Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время сложные технологические процессы во многих отраслях промышленности сопровождаются интенсивной эксплуатацией исполнительных устройств. В подавляющем большинстве в качестве исполнительных устройств используют электроприводы на основе традиционных конструкций электрических машин. Анализ литературных данных показал, что лишь 10% наиболее распространенных электроприводов оснащены системой управления, обеспечивающей контроль параметров по обратной сигнальной связи и корректировку входного воздействия на исполнительное устройство.
Реализация технологических процессов требует организации комплекса взаимосвязанного оборудования для потребления, распределения и накопления энергоресурсов. Дифференциальный принцип функционирования предполагает организацию новых функциональных взаимосвязей оборудования, обуславливающих управление и эффективность электротехнических систем и комплексов. Практическая реализация указанных взаимосвязей требует использования альтернативных конструкций электрических машин, в частности в двухроторном исполнении, применение которых в технологическом процессе дает возможность реализовать дифференциальный принцип управления и требует разработки новых оригинальных компонентов электропривода.
Таким образом, разработка компонентов электропривода на основе двух-роторной электрической машины с дифференциальным управлением являются актуальной задачей для совершенствования средств управления и электротехнических комплексов систем промышленного и бытового назначения.
Степень разработанности проблемы. Вопросами теории и практики разработки классических систем управления электроприводом занимались такие отечественные и зарубежные ученые как: И. Я. Браславский, И. П. Копылов, В. Г. Макаров, В. Н. Поляков, В. В. Рудаков, Г. Г. Соколовский, Б. И. Фираго, Р. Т. Шрейнер, М. N. Cirstea, N. Ph. Quang, A. Veltman и многие другие. В подавляющем числе публикаций рассмотрены реализация систем и формирование законов управления полупроводниковыми преобразователями, но приняты постулатами традиционные структуры электрических машин.
Вопросы альтернативного подхода к построению электрических машин в двухроторном исполнении рассматривали Б. X. Гайтов, И. Д. Сизов, А. В. Булычев, В. 3. Туманян, А. С. Космодамианский, А. А. Пугачев. Однако вопросы реализации нетрадиционных электрических машин, свойства и характеристики которых определяют технические возможности и эффективность электропривода в целом, пока недостаточно исследованы.
Целью работы является исследование и разработка электропривода на основе двухроторной электрической машины с дифференциальным управлением.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) предложить модель дифференциального управления частотой враще
ния исполнительного устройства;
-
разработать математическую модель двухроторнои электрической машины с дифференциальным управлением для управления частотой вращения электропривода;
-
разработать электропривод и компоненты, реализующие дифференциальное управление двухроторнои электрической машиной, в том числе алгоритм управления и его реализацию в виде компьютерной модели;
-
разработать схему двухроторнои электрической машины;
-
провести натурное исследование функционирования макета электропривода двухроторнои электрической машины, сравнительный анализ теоретических и экспериментальных исследований.
Научная новизна диссертационной работы заключена в:
-
предложенной модели управления, отличающейся введением дифференциальной связи исполнительного устройства в виде дополнительной координаты;
-
разработанной математической модели двухроторнои электрической машины, учитывающей модель дифференциального управления, позволившей построить имитационные модели и провести исследование;
-
разработанной функциональной схеме электропривода двухроторнои электрической машины, компонентах и алгоритме, реализующих управление частотой вращения системы дифференциально взаимосвязанных роторов;
-
разработанной схеме электрической машины практически реализующей систему двух дифференциально взаимосвязанных роторов.
Теоретическая значимость работы заключается в разработке:
-
модели дифференциального управления, устанавливающей закономерность распределения взаимосвязанных координат движения исполнительного устройства при влиянии на одну из них;
-
математической модели двухроторнои электрической машины, учитывающей модель дифференциального управления и позволившей построить имитационные модели и исследовать ее работоспособность.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
-
разработана схема двухроторнои электрической машины (патент РФ на изобретение №2400006) с дифференциальным управлением, в которой реализовано управляемое распределение частот вращения роторов;
-
компьютерной модели двухроторнои электрической машины, позволяющей осуществить дифференциальное управление и оценить переходные процессы и характеристики установившихся режимов электропривода.
Реализация результатов. Исследования выполнены и включены в отчеты о научно-исследовательской работе по программе «Участник молодежно-
го научно-инновационного конкурса» («У.М.Н.И.К.»), г/к № 6538р/9098, № 7688/11198 «Разработка новых наукоемких приборов, техники и технологии в области машиностроения и электроники». Результаты работы внедрены в проектно-конструкторскую деятельность ООО «Родэл» и используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «ПГТУ» на кафедре проектирования и производства электронно-вычислительных средств.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертационной работе использовались методы математического анализа, теории вращающихся электрических машин, методы математического моделирования, численные методы решения, методы алгоритмизации, теория математической статистики.
Положения, выносимые на защиту. По результатам выполнения диссертационной работы сформулированы научные положения, выносимые на защиту:
-
модель дифференциального управления, являющаяся основой для получения исполнительного устройства с новыми функциональными свойствами;
-
математическая модель двухроторной электрической машины, позволившая построить имитационную модель и провести исследования работоспособности;
-
функциональная схема электропривода двухроторной электрической машины и его компоненты, обеспечивающие управляемое распределение частот вращения;
-
реализация системы двух дифференциально взаимосвязанных роторов в виде схемы двухроторной электрической машины, которая подтверждает внедрение предусмотренных моделью дифференциального управления связей при создании исполнительных устройств.
Степень достоверности. Достоверность научных результатов обеспечивается применением теории цепей для математического моделирования электромеханического преобразователя, базируется на строго доказанных выводах, обеспечивается корректной постановкой экспериментов, а также подтверждается качественным и количественным согласованием результатов имитационного моделирования с экспериментальными данными.
Апробация. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 1) XVI, XVIII Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения»:, г. Казань, 2008 г., 2010 г.;
-
всероссийской междисциплинарной научной конференции с международным участием «XII Вавиловские чтения», г. Йошкар-Ола, 2009-2010 гг.;
-
II международной научной конференции «Математическое моделирование и дифференциальные уравнения», Белоруссия, Минск, 2009 г.; 4) IV всероссийской научно-практическая конференции «Компьютерная интеграция производства и ИЛИ технологии», г. Оренбург, 2009 г.; 5) международной научно-технической конференции «Автоматизация: проблемы, идеи, решения» (АПИР-14), г. Тула, 2009 г.; 6) научно-технической
конференции профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и студентов МарГТУ «Наука в условиях современности», г. Йошкар-Ола, 2009, 2010 гг.
Публикации. Основные научные результаты опубликованы в 15 работах, из них 6 статей в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, 1 патент РФ на изобретение, 3 статьи и 5 работ в материалах и трудах конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка принятых сокращений, списка литературы и приложений. Объем диссертации составляет 151 страниц, список литературы из 125 наименований, приложения.
