автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Вентильный двигатель с цифровым управлением

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. ВЕНТИЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ВОЗБУЖДЕНИЕМ ОТ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ И ВОПРОСЫ ИХ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ.

1.1. Обзор применения ВДПТ с постоянными магнитами и выбор силовой схемы.

1.2. Особенности электромагнитных процессов в ВДПТ.

1.2.1. Взаимодействие МДС индуктора и якоря двигателя с малосекционной обмоткой.

1.2.2. Условия успешной коммутации тока в ко-роткозамкнутых секциях ВДПТ.

1.3. Анализ методов исследования вентильных двигателей.

1.4. Вопросы совершенствования системы управления ВДПТ. 24 ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

ГЛАВА П. ИССЛЕДОВАНИЕ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ ВЕНТИЛЬНОГО

ДВИГАТЕЛЯ И ТИРИСТОРНОГО ПРЕРЫВАТЕЛЯ.

2.1. Постановка задачи, принимаемые допущения.

2.2. Работа тиристорного прерывателя Джонса и выбор его параметров.

2.3. Схемы замещения ВДПТ, работающего от тиристорного прерывателя.

2.4. Уравнение баланса напряжения якорной обмотки при различных режимах питания.

2.5. Влияние частоты вращения на электромагнитный момент вентильного двигателя, питаемого от тиристорного прерывателя. 39 ВЫВОДЫ.

ГЛАВА Ш. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВДПТ НА ЦВМ.

3.1. Уравнения электромагнитных связей в

ВДПТ.

3.2. Расчет магнитного поля в воздушном зазоре.

3.3. Расчет мгновенных значений токов якоря и коммутируемой фазы ВДПТ на ЦВМ.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 1У. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАСЧЕТ ОПТИМАЛЬНЫХ. РЕЖИМОВ РАБОТЫ ВДПТ С УЧЕТОМ КОММУТАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ.

4.1. Процесс коммутирования тока в малосекционной обмотке якоря ВДПТ.

4.2. Уравнение коммутации.

4.3. Расчет угла запаса ВДПТ, обеспечивающий наилучший режим работы при резкопере-менной нагрузке.

4.3.1. Коммутационный процесс при набросе нагрузки.

4.3.2. Учет процесса выключения тиристора.

4.4. Методика расчета угла коммутации и минимального угла запаса.

4.5. Анализ результатов расчета.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА У. ЦИФРОВАЯ СИСТЕМА .УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНЫМ

ДВИГАТЕЛЕМ.

5.1. Система управления ВДПТ, постановка задачи.

5.2. Система управления, обеспечивающая постоянный угол управления.

5.3. Система управления, обеспечивающая постоянный угол запаса.

5.4. Перспективы применения микропроцессорной системы управления ВДПТ. 102 ВЫВОДЫ. ПО

Основные направления экономического и социального развития СССР на 1981-1985 годы и на период до 1990 года, утвержденные на ХХУ1 съезде КПСС, предусматривают дальнейшее развитие всех отраслей народного хозяйства, в том числе железнодорожного транспорта, на основе ускорения технического прогресса, улучшения использования техники и повышения ее технико-экономических показателей [ I ] .

Важное значение в интенсификации железнодорожного транспорта и повышения межремонтного пробега магистральных электровозов постоянного тока имеет надежность работы вспомогательного привода электровоза.

Вспомогательные машины на электровозах постоянного тока не претерпели серьезных изменений в течение последних четырех десятилетий, вместе с тем высоковольтные коллекторные электрические двигатели вспомогательных механизмов являются важным элементом в общем комплексе электрооборудования подвижного состава от надежности работы которых зависит надежность работы основных узлов электровоза, оборудования главного привода и автотормозов. Поэтому в настоящее время необходимо осуществлять поиск более надежных и регулируемых систем приводов вспомогательных механизмов.

При решении этой проблемы возможны два наиболее приемлемых варианта: использование асинхронных двигателей с тиристор-ным преобразователем частоты и вентильных двигателей. Обзор отечественной и зарубежной литературы показал на целесообразность использования вентильных двигателей, даже в целях электрической тяги [ 2,3 ] б

Вентильные электрические машины обладают свойствами и характеристиками коллекторных машин постоянного тока, но не имеют свойственных последним недостатков, связанных с работой щеточно-коллекторного узла.

Использование современных магнитных материалов и технологий, внедрение унифицированных узлов стимулируют развитие полностью бесконтактного вентильного двигателя постоянного тока (ВДПТ) и постоянно снижают их стоимость.

Однако при значительном количестве публикаций и исследований по ВДПТ остаются невыясненными вопросы:

- надежной работы ВДПТ в области малых частот вращения;

- разработки уточненной математической модели, описывающей сложные электромагнитные процессы в обмотках ВДПТ;

- определения минимального угла запаса коммутации и путей воздействия на коммутационный процесс с целью обеспечения устойчивой коммутации тока в секциях обмотки якоря;

- совершенствования систем управления.

Решению этих задач и посвящена данная работа, содержащая пять глав и заключение.

Выполенный в первой главе обзор применения ВДЕТ с индуктором на постоянных магнитах и их преимуществ, позволил выбрать целесообразную силовую схему ВДПТ. Рассмотренные векторные диаграммы намагничивающих сил обмоток ВДПТ с учетом процесса коммутации и анализ законов изменения углового положения осей магнитных полей якоря и индуктора, указывает на необходимость разработки уточненной математической модели ВДПТ. Здесь . же сформулированы задачи, решение которых позволит создать надежно работающий и регулируемый в широком диапазоне частот вращений и набросов нагрузки ВДПТ с индуктором на постоянных магнитах.

Во второй главе рассмотрена работа ВДПТ, питаемого от ти-ристорного прерывателя, причем управление последнего осуществляется в строгом соответствии с коммутационными процессами в секциях якорной обмотки вентильного двигателя. Определены значения переходной частоты вращения ротора, при которых необходимо переходить от совместной работы ВДПТ и тиристорного прерывателя к обычному питанию от сети постоянного напряжения. Показаны преимущества использования специфичного тиристорного прерывателя Джонса и принимаемой силовой схемы ВДПТ.

Третья глава посвящена разработке и исследованию математической модели ВДПТ, основанной на совместном решении задачи расчета магнитного поля и дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитные процессы в секциях якорной обмотки.

В четвертой главе выведено уравнение коммутации токов в секциях ВДПТ, разработана методика определения минимального угла запаса по коммутации с учетом процессов, происходящих в отключаемом тиристоре, в результате которой определены оптимальные значения углов управления для последующей реализации системами управления, г.и предлагается схема ВДПТ с комбинированной коммутацией.

В пятой главе разработаны цифровые и микропроцессорные системы управления ВДПТ и тиристорным прерывателем, рассмотрены вопросы их рационального сочетания.

Данная работа, является частью научных исследований, проводимых кафедрой "Электрические машины" Новочеркасского ордена Трудового Красного Знамени политехнического института имени Серго Орджоникидзе по разработке перспективного ВДПТ для вспомогательных машин электровозов постоянного тока.

Результаты работы докладывались на ХШ, ХХХШ научных сессиях профессорско-преподавательского состава, сотрудников, студентов и аспирантов НПИ (Новочеркасск, 1983-1984 гг.), второй региональной конференции молодых ученых и специалистов учебно-научно-производственно-эксплуатационного комплекса "Электровоз" (Новочеркасск, 1984 г.) и на научных семинарах кафедры "Электрические машины" в НПИ в 1981-1984 гг.

Основное содержание работы отражено в четырех статьях.

I. ВЕНТИЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ВОЗБУЖДЕНИЕМ ОТ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ И ВОПРОСЫ ИХ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ.

ВЫВОДЫ

1. Предложен алгоритм и разработана простая цифровая система управления ВДПТ, позволяющая поддерживать контролируемый угол запаса коммутации в переходных режимах на заданном уровне.

2. Разработана структура микропроцессорной системы управления ВДПТ с рациональным сочетанием программных и аппаратных средств в реальном масштабе времени.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана математическая модель ВДПТ, учитывающая несинх-ронизированное перемещение электромагнитных полей якоря и индуктора на интервале периодичности.

2. Показано, что применение специального тиристорного прерывателя при работе двигателя в области малых частот вращений обеспечивает надежную коммутацию в ВДПТ.

3. Предложено осуществлять принудительную докоммутацию в моменты, близкие к концу коммутации, сторонними коммутирующими элементами, расчитанными на значительно меньшую мощность по сравнению с потребляемой двигателем.

4. Предложена методика определения минимального угла запаса с учетом реальных процессов, происходящих в отключаемом тиристоре, и изменений результирующего потокосцепления коммутируемой секции при набросе нагрузки.

5. Определены минимальные значения углов запаса в функции от тока якоря и его производной, с целью обеспечения максимальных энергетических показателей ВДПТ для любого режима работы.

6. Предложен алгоритм и разработана простая цифровая система управления ВДПТ, позволяющая поддерживать угол запаса в переходных режимах на заданном уровне.

7. Разработана структура микропроцессорной системы управления ВДПТ с рациональным сочетанием программных и аппаратных средсЕВ.

8. Спроектирован и изготовлен экспериментальный образец ВДПТ с цифровой системой управления, с помощью которого проведен цикл экспериментальных исследований, предназначенных для проверки теоретических результатов.

- 112

1. Материалы ХХЛ съезда КПСС. М., Политиздат, 1982, с. 157.

2. Шакарян Ю.Г. Асинхронизированные синхронные машины. М., Энергоатомиздат, 1984, с. 191.3. А. Барраль

3. Сравнение синхронного тягового двигателя с двигателями других типов.

4. Жедезные дороги мира, 1984, № 3, с. 28-33.4. Сергеев В.В. и др.

5. Постоянные магниты для электрических машин и аппаратов. Электротехника, 1978, № 6, с. 1-5.

6. Application of permanent magnet DC motora at republic steel s 84in hot atrip mill. J.E.Parley IEEE Transactions on Industry Application. 1973,march/april.

7. Permanent magnet applications for d.c. motors. IEEE Appl. Magn. Workshop, Milnauker. Wiscu New York, N4,1975.9. Фомин А.П.

8. Вентильный двигатель постоянного тока последовательного возбуждения для вспомогательного привода электровозов.- из

9. Дисс. . канд. техн. наук. Новочеркасск, 1982, с. 169.10. Назикян А.Г.

10. Электрические двигатели с вентильным коммутатором. Новочеркасск: из-во ННИ, 1978, с. 85.

11. Назикян А.Г., Хузмиев И.К.

12. Вопросы теории и расчета коммутации электродвигателя постоянного тока с управляемым вентильным коммутатором. Электромеханика, 1970, № I, с. 57-60.

13. Леви Э., Панцер М. Электромеханическое преобразование энергии. Пер. с англ. М., Мир, 1969, с. 556.13. Ратайко В.И.

14. К вопросу синтеза схем электродвигателей с бесщеточной коммутацией.

15. В сб. Технология машин малой мощности. Труды ВНИИТНЭ т. 2, Тбилиси, 1973, с. 32-36.

16. Завалишин Д.А., Вегнер О.Г. Новые схемы вентильных двигателей. Электричество, 1936, № 3, с. 6-14.15. Булгаков A.A.

17. Исследование квазинепрерывных систем. М., Наука, 1973, с. 102.16. Лутидзе Ш.И.

18. Основы теории электрических машин с управляемым полупроводниковым коммутатором. М., Наука, 1968, с. 303.

19. Лутидзе Ш.И., Михневич Г.В., Тафт В.А.

20. Введение в динамику синхронных машин и машинно-полупроводниковых систем.1. М., Наука, 1973, с. 338.

21. Кривщкий E.Ü., Эшптейн И.И.

22. Динамика частотно-регулируемых электроприводов с автономными инвенторами. М., Энергия, 1970, с. 149.19. Попов Е.А.

23. Теоретическое и экспериментальное исследование электромагнитных процессов в однофазном вентильном репульсионном двигателе.

24. Дисс. . канд. техн. наук. Новочеркасск, I98X, с. 137.

25. Зиннер Л.Я., Скороспешкин А.И.

26. Вентильные двигатели постоянного и переменного тока. М., Энергоиздат, 1981, с. 136.

27. Зиннер Л.Я., Скороспешкин А.И.

28. Исследование вентильного двигателя постоянного тока в установившихся режимах.

29. Изв. АН СССР, Энергетика и транспорт, 1976, № 2, с. 93-101.22. Тафт В.А.

30. Спектральные методы расчета нестационарных цепей и систем. М., Энергия, 1978, с. 272.

31. Аракелян А.К., Афанасьев A.A., Чиликин М.Г. Электропривод с синхронным двигателем и зависимым инвенторам. М., Энергия, 1977, с. 223.

32. Шепелин В.Ф., Горчаков В.В. Электроприводы с вентильными двигателями. Электротехническая промышленность, серия Электропривод, 1982, 8, с. II—14.

33. Масленников B.C., Миловзоров В.П., Михалев A.C. Исследования бесконтактного электропривода методом фазовойплоскости.

34. В сб. "Двигатели постоянного тока с полупроводниковым коммутатором", Л., Наука, 1972, с. 63-72.

35. Глебов И.А., Левин В.Н., Ровинский П.А., Рябуха В.И. Вентильные преобразователи в цепях электрических машин. Л., Наука, 1971, с. 136-143.27. Курбасов A.C.

36. Реакция якоря вентильного двигателя. Электричество, 1970, № 9, с. 48-54. 23. Курбасов A.C.

37. Вопросы анализа вентильного двигателя. В сб.: Бесконтактные силовые схемы и вентильные тяговые двигатели электроподвижного состава переменного тока. ТруДы ВНИИЖТ, вып. 288, М., Транспорт, 1969, с. 124-136.

38. Назикян А.Г., Хузмиев И.К., Фомин А.П.

39. Электропривод вспомогательных механизмов электроподвижного состава.

40. Информационный листок I 24-76 Северо-Осетинского межторас-левого территориального центра научно-технической информации и пропаганды, 1976.

41. Дубов В.В., Назикян А.Г., Хузмиев И.К., Фомин А.П.

42. Пути совершенствования вспомогательного электропривода магистральных электровозов постоянного тока. Журнал "Электрическая и тепловая тяга", № 10, 1978.31. Тихменев Д.Н. и др.

43. Вентильные двигатели и их применение на электроподвижном составе. М., 1976.

44. Назикян А.Г., Романов В.А., Соходзе Г.В., Фомин А.П.,1. Хузмиев И.К.

45. Определение угла (времени) коммутации секции вентильного двигателя в зависимости отррежима его работы и параметров коммутируемых контуров. Труды НПИ "Электротехника", № 10, 1977.

46. Назикян А.Г., Фомин А.П., Поляков В.М., Тирацуян O.E., Грибанов П.Ф.

47. Определение полной коммутирующей намагничивающей силы вентильных двигателей постоянного тока. Изв. ВУЗ, Электромеханика, № 4, 1981, с. 391-394.

48. Отчет НЭВЗ по изготовлению и спытанию ВДДТ на 40 кВт $ ЭМ-5-76, г. Новочеркасск.

49. Синельников Б.М., Данилевский A.M.

50. К вопросу о преобразовании постоянного тока в переменныйпри помощи управляемых преобразователей.

51. Харьков, Гос. Научн.-техн. изд. Украина, 1935, с, 39.36. Баранов Б.К., Сокут Л.Д.

52. Стабильности характеристик вентильных тяговых двигателей. Труды "Электровозостроение", сборник научных трудов, том 12, 1970, г. Новочеркасск.

53. Завалишин А.Д., Эттингер E.I.

54. Перспективы развития вентильного электропривода. Электротехника, 1964, $ 2.

55. Дубов В.В., Красненков А.И., Штанько А.П.

56. Показатели надежности вспомогательных машин электровозов. Электровозостроение. Сборник научных трудов за 1977 г., г. Новочеркасск.

57. Сенаторов В.А., Горин H.H., Кучумов В.А. Исследование искусственной коммутации тока в тяговом вентильном двигателе.

58. Труды ЦНИИ МПС, выпуск 576, 1977, г. Москва.

59. Носов Ю.Р., Сидоров А.С. Оптроны и их применение.

60. М., Радио и связь, 1981, с. 280.

61. Takeda Yo!Uji,Kazumori Masahikio. Control lof aatual rectifying period, in commutator!.ess motor. Bull. Univ. Osake Prefect.,1971, A20, N1, pp.131-139.

62. Ray iMita, Dat-ta As it K. Optimum design of commutation circuit in a thyristor chopper for dc motor control. IEEE Trans. Ind. Electron, and Gontr. Inst.,1976,23,N2,pp.129.43. Тирацуян O.E.

63. Работа двигателя постоянного тока с полупроводниковым преобразователем частоты питаемого от тиристорного прерывателя.

64. Рукопись деп. в ИНФОРМЭЛЕКТРО, библ. указатель ВИНИТИ "Депонированные рукописи", 1984, № 2713.

65. Demerdash N.A.,Mehl T.W. Flexibility and economics of implementation of tiie finite element and difference ¡techniques in nonlinear magnetic fields of power devices. IEEE Trans, magn. ,vol. 12,197б,Ыб,рр.103б-Ю39.45. Новик Я.А., Кантер В.К.

66. Расчет магнитного поля синхронного реактивного двигателя методом конченых элементов.

67. Изв. АН Латв. ССР, Сер. физ. и техн. наук, 1975, №6, с. 106-с. I06-II2.

68. Silvester >Р., Ghari M.V.K. Finite Element Solution of SSaturable Magnetic Field Problems. IEEE Trans. Power Appl. and Syst., PAS,vol.89,1970,N7,pp.1642-1651.

69. Chari M.V.K. Nonlinear finite element solution of electrical machines under no-load and full-load conditions. IEEE Trans. Magn. 1974, N10, pp.686-689.48. Новик Я.A.

70. Решение системы нелинейных уравнений методом Ньютона в численных расчетах магнитного поля методом конечных элементов. Сборник алгоритмов и программ, Рига, РПИ, 1974, вып. 4, с. 28-34.49. Новик Я.А., Ратник А.А.

71. Решение больших систем линейных уравнений методом исключения Гаусса в задачах расчета магнитного поля методом конечных элементов.

72. Сборник алгоритмов и программ, Рига, РПИ, 1974, вып. 4, с. 35-39.

73. M.Lajoie-Mazenc. Characterisation of a¡new machine with ferrite magnets by resolving the partial differential equation for the magnetic field. Proc.IEE,vol,124,N8,1977,pp.697.

74. Назикян А.Г., Фомин А.П., Грибанов П.Ф., Тирацуян О.Е., Поляков В.М.

75. Вопросы теории и расчета коммутации вентильных электродвигателей постоянного тока.

76. Труды ШИ "Электромеханика", № 10, 1978, с. 1063-1070.

77. Арнольд и Лякур Машины постоянного тока. Гостехиздат, 1931.53» Шенфер К.И.

78. Динамомашины и двигатели постоянного тока, 1937. 54. Костенко М.П.

79. Электрические машины, часть I, 1964.55. Рихтер Р.

80. Электрические машины, т. I, 1935.56. Доброновский В.Д.

81. Параметры и характеристики вентильных электродвигателей с продольной и продольно-поперечной автокомпенсацией. Автореф. дисс. . канд. техн. наук., Ленинград, 1983, с. 14.57. ДижурД.П.

82. Метод моделирования на ЦВМ вентильных преобразовательных схем.

83. Научн. Тр./НИИ пост, тока, 1970, вып. 16, с. 46-53.

84. Шестоухов В.А., Булатов И.Г., Чибисов А.И. Моделирование статических выпрямителей на ЦВМ. Электротехническая промышленность, Сер. Преобразоват. техника, 1973, вып. 1(36), с. 14-17.

85. Куличенков В.П., Сидоркин О.Д. и др.

86. Математическое моделирование автономного инвентора на ЦВМ с учетом потерь.

87. Тематич. об./Мордовский университет, 1973, $ 104, вып. 2, с. 37-42.

88. Revankar G.N., Srivaatava P.K. Turnoff model of an SCR. IEEE Trans. Ind. ELectron. and Gontr. Inst. 1975,N4,PP.507.

89. Каталог. Электротехника СССР. Информэлектро. 05.04.51-77.

90. Тирацуян O.E., Назикян А.Г.

91. Расчет минимального угла запаса вентильного двигателя постоянного тока.

92. Электромеханика, № 6, 1984, С.99-Ю1.

93. Leder H.W. Digitales Steuergerät für selbstgesteuerte Stromrichter-Synohronraotjoren mit verstellbarem Steuerwinkel. Electrotechn.Z. 1976,A97,N10,pp.614-615.

94. Hanitscii R., Meyna A. Bürstenleser Gleichstrommotor mit digitaler Ansteuerung. Elektrotechn.Z.,1976,N4,pp.204.

95. Иванов M.И., Раскин Л.Д., Бернштейн А.Я., Светов Ф.Б. Цифровое управление вентильным двигателем посредством микро-ЭВМ.

96. Изв. ВУЗ, Электромеханика, № 6, 1982, с. 676-685.

97. Тирадуян O.E., Попов Е.А., Поляков В.М., Назикян Г.А., Верочкин В.В.

98. Управление процессом коммутации вентильного двигателя путем поддержания постоянства контролируемого угла запаса. Изв. ВУЗ, Электромеханика, J& 4, 1984, с. 20-23.67. Девандовский А.

99. Ключ к успешному применению микропроцессоров. Электроника, » 6, 1975, с. 30-37.68. Быков Ю.М. и др.

100. Применение микропроцессоров в системах управления вентильными преобразователями. Автоматизированный электропривод. М., Энергоавтоматиздат, 1983, с. 362-368.

101. Бедрековский М.А., Крутинкин Н.С., Подолян В.А. Микропроцессоры.

102. М., "Радио и связь", 1981, вып. 1028, с. 51.

103. Каган Б.М., Стамин В.В. Микропроцессоры в цифровых системах. М., Энергия, 1979, с. 192.71. Дж. Коффрон

104. Технические средства микропроцессорных систем. М., Мир, 1983, с. 343.

105. Д. Гивоня, Р. Россер Микропроцессоры и микрокалькуляторы. М., Мир, 1983, с. 463.1. АКТо внедрении результатов диссертационной работы О.Е.Тирацуяна на тему:"Вентильный двигатель с цифровым управлением".¿0 " 1984г. г.Новочеркасск

106. Данная работа, является продолжением ранее проводимых исследований по теме Э01. 4016 "Разработка системы вентильного электропривода вспомогательных машин электровозов постоянного тока".

107. Расчет экономического эффекта не производился, так аак вентильный двигатель находится на стадии научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.

108. Главный конструктор проектамагистральных и промышленны

109. Заведующий отделом ВСНТ, к.электровозов, к.т.н1. А.П.ФОМИН1. В.В.ДУБОВ

110. Заведующий отделом вспомогательных машин