Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Перспективы применения новых типов генераторов в автономных энергоустановках 13
1.1 Современные электрогенераторные установки автономных объектов и их элементная база 13
1.2. Современные генераторные установки автономных объектов 19
1.2.1. Автомобильные генераторные установки 19
1.2.2. Автотракторные генераторные установки 21
1.2.3. Авиационные генераторы 23
1.2.4. Генераторные установки специальных транспортных средств 26
1.3. Основные типы электрических машин генераторных установок автономных объектов 28
1.3.1. Машины постоянного тока 28
1.3.2. Синхронные генераторы с клювообразным ротором 30
1.3.3. Бесконтактные синхронные машины с вращающимся выпрямителемЗ 1
1.3.4. Синхронные генераторы с постоянными магнитами 33
1.3.5. Вентильно-индукторные машины 34
1.3.6. Асинхронные генераторы 36
1.3.7. Синхронная реактивная машина независимого возбуждения 38
1.4. Выводы 40
Глава 2. Функциональные и конструктивные особенности генераторной установки с СРМНВ 41
2.1. Сравнение СРМНВ с другими типами электрических машин по функциональным признакам 42
2.1.1. Сравнение СРМНВ с синхронным генератором 42
2.1.2. Сравнение СРМНВ с машиной постоянного тока 46
2.1.3. Генераторная установка с СРМНВ 50
2.2. Картина магнитных полей в зазоре СРМНВ 52
2.2.1. Методика измерения и схемы лабораторной установки 52
2.2.2. Экспериментальные кривые магнитных полей в СРМНВ и других электрических машинах 55
2.3. Сравнение СРМНВ и других типов электрических машин автономных генераторных установок по конструктивным признакам 62
2.4. Статические характеристики СРМНВ 65
2.4.1. Угловые характеристики 65
2.4.2. Статические моментные характеристики СРМНВ 72
2.5. Общие рекомендации по расчету и конструированию СРМНВ 75
2.6. Выводы 76
Глава 3. Разработка моделей СРМНВ 77
3.1 Развитие математических моделей электрических машин 77
3.2 Математические модели СРМНВ 79
3.2.1. Модель СРМНВ в полярной системе координат 79
3.2.2. Модель СРМНВ в системе координат d,q 82
3.2.3. Модель СРМНВ как обращенной машины постоянного тока 84
3.2.4. Модель СРМНВ на основе обмоточной функции 90
3.3 Частотно-топологическая модель автономной электроэнергетической установки (АЭУ) с СРМНВ 92
3.3.1. Разработка модели 92
3.3.2. Экспериментальное подтверждение модели 97
3.4 Методика электромагнитного расчета СРМНВ 99
3.4.1. Исходные данные для проектирования СРМНВ 99
3.4.2. Основные этапы расчета СРМНВ 100
3.5 Оптимизация формы линейной плотности поверхностного тока СРМНВ 104
3.5.1 Постановка задачи оптимизации. Варианты аналитического подхода к решению задачи 104
3.5.2. Численные методы оптимизации. Алгоритм оптимизации СРМНВ для генераторного режима 110
3.5.3. Результаты оптимизации линейной формы поверхностного тока... 112
3.6 Выводы 114
Глава 4. Синтез структур системы управления и экспериментальные исследования АЭУ с СРМНВ 115
4.1. Постановка задачи. Обзор наиболее распространенных структур 115
4.2. Функциональные схемы силовых цепей и цепей возбуждения генераторной установки с СРМНВ 120
4.2.1.Схемы силовых цепей генераторной установки с СРМНВ 120
4.2.2. Источники питания цепей возбуждения СРМНВ 122
4.3. Синтез системы управления АЭУ с использованием методики и средств экспериментального определения частотных характеристик 125
4.3.1.Методика экспериментального определения частотных характеристик звеньев и систем АЭУ 125
4.3.2.Синтез схемы подчиненного регулирования переменных 130
4.3.3.Синтез схемы с параллельными регуляторами 132
4.4. Разработка и изготовление лабораторного макета АЭУ с СРМНВ 136
4.4.1.Конструирование опытных образцов СРМНВ 136
4.4.2.Конструирование источника возбуждения 137
4.4.3.Конструирование датчика положения ротора 139
4.4.4.Функциональная схема лабораторного макета АЭУ 140
4.5. Исследование статических режимов АЭУ на лабораторном макете 141
4.5.1.Анализ влияния различных факторов на форму фазной ЭДС 141
4.5.2.Внешние характеристики генераторной установки 145
4.6. Исследование динамических режимов АЭУ на лабораторном макете 148
4.6.1 .Экспериментальные частотные характеристики контура регулирования напряжения АЭУ 148
4.6.2.Экспериментальные переходные функции АЭУ 150
4.7. Перспективы применения АЭУ с СРМНВ для различных объектов 151
4.8. Выводы 153
Заключение 154
Литература 156
- Современные электрогенераторные установки автономных объектов и их элементная база
- Сравнение СРМНВ с синхронным генератором
- Модель СРМНВ как обращенной машины постоянного тока
- Источники питания цепей возбуждения СРМНВ
Введение к работе
Одной из важнейших проблем автономных электроэнергетических установок (АЭУ), особенно работающих на бортовую сеть, является их дальнейшее совершенствование. Решение соответствующих этой проблеме научно-технических задач актуально в связи с увеличением числа и возрастанием мощности бортовых потребителей электроэнергии, повышением требований к надежности и эксплуатационному ресурсу электротехнического оборудования, к его удельным энергетическим и массогабаритным показателям.
Автономные энергоустановки для производства электроэнергии, как правило, эксплуатируются в тяжелых условиях, поэтому к вентильным генераторам предъявляются повышенные требования: большая перегрузочная способность, поддержание заданного уровня напряжения при расширенном диапазоне изменения скорости вращения приводного двигателя, интенсивное использование активных материалов, малые потери при простоте конструкции электрической машины. В транспортных электроэнергетических установках широкого класса (самолетных, автомобильных, танковых и др.) применяются вентильные системы генерирования как переменного, так и постоянного токов.
В настоящее время наибольший прогресс в современных генераторных установках наблюдается в вентильных генераторах, где идет он, главным образом, за счет совершенствования преобразователя и в меньшей степени -самой электрической машины. Тем не менее, если обратить внимание на новые типы электрических машин и в комплексе с преобразователем проектировать новую генераторную установку, то можно добиться хороших результатов.
В последнее время новый подход к разработке электрических машин коснулся как традиционных генераторов, например, вентильного генератора с постоянными магнитами на роторе (в западной литературе - Brushless DC Motor), так и генераторов, получивших свое развитие лишь в последнее десятилетие, например, вентильно-индукторный генератор (на основе вентильно-индукторной машины), асинхронного самовозбуждаемого генератора с короткозамкнутым ротором. Следует заметить, что особое место в этом ряду занимают синхронные реактивные машины с независимым возбуждением (СРМНВ) (по английской терминологии -Field Regulated Reluctance Machine), в котором обмотка выполнена с полным шагом, при этом часть витков создает поток возбуждения, а другая - электромагнитный момент.
В существующих публикациях по СРМНВ предлагается сравнение ее с асинхронным двигателем, рассматривается ее математическое описание, высказываются некоторые соображения по выбору оптимального числа фаз.
Однако в приведенных источниках как отечественных, так и зарубежных, слабо освещена физика работы машины, не приводятся инженерные методики расчета генератора. Наконец, нет рациональных схем генераторной установки с СРМНВ, что позволило бы в комплексе рассматривать возможности этой системы. Между тем очевидны преимущества генераторной установки с СРМНВ: простота конструкции, «холодный» массивный ротор без обмотки, высокий КПД, большие перегрузочные способности, бесконтактность, стандартная элементная база и типовые структуры замкнутых систем управления.
Отмеченными выше обстоятельствами и аргументами обусловлена актуальность темы настоящей работы.
Работа поддержана грантом по программе развития научного творчества молодёжи в вузах Челябинской области, осуществляемой Министерством образования и науки РФ и Администрацией Челябинской области.
Современные электрогенераторные установки автономных объектов и их элементная база
Развитие современной электроэнергетики неразрывно связано с качественными улучшениями показателей электрических машин, совершенствованием их характеристик, повышением их коэффициента полезного действия (КПД) и ресурса, увеличением надежности работы, расширением функциональных возможностей, в том числе при работе в экстремальных условиях [139, 44, 55].
Автономные энергоустановки (АЭУ) различаются по областям применения, типу используемого привода, конструктивным особенностям, режиму работы, параметрам и характеристикам. При большом многообразии первичных источников энергии в большинстве случаев используют электромеханическое преобразование энергии. Для преобразования энергии горючих ископаемых применяются различные типы тепловых двигателей: паровые и газовые турбины, внутреннего сгорания и т.п. В автономной энергетике использование нефтепродуктов и горючих газов находит наибольшее применение, так как для возобновляемых источников энергии (ветро- и гидроустановки) необходимо удобное географическое положение. В настоящее время в российской и мировой энергетике возрастает удельная доля природного газа как экологически чистого топлива [92]. Традиционно выбор дизельного двигателя для привода АЭУ обусловлен высокой степенью готовности, быстротой пуска, простотой обслуживания и большим опытом эксплуатации. Одним из перспективных направлений является применение в качестве приводного - высокоскоростного газотурбинного двигателя.
Для электромеханического преобразования энергии применяют различные типы электрических генераторов, системы автоматического управления которых определяются исходя из требований, предъявляемых к качеству выходных характеристик [50, 145]. Нагрузкой являются различные устройства, потребляющие электроэнергию заданного качества.
Перспективы применения новых типов электрических машин тесно связаны с развитием элементов структуры управления автономной энергоустановкой: электрического и электромеханического преобразователя, датчиков, информационного преобразователя (рис. 1.1). Структура включает в себя два канала: силовой (механический, электромеханический, электрический преобразователи) и информационный, выполняющий функцию управления и диагностирование АЭУ.
Одним из наиболее эффективных средств управления потоком электрической энергии является электрический преобразователь. В настоящее время среди всех типов приборов силовой электроники доминируют два типа: полевые и биполярные транзисторы с изолированным затвором (MOSFET и IGBT) и интегрированные структуры на их основе — силовые интегральные схемы и гибридные модули [153]. Традиционные приборы, с которых начиналась силовая электроника: тиристоры (SCR), силовые запираемые тиристоры (GTO), биполярные транзисторы (BJT), - в последние годы все больше и больше вытесняются приборами с полевым управлением. Быстровосстанавливающиеся диоды и силовые диоды на базе карбида кремния (SiC) могут стать доминирующими для высокочастотных (и высокотемпературных ) применений [101]. В настоящее время на рынке есть SiC-диоды на напряжение до 2500 В и токи до 100 А [75]. Японская фирма «Mitsubishi» заявила о выпуске на рынок новых тиристоров FT1500AU-240 на прямой ток 1500 А и величину импульсного повторяющегося напряжения 12000 В [154].
Оптотиристоры (LTT), полностью управляемые тиристоры (GTO) и коммутируемые по затвору тиристоры (GCT, IGCT) являются производными тиристорных технологий и находят применение в мегаваттном диапазоне мощностей. Для LTT достигнуты параметры 8кВ и 4кА, для GCT — 6,5 кВ [101, 154] .
Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET) заняли свою нишу в диапазоне малых и средних мощностей [75]. Они отличаются большим входным сопротивлением, а их сопротивление в открытом состоянии в последние годы было уменьшено более чем в 10 раз [75, 154]. Поэтому для низковольтного диапазона напряжений (до 200 В) можно предсказать непрерывное их развитие в направлении снижения статических потерь и повышения стойкости. Для высоковольтных MOSFET настоящей революцией стало создание фирмой «Infineon Technology» технологии суперперехода — CoolMOS [101].
Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistor) будут оставаться «рабочей лошадкой» как минимум следующее десятилетие. Блокирующее напряжение — сейчас до 6500 В -увеличится до 8000 В [154]. На рынке также появились первые IGBT с обратной пропускной способностью, уникальные коммутационные характеристики которых могут быть востребованы для специальных применений. В настоящее время ведущие мировые фирмы ведут интенсивный поиск конструкции нового прибора, который мог бы заменить традиционный IGBT в высоковольтном диапазоне напряжений 4500...8000 В и более [154]. В качестве претендентов на такую замену можно назвать сегодня: IEGT(Injection Enhanced Transistor), CSTBT (Carrier Stored Trench-gate Bipolar Transistor), ЕСТ (Emitter Commutated Thyristor), CIGBT (Clustered IGBT) [75, 154].
Сравнение СРМНВ с синхронным генератором
Обзор литературы, проведённый в предыдущей главе, показал, что физика работы генераторной установки с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения (СРМНВ) освещена слабо. В работах [54, 53, 151, 172-173, 187] обобщен материал, касающийся работы синхронной реактивной машины в двигательном режиме в замкнутых системах электроприводов, в разработке которых автор также принимал участие [149]. Между тем физика электромеханического преобразования является основой последующих этапов, связанных с разработкой, проектированием и наладкой новых автономных энергетических установок. Поэтому имеется потребность дать основные сведения о работе генераторной установки в статических режимах, показать особенности электромеханического преобразования энергии в генераторном режиме СРМНВ по отношению к другим типам машин, исследовать основные характеристики, разработать детальную классификацию бесконтактных электрических машин автономных энергоустановок по определенным классификационным признакам, относящимся как к функциональным, так и к конструктивным особенностям этих машин.
Наиболее близкими типами генераторных установок к синхронной реактивной машине независимого возбуждения, на наш взгляд, являются машины постоянного тока (в том числе бесконтактные вентильные генераторы постоянного тока) и синхронные генераторы с активным ротором.
Кроме того, некоторые эксперты [79] считают, что СРМНВ не может обладать высокими удельными показателями, поэтому есть необходимость разрешить эту неоднозначность и проверить вышеупомянутые показатели экспериментально. Тем более, это необходимо сделать на уровне принципа работы машины до составления ее математической модели.
В предыдущей главе указывалось, что особенность работы СРМНВ состоит в том, что в отличие от синхронной реактивной машины, в ней удается независимо регулировать поле возбуждения и поле реакции якоря. Эта возможность достигается выбором соответствующей конструкции машины (обмотка статора с полным шагом, явнополюсный ротор) и применением специальных законов управления токами статора.
Так как СРМНВ по принципу управления ближе к синхронной явнополюсной машине с активным ротором, то было бы полезно вспомнить принцип её работы.
В синхронной машине с активным ротором возбуждение создаётся обмоткой, расположенной на роторе или постоянными магнитами. Тогда магнитодвижущая сила (МДС) статорных обмоток взаимодействует с полем возбуждения ротора. Электромагнитный момент может рассматриваться как результат взаимодействия основной гармоники индукции в зазоре, созданной обмоткой возбуждения, и основной гармоники МДС якоря. Механизм формирования момента можно проследить, анализируя форму моментного треугольника, который образован векторами потокосцепления статора Ч , ротора РР и результирующего вектора Р (рис. 2.1, б) [151, 46]. Как известно, электромагнитный момент машины пропорционален площади этого моментного треугольника [46, 151]. Потокосцепление Ч в машине создаётся обмоткой ротора, а % - статорной обмоткой. В режиме идеального холостого хода угол между Ч и Ч р равен нулю, поэтому равен нулю и момент . Под нагрузкой угол рассогласования Р между осью ротора и вектором потокосцепления 4х изменяется, как следствие, изменяются площадь моментного треугольника, и соответствующий этой площади электромагнитный момент машины [147, 151].
Весьма интересной и, на первый взгляд, очень простой является идея создания поля возбуждения в явнополюсной машине обмоткой, расположенной на статоре [172, 187]. Для этого ее витки должны находиться в межполюсном промежутке, а сама обмотка должна быть выполнена с полным (диаметральным) шагом. Например, если по обмоткам 1 - Г и 2 - 2 пропустить постоянный ток (рис. 2.1, а), то он создаст магнитный поток по продольной магнитной оси машины (т.е. поток возбуждения) [173]. Если же теперь по обмоткам 3-3 , 4 - 4 , 5 - 5 , 6 - 6 (Thomas Lipo называет их в [174] - якорными обмотками) также пропустить постоянный ток, то, как и в синхронной машине, возникает электромагнитный момент. Как а) поперечный разрез машины; б) векторная диаграмма правило, в двигательном режиме роль обмотки возбуждения и обмотки статора выполняет одна и та же статорная обмотка, а заданные токи якоря и возбуждения формируются источниками токов в зависимости от углового положения ротора. Токи /в в обмотках возбуждения, расположенных над межполюсными промежутками ротора, и токи Іа в якорных обмотках, расположенных над полюсами ротора, могут регулироваться независимо (отсюда термин FRRM— Field Regulated Reluctance Machine), что в переводе на русский язык означает СРМНВ - Синхронная Реактивная Машина Независимого Возбуждения. Однако в отличие от синхронной машины с активным ротором, нет необходимости пропускать по обмоткам статора синусоидальный ток. Thomas Lipo (США) по аналогии с машиной постоянного тока предлагает для оптимальной связи с полупроводниковым преобразователем прямоугольную форму тока [172]. При этом в [172, 173, 147] не дается аналитического и экспериментального обоснования предложенной кривой тока. Что касается конструкции ротора, то авторы либо используют сложный составной ротор, имеющий максимальное отношение Ld/Lq (как в классической синхронной реактивной машине), либо не придают этому вопросу особого значения.
Модель СРМНВ как обращенной машины постоянного тока
Как видно из таблицы 3.1, расчет СРМНВ включает в себя на разных этапах методы, используемые при проектировании серийных синхронных, асинхронных машин и машин постоянного тока. Тем не менее, на отдельных этапах приходится учитывать конструктивные и функциональные особенности СРМНВ.
Так, при выборе главных геометрических размеров и электромагнитных нагрузок необходимо учитывать то, что скорость вращения СРМНВ ограничена механической прочностью ротора, что, в свою очередь, позволяет существенно уменьшить габарит машины. Следует отметить, что один и тот же коэффициент использования машины можно получить при умеренных значениях линейной нагрузки А и относительно повышенных значениях магнитной индукции Bs или, наоборот, при повышенных А и относительно низких В5. В первом случае машины иногда условно называют стальными, т.к. они имею увеличенный магнитопровод, а во втором - «медными», поскольку в таких машинах относительно велик объем обмоток. Обычно бесконтактные электрические машины автономных энергоустановок относятся ко второму типу машин, имеющих пониженный объем магнитопровода и соответственно меньшие значения удельной массы.
Задача выбора оптимальной величины А, является сложной и многокритериальной, которую необходимо рассматривать в комплексе с конкретными технологическими требованиями. Между тем, учитывая чрезвычайно высокую механическую жёсткость ротора, можно рекомендовать СРМНВ для энергоустановок, где имеются ограничения по объему, когда ротор можно выполнить значительно длиннее обычного. В таких специальных случаях X может достигать нескольких десятков [63, 64, 46, 90].
В генераторном режиме СРМНВ число фаз якоря также будет влиять на форму выпрямленного напряжения. Увеличение т снижает пульсации мгновенного значения выпрямленного напряжения. Кроме того, число фаз удобно (но необязательно) выбирать кратным 3, т.к. в этом случае можно использовать стандартные вентильные преобразователи и известные схемы выпрямления. Что касается обмотки возбуждения, то увеличение числа фаз приводит к значительному увеличению числа ключей: так, при индивидуальных источниках питания на фазу это число равно 4-w; при питании же машины от стандартных мостовых инверторов - 2-ій. В нашем случае мы остановились на варианте машины с числом фаз равным шести.
В СРМНВ ротор делается явнополюсным и монолитным. Правильный выбор воздушного зазора во многом определяет удельные показатели машины и энергоустановки в целом. Чем меньше воздушный зазор, тем меньше его магнитное сопротивление и магнитное напряжение, составляющее основную часть МДС магнитной цепи всей машины. Поэтому уменьшение зазора приводит к соответствующему увеличению индукции в зазоре. Но чрезмерное уменьшение 8 приводит к возрастанию амплитуды пульсаций индукции в воздушном зазоре и, как следствие этого, к увеличению поверхностных и пульсационных потерь. В СРМНВ средней мощности величину воздушного зазора целесообразно выбирать по аналогии с асинхронными двигателями краново-металлургической серии [63].
Отметим, что расчет МДС полюса СРМНВ отличается от расчета полюса синхронной явнополюсной машины с активным ротором тем, что в СРМНВ отсутствуют потоки рассеяния обмотки ротора из-за отсутствия последней.
При нагрузке появляется поле реакции якоря, которое искривляет поле, созданное в воздушном зазоре обмоткой возбуждения. При этом физическая нейтраль смещается относительно геометрической на некоторый угол, поэтому намагничивающая составляющая реакции якоря действует на полюс, а размагничивающая - на межполюсный промежуток. Учет реакции якоря в СРМНВ можно проводить двояко - как для машины постоянного тока (метод Г.Н. Петрова) [46] или как для синхронной машины (аппарат векторных диаграмм Блонделя) [131, 63].
При построении внешних характеристик необходимо учитывать схему выпрямления в силовой цепи [2, 142].
Вопросам оптимизации силовой части электромеханических систем (электрические машины, электропривода и т.п.) посвящено большое количество работ [89, 15, 40, 102, 106], тем не менее, эта проблема далека от завершения. Еще более актуальной эта задача становится в связи с последними достижениями силовой электроники. Уровень развития современной элементной базы, а именно, силовой преобразовательной техники, энергетической электроники и микропроцессорной техники позволяет использовать дополнительные возможности силовых элементов за счет вариации номинальными и другими параметрами (форма фазного тока, число фаз, форма линейной нагрузки) [172, 185]. В этом случае отпадае необходимость в жестком выборе стандартных напряжений и токов (например, для машин переменного тока - синусоидальных), а это, в свою очередь, -использовать ранее неучтенные возможности для улучшения массогабаритных показателей машины. Поэтому массогабаритные пропорции компонентов электрической машины, которые являются оптимальными при проектировании отдельно взятой машины, могут оказаться не самыми лучшими при её работе от регулируемого источника питания. Это подтверждается, например, тем, что для регулируемых электроприводов переменного тока в связи с появлением преобразователей частоты на полностью управляемых силовых ключах (IGBT-транзисторах) проектирование асинхронной машины ведется теперь с учетом преобразователя, а серийные машины оказываются далеко не оптимальными по ряду показателей [86, 39, 15, 127]. В таких асинхронных машинах с короткозамкнутым ротором, отпадает необходимость выполнения глубоких пазов на роторе, т.к. заданные параметры пуска машины формируются регулируемым источником по цепи статора.
Кроме того, и разного рода технологические требования заставляют формулировать критерии оптимизации еще на стадии проектирования. В [81] предлагается в качестве критерия оптимизации взять максимум электромагнитного момента в заданных габаритах машины, а параметрами оптимизации взять диаметр ротора и число пар полюсов.
В [177] выполнялся учет совместной работы преобразователя и синхронной реактивной машины. В качестве критерия при оптимизации геометрических размеров машины использовался максимум электромагнитного момента. Изменяя величину отношения диаметра ротора к величине внешнего диаметра статора, удалось добиться максимума при их отношении, равном 0,6, а отношение индуктивных сопротивлений по продольной и поперечной осям в этом случае составило 10.
Источники питания цепей возбуждения СРМНВ
Как показал опыт разработки и экспериментального исследования систем управления промышленных электроприводов [148, 151], экспериментальное определение ЛЧХ электропривода лучше выполнять в замкнутых системах. В этом случае, во-первых, сохраняется реальное влияние элементов друг на друга, которое может весьма далеко отличаться от расчётного. Так, наличие только помех, циркулирующих по замкнутым контурам регулирования, может изменить характеристики в 2...10 раз [148, 151]. Во-вторых, наличие главной (внешней) обратной связи, пусть даже в ходе эксперимента и далёкой от оптимальной настройки, гарантирует существование режима электропривода вблизи рабочей (или расчётной) точки, а это не только сохраняет реальный характер влияния звеньев друг на друга, но и важно с точки зрения безопасного проведения эксперимента (например, исключаются появление больших напряжений и токов на статорной обмотке).
На кафедре электропривода и автоматизации промустановок Южно-Уральского государственного университета успешно проводились работы по созданию портативной аппаратуры, предназначенной для исследования и режимной наладки сложных электроприводов [103]. В дальнейшем были разработаны и изготовлены цифровые измерители частотных характеристик, которые нашли широкое применение в практике пуско-наладочных работ, в научных исследованиях и в учебном процессе [103]. Поэтому в настоящей работе для снятия экспериментальных частотных характеристик использовался прибор "Вектор 2М" [103]. Из зарубежных в этой области техники наиболее известны прецизионные измерительные комплексы стационарного исполнения фирмы «Solartron»[103]. Принцип построения средств частотного анализа типа "Вектор 2М" основан на прямом цифровом измерении действительной и мнимой частотных характеристик с использованием высокочастотного генератора тестового сигнала и векторов коммутации, а также интегратора для усреднения сигналов с выхода синхронных детекторов. Погрешности измерений частотных характеристик не превышают 2%. При анализе элементов и устройств замкнутой системы наибольший интерес представляют частотные характеристики, измеренные в области частоты среза и ниже её. Т.к. наибольшее быстродействие в системах вентильных электромеханических системах имеют контуры регулирования напряжения и тока, максимальная частота которых достигает 200...300 рад/с, то для частотного анализа необходимо изменение частоты тестового сигнала в пределах 0,5...2000 рад/с. Прибор "Вектор2М" способен выдавать тестовый сигнал в диапазоне от 1 до 16384 рад/с.
Общий алгоритм синтеза системы управления с использованием экспериментальных ЛЧХ можно представить последовательным выполнением следующих этапов [29]: - определение ЛЧХ неизменяемой части системы регулирования (в нашем случае комплекса преобразователь - СРМНВ); -построение модели неизменяемой части системы. Удачный выбор модели предопределяет и рациональный ход дальнейших этапов синтеза. Имея экспериментальные ЛЧХ системы с выходами по различным координатам, удаётся даже сложную систему представить последовательным соединением более простых с точки зрения динамических свойств звеньев, пусть даже произвольной структуры. Очень важно, что все промежуточные координаты являются наблюдаемыми и, следовательно, технически возможно выполнить по ним обратные связи. Влияние всех перекрёстных связей автоматически учитывается при определении ЛЧХ. Если же пользоваться аналитическими методами, то с целью упрощения записи дифференциальных уравнений и сохранения их наглядности приходится вводить в схему ненаблюдаемые координаты, что весьма усложняет структурные схемы. Итак, представление модели неизменяемой части системы в виде последовательного соединения более простых динамических звеньев, ЛЧХ которых идентичны ЛЧХ реальной системы, значительно упрощает последующий синтез; -выбора предполагаемой структуры и параметров корректирующих связей. Здесь, в первую очередь, необходимо указать те переменные состояния, по которым предполагается организовать обратные связи, т.е. определить количество контуров регулирования. После чего можно выбирать предполагаемые тип и параметры регуляторов. При этом оказывается весьма эффективными аппроксимированные подходы к описанию динамических характеристик замкнутой системы и её звеньев. Основанием для выбора желаемых структуры и параметров корректирующих связей является обычно набор желаемых обобщённых показателей качества системы, например, желаемая частота среза основного контура регулирования. Конкретный вид ЛЧХ каждого из последовательно включённых звеньев, которыми описывается модель неизменяемой части системы, даёт возможность без особого труда прогнозировать ожидаемые частоты среза и всех внутренних контуров регулирования с учётом предполагаемых средств коррекции; -экспериментальной проверки выбранных корректирующих связей на основании экспериментальных ЛЧХ замкнутых контуров регулирования. Синтез регуляторов по переменным состояния следует осуществлять последовательно, начиная с внутреннего, самого быстродействующего контура регулирования; -оценки качества настроенной системы электропривода. Эту оценку можно выполнять как в любых тестовых режимах (например, экспериментальным определением переходных функций, частотных характеристик генераторной установки), так и в прямых технологических режимах. Отметим, что идентификация объекта регулирования возможна также с помощью характеристик во временной области, с применением ЭВМ. Однако, данные методики не нашли столь широкого распространения, хотя, учитывая прогресс вычислительной техники, они также получают свое развитие [72].
Как уже говорилось ранее, система автоматического управления генераторной установки должна обеспечивать желаемый вид внешней характеристики генератора U=f ( I ) в статике и отвечать определенным требованиям в динамических режимах. Поставленная задача решается с помощью замкнутой САУ. Поэтому далее рассмотрим синтез наиболее распространенных вариантов структур управления - систему подчиненного регулирования координат и систему с параллельными регуляторами.
