Введение к работе
Актуальность работы. Синхронный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов (СДПМ), благодаря своим высоким эксплуатационным характеристикам, является наиболее перспективной машиной в диапазоне малых и средних мощностей. СДПМ простой по конструкции, не имеет потерь на возбуждение и обладает высокой стабильностью скорости ротора. Эти качества выделяют его из ряда всех остальных машин и обеспечивают ему применение в системах автоматики, приводах подачи станков, прецизионных системах слежения, а также системах, где стабильность скорости является первостепенным требованием, предъявляемым к технологическому процессу.
Совершенствование магнитных материалов и конструкций ротора позволило расширить применяемость СДПМ в область высокооборотных машин и агрегатов, добавив к перечисленным преимуществам компактность и высокую надежность.
Тем не менее, решения на базе высокооборотных двигателей отличаются крайне высокой стоимостью. Дело в том, что работа с высокооборотными СДПМ (ВСДПМ) без информации о положении ротора не представляется возможной. Есть 2 способа решения проблемы: установка датчика положения ротора (ДПР), либо использование алгоритмов бездатчикового управления. ДПР для высокооборотных двигателей – это оптические энкодеры, чувствительные к нагреву и механическим воздействиям. Помимо высокой стоимости и ненадежности, возникают проблемы крепежа энкодера, например, в компрессорах, где ротор находится внутри корпуса. Все это, в конечном счете, влияет на цену пары регулирующее устройство (РУ) - ВСДПМ.
Алгоритмы вычисления положения ротора по сигналам встроенных в РУ датчиков напряжения и тока, так называемые алгоритмы бездатчикового векторного управления, существуют в достаточном количестве для СДПМ стандартной частоты (50-100 Гц), постоянно совершенствуются и за исключением передовых наработок находятся в открытом доступе. В высокооборотной области все совершенно не так. Ввиду крайней коммерческой привлекательности направления, а, следовательно, и особой заинтересованности ведущих мировых производителей приводной техники в сохранении наработок в области управления высокооборотными СДПМ внутри компаний, количество публикаций по теме стремится к 0. Россия здесь лишь отражает общемировую тенденцию.
В данной работе проанализированы существующие алгоритмы бездатчикового векторного управления, на их основе предложен новый эффективный способ управления (cos ~ 1) ВСДПМ средней мощности. Алгоритм основан на идее минимизации тока Id вращающейся системы координат, что автоматически приводит к улучшению электрических и эксплуатационных показателей. Предложенный метод прост математически и не требует высокой производительности процессора, что особенно важно для информационно перегруженных контроллеров РУ ВСДПМ.
Так же представлено РУ ВСДПМ в составе компрессора холодильной машины, а именно: рассмотрена структура устройства управления, приведены принципиальные схемы системы управления и структура устройства управления, а также рассмотрены результаты эксперимента.
Цель диссертационной работы заключается в разработке алгоритма векторного бездатчикового управления, структуры и методик проектирования РУ средней мощности (сотни кВт) для высокооборотных СДПМ.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
-
определена область применения высокооборотных СДПМ,
-
проведен анализ электромагнитных процессов, возникающих во время работы СДПМ. Определены критерии оптимального управления для достижения максимального момента на валу. Выведена формула расчета угла поворота ротора (угла нагрузки).
-
проведен анализ существующих алгоритмов управления СДПМ,
-
на основе пункта 2 предложен алгоритм управления высокооборотными СДПМ,
-
разработана структура РУ, реализующая предложенный способ и алгоритм управления,
-
разработана компьютерная модель РУ, состоящая из управляемого выпрямителя и автономного инвертора напряжения. На основе модели проведен анализ статических и динамических режимов работы РУ с связке с СДМП. Доказана принципиальная возможность создания физического образца РУ.
-
разработана методика проектирования РУ. Проведено полное физическое моделирование в связке с высокооборотным СДПМ, номинальной мощностью 100 кВт, 30000 об/мин.
Методы исследований. Для решения поставленных задач были использованы методы математического анализа, методы теории линейных электрических цепей (прямые методы расчета электрических цепей), методы математического моделирования (система сквозного проектирования Matlab 6.5).
Достоверность научных результатов, изложенных в работе, обеспечена корректным применением апробированных методов анализа электромагнитных процессов в силовых электронных устройствах и подтверждается результатами компьютерного и физического моделирования.
Научную новизну представляют:
-
новый принцип управления мощными высокооборотным СДПМ,
-
алгоритм управления и структура РУ, позволяющие реализовать этот алгоритм на современной элементной базе,
-
математическая модель РУ, делающая возможным анализ статических и динамических режимов работы,
-
методика проектирования РУ.
Практическую ценность представляют:
-
алгоритм управления и структура РУ, обеспечивающие наилучшие энергетические показатели (cos ~ 1),
-
математическая модель РУ, являеющаяся удобным инструментом для исследования характеристик ВСДПМ и анализа алгоритмов управления,
-
методика проектирования РУ, позволяющая значительно сократить время разработки устройств с заданными характеристиками.
Реализация работы. Основные научные и практические результаты использованы в разработке новых РУ , как самостоятельных изделий, так и в качестве составных частей других устройств, в ЗАО «ЭЛСИЭЛ».
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на второй Всероссийской конференции «Силовая электроника», XXVIII межрегиональной научно-технической конференции «Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем», научно-технической конференции «Инновационные разработки и опыт применения микросхем ЗАО «ПКК Миландр» в аппаратуре специального и двойного назначения».
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 работы, из них: 1 - статья в издании по спискам ВАК («Электротехника»); 3 – работы в материалах научно-инженерных конференций.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
алгоритм векторного бездатчикового управления РУ ВСДПМ, основанный на принципе минимизации тока Id вращающейся системы координат,
-
структура РУ для ВСДПМ средней мощности, отражающая заданный алгоритм и основанная на схеме двойного регулирования – напряжение постоянного звена контролирует преобразователь понижающего напряжения, а частоту автономный инвертор напряжения.
-
математическая модель РУ, делающая возможным анализ статических и динамических режимов работы,
