Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы и обоснование направлений исследования 13
1.1. Коммутационная устойчивость машин постоянного тока при регулировании частоты вращения 13
1.2. Методы и средства повышения коммутационной устойчивости МПТ 16
1.3. Анализ переменных, характеризующих процесс коммутации как объект управления. системы автоматического управления, предназначенные для повышения коммутационной устойчивости коллекторных МПТ 20
1.4. Краткий обзор методов исследования и расчета магнитного поля в электрических машинах 30
1.5 .Математическое моделирование процесса коммутации 41
1.6. Выводы. Задачи исследования 44
Глава 2. Теоретическое исследование магнитного поля в МЭ МПТ 46
2.1. Аналитическое исследование основного магнитного поля МЭ МПТ, возбуждаемого высококоэрцитивными постоянными магнитами 46
2.2. Выводы 67
2.3. Численный анализ результирующего магнитного поля МЭ МПТ ...69
2.4. Выводы 78
Глава 3. Исследование коммутационной устойчивости модернизированных мпт серии 4ПМ 81
3.1. Анализ работы машин постоянного тока с учетом коммутации 81
3.2. Экспериментальная установка для исследования опытных образцов МПТ серии 4ПМ 86
3.3. Экспериментальное исследование опытных образцов МПТ серии 4ПМ 93
3.4. Выводы 107
3.5. Моделирование процесса коммутации 113
3.6. Выводы 131
Глава 4. Управление процессом коммутации коллекторных электрических машин 132
4.1. Методы управления процессом коммутации 132
4.2. Исследование процесса коммутации коллекторных электрических машин как объекта управления 134
4.3. Выбор показателя качества регулирования. Обоснование желаемой настройки системы 141
4.4. Методика проектирования систем автоматического управления процессом коммутации коллекторных электрических машин 149
4.5. Экспериментальные исследования систем автоматического управления процессом коммутации 161
4.6. Выводы 163
Заключение 164
Библиографический список 165
Приложения 186
- Анализ переменных, характеризующих процесс коммутации как объект управления. системы автоматического управления, предназначенные для повышения коммутационной устойчивости коллекторных МПТ
- Численный анализ результирующего магнитного поля МЭ МПТ
- Экспериментальное исследование опытных образцов МПТ серии 4ПМ
- Исследование процесса коммутации коллекторных электрических машин как объекта управления
Введение к работе
В условиях возрождения отечественной промышленности значительно возрастают требования к уровню качественных показателей производимых изделий. Наряду с необходимостью преобразования структуры производства, использования эффективных технологий остро стоит проблема обеспечения требуемых выходных характеристик производимых изделий на стадии их проектирования.
Задаче повышения единичных мощностей машин и оборудования при одновременном уменьшении их габаритов, материалоемкости, энергопотребления и снижении стоимости на единицу конечного полезного эффекта отвечает одно из направлений современного электромашиностроения по созданию машин по-
^ стоянного тока (МПТ). Коллекторные МПТ, обладающие хорошими регулиро-
вочными свойствами, широко используются в электроприводах промышленных установок и механизмов, требующих регулирования частоты вращения как при постоянном моменте, так и при постоянной мощности. Можно утверждать, что в традиционных областях применения позиции МПТ сохраняют стабильную устойчивость. К этим областям во всем мире относятся такие ключевые отрасли как металлургия и горнодобывающая промышленность, станкостроение и ме-
(ф таллообработка, электрифицированный транспорт. Создаются не только маши-
ны предельной мощности, но и совершенствуются коллекторные МПТ малой и средней мощности.
Однако на протяжении всего существования коллекторных МПТ главной
проблемой, сдерживающей решение этой задачи, остается проблема обеспече
ния коммутационной устойчивости в требуемом диапазоне регулирования (ДР)
частоты вращения. С увеличением частоты вращения область безыскровой ра
боты (ОБР) МПТ интенсивно сужается, ее средняя линия смещается относи-
и тельно оси абсцисс. Настроить МПТ в этом случае на удовлетворительную
коммутацию во всем ДР частоты вращения и нагрузки в процессе изготовления изменением числа витков добавочных полюсов (ДП) и зазора не представляется возможным.
Коммутационная устойчивость МПТ, ее регулировочные свойства и надежность характеризуются большим числом взаимосвязанных факторов, определяющих количество и качество существующих методов и средств улучшения коммутации / 77/. Однако общего удовлетворительного решения проблемы повышения коммутационной устойчивости, охватывающего всю совокупность явлений, связанных с процессом коммутации (ПК), пока нет. Практические методы проектирования МПТ базируются в основном на необходимости последующего (после изготовления) экспериментального уточнения коммутационных параметров. Трудности наладки коммутации, связанные с несовершенством ее расчета, усугубляются технологическими дефектами.
Одним из эффективных средств повышения коммутационной устойчивости коллекторных МПТ признано автоматическое регулирование потока ДП /17,92/. В настоящее время известен широкий спектр способов и схемных решений, предложенных отечественными и зарубежными авторами, однако недостаточно обоснованное ранжирование основных факторов, допущения в оценке их совокупности, несовершенство технических решений существенно ограничивает функциональные возможности известных устройств и систем управления, особенно в условиях изменения режима работы МПТ и параметров коммутируемого контура.
В этой связи очевидна необходимость дальнейших исследований, с одной стороны, способов повышения коммутационной устойчивости, с другой — устройств и систем управления (САУ), обеспечивающих достижение требуемых показателей качества ПК в статических и динамических режимах работы МПТ.
Таким образом, в условиях непрерывного роста требований, предъявляемых к электроприводам, стремлении к оптимизации их характеристик при интенсивной эксплуатации проблема обеспечения коммутационной устойчивости МПТ в требуемом ДР частоты вращения и нагрузки актуальна и является основной задачей диссертационной работы.
Основные результаты работы получены и использованы в ходе выполнения в 1992 - 2003 г.г. плановых НИР и договоров о творческом сотрудничестве между СамГТУ и ОАО «Псковэлектромаш», проводившихся при непосредствен-
ном участии автора. Бюджетные НИР проводились в рамках комплексных программ «Надежность конструкций» (Приказ № 107 от 20.04.92 г. по Госкомвузу РФ).
Цель работы и задачи исследования
Целью работы является повышение коммутационной устойчивости серийных МПТ, на базе исследования магнитных полей МПТ, разработки математических моделей ПК, методик проектирования систем управления и создание устройств, обеспечивающих автоматическую настройку ПК в статических и динамических режимах работы.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие основные задачи:
Разработать аналитическую и численную ММ для расчета магнитных полей магнитоэлектрической (МЭ) МПТ;
Провести аналитическое и экспериментальное исследование ПК для двух вариантов конструктивного исполнения МПТ: с электромагнитным и магнитоэлектрическим возбуждением;
Разработать модель ПК как объекта управления (ОУ), функционально-ориентированную на активное управление процессом коммутации;
Провести экспериментальные исследования адекватности разработанных ММ;
Разработать методику проектирования систем автоматического управления (САУ) процессом коммутации;
Разработать конкретные варианты системы управления ПК;
Провести оценку эффективности и областей рационального использования конкретных систем управления ПК для серийных МПТ.
Методы исследования
Для решения поставленных задач использовались основные положения теории электрических машин, теории автоматического управления, методы
синтеза систем управления, аппараты преобразований Лапласа и Фурье, уравнения Максвелла для магнитных полей и др.
Экспериментальная проверка результатов теоретических исследований выполнялась с привлечением методов идентификации и сопоставительного анализа.
Научная новизна
Научная новизна работы представлена теоретическими и экспериментальными исследованиями, основное содержание которых отражено в следующих рассмотренных и решенных задачах.
Разработаны аналитическая и численная модели для МЭ МПТ, позволяющие на базе дифференциальных уравнений Максвелла рассчитать результирующее магнитное поле в МПТ, обусловленное совместным действием постоянных магнитов и тока в обмотках якоря и добавочных полюсов.
Разработана ММ ПК как объекта управления, учитывающая влияние изменения момента нагрузки, угловой скорости и характер протекания электромагнитных и электромеханических процессов в МПТ.
Обоснована методика проектирования САУ ПК, учитывающая требования к показателям качества управления в условиях действия детерминированных возмущений.
Практическая ценность
1. Использование разработанной аналитической модели для МЭ МПТ обеспечивает повышение расчетной точности за счет учета большего числа гармоник вектора намагниченности, падения напряжения на отдельных участках магнитной цепи, различной анизотропии магнитной проницаемости зубцо-во-пазового слоя якоря. Разработанная численная модель позволяет учесть закономерности распределения индукции в зоне коммутации. На основе проведенных исследований даны рекомендации по конструктивному совершенствованию МПТ.
Полученная ММ ПК позволяет выявить основные закономерности, связывающие коммутационную устойчивость и характер протекания электромагнитных и электромеханических процессов в МПТ с входными переменными ОУ и параметрами машин с различными системами возбуждения. Установленные взаимосвязи позволяют обоснованно задавать указанные параметры в процессе автоматизированного проектирования коллекторных МПТ и САУ ПК.
На основе аналитических и экспериментальных исследований ПК машин серии 4ПМ разработаны рекомендации по их конструктивному совершенствованию с целью улучшения процесса коммутации.
Реализована САУ ПК, обеспечивающая точную и стабильную настройку ПК на середину ОБР в установившихся и переходных режимах работы МПТ. Включение разработанных САУ в состав электроприводов производственных механизмов, требующих регулирования частоты вращения, позволяет расширить диапазон регулирования, снизить энергопотребление, повысить срок службы МПТ.
Результаты исследований используются на предприятии ОАО «Псков-электромаш» в процессе серийного производства коллекторных МПТ на базе фрагмента гибкой производственной системы.
Реализация работы
Работа выполнена в Государственном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет» на кафедре «Электромеханика и нетрадиционная энергетика».
Основные научные положения, выводы и рекомендации, содержащиеся в диссертационной работе, используются при разработке коллекторных МПТ на предприятии ОАО «Псковэлектромаш», г. Псков.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и одобрены:
на международной конференции «Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте», г. Самара, 1999;
Всероссийской конференции «Современные тенденции в развитии и конструировании коллекторных машин постоянного тока», г. Омск, 1993, 1996 г.г.
научно — технических семинарах кафедры «Электромеханика и нетрадиционная энергетика» Самарского государственного технического университета (1995-2003 г.г.)
Публикации
По основным результатам диссертационной работы опубликованы 12 печатных работ /33,34,35,36,37,38,39,40,41.42,43,157/, в том числе патент РФ на изобретение /157/.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений. Основная часть работы изложена на 164 страницах машинописного текста, иллюстрирована 63 рисунками и 2 таблицами. Библиографический список содержит 185 наименований на 21 странице.
В первой главе проведен анализ имеющихся в литературе данных по исследованию коммутационной устойчивости коллекторных МПТ, на основе которого показаны необходимость, возможность и эффективность автоматической настройки добавочных полюсов как средства повышения коммутационной устойчивости в требуемом диапазоне регулирования частоты вращения. В результате анализа переменных, характеризующих ПК как ОУ, обоснован выбор регулируемой величины, в качестве которой принята величина небалансной ЭДС, и регулирующего воздействия, формируемого на выходе автоматического управляющего устройства, либо в виде изменения величины активного сопротивления, шунтирующего обмотку добавочных полюсов, либо в виде противо — ЭДС, вводимой в цепь подпитки. На основе анализа схемных решений выявлены возможные принципы построения и основные функционально необходимые
элементы замкнутой САУ. Рассмотрена и обоснована возможность допущений при составлении адекватной ММ ПК как ОУ с учетом входных переменных.
Вторая глава содержит результаты теоретического исследования магнитного поля в МПТ с МЭ возбуждением. Разработаны ММ, позволяющие рассчитать магнитное поле в МПТ в варианте конструктивного исполнения ее индуктора с возбуждением от ВКСПМ. С помощью аналитической ММ реализуется возможность внесения необходимых поправок в ряд используемых в традиционных инженерных методиках проектирования интегральных показателей, характеризующих распределение магнитного поля в МПТ рассматриваемого конструктивного исполнения (расчетный коэффициент полюсного перекрытия, коэффициент рассеяния постоянных магнитов, рабочий магнитный поток полюса и т.д.). С целью реализации возможности численного решения дифференциальных уравнений Максвелла для результирующего магнитного поля предложена численная ММ. Обосновывается целесообразность решения системы конечно-разностных алгебраических уравнений итерационными методами, минимизирующими ошибки вычислений на ЭВМ. Анализ результатов исследования убедительно свидетельствует о целесообразности намагничивания магнитов в радиальном направлении. При этом возрастают как амплитуда индукции в рабочем зазоре, так и рабочий магнитный поток полюса, а также снижается проникновение основного поля в зону коммутации.
Результаты расчетов магнитного поля по аналитической и численной моделям хорошо согласуются, удовлетворительно совпадают с экспериментальными данными.
Третья глава посвящена исследованию коммутационной устойчивости МПТ современных серий с различными системами возбуждения. Разработанное математическое описание ПК позволяет выявить основные закономерности, связывающие коммутационную устойчивость и характер протекания электромагнитных и электромеханических процессов в МПТ с входными переменными ПК как ОУ и параметрами МПТ 4ПМ всего серийного ряда, отличающегося существенными конструктивными особенностями. При анализе результатов экспериментальных исследований установлено значительное влияние конст-
руктивных элементов, внедренных в производство в соответствии с требованиями машинной технологии, на коммутационные параметры МПТ. Настроить безыскровую коммутацию после изготовления МПТ не представляется возможным. В процессе эксплуатации при увеличении частоты вращения ширина ОБР уменьшается, ее средняя линия смещается к области отпиток. Обобщенный анализ проведенных теоретических и экспериментальных исследований подтверждает необходимость и возможность автоматического регулирования коммутирующего потока при изменении частоты вращения, режимов работы МПТ и параметров коммутируемого контура.
В четвертой главе рассматриваются вопросы управления процессом коммутации. В результате анализа методов управления ПК показано, что наиболее полное и эффективное подавление всего спектра возмущений, действующих на ПК, может быть достигнуто за счет активного управления током подпитки индуктора (в зависимости от конструктивного исполнения МПТ) коммутирующего потока. При использовании в качестве регулируемой выходной координаты величины небалансной ЭДС приводятся обоснования по выбору регулирующего воздействия, приводится математическое описание ПК как ОУ в статике и динамике. Обосновываются также функциональная необходимость звеньев, составляющих структурную схему управления ПК, принцип построения САУ (многоконтурная подчиненного регулирования - СПР). Выбранная настройка реализуется при синтезе корректирующих устройств. Введение в схему регуляторов тока подпитки и добавочного тока коммутации обеспечивает оптимизацию принятого критерия качества управления ПК — минимум отклонения величины небалансной ЭДС при самом неблагоприятном изменении входных переменных.
Приводится описание разработанной СПР. Результаты обработки кривых переходных процессов, полученных экспериментально при скачкообразном изменении возмущающих воздействий, хорошо согласуются с оценками качества управления, полученными аналитически.
Эффективность использования разработанной САУ как средства повышения коммутационной устойчивости при обеспечении точной и стабильной ав-
тематической настройки коммутации на середину ОБР при изменении режима
работы МПТ и параметров коммутируемого контура подтверждается результа
тами опытно - промышленных испытаний на серийных (4ГГМ) образцах совре-
ф менных коллекторных электрических машин.
(#
(#
Анализ переменных, характеризующих процесс коммутации как объект управления. системы автоматического управления, предназначенные для повышения коммутационной устойчивости коллекторных МПТ
В настоящем разделе анализируются выходные параметры ПК, когда за управляющее воздействие на объект принимается намагничивающая сила добавочных полюсов, приводится краткий обзор работ по исследованию систем автоматического управления (САУ) ПК, рассматриваются их возможности и области рационального применения, обосновывается выбор регулирующего воздействия.
Наиболее часто в качестве выходных параметров ПК рассматриваются: ток якоря /106,109,113,115,126,128/, частота вращения /166/, произведение тока якоря и частоты вращения /107,117,118/, производные тока якоря и частоты вращения /108,151,152,155/, сигнал, пропорциональный добавочному току коммутации /129,134,136,146,148,149/, величина рассогласования между током якоря и потоком добавочных полюсов /101/ с учетом скорости изменения тока якоря /119/, реже - переменная составляющая тока якоря /95/, разность между 10/ заданным и текущим значениями тока возбуждения и ее производная /133/, разность между эталонным значением ЭДС и ЭДС подшипниковых токов /127/, импульсы коммутационных напряжений на сбегающем крае щетки /49/, интенсивность искрения /141/, степень ионизации околощеточного пространства /114/, текущее значение амплитуды реактивной ЭДС /143/, напряжение между сбегающим и набегающим краями щетки с коррекцией по току якоря /161/, интенсивность электромагнитного излучения, сопутствующего коммутационному искрению /11/.
Такие выходные переменные как ток якоря, частота вращения и их произ-водные содержат информацию об инерционности добавочных полюсов при изменении нагрузки и могут быть использованы в основном при построении каналов управления, форсирующих поток возбуждения в переходных режимах.
Возможность использования в качестве регулируемых величин степени ионизации околощеточного пространства или интенсивности искрения ограничена высокой степенью вероятности получения недостоверных результатов, а разности между эталонным значением ЭДС и подшипниковой ЭДС - функциональными возможностями.
Интенсивность электромагнитного излучения /И/ принята входной переменной в процессе компьютерной диагностики плотности искрения и ОБР.
Наиболее полно характеризуют ПК в установившихся и переходных режимах выходные переменные, связанные с величиной нескомпенсированной (небалансной) ЭДС /49,129,136,143,145,161 и др./. Однако точность измерения текущих значений амплитуды реактивной ЭДС при использовании индуктивных датчиков /143/ существенно зависит от величины зазора под добавочным полюсом, а напряжение под сбегающим и набегающим краями щетки /161/ не в полной мере отражает условия коммутации, например, для МПТ с волновой обмоткой якоря. Таким образом, анализ исследований ПК как ОУ позволяет сформулировать следующий вывод.
При использовании в качестве управляющего воздействия намагничивающей силы добавочных полюсов, регулируемой переменной объекта, наиболее полно характеризующей отклонение процесса коммутации от оптимального (например, прямолинейного) при изменении режима работы МПТ и параметров коммутируемого контура в установившихся и переходных режимах, является величина небалансной ЭДС, либо отражающий характер ее изменения и пропорциональный ее величине добавочный ток коммутации.
Исследование процесса коммутации как объекта управления стало возможным на основе современной теории коммутации. Работы М.Ф.Карасева, О.Г.Вегнера, В.П.Толкунова, С.Б.Юдицкого, А.И.Скороспешкина, Б.В.Сидель-никова, В.В.Фетисова, В.Е.Скобелева, В.В.Прусс-Жуковского, Е.М.Синельникова, В.А.Яковенко, В.Н.Антипова, И.Б.Битюцкого, Ю.П.Галишникова, Г.С.Ро-гачевской, И.К.Севрюгина, современные средства управления, методы анализа21 и синтеза, достижения вычислительной техники открывают широкие возможности в этом направлении.
Конечной целью автоматического управления процессом коммутации является достижение экстремума принятого критерия оценки качества в условиях действия возмущений и ограничений на координаты рассматриваемого процесса.
В качестве критериев (показателей) качества при достижении безыскровой работы МПТ обычно рассматриваются такие, как величина небалансной ЭДС, ток разрыва, максимальный выброс (круговой огонь), добавочный ток коммутации, рассогласование между током якоря и коммутирующим потоком при изменении нагрузки и др.
Ограничения, накладываемые на координаты процесса, обусловлены несовершенством проектирования, возможностями технологического оборудования при изготовлении узлов и деталей МПТ, качеством конструкционных материалов и условиями эксплуатации. Основными ограничениями при управлении ПК являются: устойчивость динамической системы щеточно-коллекторного узла, качество щеток, ограничение по потенциальным условиям на коллекторе, повышенные показатели использования МПТ, качество эксплуатационного обслуживания, а также ограничения, вносимые производственными механизмами при использовании в их электроприводах управляемых по коммутации МПТ.
Процесс коммутации протекает в условиях действия различных возмущающих факторов, к основным из которых следует отнести изменение момента нагрузки, напряжения возбуждения, напряжения питания, вызывающие соответствующие вариации коммутационных параметров и появление искрения. Вследствие случайного характера возмущающих воздействий /142/, задача обеспечения коммутационной устойчивости в требуемом ДР частоты вращения при изменении режима работы и параметров коммутируемого контура в установившихся и, особенно, переходных режимах не может быть успешно решена без применения замкнутых систем автоматического управления. Целесообразность использования подобных систем, особенно автоматической настройки добавочных полюсов, отмечалась уже в работах С.Б.Юдицкого /92/, О.Г.Вегнера /17/, материалах международной (Лондон, 1965 г.), далее республиканских и отраслевых конференций по коммутации.
Широкие возможности, открывающиеся при использовании различных систем автоматического управления процессом коммутации, вызвали интенсивное развитие работ в этой области, особенно стабильно в последние два десятилетия. Можно условно выделить два основных направления указанных исследований. Одно из них связано с теоретическими и экспериментальными исследованиями систем автоматической настройки добавочных полюсов, работы второго направления посвящены вопросам создания и исследования узкофункциональных систем управления, реализующих заданные качественные критерии.
Многообразие конкретных целей, выдвигаемых при разработке таких систем, а также особенности определенных машин и технологических процессов, обусловили значительное количество известных в настоящее время систем управления.
Система регулирования /101,119/ обеспечивает форсировку возбуждения добавочных полюсов и компенсацию рассогласования между током якоря и потоком по поперечной оси. Процесс регулирования осуществляется в функции суммарного сигнала, величина которого пропорциональна величине указанного рассогласования, а также скорости изменения тока якоря и предусматривает настройку только в переходных режимах при действии возмущения в виде изменения тока якоря. Данные, позволяющие оценить показатели качества процесса регулирования, в литературе не приведены.
Численный анализ результирующего магнитного поля МЭ МПТ
В настоящем разделе анализируются выходные параметры ПК, когда за управляющее воздействие на объект принимается намагничивающая сила добавочных полюсов, приводится краткий обзор работ по исследованию систем автоматического управления (САУ) ПК, рассматриваются их возможности и области рационального применения, обосновывается выбор регулирующего воздействия.
Наиболее часто в качестве выходных параметров ПК рассматриваются: ток якоря /106,109,113,115,126,128/, частота вращения /166/, произведение тока якоря и частоты вращения /107,117,118/, производные тока якоря и частоты вращения /108,151,152,155/, сигнал, пропорциональный добавочному току коммутации /129,134,136,146,148,149/, величина рассогласования между током якоря и потоком добавочных полюсов /101/ с учетом скорости изменения тока якоря /119/, реже - переменная составляющая тока якоря /95/, разность между 10/ заданным и текущим значениями тока возбуждения и ее производная /133/, разность между эталонным значением ЭДС и ЭДС подшипниковых токов /127/, импульсы коммутационных напряжений на сбегающем крае щетки /49/, интенсивность искрения /141/, степень ионизации околощеточного пространства /114/, текущее значение амплитуды реактивной ЭДС /143/, напряжение между сбегающим и набегающим краями щетки с коррекцией по току якоря /161/, интенсивность электромагнитного излучения, сопутствующего коммутационному искрению /11/.
Такие выходные переменные как ток якоря, частота вращения и их произ-водные содержат информацию об инерционности добавочных полюсов при изменении нагрузки и могут быть использованы в основном при построении каналов управления, форсирующих поток возбуждения в переходных режимах.
Возможность использования в качестве регулируемых величин степени ионизации околощеточного пространства или интенсивности искрения ограничена высокой степенью вероятности получения недостоверных результатов, а разности между эталонным значением ЭДС и подшипниковой ЭДС - функциональными возможностями.
Интенсивность электромагнитного излучения /И/ принята входной переменной в процессе компьютерной диагностики плотности искрения и ОБР.
Наиболее полно характеризуют ПК в установившихся и переходных режимах выходные переменные, связанные с величиной нескомпенсированной (небалансной) ЭДС /49,129,136,143,145,161 и др./. Однако точность измерения текущих значений амплитуды реактивной ЭДС при использовании индуктивных датчиков /143/ существенно зависит от величины зазора под добавочным полюсом, а напряжение под сбегающим и набегающим краями щетки /161/ не в полной мере отражает условия коммутации, например, для МПТ с волновой обмоткой якоря. Таким образом, анализ исследований ПК как ОУ позволяет сформулировать следующий вывод.
При использовании в качестве управляющего воздействия намагничивающей силы добавочных полюсов, регулируемой переменной объекта, наиболее полно характеризующей отклонение процесса коммутации от оптимального (например, прямолинейного) при изменении режима работы МПТ и параметров коммутируемого контура в установившихся и переходных режимах, является величина небалансной ЭДС, либо отражающий характер ее изменения и пропорциональный ее величине добавочный ток коммутации.
Исследование процесса коммутации как объекта управления стало возможным на основе современной теории коммутации. Работы М.Ф.Карасева, О.Г.Вегнера, В.П.Толкунова, С.Б.Юдицкого, А.И.Скороспешкина, Б.В.Сидель-никова, В.В.Фетисова, В.Е.Скобелева, В.В.Прусс-Жуковского, Е.М.Синельникова, В.А.Яковенко, В.Н.Антипова, И.Б.Битюцкого, Ю.П.Галишникова, Г.С.Ро-гачевской, И.К.Севрюгина, современные средства управления, методы анализа21 и синтеза, достижения вычислительной техники открывают широкие возможности в этом направлении.
Конечной целью автоматического управления процессом коммутации является достижение экстремума принятого критерия оценки качества в условиях действия возмущений и ограничений на координаты рассматриваемого процесса.
В качестве критериев (показателей) качества при достижении безыскровой работы МПТ обычно рассматриваются такие, как величина небалансной ЭДС, ток разрыва, максимальный выброс (круговой огонь), добавочный ток коммутации, рассогласование между током якоря и коммутирующим потоком при изменении нагрузки и др.
Ограничения, накладываемые на координаты процесса, обусловлены несовершенством проектирования, возможностями технологического оборудования при изготовлении узлов и деталей МПТ, качеством конструкционных материалов и условиями эксплуатации. Основными ограничениями при управлении ПК являются: устойчивость динамической системы щеточно-коллекторного узла, качество щеток, ограничение по потенциальным условиям на коллекторе, повышенные показатели использования МПТ, качество эксплуатационного обслуживания, а также ограничения, вносимые производственными механизмами при использовании в их электроприводах управляемых по коммутации МПТ.
Процесс коммутации протекает в условиях действия различных возмущающих факторов, к основным из которых следует отнести изменение момента нагрузки, напряжения возбуждения, напряжения питания, вызывающие соответствующие вариации коммутационных параметров и появление искрения. Вследствие случайного характера возмущающих воздействий /142/, задача обеспечения коммутационной устойчивости в требуемом ДР частоты вращения при изменении режима работы и параметров коммутируемого контура в установившихся и, особенно, переходных режимах не может быть успешно решена без применения замкнутых систем автоматического управления. Целесообразность использования подобных систем, особенно автоматической настройки добавочных полюсов, отмечалась уже в работах С.Б.Юдицкого /92/, О.Г.Вегнера /17/, материалах международной (Лондон, 1965 г.), далее республиканских и отраслевых конференций по коммутации.
Широкие возможности, открывающиеся при использовании различных систем автоматического управления процессом коммутации, вызвали интенсивное развитие работ в этой области, особенно стабильно в последние два десятилетия. Можно условно выделить два основных направления указанных исследований. Одно из них связано с теоретическими и экспериментальными исследованиями систем автоматической настройки добавочных полюсов, работы второго направления посвящены вопросам создания и исследования узкофункциональных систем управления, реализующих заданные качественные критерии.
Многообразие конкретных целей, выдвигаемых при разработке таких систем, а также особенности определенных машин и технологических процессов, обусловили значительное количество известных в настоящее время систем управления.
Система регулирования /101,119/ обеспечивает форсировку возбуждения добавочных полюсов и компенсацию рассогласования между током якоря и потоком по поперечной оси. Процесс регулирования осуществляется в функции суммарного сигнала, величина которого пропорциональна величине указанного рассогласования, а также скорости изменения тока якоря и предусматривает настройку только в переходных режимах при действии возмущения в виде изменения тока якоря. Данные, позволяющие оценить показатели качества процесса регулирования, в литературе не приведены.
Экспериментальное исследование опытных образцов МПТ серии 4ПМ
Для оценки параметров, характеристик, коммутационной устойчивости и сравнительного анализа проведены предварительные исследования макетных образцов с электромагнитным и магнитоэлектрическим возбуждением. Сняты рабочие характеристики двигателей при пониженном напряжении U = 110В и при номинальном U = 220В. Результаты испытаний представлены в табл. 1 и 2. Анализ представленных данных показывает, что рабочие характеристики обладают достаточной жесткостью, скоростные характеристики обоих двигателей имеют существенные отличия по жесткости при пониженном напряжении, эти различия значительно уменьшаются при номинальном напряжении.
По степени искрения оба двигателя и с электромагнитным возбуждением и с магнитоэлектрическим примерно одинаковы при пониженном напряжении питания - класс искрения составляет 1 Ц балла (U = НОВ). С увеличением напряжения питания до номинального (U = 220 В) коммутационная устойчивость двигателей резко изменяется и для двигателя с электромагнитным возбуждением класс искрения составляет 1 /г балла, с магнитоэлектрическим-2 балла.
Для предварительной оценки запаса коммутационной устойчивости сняты области безыскровой работы.
ОБР двигателя с электромагнитным возбуждением представлена на рис.3.7. Анализ ОБР показывает, что машина недокоммутирована, т.е. НС дополнительных полюсов недостаточна. Причем степень недокоммутации по мере увеличения тока якоря уменьшается и средняя линия ОБР смещается вниз. Причина смещения средней линии ОБР может заключаться в том,что нижняя граница ОБР имеет место при ускоренной коммутации и по мере увеличения тока якоря степень ускорения коммутации возрастает.
В целом запас коммутационной устойчивости двигателя с электромагнитным возбуждением, несмотря на значительную ширину ОБР, недостаточен, т.к изгиб средней линии ОБР делает затруднительной настройку машины на безыскровую работу во всем диапазоне изменения тока якоря от холостого хода до номинального значения.
Анализ состояния коммутации двигателя с магнитоэлектрическим возбуждением уже по предварительным данным табл. 1 и 2 показывает ее неудовлетворительность - при номинальном напряжении питания во всем диапазоне изменения тока якоря от холостого хода до номинального значения степень искрения не менее 2-х баллов. Снять ОБР двигателя при заводской его настройке не удалось -подпитка и отпитка дополнительных полюсов до токов, равных номинальному значению тока якоря,к снижению искрения не приводит, т.е.ОБР не существует.
Проведен анализ состояния двигателя и проверка его параметров. В их числе проведена проверка установки щеток на геометрическую нейтраль традиционными методами. Подтверждена правильность заводской установки.
Для данной установки щеток на нейтраль сняты кривые тока коммутируемых секций и падения напряжения (КТ и ПН) в щеточном контакте, представленные на рис.3.8,3.9,3.10,3.11,3.12. Из осциллограмм следует, что коммутация носит резко замедленный характер. Причем степень замедления по мере увеличения нагрузки не только не увеличивается, а даже несколько уменьшается. Отсюда следует, что замедленный характер коммутации определяется не настройкой дополнительных полюсов и их магнитным полем, а другим полем, намагничивающая сила которого не зависит от тока якоря, т.е. магнитным полем главных полюсов. И, с другой стороны, установлено, что при работе в генераторном режиме при холостом ходе имеет место искрение под щетками, что можно объяснить наличием магнитного поля в зоне коммутации при отсутствии тока в обмотке дополнительных полюсов. Последнее может иметь место только за счет проникновения поля главных полюсов в зону коммутации. Для детального анализа ситуации на двухлучевой осциллограф подано два сигнала -сигнал с бифиляра, соответствующий току коммутируемой секции, и сигнал с того же бифилярного витка, пропорциональный распределению магнитного поля в воздушном зазоре машины. Анализ взаимного расположения кривой тока коммутируемой секции и кривой распределения магнитного поля в воздушном зазоре машины показал, что зона коммутации находится в зоне главных полюсов, т.е. щетки не установлены на геометрическую нейтраль. Для их установки на нейтраль щеточная траверса была сдвинута с точки заводской настройки на 15 град., фиксируя точность настройки по взаимному расположению кривой тока коммутируемой секции и кривой распределения магнитного поля в воздушном зазоре. После установки щеток на нейтраль снята ОБР машины в двигательном режиме (рис.3.13).
Анализ ОБР двигателя с магнитоэлектрическим возбуждением показывает, что машина недокоммутирована. Как и для машины с электромагнитным возбуждением, средняя линия ОБР по мере увеличения тока якоря смещается вниз, что определяется увеличением степени ускорения коммутации с ростом тока якоря. Однако наклон ее не так ярко выражен, как для машины с электро магнитным возбуждением. В этой связи для машины с магнитоэлектрическим возбуждением имеется возможность за счет увеличения НС дополнительного полюса (увеличения числа витков обмотки или уменьшения зазора под дополнительным полюсом) настроить безыскровую коммутацию во всем диапазоне нагрузок - от холостого хода до номинальных значений.
Исследование коммутационной устойчивости можно проводить как снятием и анализом ОБР, так и осциллографированием кривых тока коммутируемых секций, падений напряжений в щеточном контакте, кривых распределения магнитного поля в воздушном зазоре. Эти два пути исследования не исключают друг друга, а взаимно дополняют. Причем исследования путем анализа кривых тока, падений напряжений и распределения магнитного поля являются более информативными, поскольку обеспечивают возможность детального изучения вопроса и выявления влияния отдельных факторов, а не только их полную совокупности.
В этой связи при исследовании коммутационной устойчивости макетных образцов модернизированных МПТ серии 4П используются оба направления с совместным анализом результатов исследований.
Так, для экспериментально снятой ОБР двигателя с электромагнитным возбуждением (рис.3.7), для каждой экспериментальной точки границ ОБР сняты кривые тока коммутируемых секций и падения напряжения в щеточном контакте.
Из снятых кривых тока и падений напряжений в щеточном контакте (рис.3.14,3.16,3.18,3.20 - для нижней границы ОБР и рис.3.15,3.17,3.19,3.21 -для верхней границы) можно сделать следующие выводы:
Вся область безыскровой работы, включая и нижнюю границу, имеет место при сильно ускоренной коммутации во всем диапазоне изменения тока якоря - от холостого хода до номинальных значений.
Исследование процесса коммутации коллекторных электрических машин как объекта управления
Первоочередной задачей при проектировании системы автоматического управления (САУ) является анализ возможных входных и выходных переменных (координат) автоматизируемого процесса, рассматриваемого в качестве объекта управления (ОУ), а также выявление статических и динамических характеристик ОУ.
Известно /1/, что характер процесса коммутации коллекторной электрической машины постоянного тока (МПТ) достаточно достоверно характеризуется величиной добавочного тока (или ЭДС) коммутации. В связи с этим в качестве выходной регулируемой координаты ОУ целесообразно принять добавочный ток коммутации UmK или величину небалансной ЭДС eHQ.
Такой выбор регулируемой переменной диктуется также тем обстоятельством, что в настоящее время разработаны различные датчики добавочного тока и ЭДС коммутации /29,34,54/.
Основными возмущающими воздействиями - воздействиями, вызывающими нежелательное отклонение регулируемой переменной, для процесса коммутации, как показано выше, являются изменение угловой скорости и изменение нагрузки (статического момента Мс на валу двигателя).
В качестве основного регулирующего воздействия на процесс коммутации в активной системе целесообразно принять напряжение на выходе управляемого преобразователя Uyn (рис. 4.1).
Таким образом на основе анализа входных и выходных переменных процесс коммутации как объект управления можно представить в виде, показанном на рис. 4.2. В установившихся режимах свойства процесса коммутации для рассматриваемой выходной координаты и регулирующего воздействия могут быть описаны зависимостью величины небалансной ЭДС енб или добавочного тока коммутации 1дтк от выходного напряжения Uyn УП: eH6(Uyn) или IdmK(Uyn), а точнее, совокупностью указанных зависимостей для различных условий работы МПТ.
Аналитическое определение таких зависимостей рассмотрено в главе 3. Для исследуемой МПТ характеристики получены экспериментально. В процессе экспериментов МПТ предварительно настраивалась на середину зоны безыскровой коммутации, а затем давались приращения напряжения Uуп и фиксировались средние значения небалансной ЭДС eHQ, снимаемой с датчика (дополнительных щеток). Эксперименты проводились при различных значениях угловой скорости МПТ.
В качестве примера на рис. 4.3 приведены характеристики еиб(1/уп), полученные для исследуемой МПТ (экспериментальные данные показаны кружоч ками) для Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что характеристики объекта при фиксированном значении частоты вращения достаточно линейны, однако при изменении п их наклон изменяется. В связи с этим коэффициент передачи ОУ по управляющему воздействию определялся для отклонений переменных где А - приращение соответствующей переменной.
Коэффициент передачи ОУ можно представить в виде произведения двух коэффициентов At/. где первый коэффициент отражает взаимосвязь между управляющим воздействием и током подпитки а второй - связь между небалансной ЭДС и током подпитки
Анализ экспериментальных зависимостей позволяет определить максимальное и минимальное значение Коу, т.е. определить диапазон вариации этого коэффициента, что необходимо для дальнейших расчетов САУ процессом коммутации. В частности для исследуемой машины коэффициент Коу; изменяется в диапазоне от 0,55В/А до 0,125В/А.
Динамические свойства процесса коммутации как объекта управления в общем случае описываются системой нелинейных дифференциальных уравнений, приведенных в главе 3.
Для последующего синтеза САУ объект управления целесообразно разбить на два динамических звена (рис.4.4).
Первое динамическое звено с передаточной функцией Woyi(p) отражает инерционность связи тока подпитки 1п с выходным напряжением Uyn управляемого преобразователя. Эта связь может быть приближенно описана передаточной функцией апериодического звена гдер - оператор Лапласа.
Постоянная времени Тоуі в выражении (4.5) приближенно определяется индуктивностью и активным сопротивлением выходной цепи УП (Lyns Ryn ) и обмотки ДП (LdfV Rdn):
Второе динамическое звено с передаточной функцией W p) в структуре объекта отражает инерционность связи небалансной ЭДС с током подпитки:
Результаты экспериментальных исследований динамических свойств второго звена в структуре объекта, в ходе которых осциллографировались кривые изменения небалансной ЭДС и тока подпитки /29/, свидетельствуют, что инерционность второго динамического звена значительно меньше инерционности первого звена. Это позволяет приближенно считать второе звено пропорциональным и принять
