. Вигриянов, П.Г. Особенности проектирования многофазных вентильных двигателей / П.Г. Вигриянов // Научные труды Российской научно-технической конференции «Новейшие технологии в приборостроении», Ч.2., 6-7 октября 1999 г., Томск: ТПУ, С. 40-41.

24. Вигриянов, П.Г. Оценка пульсаций электромагнитного момента вентильных двигателей при неисправности типа «обрыв» / П.Г. Вигриянов. -Челябинск: ЦНТИ. Информационный листок, 1992, № 86-92.

25. Вигриянов, П.Г. Оценка энергетических характеристик вентильных двигателей / П.Г. Вигриянов // Управляющие и вычислительные системы. Новые технологии: Материалы межвузовской научно-технической конференции. - Вологда: ВоГТУ, 2000. - С. 71-72.

26. Вигриянов, П.Г. Пакет программ для расчета энергетических характеристик многофазного вентильного двигателя / П.Г. Вигриянов. - Челябинск: ЦНТИ, Информационный листок, 1988, № 88-39.

27. Вигриянов, П.Г. Пакет программ для расчета энергетических характеристик многофазного вентильного двигателя при неисправности «обрыв»

/П.Г. Вигриянов. - Челябинск: ЦНТИ. Информационный листок, 1988, № 8861.

28. Вигриянов, П.Г. Пакет программ для расчета энергетических характеристик многофазного вентильного двигателя при неисправности «короткое замыкание» / П.Г. Вигриянов. - Челябинск: ЦНТИ. Информационный листок, 1988, № 88-62.

29. Вигриянов, П.Г. Преобразование координат при неполной коммутации вентильного двигателя / П.Г. Вигриянов // Исследование автоматизированных электроприводов, электрических машин и вентильных преобразователей: сб. науч. тр. - Челябинск: ЧПИ, 1987. - С. 25-30.

30. Вигриянов, П.Г. Применение вентильного привода в силовых передачах колесного и гусеничного транспорта / П.Г. Вигриянов // Сб. научн. тр. ЗФ ЮУрГУ,-Челябинск: ЧГТУ, 1996.-С. 125-131.

31. Вигриянов, П.Г. Применение специальной коммутационной функции для исследования физических процессов многофазных вентильных двигателей с изменяющейся структурой электромеханического преобразователя / П.Г. Вигриянов // Фундаментальные и прикладные проблемы науки. Т 1. Материалы VII Международного симпозиума. М.: РАН, 2012. - С. 229-236.

32. Вигриянов, П.Г. Программы расчета энергетических характеристик трехфазного вентильного двигателя / П.Г. Вигриянов. - Челябинск: ЦНТИ. Информационный листок, 1988, № 88-44.

33. Вигриянов, П.Г. Расчет алгоритмов коммутации многофазных вентильных двигателей в аварийных режимах / П.Г. Вигриянов // Совершенствование машиностроительных материалов, конструкций и методов обработки деталей: темат. сб. науч. тр. - Челябинск: ЧГТУ, 1995. - С. 169-171.

34. Вигриянов, П.Г. Расчет алгоритмов симметричной коммутации многофазных вентильных двигателей / П.Г. Вигриянов // Исследование автоматизированных электроприводов, электрических машин и вентильных преобразователей: сб. науч. тр. - Челябинск, ЧГТУ, 1992. - С. - 91-94.

35. Вигриянов, П.Г. Расчет токов вентильного двигателя с замкнутой де-вятифазной обмоткой / П.Г. Вигриянов, А.П. Вигриянов // Совершенствование наукоемких технологий и конструкций: сб. науч. тр. - Челябинск: Издательство ЮУрГУ, 2001. - С. 90-95.

36. Вигриянов, П.Г. Расчет электромагнитных процессов многофазных вентильных двигателей с использованием специальной коммутационной функции /П.Г.Вигрнянов //Тез. докл. к регион, науч. - техн. конф. «Управляемые электромеханические системы» 9-13 октября, 1990. г. Киров С. 59-60.

37. Вигриянов, П.Г. Расчет энергетических характеристик многофазных вентильных двигателей в установившихся аварийных режимах /П.Г. Вигриянов //Сб. науч. тр. ЗФ ЧГТУ,- Челябинск: ЧГТУ, 1995. - С. 115-118.

38. Вигриянов, П.Г. Экспертная оценка энергетических характеристик вентильных двигателей / П.Г. Вигриянов // Научные труды Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмическая техника и высокие технологии - 2001» АКТ-2001, 12 - 14 апреля 2001г., Пермь: ПГТУ, С. 73.

39. Вигриянов, П.Г. Электромагнитные процессы многофазных вентильных двигателей / П.Г. Вигриянов // Материалы 61-й научной конференции. Секции технических наук. - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2009. - С. 274-277.

40. Вигриянов, П.Г. Энергетические характеристики многофазного вентильного двигателя в нормальных и аварийных режимах / П.Г. Вигриянов // Тез. докл. науч. техн. конф. «Вентильные электромеханические системы с постоянными магнитами». Москва, 1989. - С. 14.

41. Вигриянов, П.Г. Энергетические характеристики многофазных вентильных двигателей / П.Г. Вигриянов // Тез. докл. Всесоюзного семинара «Кибернетика электроэнергетических систем». - Челябинск: ЧПИ, 1990. -С. 132-133.

- книжные и депонированные работы;

42. Вигриянов, П.Г. Исследование электромагнитных процессов вентильных двигателей: монография / П.Г. Вигриянов. - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2010. - 161 с.

43. Вигриянов, П.Г. Работоспособность и характеристики многофазных вентильных двигателей: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.09.01 / П.Г. Вигриянов. - Томск, 1989. - 19 с.

44. Вигриянов, П.Г. Электромагнитные процессы многофазных вентильных двигателей: монография / П.Г. Вигриянов. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2007. - 143 с.

45. Вигриянов, П.Г. Выбор метода расчета энергетических характеристик вентильного двигателя при полной коммутации /П.Г. Вигриянов, С.Г. Воронин-Челябинск, 1988 - 8с. Деп. в Информэлектро 27.07.87, № 863-эт.

46. Вигриянов, П.Г. Методика расчета энергетических характеристик многофазного вентильного двигателя при симметричной коммутации / П.Г. Вигриянов. - Челябинск, 1988. - 18 с. Деп. в Информэлектро 11.05.88, № 170-ЭТ.88.

- охранные документы;

47. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2012614305 Расчет специальной коммутационной функции и алгоритмов коммутации многофазных вентильных двигателей / Вигриянов П.Г. -реф. опубл. в Бюл. «Программы для ЭВМ», 2012. - № 3(80). - С. 288.

48. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2012614306 Расчет энергетических характеристик многофазных вентильных двигателей малой мощности при полной коммутации / Вигриянов П.Г.- реф. опубл. в Бюл. «Программы для ЭВМ», 2012. - № 3(80). - С. 288.

49. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2012614307 Расчет энергетических характеристик многофазных вентильных двигателей малой мощности при неполной коммутации / Вигриянов П.Г.- реф. опубл. в Бюл. «Программы для ЭВМ», 2012,- № 3(80).-С.288.

50. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2012617498 Расчет мгновенных значений координат многофазных вентильных двигателей малой мощности с гальванически развязанными фазами обмотки якоря для вариантов неполной коммутации при неисправности типа «короткое замыкание» / Вигриянов П.Г. — реф. опубл. в Бюл. «Программы для ЭВМ», 2012. - № 4(81). - С. 360.

51. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2012617499 Расчет мгновенных значений координат многофазных вентильных двигателей малой мощности, питающихся от одного источника, для вариантов неполной коммутации при неисправности типа «обрыв» / Вигриянов П.Г.- реф. опубл. в Бюл. «Программы для ЭВМ», 2012 - № 4(81).-С. 360.

52. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2012617996 Расчет мгновенных значений координат многофазных вентильных двигателей малой мощности для вариантов неполной коммутации при неисправности типа «короткое замыкание» / Вигриянов П.Г. -реф. опубл. в Бюл. «Программы для ЭВМ», 2012. - № 4(81). - С. 479.

53. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2012617998 Расчет энергетических характеристик многофазных вентильных двигателей малой мощности для вариантов полной коммутации при неисправности типа «короткое замыкание» / Вигриянов П.Г. - реф. опубл. в Бюл. «Программы для ЭВМ», 2012. - № 4(81). - С. 479.

54. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2012617999 Расчет мгновенных значений координат многофазных вентильных двигателей малой мощности для вариантов неполной коммутации при неисправности типа «обрыв» / Вигриянов П.Г. - реф. опубл. в Бюл. «Программы для ЭВМ», 2012. - № 4(81). - С. 479.

55. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2012618000 Расчет энергетических характеристик многофазных вентильных двигателей малой мощности для вариантов полной коммутации при неисправности типа «обрыв» / Вигриянов П.Г. - реф. опубл. в Бюл. «Программы для ЭВМ», 2012. - № 4(81). - С. 479.

Личный вклад автора. В написанных в соавторстве работах автору принадлежат: в [17] — формализация описания алгоритмов коммутации; [19] - постановка задачи, выбор критериев оптимальности; [22] - разработка математического аппарата, программного обеспечения преобразования координат при неполной коммутации, расчеты; [35] - постановка задачи расчета, математический аппарат; [45] - разработка программного обеспечения и расчет энергетических параметров ВД по мгновенным значениям координат.

Вигриянов Павел Георгиевич

УСТАНОВИВШИЕСЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ МНОГОФАЗНЫХ ВЕНТИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В ШТАТНЫХ И АВАРИЙНЫХ РЕЖИМАХ

Специальность 05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Издательский центр Южно-Уральского государственного университета

Подписано в печать 11.04.2013. Формат 60x84 1/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 2,56. Уч.-изд. л. 2. Тираж 100 экз. Заказ 73/285.

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

Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет) Филиал ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ» (НИУ) в г. Златоусте

На правах рукописи

05201351214

Вигриянов Павел Георгиевич

УСТАНОВИВШИЕСЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ МНОГОФАЗНЫХ ВЕНТИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В ШТАТНЫХ И АВАРИЙНЫХ РЕЖИМАХ

Специальность 05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант - доктор технических наук, профессор С.Г.Воронин

Златоуст - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................6

Актуальность избранной темы........................................ 6

Анализ научной литературы и исследований, проведенных

другими авторами.................................................. 6

Цель диссертационной работы....................................... 8

Основная научная проблема......................................... 8

Научная новизна................................................... 10

Основные научные результаты, выносимые на защиту................... 12

Практическая значимость............................................13

Внедрение результатов работы....................................... 14

Апробация работы................................................. 13

Публикации....................................................... 15

Структура и объем работы.......................................... 15

1. ВЕНТИЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ - ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ БЕСКОНТАКТНОГО ПРИВОДА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ..............21

1.1. Структурная схема, особенности работы, основные направления совершенствования ВД. Сравнение с отечественными и зарубежными аналогами........................................................21

1.2. Анализ возможных отказов элементов ВД и некоторые способы его резервирования................................................... 26

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ МАЛОЙ МОЩНОСТИ.............................................41

2.1. Объект исследования и его физическая модель......................41

2.2. Методы исследования электромагнитных процессов многофазных вентильных двигателей..............................................44

2.3. Схемы соединения и способы питания фаз обмотки..................47

2.4. Алгоритмы коммутации фаз обмотки ВД...........................56

2.5. Эквивалентные схемы и уравнения электромагнитных процессов......63

3. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ УСТАНОВИВШИХСЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ МНОГОФАЗНЫХ ВЕНТИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ..................................... 77

3.1. Преобразование исходных уравнений электрического равновесия......77

3.2. Общая методика исследования электромагнитных процессов

в нормальных и аварийных режимах работы............................90

3.2.1. Основные особенности методики решения систем дифференциальных уравнений........................................................ 90

3.2.2. Постановка задачи исследования................................ 93

3.2.3. Обоснование специальной коммутационной функции SDB...........94

3.2.4. Применение специальной коммутационной функции для описания алгоритмов коммутации и физических процессов.......................102

3.3. Методика исследования электромагнитных процессов исправного двигателя........................................................ 108

3.3.1. Требования к общей методике исследования..................... 108

3.3.2. Общая методика исследования электромагнитных процессов вентильного двигателя при полной коммутаций................................... 110

3.3.3. Методика исследования электромагнитных процессов вентильного двигателя с изменяемой структурой электромеханического преобразователя 116

3.4. Особенности исследования электромагнитных процессов в аварийных режимах работы.................................................. 132

4. ИССЛЕДОВАНИЕ УСТАНОВИВШИХСЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ МНОГОФАЗНЫХ ВЕНТИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

В ИСПРАВНОМ СОСТОЯНИИ..................................... 138

4.1. Характеристики многофазных ВД при полной коммутации.......... 138

4.2. Характеристики ВД при неполной коммутации....................151

4.3. Характеристики управляемых ВД................................ 166

4.4. Пульсации электромагнитного момента исправного двигателя........176

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ МНОГОФАЗНЫХ ВЕНТИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В УСТАНОВИВШИХСЯ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ ....

5.1. Анализ возможности сохранения работоспособного состояния многофазных ВД при отказах элементов силового канала..........

5.2. Характеристики многофазных ВД в аварийных режимах работы

5.3. Оценка пульсаций электромагнитного момента при отказах.....

6. ВЕРИФИКАЦИЯ И ПРИКЛАДНЫЕ ВОПРОСЫ АНАЛИЗА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И ОЦЕНКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ВЕНТИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В АВАРИЙНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ............................................

6.1. Алгоритмическое и программное обеспечение общей методики исследования электромагнитных процессов...........................

6.2. Анализ результатов практических расчетов характеристик ВД........

6.3. Оценка работоспособности многофазных ВД при отказах элементов силового канала...................................................

6.4. Оценка точности расчетов характеристик ВД. Экспериментальная часть ...........................................................

6.5. Направления дальнейших исследований в области теории

и инженерной практики............................................

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.................................

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А. Характеристики пятифазного ВД в исправном состоянии . . Приложение Б. Характеристики пятифазного ВД при отказах элементов

силового канала..................................................

Приложение В. Мгновенные значения координат пятифазного ВД в исправном состоянии и аварийных режимах работы...................

Приложение Г. Пульсации электромагнитного момента двигателей с одинаковой индуктивностью фаз обмотки (^=0,25) в случаях

»-» и п тах

отказов при максимальной электромагнитной мощности Рэ для

отстающей, нейтральной и опережающей коммутации.................308

Приложение Д. Свидетельства о государственной регистрации

программ для ЭВМ................................................311

Приложение Е. Технические характеристики электродвигателей.........320

Приложение Ж. Акты внедрения результатов диссертационной работы ... .324 Приложение 3. Экспериментальные данные..........................328

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность избранной темы

В автоматизированных приводах техники новых поколений заметное место занимает электропривод на основе вентильных двигателей (ВД) постоянного тока, нашедший применение в системах управления летательных аппаратов [17, 19, 67, 82, 122, 180, 191], космических аппаратах [94, 95, 104, 145, 157] и промышленных роботах, манипуляторах, металлорежущих станках [26, 58, 81, 82, 84, 132, 133, 156], медико-биологических и информационно-преобразовательных устройствах [27, 68, 85, 200]. Это объясняется его гибкостью и многофункциональностью, возможностью построения высококачественных систем управления, хорошими динамическими показателями и регулировочными свойствами, разнообразием конструкций и схем, возможностью работы в тяжелых условиях эксплуатации, большим сроком службы и высокой надежностью [12, 17, 18, 81, 83, 92, 94, 102, 129, 142, 145, 157].

Вопросам обеспечения высокой надежности при конструировании и эксплуатации электроприводов систем управления всегда уделялось значительное внимание [5-7, 71, 83, 88, 91, 92, 145]. Несмотря на значительные усилия в области повышения надежности таких электроприводов, за последние 30 лет уровень надежности остается недостаточно высоким и не удовлетворяет все возрастающим требованиям [6, 7, 62, 71, 156, 185]. Низкая надежность приводов систем управления может привести не только к увеличению стоимости эксплуатации, но и к аварийным ситуациям более сложного объекта, последствия которых трудно представить.

Анализ научной литературы и исследований, проведенных другими авторами

При разработке и практической реализации силовых и приборных электромеханических систем с постоянными магнитами накоплен большой опыт по теории [8, 63, 113, 118, 119], методам исследования физических процессов [110, 112], надежности [7, 62, 71, 86, 103, 115, 121-123, 162-164], оптимальному

проектированию [81, 82, 117, 120, 144, 185] и математическому моделированию [97, 110, 150, 151, 165, 179, 188] вентильных двигателей различных схемных и конструктивных исполнений [114, 149, 166, 200], предназначенных для систем автоматических устройств.

Важный вклад в решение этих проблем внесли работы A.A. Дубенского, А.И. Бертинова, В.А. Балагурова, С.Г. Воронина, В.М. Гридина, Н.И. Лебедева, Ш.И. Лутидзе, В.К. Лозенко, И.Е. Овчинникова, В.Ф. Шалагинова, Л.И. Столо-ва, Ю.И. Конева, В.А. Лифанова, В.П. Миловзорова и многих других ученых и специалистов. Однако, имеющаяся теоретическая база и методы проектирования ориентированы в основном на машины с малым числом фаз, а публикации в области исследования многофазных ВД направлены на решение частных вопросов.

Разработка систем авиационной и космической техники научного, оборонного, социального и хозяйственного назначения требует увеличения важности выполняемых функций, роста сложности аппаратуры и повышения требований к надежности автономных объектов [71]. Применяемые в настоящее время ВД не всегда могут обеспечить эти требования [157]. Возникает научная проблема - необходимость разработки двигателей систем автоматических устройств, способных обеспечить необходимый уровень надежности в различных сочетаниях её составляющих [145, 146, 158, 185].

Повышение надежности и улучшение характеристик ВД возможно за счет применения новых материалов и конструктивных решений при создании электромеханического преобразователя [18, 21, 108, 113, 142, 149, 178, 200, 202], использования новых методов резервирования [5, 7, 62, 162], так как совершенствование и миниатюризация электронной аппаратуры электропривода и микропроцессорной техники пока не ограничены [70, 87-89, 98, 99, 102, 111, 146, 193, 194]. Для эффективного использования в этом направлении новых подходов к разработке ВД необходим соответствующий математический аппарат анализа его характеристик, адекватно отражающий свойства реального объекта

и позволяющий учесть многообразие технических требований, предъявляемых к нему в условиях мелкосерийного, а порой и уникального производства встраиваемых в готовый механизм исполнительных элементов.

Таким образом, существующее противоречие между практической потребностью в разработке и внедрении ВД повышенной надежности и недостаточно развитой теорией анализа и синтеза является основным источником дальнейшего совершенствования электрических машин этого класса, что определяет актуальность научных исследований в этой области.

Цель диссертационной работы - развитие общей теории электромагнитных процессов многофазных электромеханических преобразователей в составе ВД для штатных и аварийных режимов работы и создание на этой основе методов обеспечения надежности и энергетической эффективности многофазных вентильных двигателей.

Основная научная проблема заключается в развитии и углублении научных основ создания и совершенствования электромеханических преобразователей энергии, позволяющих для различных вариантов исполнения машины, разработать подходы, методы, алгоритмы и программы, обеспечивающие проектирование ВД при заданных показателях надежности, реализуя большое число возможных вариантов для штатных и аварийных режимов работы, в отличие от существующих методик, которые решают частные задачи для одного конкретного варианта исполнения ВД.

Задачи исследования

Для достижения поставленной цели необходимо последовательно решить следующие задачи.

1. Провести анализ и систематизацию схем соединений, способов питания и алгоритмов коммутации фаз обмотки ВД.

2. Построить математические модели многофазных ВД с сосредоточенными параметрами для штатных и аварийных режимов работы.

3. Провести анализ методов исследования физических процессов ВД и выбрать метод исследования электромеханического преобразователя с изменяющейся структурой в исправном состоянии и при отказах отдельных элементов.

4. Провести разработку общей методики исследования электромагнитных процессов многофазных ВД различных вариантов исполнения в штатных и аварийных режимах работы.

5. Разработать математический аппарат исследования установившихся электромагнитных процессов электромеханических преобразователей с изменяемой структурой в штатных и аварийных режимах работы многофазных ВД.

6. Создать программное обеспечение для расчета мгновенных значений координат и интегральных характеристик многофазных ВД в штатных и аварийных режимах работы.

7. Исследовать особенности протекания электромагнитных процессов в электромеханических преобразователях в аварийных режимах работы.

8. Выдать практические рекомендации по проектированию многофазных ВД повышенной надежности для систем управления автономных объектов

Объектом исследования при этом являются электромеханические преобразователи многофазных вентильных двигателей постоянного тока малой мощности (до 1 кВт), имеющие различные варианты схем построения.

Предметом исследования являются установившиеся электромагнитные процессы электромеханических преобразователей многофазных вентильных двигателей в штатных и аварийных режимах работы.

Методы исследования

Исследования проведены с использованием фундаментальных основ теории электрических машин, традиционных методах интегрального и дифференциального исчисления, модифицированных с учетом особенностей протекания электромагнитных процессов, методах вычислительной математики, нашедших применение в процессе аналитических и численных операций. Основным методом исследования выбран метод численного моделирования. Для решения сис-

тем дифференциальных уравнений высокого порядка разработана общая методика расчета, ориентированная на применение средств вычислительной техники. Решение трансцендентных уравнений и интегрирование функций осуществляется с помощью численных и аналитических методов, доработанных с учетом особенностей протекания физических процессов в электромеханических преобразователях многофазных ВД.

Математическое моделирование осуществлялось на IBM PC совместимых персональных компьютерах, система объектно-ориентированного программирования Borland C++Builder 5 Enterprise Edition, язык программирования С++. Экспериментальные исследования проводились на специально разработанных стендах.

Достоверность полученных результатов обеспечивается обоснованностью и корректностью принятых допущений, адекватностью используемых математических методов, моделей и алгоритмов, совпадением результатов расчетов электромагнитных процессов различными методами, подтверждением результатов расчетов их физическими экспериментами на опытных и серийных образцах многофазных ВД, а также в составе опытных партий устройств систем автоматики.

Связь темы диссертации с научно-техническими программами

Работа выполнялась в соответствии с планом научных исследований Минвуза по направлению 8 «Автоматизация и повышение надежности электроснабжения и электроприводов промышленных предприятий» проблеме 30 «Разработка и исследование электрических машин, систем автоматики и специальных установок».

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Предложен новый научный подход к проектированию вентильных двигателей, позволяющий на стадии разработки обосновать выбор рациональной структуры ЭМП с целью обеспечения надежности и обоснования необходимого резервирования.

2. Предложены математические модели ВД малой мощности с возбуждением от постоянных магнитов, позволяющие исследовать характеристики машин с любым числом фаз при различных схемах соединения, способах питания и алгоритмах коммутации фаз обмотки.

3. Автором реализован углубленный метод анализа ЭМП энергии, позволивший исследовать физические процессы при асимметрии электромагнитных связей между фазами обмотки якоря.

4. Впервые предложена, обоснована и применена для формального описания алгоритмов коммутации и исследования электромагнитных процессов специальная коммутационная функция, позволившая связать фазные координаты на смежных межкоммутационных интервалах и получить удобный для программирования математический аппарат в виде циклов и рекуррентных выражений.

5. Впервые предложена и разработана общая методика исследования установившихся электромагнитных процессов ВД с постоянной и изменяющейся структурой ЭМП в штатных и аварийных режимах работы, позволяющая исследовать физические процессы в двигателях с любым числом фаз и обосновать выбор рациональной структуры исполнительных элементов электропривода с целью обеспечения надежности и обоснования необходимого резервирования.

6. Впервые разработано алгоритмическое и программное обеспечение, позволившее реализовать абсолютно устойчивый адаптивный метод решения систем дифференциальных уравнений и проводить исследования установившихся электромагнитных процессов ВД с любым числом фаз с постоянной и изменяющейся структурой электромеханического преобразователя в штатных и аварийных режимах работы.

7. Полученные результаты расчетов энергетических, электромеханических, механических характеристик и пульсаций токовой составляющей элект