Введение к работе
Актуальность работы. На протяжении последних лег в области регулируемых электроприводов большое внимание уделяется разработке и внедрению бесколлекторных электроприводов на базе электрических двигателей переменного тока. Помимо дальнейшего развития хорошо изученных асинхронного и синхронного электроприводов ведутся исследования в области создания и развития новых типов электрических машин, обладающих простой и надежной конструкцией. В тоже время существует электродвигатель с вековой историей, обладающий этими качествами. Речь идет о синхронно-гистерезисном двигателе (СГД) - машине с уникальными характеристиками, но в силу сложности протекающих в ней электромагнитных процессов, являющейся в настоящее время одной из наименее изученных и имеющей в связи с этим ограниченное применение.
СГД обладает следующими замечательными характеристиками:
простота и прочность конструкции, повышенная надежность;
высокие динамические характеристики, плавный вход в синхронизм;
малая кратность пускового тока;
объединяет в себе свойства синхронной и асинхронной машины. -
СГД очень широко используются в гироскопии, химическом и текстильном машиностроении в установках получения искусственных волокон, в медицинской промышленности, в производствах по обогащению урана и других технологических линиях по получению сверхчистых веществ - в приводах высокоскоростных и высокоинерционных устройств. Гистерезисный двигатель имеет неоспоримые преимущества перед другими типами электрических машин в многодвигательных системах.
Ограниченность областей применения СГД обусловлена его невысокими энергетическими показателями: низким КПД и малым коэффициентом мощности. Эти недостатки могут быть устранены как путем совершенствованием конструкции СГД, так и при помощи специальных алгоритмов управления. Для расширения областей применения необходимо дальнейшее исследование статических и динамических режимов работы СГД и электроприводов на его основе, разработка и исследование алгоритмов управления, что позволит создавать высокодинамичные системы с высокими энергетическими показателями.
Физическое моделирование процессов, протекающих в СГД, является трудоемким и дорогостоящим, требует создания уникального лабораторного оборудования. Для более эффективной работы в данном направлении необходимо создание достоверных математических моделей, пригодных для анализа основных рабочих режимов СГД.
Сегодня к числу актуальных относятся не только вопросы эффективного и качественного управления электродвигателями, но и проблемы повышении эффективности использования электроэнергии и исключения дополнительного электрооборудования - фильтрокомпенсирующих устройств, кото-
рые в настоящее время используются для компенсации реактивной мощности нагрузки, а также фильтрации высших гармоник потребляемых токов в таких энергоемких производствах как технологические линии по разделению изотопов тяжелых веществ. Поэтому для создания высокоэффективных систем электропривода на основе СГД кроме исследования режимов работы самого двигателя необходим анализ возможностей традиционных силовых схем преобразователей частоты (ПЧ) с позиций повышения качества управления двигателями и решения проблем электромагнитной и энергетической совмес-тимостей с питающей сетью на основе новых алгоритмов управления.
Цели и задачи исследований. Целью данной работы является решение научно-технической задачи создания и исследования энергосберегающего электропривода на базе СГД, обеспечивающего улучшенную электромагнитную совместимость с питающей сетью.
Для реализации поставленной задачи была проведена работа по следующим основным направлениям:
-
Разработка с единых позиций теории обобщенной электрической машины математической модели СГД, пригодной для исследования как статических, так и динамических режимов работы. Составление компьютерной программы, моделирующей работу СГД в различных режимах: пуск, разгон, торможение, изменение нагрузки, импульсного подмагничивания, синхронных качаний и в установившемся режиме.
-
Разработка и анализ математических моделей активного выпрямителя тока (АВТ) и автономного инвертора тока (АИТ), выполненных по мостовой схеме на полностью управляемых ключах с односторонней проводимостью. Разработка алгоритма управления силовыми ключами АВТ и АИТ, обеспечивающего синусоидальность переменного тока, регулирование коэффициента мощности и двусторонний обмен энергией между питающей сетью и нагрузкой. Синтез системы автоматического управления ПЧ на основе двухзвенной мостовой схемы «АВТ-АИТ». Проведение компьютерного моделирования работы ПЧ, исследование его работы в режимах изменения параметров нагрузки и рекуперации.
-
Разработка алгоритмов управления энергосберегающим синхронно-гистерезисным электроприводом (СГЭП) и синтез его систем автоматического управления (САУ). Проведение на основе полученных математических описаний компьютерного моделирования работы СГЭП в различных режимах.
-
Проведение экспериментальных исследований.
Методы исследований. Основным методом исследования, использованным в данной работе, является метод математического моделирования. Разработка математической модели СГД как электромеханического преобразователя проводилась на основе теории обобщенной электрической машины с учетом гистерезисных свойств магнитного слоя ротора. Моделирование работы ПЧ базировалось на векторном подходе с преобразованием анализируемых величин (входных и выходных напряжений и токов) во вращающую-
ся систему координат. Для синтеза регуляторов использовались методы теории автоматического управления с непрерывной аппроксимацией дискретных коммутационных функций вентильных схем ПЧ. Для проверки результатов теоретического анализа и расчетов были проведены экспериментальные исследования на лабораторных установках.
Научная новизна представляемой диссертационной работы заключается в следующем:
-
На основе теории обобщенной электрической машины создана математическая модель идеализированного СГД, построенная с учетом реальных гистерезисных характеристик магнитного слоя ротора и основанная на расчете распределения магнитного поля. Найдено уравнение аппроксимации, позволяющее аналитически описать частные циклы перемагничива-ния гистерезисного слоя ротора. Проведено моделирование работы СГД с использованием трех различных подходов к аппроксимации частных циклов перемагничивания: бестелесного, аккомодационного и безаккомодационного, выявлены области их применимости. Модель позволяет исследовать все основные особенности работы СГД в различных режимах, включая режим импульсного подмагничивания.
-
Теоретически обоснована возможность использования традиционной мостовой схемы для реализации алгоритмов управления, обеспечивающих улучшенную электромагнитную совместимость. Предложены математические модели АВТ и АИТ, выполненных по мостовой схеме на полностью управляемых силовых ключах с односторонней проводимостью, предназначенные для анализа работы этих устройств и синтеза соответствующих САУ.
-
Разработан алгоритм управления силовыми ключами АВТ и АИТ на основе координатной широтно-импульсной модуляции. Проведена непрерывная аппроксимация дискретной коммутационной вектор-функции силовых ключей АВТ и АИТ, синтезированы структуры и алгоритмы векторных САУ выпрямителя и инвертора.
-
Разработана математическая модель системы гистерезисного электропривода, проведен синтез векторной САУ, обеспечивающей демпфирование синхронных качаний ротора, проведено моделирование его работы.
На защиту выносятся следующие полооїсения:
-
Представляемая математическая модель СГД учитывает все основные особенности работы гистерезисных двигателей и позволяет проводить исследования как статических, так и динамических режимов работы СГД, в том числе режима импульсного подмагничивания.
-
Предложенный алгоритм управления силовыми ключами мостовой схемы АВТ (АИТ) обеспечивает электромагнитную совместимость с питающей сетью: регулирование сетевого коэффициента мощности, практически синусоидальный сетевой ток и возможность рекуперации энергии в питающую сеть.
3) Разработанные математические модели АВТ и АИТ, выполненных по мостовой схеме, и проведенная непрерывная аппроксимация дискретной коммутационной функции, позволяют синтезировать структуры и алгоритмы работы высококачественных векторных САУ.
4) Преобразователь частоты, построенный по схеме «АВТ-АИТ», является устройством, позволяющим в полной мере реализовать наиболее эффективные энергосберегающие алгоритмы управления многодвигательным гистерезисным электроприводом центрифуг разделительных производств. Практическая ценность работы
-
Предложенная математическая модель гистерезисного двигателя позволяет повысить эффективность исследований работы СГД и электроприводов на его основе за счет уменьшения временных и материальных затрат.
-
Предложенный алгоритм управления силовыми ключами АВТ и АИТ обеспечивает близкую к синусоидальной форму переменного тока, регулируемый коэффициент мощности и двусторонний обмен энергией между питающей сетью и нагрузкой без усложнения традиционной мостовой схемы.
-
Разработанные математические модели АВТ и АИТ, проведенные непрерывная аппроксимация дискретных коммутационных ветор-функций и анализ модели позволили синтезировать высококачественные САУ выпрямителя и инвертора.
-
Созданная математическая модель системы «ПЧ-СГД» является удобным инструментом для проведения исследований особенностей работы энергосберегающего СГЭП, синтеза регуляторов и отработки алгоритмов управления.
-
Отмеченные выше результаты являются существенными факторами успешного решения актуальной задачи создания энергосберегающего СГЭП, обеспечивающего улучшенную электромагнитную совместимость с питающей сетью.
Реализация результатов работы 1) На основе созданных математических моделей разработан комплекс компьютерных программ, в состав которого входят:
программа, моделирующая работу СГД. Проведенный с ее помощью вычислительный эксперимент впервые позволил получить результаты моделирования работы гистерезисного двигателя в режиме импульсного подмагничивания. Программа была внедрена НИЦ «ЭЛСИЭЛ», ВЭИ, г. Москва, для исследования работы СГД при создании преобразователя частоты для многодвигательного привода центрифуг разделительного производства ГУЛ ЭХЗ г. Зеленогорск. Данная программа используется в учебном процессе НПИ МИФИ в курсе «Элементы и устройства систем автоматики».
программа, моделирующая работу двухзвешюго преобразователя частоты выполненного по схеме «АВТ-АИТ», как на основе дискретной, так и непрерывной математических моделей. Программа внедрена в
НПО «ПОИСК-93» г.Новоуральск и используется для исследования режимов работы АВТ и ЛИТ методами математического моделирования. - программа, моделирующая работу системы энергосберегающего СГЭП в переходных и установившихся режимах, том числе в режиме демпфирования синхронных качаний ротора. Данная программа внедрена НПО «ПОИСК-93», г. Новоуральск и используется в исследованиях проводимых в рамках работ по модернизации преобразователя частоты СПЧС-200. 2) По заказу ГУЛ ЭХЗ г. Зеленогорск создан опытный образец транзисторного ПЧ на базе «АВТ-АИТ» мощностью 10 кВА для питания группы СГД приводов разделительных центрифуг, обеспечивающий синусоидальность сетевого тока, регулирование коэффициента мощности и двусторонний обмен энергией. Разработан алгоритм, написана и отлажена рабочая программа для микроконтроллерной системы управления (микроконтроллер TMS320F243, фирмы Texas Instruments).
Адекватность полученных результатов моделирования работы СГД подтверждается достаточным для инженерных расчетов совпадением экспериментально снятых и рассчитанных по предложенному алгоритму кривых намагничивания. Качественным совпадением результатов моделирования работы СГД с экспериментальными данными. Адекватность дискретных и непрерывных математических моделей АВТ и АИТ, а также обоснованность подходов, примененных для синтеза САУ, подтверждена совпадением экспериментальных данных и результатов расчета.
Апробация. Основные материалы работы были представлены: на XI НТК ЭППТ-98, 24-26 февраля 1998г. в г.Екатеринбурге; II Международной (XIII Всероссийской) НТК, 23-25 сентября 1998г. в г.Ульяновске; НТК ЭКАО-99, 12-14 октября 1999 в г. Москве; II Межвузовской отраслевой НТК «Автоматизация и прогрессивные» технологии, 27 сентября - 01 октября 1999 в г.Новоуральске; Межотраслевой НПК «Снежинск и наука», 29 мая-02 июня 2000г. в г.Снежинске.
Публикации. В процессе выполнения диссертационной работы опубликовано 17 статей и тезисов докладов, подана заявка на получение патента на способ управления обратимым преобразователем энергии переменного тока в энергию постоянного тока.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 134 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав и заключения, иллюстрированными 44 рисунками, списка литературы из 96 наименований и 1 приложения на 4 страницах.
