Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Перспективы применения новых типов двигателей в современных регулируемых электроприводах
1.1. Предпосылки применения новых типов электрических машин в современных регулируемых электроприводах 12
1.2. Новые идеи конструирования электрических машин 17
1.3. Синхронные реактивные машины 24
1.4. Выводы 30
Глава 2. Исследование статических режимов СРДНВ 32
2.1. Физические основы работы СРДНВ 32
2.1.1. Сравнение СРДНВ и синхронной машины с активным ротором 32
2.1.2. Сравнение СРДНВ и двигателя постоянного тока. Идеальные диаграммы тока и ЭДС фазы статора СРДНВ 34
2.2. Сравнительная характеристика СРДНВ и других типов электрических машин по конструктивному признаку 37
2.3. Сравнительная характеристика СРДНВ и других электрических машин по функциональному признаку 39
2.3.1. Функциональные свойства синхронной машины с активным ротором 40
2.3.2. Функциональные свойства СРДНВ 42
2.3.3. Сравнение свойств СРДНВ с синхронным реактивным двигателем 45
2.3.4. Функциональные свойства двигателя постоянного тока 47
2.4. Удельные показатели СРДНВ и других типов электрических машин 49
2.4.1. Сравнение СРДНВ и двигателя постоянного тока 49
2.4.2. Сопоставление СРДНВ и асинхронного двигателя 51
2.5. Статические характеристики СРДНВ 55
2.5.1. Угловые характеристики 55
2.5.2. Моментные характеристики электропривода с СРДНВ 62
2.6. Выводы 65
Глава 3. Разработка моделей СРДНВ
3.1. Математические модели СРДНВ и их анализ 67
3.1.1. Обзор математических моделей СРДНВ 67
3.1.2. Представление СРДНВ обращенной машиной постоянного тока 73
3.1.3. Математическое описание СРДНВ на основе обмоточных функций 80
3.2. Структурно-топологическая модель СРДНВ для квазиустановившихся режимов работы 82
3.3. Электромагнитный расчёт СРДНВ 83
3.4. Оптимизация формы линейной плотности поверхностного тока в СРДНВ. Алгоритм оптимизации 88
3.4.1. Постановка задачи оптимизации 88
3.4.2. Варианты аналитического подхода к решению задачи оптимизации 93
3.4.3. Численные методы оптимизации формы линейной плотности поверхностного тока 91
3.4.4.. Алгоритм оптимизации формы линейной плотности поверхностного тока 99
3.4.5. Результаты оптимизации 101
3.5. Выводы 104
Глава 4. Синтез структур систем управления электроприводом с СРДНВ
4.1. Постановка задачи 105
4.2. Методика экспериментального определения частотных характеристик звеньев и систем электропривода. Алгоритм частотного синтеза систем управления 108
4.3. Разработка модели комплекса преобразователь - двигатель 113
4.4. Разработка функциональных схем управления электроприводом 116
4.4.1. Схема управления с постоянным возбуждением двигателя 118
4.4.2. Схема управления с последовательным возбуждением двигателя.. 121
4.4.3. Схема управления с двухзонным регулированием скорости двигателя 122
4.5. Синтез внешнего контура регулирования скорости 124
4.6. Конструирование опытного образца электропривода с СРДНВ 125
4.7. Анализ статических режимов работы электропривода 132
4.7.1. Статические характеристики в схеме управления с постоянным возбуждением двигателя 133
4.7.2. Статические характеристики в схеме с последовательным возбуждением двигателя 140
4.7.3. Статические характеристики в схеме с двухзонным регулированием скорости двигателя 142
4.7.4. Статические характеристики электропривода постоянного тока в одноканальной схеме подчинённого регулирования 143
4.8. Динамические характеристики электропривода с СРДНВ и их сопоставление с характеристиками асинхронных частотнорегулируемых электроприводов 146
4.9. Перспективы применения электропривода с СРДНВ для различных механизмов 149
4.10. Выводы 155
Заключение 156
Литература 158
- Предпосылки применения новых типов электрических машин в современных регулируемых электроприводах
- Сравнение СРДНВ и двигателя постоянного тока. Идеальные диаграммы тока и ЭДС фазы статора СРДНВ
- Электромагнитный расчёт СРДНВ
- Разработка модели комплекса преобразователь - двигатель
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Совершенствование технологии производства повышает требования к современному регулируемому электроприводу. Эти требования: большая перегрузочная способность, расширенный диапазон регулирования скорости (до 103-104), высокие динамические характеристики, интенсивное использование активных материалов, малые потери при простоте конструкции электрической машины, - могут быть обеспечены только в рамках системного подхода к разработке вентильного электропривода.
В настоящее время наибольший прогресс в современных регулируемых электроприводах наблюдается в приводах переменного тока и идет он, главным образом, за счет совершенствования преобразователей и в меньшей степени -за счет электродвигателей. Между тем, если обратить большее внимание на новые типы электрических машин и в комплексе "преобразователь-двигатель" проектировать не преобразователь под традиционный двигатель с синусоидальным напряжением на статоре, а попытаться при конструировании электропривода учесть особенности совместной работы электродвигателя с преобразователем, то можно добиться хороших результатов.
Новый подход к разработке электрических машин коснулся как традиционных электроприводов, например вентильного двигателя (в западной литературе - Brushless DC Motor), так и приводов, получивших своё развитие только в последнее время, например вентильно-индукторного привода. Особое место в этом ряду занимают синхронные реактивные двигатели с независимым возбуждением (СРДНВ) (по английской терминологии - Field Regulated Reluctance Machine), в котором обмотка выполнена с полным шагом, причём часть витков статора создает поток возбуждения, а другая - вращающий момент. Регулирование токов в этих обмотках независимое.
В существующих публикациях по СРДНВ предлагается сравнение СРДНВ с асинхронным двигателем, его математическое описание, высказываются некоторые соображения по выбору оптимального числа фаз.
Однако в приведенных работах слабо освещена физика работы, не рассмотрены возможности электропривода с электродвигателем, имеющим массивный ротор и, следовательно, малые величины отношения магнитных прово-димостей вдоль продольной и поперечной оси, не приводятся инженерные методы расчёта этих двигателей. Наконец, нет рациональных схем электропривода, что позволило бы в комплексе рассматривать возможности такой системы.
Между тем очевидны следующие преимущества привода с СРДНВ: крайняя простота конструкции, "холодный" (не содержащий обмотки) ротор, высокий КПД и большие удельные и перегрузочные моменты.
Отмеченными выше обстоятельствами обусловлена актуальность темы настоящей работы.
Работа поддержана грантом по программе развития научного творчества молодёжи в вузах Челябинской области, осуществляемой Министерством образования РФ и Администрацией Челябинской области.
ЦЕЛЬЮ настоящей работы является разработка регулируемого электропривода на базе СРДНВ с различными структурами управления, исследование опытного макета электропривода на стенде.
Достижение поставленной цели потребовало в работе решения следующих задач:
- систематизации сведений по перспективным типам двигателей и основным компонентам, используемым в современном регулируемом электроприводе, а также сравнительной характеристики приводов с новыми двигателями переменного тока для различных областей их применения;
- разработки детальной классификации новых типов электроприводов на базе реактивных двигателей;
- разработки математической модели электропривода с СРДНВ для установившихся и динамических режимов работы привода;
- создания алгоритмов управления и типовых структур электропривода;
- проектирования и реализации лабораторного стенда для проведения натурных испытаний системы электропривода;
-экспериментального исследования опытного макета электропривода с СРДНВ для проверки предложенных алгоритмов проектирования.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. Для решения поставленных задач использовались основные положения теории электромеханического преобразования энергии, теории электропривода, методы экспериментального исследования, классические и частотные методы теории регулирования, методы математического моделирования систем на ЭВМ.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ:
-систематизированы сведения по синхронным реактивным и другим типам двигателей современного регулируемого электропривода и определены перспективы использования электропривода на базе СРДНВ;
- выполнена детальная классификация новых типов электроприводов на базе реактивных двигателей, используемых в современных регулируемых электроприводах;
- предложены обобщённые расчётные модели электропривода с СРДНВ, позволяющие решать задачи оптимального выбора элементов, синтеза автоматических регулирующих устройств, анализа динамики систем управления;
-предложен алгоритм оптимизации формы линейной плотности поверхностного тока и геометрических размеров СРДНВ с учётом особенностей питания обмоток статора от вентильных преобразователей с разными схемами силовых цепей;
-предложены и обоснованы алгоритмы управления электроприводом с СРДНВ;
-разработаны перспективные структуры электроприводов с СРДНВ, имеющие высокие регулировочные и энергетические показатели.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ состоит в следующем:
- выработаны рекомендации по проектированию электропривода на основе СРДНВ и выбору законов его управления;
-разработаны структурные, функциональные и принципиальные схемы систем управления электроприводом с СРДНВ, обеспечивающие рассматри
ваемому электроприводу регулировочные свойства обращенной машины постоянного тока;
- разработан и реализован лабораторный стенд электропривода на основе СРДНВ;
- предложена методика расчёта установившихся и динамических процессов электромеханического преобразования энергии в электроприводе с СРДНВ.
— разработанные структурные и функциональные схемы электропривода и методики их расчёта приняты для использования в разработках перспективных электроприводов ФГУП СКБ "Ротор" (г. Челябинск);
-результаты диссертации нашли отражение в учебном процессе Южно-Уральского государственного университета на кафедре "Электропривод и автоматизация промышленных установок".
ОБЩАЯ СТРУКТУРА РАБОТЫ И ЕЁ СОДЕРЖАНИЕ представлены на рис. В.1. Задача разработки и исследования вентильного электропривода с СРДНВ решалась в три этапа.
1. Разработка комплекса электрический преобразователь - двигатель. Здесь ставились задачи разработки методик электромагнитного расчёта двигателя и поиска алгоритмов управления электроприводом с учётом особенностей питания обмоток статора от вентильных преобразователей с разными схемами силовых цепей.
2. Синтез структур управления электроприводом. В рамках традиционных задач обращалось внимание на обоснование и уточнение процедур оптимизации структур управления с использованием частотно-топологических моделей электропривода. С учётом предложенных алгоритмов управления разработаны структуры управления электроприводом.
3. Обосновано применение электропривода с СРДНВ для различных механизмов.
На первом этапе (главы 1,2, 3) были решены следующие задачи:
- рассмотрен принцип работы электропривода с СРДНВ в статических режимах, который является основой для разработки, проектирования и наладки нового электропривода. Рассмотрена классификационная схема новых типов электроприводов на базе реактивных двигателей, которая позволила выделить привод с СРДНВ в самостоятельный класс. С учётом того, что электропривод с СРДНВ является принципиально новым типом привода, все теоретические положения требовали проверки. Установлено, что электропривод с СРДНВ имеет лучшие массогабаритные показатели в сопоставлении с асинхронными и синхронными электроприводами. Теоретически показано и экспериментально проверено, что этот электропривод не имеет электромагнитных ограничений по максимально-допустимому моменту;
- проведён обзор существующих математических моделей электромеханических преобразователей и разработаны расчётные модели электропривода с СРДНВ;
- по предложенным моделям разработана методика электромагнитного расчёта СРДНВ (выбор главных размеров, электромагнитных нагрузок и т.д);
- выполнена оптимизация электромеханической системы с позиции максимизации касательного электромагнитного усилия на роторе. Приведён, обоснован и проанализирован соответствующий критерий. При этом наиболее удобным оказался аппарат обмоточных функций;
- предложены алгоритмы управления электроприводом с СРДНВ с учётом питания статорных обмоток от вентильных источников питания. Наиболее подробно рассмотрены варианты с индивидуальными источниками фазных токов и схема питания от двух типовых инверторов напряжения.
На втором этапе (глава 4):
- сформулировано техническое задание на опытный образец электропривода, смонтирован и налажен действующий макет привода, с использованием экспериментальных частотных характеристик уточнена математическая модель
электропривода, предложены и экспериментально проверены варианты функциональных схем управления;
- изучены статические и динамические характеристики макетного образца электропривода в схемах независимого и последовательного возбуждения, которые подтверждают возможность реализации предложенных структур и алгоритмов управления.
Наконец, на последнем этапе (4 глава) рассмотрены и обоснованы перспективы применения электропривода с СРДНВ для различных механизмов, в которых удачно раскрываются его технические выгоды: бесконтактность, высокая жёсткость вала, большие перегрузки по моменту и высокие регулировочные показатели. В качестве таких примеров рассмотрены механизмы металлургического производства (нажимные винты станов холодной прокатки, ножницы), городской электротранспорт, электроэнергетические установки автономных объектов (вездеходов).
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. В полном объёме работа докладывалась и обсуждалась на научно-техническом совете ФГУП СКБ "Ротор" и на расширенном заседании кафедры "Электропривод и автоматизация промышленных установок" Южно-Уральского государственного университета.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах, в том числе на:
-III Международной (XIV Всероссийской) научно-технической конференции по автоматизированному электроприводу "АЭП-2001" (Н.Новгород, 2001);
-XII научно-технической конференции "Электроприводы переменного тока" (Екатеринбург, 2001.);
-"Российском национальном симпозиуме по энергетике" (Казань, 2001);
- на ежегодных научно-технических конференциях Южно-Уральского государственного университета (Челябинск, 2000 - 2003 г.г.).
ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.
Предпосылки применения новых типов электрических машин в современных регулируемых электроприводах
Современный электропривод осуществляет практически все технологические операции, связанные с преобразованием электрической энергии в механическую, потребляя более 65 % вырабатываемой электроэнергии [33, 106]. Массовым приводом является нерегулируемый (более 90 % от основной массы электроприводов). Регулируемый электропривод использовался в тех областях, в которых принципиально невозможно было использование иных средств (прокатное производство, станки, робототехнические системы, текстильная промышленность). Ещё недавно двигатели постоянного тока не имели конкуренции в классе регулируемых приводов (95 %- 1980 г.), а сейчас (на 2000 г.) -лишь 15 % [35, 36, 38]. Электроприводы постоянного тока продолжают применяться в металлургическом производстве (главные привода прокатных станов) и в тех областях, где их преимущества особенно очевидны, в частности в многодвигательных технологических линиях - система параметрический нерегулируемый источник тока - управляемые по цепям возбуждения двигатели постоянного тока, транспортирующих длинномерные изделия (кабели, ленты, нити и т.п.) [37, 38, 39, 43].
Совершенствование технологии производства повышает требования к современному регулируемому электроприводу. Эти требования становятся разнообразней и сложней: большая перегрузочная способность, расширенный диапазон регулирования скорости (до 103-104), высокие динамические характеристики, интенсивное использование активных материалов, малые потери при простоте конструкции электрической машины (как отмечает Н.Ф. Ильинский в [33]: будет повышаться стоимость машины на 5 - 7 % и резко снижаться стоимость электроники, в результате соотношение в цене двигателя и преобразователя изменится от 1:5 в середине 90-х до 1:1 к 2005 г.). Это заставляет специалистов в области силовой электроники и электромехаников искать новые решения как по электрическим машинам, так и электрическим преобразователям.
Перспективы применения новых типов двигателей тесно связаны с уровнем развития элементов структуры регулируемого электропривода: электрического преобразователя, датчиков, информационного преобразователя. Структура включает в себя два канала: силовой (электрический, электромеханический, механический преобразователь) и информационный, выполняющий функцию управления, диагностирования системы электропривода (рис. 1.1).
Преобразователь электрической энергии (ЭП) является одним из наиболее эффективных средств управления потоком электрической энергии, поэтому такие полупроводниковые устройства первого поколения как диоды, тиристоры, транзисторы достаточно часто применялись в электроприводе. Их широкое применение было ограничено невысокими техническими показателями. Бурное развитие техники привело к принципиальным изменениям силовых ключей. Типичными представителями ключей нового поколения являются: полевые транзисторы (MOSFET), биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT — Insulated Gate Bipolar Transistor), запираемые тиристоры (GTO —Gate Turn-Off Thyristor), интегральные модули на базе IGBT, MOSFET, а также интеллектуальны модули (IPM - Intelligent Power Modules).
Транзисторы типа MOSFET [80, 106] отличаются большим входным сопротивлением; предельное коммутируемое напряжение составляет порядка 500 В, поэтому область применения этих транзисторов - низковольтные установки (до 100 В).
Наиболее перспективными для регулируемого электропривода являются силовые ключи на IGBT-транзисторах, которые сочетают в себе свойства биполярных транзисторов (высокое быстродействие, малое падение напряжения в открытом состоянии порядка 2,2 В) и малой мощности управления полевых транзисторов. В настоящее время выпускаются транзисторы на предельные напряжение 3300 В и токи 1200 А [80, 82, 106].
Конструктивы преобразователей, выполненных на IGBT, являются простыми и технологичными в связи с их исполнением в виде модулей, в которых собрано от одного до шести транзисторов с обратными диодами. В виде модулей выпускаются и ключи на MOSFET-транзисторах. Все модули выполняются с изолированным теплоотводом и устанавливаются на общий охладитель. В России подобная база находится в стадии освоения, однако импортная активно применяется в отечественных электроприводах. Ключи, выполненные на GTO тиристорах (запираемые тиристоры), характеризуются относительно большой мощностью управления. Область примене 15 ния этих ключей - ШИМ преобразователи большой мощности (свыше 1 МВт) и напряжения (выше 1 кВ) [80]. В настоящее время используются и преобразователи на интеллектуальных модулях, характерной особенностью которых является интеграция силовой части (6 -7 транзисторов) и драйверов [51]. Драйверы - миниатюрные ЧИПы - обеспечивают помимо задач управления, функции защиты и гальваническую развязку. Таким образом, современные силовые полупроводниковые приборы позволяют создать в большом диапазоне мощности и напряжения электрический преобразователь, формирующий требуемую диаграмму тока, оставляя традиционным тиристорам область высоковольтных устройств.
Бурное развитие электроники оказало большое влияние на информационный преобразователь (рис. 1.1), который с одной стороны выполняет функцию регулирования координат электропривода (получает информацию от датчиков обратных связей, сравнивает её с задающим сигналом, обрабатывает полученную информацию и оказывает управляющее воздействие на электрический преобразователь с целью управления потоком электрической энергии), а также осуществляет взаимосвязь с более высоким этажом иерархии управления. В настоящее время осуществляется переход от аналогового к цифровому управлению. Задача решается применением микроконтроллеров, позволяющих формировать механические и динамические характеристики электропривода программным путём. Такая возможность появилась в связи с увеличением мощности как универсальных микроконтроллеров, которые содержат необходимые интерфейсные устройства (ЦАП, АЦП, каналы связи, встроенные программируемые ШИМ- контроллеры), так и мощных 32- разрядных процессоров и сигнальных процессоров (DSP - Digital Signal Processor). В состав последних входят многоканальные (до 8 каналов) 8 (12)-разрядные АЦП и ЦАП, блоки оперативной и энергонезависимой памяти.
Сравнение СРДНВ и двигателя постоянного тока. Идеальные диаграммы тока и ЭДС фазы статора СРДНВ
Принцип действия электрической машины может основываться на различных явлениях и в большинстве случаев представляет взаимодействие проводника с током в магнитном поле. В классе же реактивных машин электромагнитный момент возникает за счёт магнитной несимметрии ротора, правда, и этот случай сводится к первому, если рассматривать взаимодействие результирующего поля в зазоре, созданного статорными обмотками совместно с несимметричной конструкцией ротора, и токов статора (рис. 1.3).
Ранее указывалось на то обстоятельство, что в СРДНВ в отличие от синхронной реактивной машины удаётся независимо регулировать поле возбуждения и поле реакции якоря. Такая возможность достигается выбором соответствующей конструкции машины и применением специальных законов управления токами статора.
В связи с тем, что СРДНВ по принципу управления ближе к синхронной машине с активным ротором, полезно напомнить принцип её работы. В синхронной машине с активным ротором возбуждение создаётся обмоткой, расположенной на роторе или постоянными магнитами. Тогда магнитодвижущая сила (МДС), создаваемая статорными обмотками, 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 так называемого "мо-ментного треугольника" (образован векторами потокосцепления статора, ротора и результирующего вектора) [101, 137] - площади которого пропорционален электромагнитный момент. Потокосцепление Тр в машине создаётся обмоткой ротора, а с- статорной обмоткой. В режиме идеального холостого хода угол между Ч с и % равен нулю, поэтому равен нулю и момент [101]. Под нагрузкой угол рассогласования [3 между осью ротора и вектором потокосцепления (Р) изменяется, как следствие, изменяются площадь "моментного" треугольника и связанный с ним электромагнитный момент.
Кажется логичной идея (Weha [146]) создания поля возбуждения в явнопо-люсной машине обмоткой, расположенной на статоре, если, во-первых, её витки находятся напротив межполюсного промежутка ротора и, во-вторых, обмотка имеет полный шаг. Так, если по обмоткам 1 - Г и 2 - 2 пропустить ток (рис. 2.1), то он создаст поток по продольной магнитной оси машины (т.е. поток возбуждения) [117]. Если теперь по обмоткам 3 - 3 , 4 - 4 , 5 - 5 , 6-6 (Lipo называет их в [130] - якорными обмотками) пропустить ток, то как и в синхронной машине, возникает момент.
Токи /в в обмотках возбуждения, расположенных Рис. 2.1. Поперечный разрез над межполюсными промежутками ротора, и токи 1а двигателя в якорных обмотках, расположенных над полюсами ротора, могут регулироваться независимо (откуда термин FRRM - Field Regulated Reluctance Machine). Однако в отличие от синхронной машины с активным ротором, нет необходимости пропускать по обмоткам статора синусоидальный ток. Lipo, по-видимому, по аналогии с машиной постоянного тока предлагает в [130] для оптимальной связи преобразователя с машиной прямоугольную форму тока, при этом аналитического и экспериментального обоснования предложенной кривой тока не даёт.
Идеальные диаграммы тока и ЭДС фазы статора СРДНВ Поле возбуждения в СРДНВ регулируется независимо, более того, согласно предложенной конструкции машины оно будет иметь прямоугольную форму. В связи с этим можно проследить определённую аналогию в работе СРДНВ и двигателя постоянного тока.
Рассмотрим сначала работу СРДНВ в режиме двигателя. Будем учитывать, что каждая фаза обмотки в функции положения ротора будет выступать то в роли возбуждения, то якоря. Если запитать фазы так, как это показано на рис. 2.1, то обмотки 1 - Г и 2 - 2 , будут создавать поток вдоль оси ротора (в двигателе постоянного тока поле возбуждения создаётся обмоткой возбуждения). Проводники фаз 3 - 3 , 4 - 4 , 5 - 5 , 6-6 (аналогично, в двигателе постоянного тока это будут якорные обмотки), по которым пропустили ток, находятся в магнитном поле, и поэтому на каждый из них будут действовать сила Ампера где Z?s - индукция в зазоре; 4 - длина проводника; / - ток в проводнике. Направление силы определяется по правилу левой руки [18]. На ротор будет действовать распределённая сила, направленная встречно усилиям, приложенным к якорным проводникам, в данном случае - по часовой стрелке. Действительно, система будет стремиться прийти в состояние, которое соответствует максимуму электромагнитной энергии [113], и оно соответствует положению, при котором продольная ось ротора сонаправлена с осью МДС статора. Если освободить заторможенный ротор, то под действием приложенного момента он будет поворачиваться. Через определённый интервал времени фаза 1 окажется над полюсом. Для однонаправленного электромеханического преобразования в установившемся режиме требуется постоянство относительного положения кривой индукции в зазоре и волны тока [27], поэтому необходимо изменить направление тока в обмотке фазы 1.
Будем считать, что линии магнитной индукции в воздушном зазоре под полюсом прямолинейны и перпендикулярны поверхностям зазора [18], тогда потокосцепление обмотки 1 - Г в функции положения ротора в пределах полюса определяется согласно выражению [9]
Электромагнитный расчёт СРДНВ
Уровень развития современной элементной базы, а именно, силовой преобразовательной техники и микропроцессорных систем управления устраняет жёсткую необходимость в выборе ("стандартных" или иным образом фиксированных) напряжений и токов на входах и выходах силовых элементов, что открывает дополнительные, не учтённые ранее возможности улучшения массога-баритных показателей за счёт вариации "номинальными" и другими параметрами (число фаз, форма линейной плотности поверхностного тока). Далее, мас-согабаритные пропорции компонентов электрической машины, оптимальные при проектировании отдельно взятой машины, могут оказаться не самыми лучшими при работе её, например, от регулируемого источника питания.
Вопросам оптимизации силовой части электропривода посвящено большое количество работ, но проблема ещё далека от завершения. Для её объективной оценки выполним анализ наиболее важных работ, посвященных оптимизации комплекса преобразователь - двигатель.
Традиционные методики выбора мощности электродвигателей для общепромышленных установок исходят обычно из известных нагрузочных диаграмм электропривода и ограничиваются лишь допустимыми условиями использования электрической машины по нагреву, по перегрузочной способности (по максимально допустимому моменту), максимальной скорости и др.[24, 43, 111,112,].
В следящих электроприводах задача выглядит сложнее из-за существенного влияния динамических показателей электромеханического преобразователя на качество протекания процессов в электроприводе и в большинстве случаев её решение не однозначно. Здесь наиболее распространённым критериями являются время позиционирования [93, 100], применение электрической машины с наилучшими обобщёнными показателями типа приемистости
Не исключены и другие критерии оптимизации, в частности, учитывающие наличие податливостей в механической передаче - точностной с применением поэтапной оптимизации [67, 89, 90, 91, 92, 104].
Требования, предъявляемые к электроприводу (п. 1.1.2), заставляют иначе формулировать критерии оптимизации ещё на стадии проектирования электрической машины. Так, улучшая геометрию конструкции электрических двигателей, в [145] предлагается в качестве критерия оптимизации взять максимум электромагнитного момента в заданных габаритах, а параметрами оптимизации радиус ротора и число пар полюсов. Здесь рассматривались случаи вентильного двигателя с ферритовыми и редкоземельными магнитами. Для вентильного двигателя с ферритовыми магнитами при длине магнитопровода /= 120 мм, внешнем диаметре D= 120 мм, коэффициенте, характеризующем соотношение между железом и магнитным материалом v = 2nrlm/nR2 = 0,12 и индукции в зазоре Br = 0,33 Тл получено значение электромагнитного момента 6,6 Н-м, а оптимальные число пар полюсов и диаметр ротора оказались равными соответственно пяти и Dp = 84 мм. Аналогичный расчёт проводился для вентильного двигателя с возбуждением от редкоземельных магнитов, при этом индукция принималась равной Вг= 1 Тл, а коэффициент v = 0,05. Расчёт показал, с что оптимальным числом полюсов 4 и при диаметре Dp = 66 мм, момента достигает величины 11,4 Н-м.
Учёт совместной работы преобразователя и синхронной реактивной машины выполнялся в [144]. При оптимизации геометрических размеров машины в качестве критерия использовался максимум электромагнитного момента. Варьируя величину отношения диаметра ротора Dp к величине внешнего диаметра D удалось добиться максимума при Dp/D=0,6 при отношении индуктивностей LJLq- 10.
Минимум затрат на активные материалы комплекса преобразователь -двигатель [102] учитывался введением критерия оптимизация q = Q/MM где Q-масса активных материалов в элементах электропривода, М„ - номинальный электромагнитный момент электрической машины. При этом оптимизировалась форма треугольника, образованного векторами МДС в обобщённой электрической машине с учётом удельных затрат на каждое слагаемое. Результаты оптимизации, выполненной для ряда конкретных электроприводов с различными источниками питания, показали, что желаемая форма моментного треугольника, образованного векторами МДС, зависит от удельных затрат на активные материалы как в самих электрических машинах, так и в источниках питания цепей статора (якоря) и возбуждения. Эффективность же оптимального по массогаба-ритным затратам согласования силовых цепей двигателя и источника питания в значительной степени зависит от величины удельных затрат на источник питания: она наибольшая для электроприводов с малыми значениями удельных затрат на источник питания и, наоборот, в случае источников питания с большими удельными затратами эффект весьма незначителен и часто даже отсутствует.
Рассмотренные варианты оптимизации силовой части электропривода предполагают синусоидальную форму линейной плотности поверхностного тока. На практике в традиционных электродвигателях форма поверхностного тока определена конструкцией машины: в двигателях переменного тока (синхронных и асинхронных) это - синусоида, в двигателе постоянного тока — прямоугольник. В нетрадиционных электроприводах благодаря многофазности машины и наличию преобразователя электрической энергии между сетью и двигателем эта форма может быть произвольной. Когда число фаз обмотки статора увеличено и каждая из этих обмоток может питаться независимо от других, появляется дополнительная возможность, перераспределяя в конкретный момент времени величины потерь в фазах, увеличить электромагнитный момент двигателя.
Постановку задачи оптимизации электромеханической системы можно считать корректной, если указаны и обоснованы: критерии оптимизации, параметры оптимизации, ограничения и функциональные связи.
Разработка модели комплекса преобразователь - двигатель
Синтез системы управления объектом регулирования предполагает выбор структуры и параметров корректирующих связей на основании свойств объекта регулирования и требований со стороны рабочего механизма (технического задания).
Решение задачи синтеза структуры управления возможно с применением различных способов приближённого математического описания объектов управления: структурно-топологических, векторно-матричных, частотно-топологических моделей [9].
В случае, когда объект регулирования малоизучен, резко возрастает интерес к частотнотопологическим моделям разрабатываемых систем электропривода, особенно в тех случаях, когда имеется аппаратура для определения экспериментальных частотных характеристик реальных объектов.
В классе линейных и линеаризованных систем регулирования применение частотных методов анализа и синтеза позволяет иметь простую связь частотной характеристики со структурой и параметрами схемы и её звеньев. Возможность экспериментального определения частотных характеристик исключает порой необходимость определения точного математического описания звеньев. Экспериментальные частотные характеристики звеньев и систем электропривода являются комплексными, интегральными оценками и учитывают реальные взаимосвязи в системе.
Выделим те особенности СРДНВ, которые необходимо учитывать при синтезе структуры регулирования: -часть статорной обмотки СРДНВ, находящаяся над межполюсным промежутком, образует эквивалентную обмотку возбуждения, а другая, находящаяся над полюсом, - является эквивалентной якорной обмоткой; - токи, протекающие по обмотке возбуждения, создают поле возбуждения, якорные же токи создают поле реакции якоря; -электромагнитный момент формируется как результат взаимодействия поля возбуждения, создаваемого эквивалентной обмоткой возбуждения и якорных проводников; - коммутация токов в эквивалентных обмотках возбуждения и якоря должна выполняться в функции положения ротора. Для того чтобы регулировать электромагнитный момент, в СРДНВ необходимо уметь изменять величины потока возбуждения и токов якоря. По аналогии с электроприводом постоянного тока регулировать момент двигателя можно воздействием на якорь двигателя при постоянном потоке, т.е. регулируя ток якорной обмотки, при неизменном токе возбуждения. Применение индивидуальных источников фазных токов позволяет формировать электромагнитный момент аналогично схеме электропривода постоянного тока последовательного возбуждения. При этом удаётся избежать одного из существенных недостатков систем управления электропривода постоянного тока последовательного возбуждения - сложность реализации тормозных режимов и реверса привода. Так как требования технологического процесса к электроприводу переменного тока остаются в принципе такими же, как и к электроприводу постоянного тока, то для статических режимов работы в большинстве случаев их можно обобщить в виде привычной для приводов постоянного тока желаемой прямоугольной или почти прямоугольной механической характеристики, содержащей два участка (рис.4.1): - участка 1 поддержания заданного зна чения скорости в диапазоне допустимого изменения рабочих нагрузок и -участка 2 ограничения момента при перегрузках электропривода со стороны рабочего механизма. Как и в электроприводах постоянного тока, наиболее распространённой структурой управления в приводах переменного тока остаётся система подчинённого регулирования, в которой внутренний контур регулирования момента охвачен внешним контуром регулирования скорости. Такая структура имеет ряд преимуществ [101]: - универсальность схемы; - простота расчёта и наладки; -наименьшая по сравнению с другими схемами чувствительность к изменению параметров звеньев силовой части. Для схем подчинённого регулирования характерны следующие недостатки: противоречивые условия настройки контуров, возможность возникновения неустранимых колебаний при "больших" воздействиях. Однако эти схемы отличает простота расчёта и наладки, поэтому они получили наиболее широкое распространение в отечественных и зарубежных электроприводах. В связи с этим при синтезе структуры управления электроприводом будем ориентироваться на типовые структуры электропривода постоянного тока.
В отличие от привода постоянного тока, в котором коммутация секций обмотки якоря осуществляется щёточно-коллекторным контактом (коллектор выполняет в машине постоянного тока в двигательном режиме функцию механического инвертора и одновременно является датчиком положения ротора), переключение тока в статорных обмотках СРДНВ осуществляет вентильный преобразователь по сигналам датчика положения ротора.
Требование к точности датчика положения определяться числом фаз машины, так, например, в шестифазном СРДНВ требуемая точность равна 30 электрическим градусам.
Ниже с использованием экспериментальных ЛЧХ рассматриваются динамические свойства объекта регулирования (СРДНВ), варианты функциональных схем исследуемого электропривода, описывается синтез структуры управления. По техническому заданию выполнен опытный образец электропривода, на котором исследовались статические характеристики привода, сопоставлялись его динамические характеристики электропривода и асинхронных частот-норегулируемых электроприводов переменного тока.
