Введение к работе
Актуальность проблемы. В реалиях современного мира трудно переоценить важность сбережения энергетических ресурсов. Постоянно растущие цены на энергоносители стимулируют внедрение энергоэффективных технологий. Как следствие, находятся все новые возможности применения электропривода там, где раньше это представлялось нерентабельным.
С 80 годов XX века внимание исследователей привлекает вентильно-индукторный электропривод (ВИП). Повышенные показатели энергетической эффективности, высокий КПД и относительно невысокая стоимость являются обоснованием использования вентильно-индукторных электрических машин (ВИМ) в составе общепромышленного электропривода. В то же время простота конструкции, повышенные показатели надежности, а также живучесть открывают перспективы применения ВИМ в составе ответственных приводов, работающих в тяжелых условиях эксплуатации.
Работы по исследованию и внедрению ВИП активно ведутся в МЭИ, РГУПС, ЮРГТУ. Значительный вклад в разработку и исследование ВИП внесли: Е. Husain, R. Krishnan, P.J. Lawrenson, T.J.E. Miller, A.V. Radun, М.Г. Бычков, Ю.А. Голландцев, A.B. Киреев, Л.Ф. Коломейцев, В.А. Кузнецов, С.А. Па-хомин, А.Д. Петрушин, Г.К. Птах, В.В. Рымша, А.Р. Шайхиев и др.
Для получения наилучших показателей ВИМ необходимо согласовывать ток возбуждения фаз с положением ротора. Для этого используют различные физические датчики положения ротора (ДПР), которые механически сочленены с валом ВИМ: датчики на основе эффекта Холла, оптоэлектрические с сегментированным диском, энкодеры и резольверы. С 80-х годов прошлого столетия ведутся работы по реализации бездатчиковых систем управления ВИМ, для которых необязательно наличие установленного на вал ДПР, а положение ротора определяется косвенно.
Основные достоинства бездатчиковых систем можно сформулировать следующим образом:
Меньшая стоимость. ДПР может составлять значительную часть электротехнического комплекса для случая проектирования по минимуму стоимости (как правило, при малой мощности ВИМ). Кроме стоимости датчика необходимо учитывать также расходы на соединительные провода к нему;
Более высокая надежность. Как известно, любой дополнительный конструктивный элемент увеличивает вероятность выхода из строя всей установки. Использование алгоритма бездатчикового управления в качестве резервного в системе ВИП, оснащенного ДПР, в случае выхода из строя последнего поможет обеспечить работоспособность электропривода;
Возможность использования ВИП в тяжелых условиях эксплуатации, при негативном воздействии окружающей среды. За счет простоты конструкции (отсутствие проводников и скользящего контакта на роторе, сосредоточенные обмотки возбуждения) ВИМ отличается повышенной надежностью в сравнении с традиционными асинхронными машинами и машинами постоянного тока. Это позволяет использовать ВИП в установках с тяжелыми условиями эксплуата-
ции (при высокой температуре окружающей среды, повышенном давлении, запыленности и т.д.). В этом случае ДПР может стать лимитирующим фактором;
- Отсутствие затрат времени на установку и настройку ДПР. Процедура
фиксации и последующей настройки любого физического датчика требует за
трат времени, использования специального оборудования.
Описанные в настоящее время методы бездатчикового (косвенного) определения положения ротора, как правило, были синтезированы с учетом особенностей конкретной задачи (диапазон частот вращения, режим работы, алгоритм управления фазным током и т.п.) и не могут быть использованы для полноценной замены ДПР.
Учитывая перспективы применения ВИМ в системах электропривода, предназначенных для работы в тяжелых условиях эксплуатации, а также ограничения существующих методов косвенного определения положения ротора, задача исследования существующих и синтеза нового алгоритма бездатчикового определения положения ротора представляется актуальной научно-технической проблемой.
Объект исследований - вентильно-индукторный электропривод.
Предмет исследований - алгоритмы бездатчикового определения положения ротора в системе управления вентильно-индукторного электропривода.
Целью работы является разработка алгоритма бездатчикового определения положения ротора в системе управления вентильно-индукторного электропривода.
Задачи исследования, которые поставлены и решены в работе:
сравнительный анализ известных методов косвенного определения положения ротора ВИМ;
разработка алгоритма определения стартового положения ротора с учетом возможной ненулевой частоты вращения ротора в момент старта;
разработка алгоритма бездатчикового пуска в ход вентильно-индукторного двигателя (ВИД);
разработка мер по повышению точности определения положения ротора;
разработка алгоритма определения положения ротора на низких и средних частотах вращения ротора;
разработка имитационной компьютерной модели ВИМ в бездатчиковом исполнении;
выработка предложений по практической реализации алгоритма бездатчикового определения положения ротора ВИД.
Методы исследований. Исследования проведены с использованием положений метода конечных элементов, численных методов решения дифференциальных уравнений, теории электропривода, а также прикладного программирования микроконтроллеров.
Основными положениями, выносимыми на защиту являются:
- алгоритм бездатчикового определения стартового положения ротора,
учитывающий возможную ненулевую частоту вращения;
алгоритм бездатчикового пуска;
алгоритм повышения точности определения положения ротора в пусковом режиме путем выбора рациональных значений частоты и коэффициента заполнения зондирующих импульсов;
алгоритм определения положения ротора на низких и средних частотах вращения ротора.
Научная новизна:
разработан алгоритм бездатчикового определения положения ротора вен-тильно-индукторной электрической машины, отличающийся тем, что не требует наличия предварительно записанной в память системы управления поисковой таблицы, решает задачи определения начального положения ротора и бездатчикового пуска, а также учитывающий конструктивные особенности конкретной вентильно-индукторной машины;
разработан способ повышения точности определения положения ротора в пусковом режиме, отличающийся тем, что погрешность определения положения ротора снижается путем выбора рациональных параметров зондирующих импульсов;
разработана имитационная компьютерная модель бездатчикового вен-тильно-индукторного привода позволяющая, в отличие от известных, учитывать влияние зондирующих импульсов на электромагнитные процессы в системе преобразователь - индукторная электрическая машина.
Практическая ценность и внедрение результатов диссертационной работы.
Повышенные показатели надежности вентильно-индукторного привода вкупе с высокой энергетической эффективностью позволяют использовать его в наиболее тяжелых условиях эксплуатации. В этом случае наличие датчика положения ротора как дополнительного конструктивного элемента вентильно-индукторной машины крайне нежелательно, а в некоторых областях применения невозможно. Использование алгоритма бездатчикового определения положения ротора будет способствовать не только повышению эксплуатационных показателей привода, но и продвижению электротехнических систем вентильно-индукторного привода на рынке электромеханических устройств.
Результаты диссертационной работы были использованы:
в научно-исследовательской работе «Разработка конструкции опытного образца вентильно-индукторного двигателя мощностью 2 кВт», выполненной УралЭНИН УрФУ (г. Екатеринбург) в рамках областной целевой программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии и инноваций в Свердловской области на 2011 - 2015 годы» Результаты исследований диссертационной работы переданы для внедрения в ОАО «СвердлНИИХиммаш»;
при проведении конструкторских работ на ОАО «ТМЗ им. В.В. Воровского» (г. Тихорецк) в рамках выполнения договора от 13 февраля 2013 года по теме «Исследование и разработка электротрансмиссии путевой машины» при разработке тягового вентильно-индукторного привода путевой машины МПТ-6.
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечены натурными испытаниями, корректностью принятых при математическом моделировании допущений, а также использованием современного программного обеспечения для проведения компьютерного моделирования.
Апробация. Положения диссертационной работы докладывались на:
Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2011», г. Ростов-на-Дону;
X международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов в г. Кременчуг 28-29 марта 2012 г.;
Третьей российской конференции с международным участием «Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения» УКИ'12, г. Москва;
I Международном симпозиуме молодых ученых Transport problems 2012, г. Катовице, Польша;
Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2012», г. Ростов-на-Дону;
XIX Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика», пгт. Николаевка, АР Крым.
Структура работы. Диссертационная работа изложена на 115 страницах и содержит введение, 3 главы, заключение, список литературы.
