Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 2
1. ЭЛЕКТРОПРИВОД УСТАНОВОК СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТ ВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ 8
1.1. Пути повышения эффективности работы электропривода ус тановок сельскохозяйственного назначения 9
1.1.1. Условия работы электропривода установок сельскохозяйст венного назначения 10
1.2. Надёжность приводов сельскохозяйственного назначения. Тип электропривода 15
1.2.1. Факторы, влияющие на надёжность асинхронного двигателя. 15
1.2.2. Типы рассматриваемых приводов установок сельскохозяйст венного назначения
1.2.2.1. Частотный электропривод 22
1.2.2.2. Нерегулируемый асинхронный электропривод 24
1.2.2.3. Вентильно-индукторный электропривод (ВИЛ) 25
1.3. Целевая функция при разработке нового привода и совершенствовании существующих приводов 27
1.4. Выводы по главе 29
2. ПОИСК ОПТИМАЛЬНЫХ СТРУКТУР ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ РЯДА УСТАНОВОК СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ
2.1. Структура электропривода зерноочистительных машин 31
2.1.1. зерноочистительная машина с преобразователем частоты, работающим в «синусном» режиме 34
2.1.2. Зерноочистительная машина с приводным двигателем, включённым по однофазной схеме питания 39
3. Зерноочистительная машина с подвижным статором привод ного асинхронного двигателя 46
Структуры электропривода установок для мойки деталей и узлов машин 48
Структуры электропривода для установок сельскохозяйст венного назначения 55
Выводы по главе 65
СЛЕДЯЩИЙ АДАПТИВНЫЙ ЧАСТОТНЫЙ ПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ВЕКТОРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ 66
Структура частотного привода 67
Терминальное управление. Целевая функция 72
Учет случайного характера момента сопротивления и энерге тических ограничений 79
Реализация алгоритма управления. Структурное моделирова ние 84
1. Изменение параметров приводного двигателя и нагрузки в модели 84
2. Служба времени частотного электропривода 88
3. Описание модели частотного привода с векторным управлением. Обсуждение результатов моделирования 90
Выводы по главе 106
МЕТОДИКА УЧЕТА УСТАЛОСТНОГО СТАРЕНИЯ ЭЛЕ МЕНТОВ ИЗОЛЯЦИИ ОБМОТКИ АСИНХРОННОГО ДВИ ГАТЕЛЯ 109
Учет факторов, вызывающих отказ двигателя. Регламенти руемые показатели надежности ПО
Математическая и физическая модель выхода из строя элементов изоляции обмотки двигателя в результате воздействия ЭДУ. Гипотеза линейного суммирования усталостных повре ждений 113
Интенсивность усталостного старения элементов ЭП. Оценки параметров кривой жизни 117
Оценка величины электродинамических усилий, действующих на элементы изоляции обмотки статора асинхронного двигателя 124
Сравнение различных настроек частотного электропривода с векторным управлением 130
Выводы по главе 137
РЕЖИМЫ НЕРЕГУЛИРУЕМОГО АСИНХРОННОГО ПРИВОДА УСТАНОВОК СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ. ПЕРЕХОД К АБСОЛЮТНЫМ ПОКАЗАТЕЛЯМ НАДЁЖНОСТИ 139
Сравнение надежности работы двигателя в различных уста новках сельскохозяйственного назначения при пуске и изме нении начальной фазы питающего напряжения 140
Оценка соответствия параметров усталостной кривой системы изоляции двигателей экспериментальным данным для различных типов нагрузки 163
Анализ факторов, влияющих на усталостное старение изоля ции обмотки статора асинхронного двигателя 171
Влияние типа нагрузки и момента инерции на усталостное старение изоляции обмотки статора асинхронного двигателя 171
Влияние типа нагрузки и величины напряжения на усталост ное старение изоляции обмотки статора асинхронного двига теля 183
Эквивалентирование режимов. Стохастические характери стики реализаций. Абсолютные надёжностные показатели частотного привода 190
Выводы по главе 197
РАЗРАБОТКА НАДЁЖНОГО И ЭКОНОМИЧНОГО ВЕНТИЛЬНО - ИНДУКТОРНОГО ПРИВОДА ДЛЯ УСТАНОВОК СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ 201
Математическая модель ВИМ 204
Синтез алгоритма управления моментом и током фазы ис полнительного двигателя ВИЛ 214
Синтез алгоритма управления ВИМ с прямоугольной форси рованной формой временной зависимости момента (тока) фа зы. Идентификация нагрузки. Модель 216
Синтез алгоритма управления ВИМ при временной зависимости момента (тока) с рассчитанной и необходимой амплитудой на всём рабочем участке характеристики л(©). Модель 234 Синтез алгоритма управления ВИМ с временной зависимостью момента (тока) трапециидальной формы на рабочем участке характеристики Л(@). Модель 238
Синтез алгоритма управления ВИМ с предельным быстро действием по отработке угла перемещения. Модель 245
Надёжностная модель работы фазы с учётом теплового и ус талостного старения элементов изоляции обмотки ВИМ для различных алгоритмов формирования момента (тока) на ин тервале управления 251
Модельный эксперимент по определению оптимальной фор мы момента (тока) в рабочей обмотке фазы ВИМ для различ ных значений рабочих частот вращения и нагрузки 265
Выводы по главе 276
ИЗГОТОВЛЕНИЕ НАДЁЖНОГО И ЭКОНОМИЧНОГО ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНОГО ПРИВОДА ДЛЯ УСТАНОВОК СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ 279
7.1. Структура силовой части ВИП 280
7.1.1. Магнитная система ВИМ 281
7.2. Контроллер ВИП. Схема управления инвертором 283
7.3. Программное обеспечение ВИП 289
7.3.1. Соотношение программной и табличной компонент в программном обеспечении ВИП 293
7.3.2. Временные параметры работы программы 294
7.4. Результат эксперимента по идентификации статического момента нагрузки и обеспечения заданной тахограммы 296
7.5. Показатели надёжности. Сопоставление теоретических и экспериментальных данных 299
7.6. Акты о внедрении и использовании результатов работы . 301
7.7. Выводы по главе 304
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 306
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 309
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ЛИСТИНГ ПРОГРАММЫ КОНТРОЛЛЕРА ВИП 327
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ БАЗА 348
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. АКТЫ О ВНЕДРЕНИИ И ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ 349
Введение к работе
При выборе типа электропривода сельскохозяйственной установки главным является вопрос о степени его управляемости [183-188]. В ряде случаев используется простейший нерегулируемый по угловой частоте вращения ротора двигателя электропривод (привод постоянной угловой частоты вращения), а сложная траектория движения рабочего органа установки реализуется с использованием разветвлённой кинематической цепи, включающей кривошипно-шатунные, кулисные и другие механизмы [38,188]. Это в полной мере относится к установкам, которые в качестве примера рассмотрены в работе: зерноочистительные машины (решетные станы), установки для мойки деталей и узлов машин. Регулируемый электропривод с микропроцессорным управлением упрощает кинематические цепи, увеличивает надёжность и снижает материалоёмкость установок сельскохозяйственного назначения с рабочими органами скоростного типа и переменной нагрузкой.
Прогресс полупроводниковой силовой и микропроцессорной техники позволяет ставить задачу обоснованного внедрения регулируемого электропривода на базе короткозамкнутого асинхронного двигателя (АД) и преобразователя частоты (ПЧАД) с векторным управлением или вентильно-индукторной машины (ВИМ). Введение контроллера в состав системы управления даёт возможность строить привод с аналитическим эйлеровским регулятором, выполненным на базе алгоритмов решения задачи управления, как вариационной с комплексной целевой функцией и элементами адаптации к изменению характеристик нагрузки на валу двигателя, что характерно для установок сельскохозяйственного назначения, и параметров самого двигателя. В вентильно-индукторном электроприводе (ВИП) органично совмещается цифровая технология управления с простотой и надёжностью исполнительного двигателя.
Установлено, что при синтезе ПЧАД и проектировании ВИП для сельскохозяйственных установок необходимо уделять внимание факторам, влияющим на надёжность работы двигателя. При этом в состав комплексных целевых функций управления включается требование по учёту второго по значимости (после теплового старения изоляции) фактора - фактора усталостного старения элементов изоляции обмотки двигателя от циклического воздействия электродинамических усилий (ЭДУ). Этот учёт становится важным, если тепловое старение не позволяет выбрать оптимальный режим работы оборудования: воздействие фактора теплового старения или незначимо или одинаково для разных режимов.
Таким образом, актуальным является разработка управляемых микропроцессорных электроприводов для сельскохозяйственных установок с учётом фактора усталостного старения изоляции электродвигателя.
Целью диссертации является разработка научных положений и технических решений, реализация которых позволит повысить надёжность двигателей, работающих в составе асинхронных и вентильно-индукторных приводов установок сельскохозяйственного назначения, синтез экономичного, адаптивного частотного и вентильно-индукторного привода, внедрение ПЧАД и ВИЛ в установки сельскохозяйственного назначения.
Объектами диссертационной работы являются.сельскохозяйственные установки с частотным и вентильно-индукторным приводом, системы управления приводами, короткозамкнутый асинхронный двигатель и вентильно-индукторная машина.
В рамках заявленных целей были поставлены следующие задачи работы.
1. Определение режимов работы приводного двигателя сельскохозяйственных установок, для которых необходим учёт фактора усталостного старения элемента изоляции двигателя от циклического воздействия ЭДУ, и получение расчётных соотношений, позволяющих учесть влияние фактора усталостного старения.
2. Исследование кинематических цепей приводов установок сельскохозяйственного назначения и режимов работы приводов постоянной частоты вращения с целью повышения надёжности работы этих приводов при их настройке и оптимизации.
3. Разработка структуры векторного частотного электропривода и алгоритмов его управления с комплексной целевой функцией и учётом фактора усталостного старения изоляции обмотки двигателя при идентификации нагрузки механизма установки сельскохозяйственного назначения и параметров двигателя.
4. Разработка структуры вентильно-индукторного электропривода и алгоритмов его управления для установок сельскохозяйственного назначения с комплексной целевой функцией управления при формировании оптимальных фазных токов, следовании двигателем заданной тахограмме движения и реализации алгоритма идентификации нагрузки механизма.
5. Разработка высокоинтегрированных моделей ПЧАД и ВИП сельскохозяйственных установок с учётом дискретных алгоритмов их работы и наличием высокопроизводительных контроллеров для оптимизации структуры приводов и формирования адаптационных алгоритмов управления.
6. Техническая реализация ВИП и разработка программного обеспечения контроллера с решением задачи движения, оптимизацией показателей надёжности работы ВИМ и идентификацией параметров нагрузки установки сельскохозяйственного назначения.
Решение этих задач даёт возможность сформулировать научные результаты и положения, выносимые автором на защиту.
1. Методика по учёту усталостного разрушения элемента изоляции обмотки приводного двигателя при анализе и синтезе систем электропривода сельскохозяйственных установок (главы 1,4, 5).
2. Технические решения по оптимизации кинематики установок сельскохозяйственного назначения (зерноочистительной машины, моечной машины, сепаратора) (глава 2).
3. Принцип построения аналитического эйлеровского регулятора частоты вращения ротора асинхронного короткозамкнутого двигателя, работающего в составе частотного электропривода с векторным управлением, при стабилизации потокосцепления ротора, идентификации статического момента нагрузки асинхронного двигателя и параметров его схемы замещения, максимизации производительности и минимизации потерь в роторе АД (глава 3).
4. Принцип построения аналитического регулятора частоты вращения ротора ВИМ при идентификации статического момента нагрузки, максимизации производительности сельскохозяйственных установок и минимизации усталостных разрушений изоляции обмотки статора (глава 6).
5. Техническая реализация вентильно-индукторного привода сельскохозяйственных установок с микропроцессорным управлением на базе высокопроизводительного контроллера (глава 7).
6. Программное обеспечение контроллера ВИП с реализацией аналитического регулятора частоты вращения ротора ВИМ (глава 7).
7. Высокоинтегрированные математические модели ПЧАД и ВИП сельскохозяйственных установок с учётом дискретности работы микропроцессорных систем управления (главы 3, 6).
Научная новизна работы состоит в следующем.
1. Теоретически обоснованы решения по оптимизации кинематических схем установок сельскохозяйственного назначения с колебательным характером движения на примерах зерноочистительной машины, установки для мойки деталей и узлов машин.
2. Получена математическая модель движения зерновой смеси в зерноочистительной машине (решетном стане), при учёте ударных взаимодействий субъектов движения и нелинейной связи перемещений поддона и решета, описанной аппроксимирующим полиномом Лагранжа, позволяющая синтезировать структуру привода и получить его оптимальные настройки.
3. Получены соотношения, пригодные для сравнения режимов работы приводных двигателей по скорости усталостного старения элементов изоляции обмоток без идентификации вероятностного закона распределения амплитуд механических напряжений.
4. На базе вариационной системы счисления синтезирован аналитический эйлеровский регулятор частоты вращения ротора асинхронного двигателя, ра ботающего в составе частотного электропривода сельскохозяйственных установок с векторным управлением и стабилизацией потокосцепления ротора.
5. Составлен алгоритм управления частотным приводом при идентификации статического момента сопротивления сельскохозяйственных установок и параметров схемы замещения асинхронного двигателя, путём разбиения заданной траектории движения ротора АД на интервалы управления.
6. Впервые показана возможность выбора оптимальной настройки микропроцессорной системы управления частотным приводом сельскохозяйственных установок при учёте влияния на надёжность работы двигателя фактора усталостного старения элемента изоляции статора АД.
7. Исследован вопрос влияния начальной фазы питающего напряжения, его величины и видов статических нагрузок, присущих установкам сельскохозяйственного назначения, на допустимую частоту включений привода постоянной частоты вращения вала АД при учёте фактора усталостного старения элемента изоляции статора АД.
8. Разработан алгоритм управления ВИЛ, основанный на применении принципа максимума Понтрягина, для ограниченного интервала управления, соответствующего полюсному делению ВИМ, что позволяет придать ВИЛ свойства следящего привода с астатическим управлением по угловой частоте вращения ротора и статической нагрузке, определяемой конкретной установкой сельскохозяйственного назначения.
9. Впервые найдена форма фазных токов ВИМ, обеспечивающая минимальную среднюю скорость усталостного старения элемента изоляции статора ВИМ.
10. Созданы высокоинтегрированные модели ПЧАД и ВИЛ сельскохозяйственных установок, учитывающие дискретность работы микропроцессорных эй-леровских аналитических регуляторов.
11. Впервые разработано программное обеспечение контроллера ВИЛ с оптимальным управлением: максимизацией производительности сельскохозяйст венных установок и минимизацией средней скорости усталостного старения элемента изоляции статора ВИМ.
Практическая ценность работы заключается в следующих положениях.
1. Разработаны, внедрены и защищены патентами РФ конструкции и кинематика установок сельскохозяйственного назначения, оптимизированные при использовании различных типов электроприводов [169 -174], Приложение 3.
2. Разработаны и защищены патентами РФ изменения в конструкциях приводных двигателей, позволяющие реализовать преимущества простых кинематических схем установок сельскохозяйственного назначения [175].
3. Разработаны и занесены в государственный реестр базы данных, обеспечивающие автоматизацию процесса использования методики учёта усталостного старения элемента изоляции приводного двигателя в установках сельскохозяйственного назначения и анализ результатов модельных и натурных экспериментов [140, 141].
4. Разработаны и занесены в государственный реестр программ для ЭВМ модели ПЧАД, ВИЛ и зерноочистительной машины, позволяющие вести предварительную настройку и отладку цифровых алгоритмов управления установками сельскохозяйственного назначения, и программное обеспечение для контроллера PIC18F2320 ВИЛ [142 - 145], Приложение 1.
5. Реализован ВИЛ с микропроцессорном управлением и научно-исследовательские стенды по отработке фрагментов алгоритмов управления ПЧАД и ВИЛ сельскохозяйственных установок, Приложение 2.
