Введение к работе
Актуальность проблемы. Технический прогресс в различных отраслях про-шлс!шоста и науки невозможен без широкого применения электротехнических :іем и комплексов (ЭТС и К). Часі о их силовой основой является электропривод лшнного или переменного тока. Для современных ЭТС и К характерна тесная шмосвязь электромеханической части с цепями ее питания и регулирования, «чем часто отдельные узлы схемы способны функционировать только в виде шой системы привода. Подобные устройства с электромеханическим приводом лучили название электромеханотронных систем (ЭМТС), и их все чаще рассмат-ваіот как единый элемент электротехнической системы.
Среди различных структур ЭМТС определенными преимуществами облала-транзисторпые инверторы с асинхронными двигателями (АД) и явно раженным звеном постоянного тока (ЗПТ). Они сочетают в себе высокие регу-ровапные характеристики привода постоянного тока с хорошими лглуатацнонкыми свойствами машин переменного тока. АД здесь не ограниче-сверху по частоте вращения параметрами питающей сети и могут выполниться меньшей массой и габаритами. Современная элемешная база силовой иолупро-дниковой техники позволяет реачнзовзть схемы ЭМТС с АД на транзисторах в апазоне малой, средней и даже большой мощности.
Характеристики ЭМТС во многом определяются параметрами примененной стсмы управления транзисторами в силовой части электропривода. Для ЭТС и К, соторы.х не требуется широкого регулирования производительности, рядом ире-іуществ обладают аналоговые системы управления па многофазных гогенсраторах с магнитными связями. Автогенераторы обладают способностью повременно изменять частоту и амплитуду выходного напряжения при регули-ванни уровня постоянного напряжения на их входе, что позволяет относительно осто реализовать основной закогг частотного управления АД. Сами по себе схе-.1 автогенераторов с управлением на многообмоточных трансформаторах проси,!, дежны в работе, невосприимчивы к внешним возмущающим факторам и позво-ют использовать при конструировании только отечественные комплектующее, о является важным для ЭТС ft К специальной техники.
Наиболее полно достоинства ЭМТС с АД и автогенераторными управлением' оявляются в устройствах бытовой электротехники, где, прежде всего, необходн-л такие качества электропривода как простота и надежность конструкции, зможность изготовления на повышенные частоты вращения, приемлемая стон-ють і! относительно небольшие масса и габариты изделия. Перевод бытозых тройств с уігггаерсальігого коллекторного привода на управляемый асинхронный
іЗВОЛЯеТ увеличить степень ИХ КОМфОрТНОСТИ (Отсутствует "ИМЛеНИе" H!.eTOs,\ ижиіотея уровни шума, радиопомех и т.д.), что влияет на потреби і сііьскиє usoti-ва всего ггзделия. Так как для большинства бытовых устройств не требуются ожные законы и глубокий диапазон регулирования, то применение систем іравления электроприводом на автогенераторах также достаточно персііек-гивно.
3"
ЭМТС с АД и ин го генераторным системам управления носвяіцено болы число работ, в которых описаны конструкции, функциональные и принцшшалы электрические схемы отдельных звеньев и всего устройства в целом, приведе методики проектирования и расчета характеристик, алгоритмы управления и м; магическое описание. Решению задач анализа и синтеза автогенераторных с: ЭМТС с АД посвящены труды Афанасьева А.1С, Булгакова А.А., Глазснко Т. Грузова В.Л., Домбровского В.В., Еременко В.Г., Зшшера Л.Я., Зорина СМ., И нова-Смолснского А.В., Ильинского П.Ф., Копылова И.П., Коссова О. Костырева Е.Г., Кузнецова В.А., Ловушкина В.Н., Лопухиной Е.М., Лутидзе Ш. Моииа B.C., Овчинникова И.Е., Плахтыны Е.Г., Поздеева А.Д., Снпайлова Г. Скороспсшкипа А.И., Столова Л.И., Фильца Р.В., Иванова В.А., Шорохова Б. Хасасва О.И. и других.
Однако ряд проблем остается нерешенным или требует доработки. При а лизс сложных ЭТС и К с нелинейными характеристиками важен комплекси подход, позволяющий исследовать их как одно единое устройство. Традициони методы исследования различных структур ЭМТС чаще всего рассматривают состоящими из отдельных, линейно независимых звеньев, характеристики котор при определенных допущениях могут Сыть найдены по отдельности. Гораздо ре ЭМТС рассматривают как единое устройство, но и в этом случае прибегают принципу линеаризации ее математической модели и к применению известных j ценных преобразований в электромеханической части. Наличие в транзистори схеме ЭМТС явно выраженного ЗПТ делает невозможным при исследовании е< целом применение метода гармонического баланса, на котором основаны класс ческис методики проектирования АД. Так как часто мощность исполнительно механизма и источника питания ЭМТС соизмеримы, а ЗПТ трудно или нецел» образно выполнять с идеальными сглаживающими характеристиками, достаточно хорошо изученное представление ЭМТС в виде системы преобразог тель частоты - асинхронный двигатель (ПЧ-АД) становится неправомочны Численные методы анализа позволяют снять многие допущения аналитических м тодов исследования ЭМТС, но и в этом случае успех результата во мног< зависит от принципов реализации этих методов. Известные вычислительные си темы на основе методов прямого программирования, САПР и экспертных систем своем большинстве являются проблемно-ориентированными и не всегда соотве ствуют задачам исследования процесса электромеханического преобразован) энергии в ЭМТС с АД.
Появление мощных высоковольтных транзисторов резко повысило виймані к разработке и внедрению эффективных систем управления прсобразоватсля.\ частоты в схемах ЭМТС. Совершенствование известных и разработка новых си тем управления на многофазных автогенераторах открывает широкие возможное! но созданию ЭМТС с АД с улучшенными энергетическими массогабаритными стоимостными показателями. Наконец, необходима адаптация современных меті доа математического анализа к специфике ЭТС и К на основе ЭМТС с АД.
Целый работы является математическое и компьютерное моделирование, ие-едование и создание Э'ГС и К на основе аптогсператорних схем ЭМ'ГС с ЛД, ладаюших повышенными энергетическими характеристиками, простой и иадеж-й конструкцией, а также высокими потребительскими свойствами.
Проблема научного исследования, Теоретическое обобщение и развитие нцепций и методологии анализа ЭМТС с АД и авгогенераторпым управлением, лючал разработку структуры и схемы ЭМТС, математических моделей и мето-к их исследования на основе современных аналитических и численных методов.
Данная проблема была решена в следующих направлениях:
проведение анализа конструкций, функциональных схем и характеристик шествующих ЭТС и К на основе ЭМТС с ЛД и автогеиераторпым управлением, нцепций их развития н совершенствования, современных методов их анализа и нтеза, формулировка задач исследования и общих путей их решения;
разработка обобщенных математических моделей отдельных звеньев и всей ИТС с АД в целом во временной области и естественной системе координат с пользованием понятий переключающих функций полупроводниковых вентилей я целей численного и аналитического исследования процесса элсктромехапичс-ого преобразования энергии в них;
разработка нового подхода к имитационному моделированию ЭТС и К с по-зфсподппковымн коммутаторами, при котором на основе схемы замещения и еб :раметров вычислительная машина самостоятельно составляет и решает систему [фференциальиых уравнений электромагнитных проиессоп в цепи с учетом со-ояния коммутаторов для каждого расчетного момента времени с помощью ециадыюго пакета машинных программ;
создание рада имитационных моделей ЭТС и К с различной структурой співом части, формулировка основных принципов задания параметров, законов менеиия и взаимосвязи писсииных, активных и управляющих компонент моде-ґг, анализ особенностей эффективного построения н исследования имитациои-*х моделей; ' ..
исследование переходных электромагнитных процессов в имитационной )дели ЭМТС с АД, в результате которого определены еС основные дифференцн-ьньге и шгтегралыгые характеристики и проанализировано влияние испей ггапия и законов управления па процесс электромеханического преобразования :ергин в системе; %
разработка аналитической модели системы ПЧ-АД при произвольной форме одного напряжения на основе понятий о переключающих функциях вентилей и шожений теории обобщенных функций, определение аналитических выражений чювенных элсктромапигшых характеристик, исследование с их помощью провеса электромеханического преобразования энергии в системе;
анализ влияния пульсации.напряжения в ЗПТ'на процессы и ЭМТС с АД на нове теории модулиропашгых колебаний и метода гармонического' баланса, ие-едованне основных закономерностей этого процесса, определение допустимой
5 '
величины пульсаций и выдача рекомендаций но расчету, проектированию и р ционалмюму выбору параметров ЗПТ;
- анализ основных схем систем управления на основе автогенераторов с ма пишымп связями, процесса их развития и совершенствования, разработка нош. принципов синхронизации фаз и расширения диапазона регулирования выходнь характеристик многофазных автогенераторов с управлением на многообмоточнь трансформаторах, создание ряда простых, надежных и .экономичных схем;
- создание математической модели переходных электромеханических проце сов в ЭМТС с ЛД в фазной системе координат и исследование ее методом прямої программирования на языке TurboPascal 6.0, анализ результатов численного аналитического моделирования, макетирования и внедрения.
Методы исследования базировались на теории дифференциальных ура менші, аналитических методах мгновенных значений, гармонического баланса модулированных колебаний, теории обобщенных функций, численных метод; анализа с использованием специальных имитационных моделей и метода прямо! программирования на языке Паскаль. При экспериментальном исследоваїн использовано осциллографироаание токов и напряжений, определены среди і: электромагнитный момеїгг и энергетические характеристики системы.
Научная новизна. В процессе исследовании получены следующие новь научные результаты, выносимые на защиту:
-
Сформулированы подлежащие решению актуальные задачи и намечен общие пут» из решения, разработаны новые принципы анализа ЭМТС с АД и яш: выраженным ЗПТ, в результате чего созданы эффективные численные и аналіт ческне модели системы во временной области и естественной системе коордшш позволяющие точно определить характеристики процесса элехтромеханнчеекш преобразования энергии в ней.
-
Определены достоинства системы имитационного иодслиршшшя ЭТС и'. с полупроводниковыми вентилями, сформулированы принципы и методики т строения имитационной модели ЭМТС с АД, способы задания пассивны; активных и управляющих компонент модели с использованием переключают» функций вентилей н параметров, характерных для вращающихся электромехаш ческнх преобразователей.
-
Исследован процесс электромеханического преобразования энергий, имитационной модели ЭМТС с АД, определены основные его характеристики дл ряда конкретных тнпопомниалов системы, проанализировано хшшшие цейс управления и питания на эти характеристики, обоснованы границы применимост модели.
-
Проанализированы переходные электромагнитные процессы в систем аналитическим методом мгновенных значений с использованием переключзющи функций вентилей и положений теории обобщенных функций, в результате чег получены аналитические выражения для мгновенных электромагнитных харахтс рнстнк системы ПЧ-АД с учетом ігульсации в ее входном напряжении, создан
подика исследования процесса электромеханического преобразования энергия в й с учетом параметров пеней питания и законов упрапления.
-
На основе теории модулированных колебаний и метода гармонического ланса прозналіпиропапо влияние значительной пульсации напряжения п ЗГ!Т на новпые характеристики ЭМТС с АЛ. выработаны основные требования к проек-рованию системы и рациональному выбору параметров ЗПТ в данном случае.
-
Проведен анализ схем систем управления на основе автогенераторов с 1ГШГГНЫМИ связями, разработаны новые принципы надежной синхронизации фаз расширения диапазона регулирования выходных параметров многофазных авто-нераторов на основе специальных обмоток управляющих трансформаторов, ализованные в схемах двух и трехфазных автогенераторов, которые отличаются (остотой, надежностью в работе и относительно низкой стоимостью.
-
Разработана и исследована математическая модель переходных эдектро-:ханическпх процессов в ЭМТС с АД по временной области и естественной стеме координат методом прямого программирования на языке TurboPascal 6.0. '.на оценка результатов исследований численными и аналитическими мегодами, вестирования и внедрения ряда тнпономиналоя ЭМТС с ЛД.
Обоснованность и достоверность полученных результатов и вытекающих из к выводов обеспечена в рамках принятых математических моделей пепользова-іем современных аналитических и численных методов математики, механики, ектротехпики и автоматического управления, расчетами одних и тех же процее-в различными методами, а также проверкой результатов многочисленным!! сперпментами. Математическое моделирование основано на общепринятых авнениях электротехники, электромеханики, электроники, численных методах, ггодах программирования на алгоритмических языках экспертных систем г.ысо-го уровня.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
-
Разработанный и обоснованный комплексный подход к проектированию и счету характеристик ЭМТС с АД в виде единой электротехнической системы по-оляет значительно повысить точность н достоверность получаемых результатов, здать эффективные методики проектирования отдельных звеньев и всей ЭМТС п лом, с помощью которых можно быстро сконструїгроїїать систему с рашюналь-ІМН параметрами и рассчитать основные характеристики процесса электро-ханнческого преобразования энергии в ней.
-
Разработанные оригинальные схемы одно- и многофазных систем уираз-шія ЭТС и К на основе автогенераторов с магнитными связями с улучшенной нхронизаідаей и расширенным диапазоном регулирования выходных иарамс-фоз лнчаются простотой схемы, экономичностью и надежностью в работе, относи-льно низкой стоимостью; составлешше для них методики проектирования и счета характеристик реализованы в виде программ САПР на ПЭВМ типа PC М- '
-
Разработанная методика исследования и расчета процесса элсктромеханл-ского преобразования энергии в ЭМТС с АД на основе аналитических и
численных методом высокого уровня и созданные по ней машинные npoipawiv расчета позволяют точно определить широкий класс электрических и механич ских характеристик системы.
-
Выполнен аналіп количественного влияния парамеїрои пеней питания законов управления ЭМТС на электрические и механические характеристики А, позволивший дать практические рекомендации по выбору и проектированию и раметров отдельных элементов системы с учетом влияния их друг па друга д создания систем с рациональными структурой и характеристиками.
-
Главным практическим итогом работы следует считать создание цело класса Э'ГС и К на основе автогеператорных ЭМТС с высокоскоростными ЛД д. устройств автоматики, специальной, общей и, что особенно важно, бытовой техн. кн. Разработано и внедрено в промышленность более 10 различных макетных опытных образной ЭМТС с АД мощностью от 8 до 3200 Rt и частотой краіцені от 3000 до 32000 об/мин. Созданы инженерные методики, проіраммьі расчета конструирования, типовые технические задания и требования па разработку всі системы и отдельных ей частей. Все разработанные ЭМТС с ЛД объединяет вые кие энергетические показатели, надежность, простота конструкции, малый вес габариты, относительно невысокая стоимость.
Реализация результатов. Разработанные методы, алгоритмы, расчетные м тодики и устройства использовались: в Мнпэлектротехпрпборе и НТЛ "Прі грссеэлектро" г. Москва, во ШШИМЭМ и ЦНИИСЭТ г. Санкт-Петербург, в К "Электроприбор" г. Саратов, в НПО "Киргнззлектродвигатель" и НИПОТ "Электромашиностроения" г. Вншкск, на заводе "Актюоинсксельмаш", г. Акти бинек, на заводе "Авгопрпбор" г. Октябрьский, на заводе "Электродвигатель", : Красногорский Республики Марий Эл. на Альметьевском заводе погружных нас< сов (АЧПИ), на Казанском заводе точного машиностроения, в НГО "Медпіїсірумсні", в КПО ВС, в КП-КБ "Электроприбор", АО "Эка" и КГТ"У г. К; зань.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладыв! лись и Осуждались на Республиканской научно-технической конференции п коммутации электрических машин (г. Харьков, 1984 г.), на Республиканской нау» МО-технической конференции по элсктромашшшым и машинно-вентильны источникам импульсной мощности (г. Томск, 1986 г.), па Региональной паучік технической конференции по управляемым электромеханическим системам (г. Кі ров, 1990 г.), па Межвузовской научно-технической конференции по динами* нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем (г. Чебоксарь 1995 г.), на международной научно-технической конференции по актуальным прс блемам математического моделирования и автоматіпированного проектирования машиностроении (Модель-проект 95) (г. Казань, 1995 г.), на 3-й Мсжвузовско конференции но компьютеризации учебного процесса но электротехническим дис цннлпиам (г. Астрахань, 1995 г.), на научно-технической конференции международным участием по проблемам промышленных электромеханически систем и перспективам их развития (г. Ульяновск, 1996 г.), на Республикански
аучно-технической конференции по проблемам энергетики (г7. Казань, 1996, 1997 1998 годы), на 10-ом научно-техническом семинаре по шіутрнкамерним процесам в энергетических установках (і: Качань, 1998 г.), на 16-ой военно-технической опференцин по вопросам сопершенепюпання боевого применения и разработок ртнллерийского вооружения и военной техники (г. Казань, 1999 г.), на междуна-одной научно-практической конференции но технологии, инновации и качеству г. Казань, 1999 г.), на научно-технических и учебно-методических конференциях семинарах КГ Г У (КХТИ) г. Казань.
Публикации по работе: Результаты опубликованы в 49 статьях и те-шеах окладов, получены 7 авторских свидетельств на изобретения и патентов. Имеются 4 отчета по ПИР по теме диссертации.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоігг из введения, сми глав, заключения, списка литературы, включающего 220 источиикон. Работа одержи! 406 страниц основного текста, 147 рисунком и 9 приложений.
