Введение к работе
Актуальность работы. За последнее десятилетие значительное развитие получили исследования и разработки в области вентильно-индукторных приводов (ВИП), о чем можно судить по большому числу публикаций и докладов. Исследования, проведенные в этом направлении, на сегодняшний день, подтвердили и показали высокую эффективность и надежность приводов на основе вен-тильно-индукторной машины. Были предложены и рассмотрены математические модели вентильно-индукторного двигателя (ВИД), разработаны алгоритмы управления и проектирования ВИП. Синтезированы способы бездатчикового управления. Были проанализированы причины возникновения акустического шума при работе ВИП и разработаны способы управления, обеспечивающие их улучшение.
Однако не- было разработано законченное описание ВИД и коммутатора как единого электромеханотронного преобразователя. Не оценено влияние активного сопротивления фазных обмоток на точность управления в бездачиковых схемах и не предложены методы его коррекции. Недостаточно полно рассмотрены вопросы энергосбережения как с позиций выбора рациональных силовых схем обратимых полупроводниковых преобразователей, так и с позиций алгоритмов управления ими.
Таким образом разработка энергосберегающего вентильно-индукторного привода является актуальной задачей.
Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является решение научно-технической задачи разработки энергосберегающего ВИП с улучшенной электромагнитной совместимостью с питающей сетью, без использования датчика положения ротора на валу для работы в широких диапазонах изменения скорости вращения и нагрузок.
Для достижения поставленной цели в работе были исследованы и решены следующие задачи:
разработка математического описания вентильно-индукторного привода как единого электромеханотронного преобразователя, обеспечивающего достаточную точность моделирования при расчете в реальном времени;
разработка алгоритма определения углового положения ротора без использования датчика на валу двигателя, позволяющего гибко изменять углы включения и отключения фазы для оптимизации работы привода в широком диапазоне скоростей вращения;
разработка метода адаптивной коррекции параметров математической модели вентильно-индукторного привода, обеспечивающих компенсацию температурной зависимости активного сопротивления фазных обмоток;
синтез системы управления вентильно-индукторного привода с питанием от сети постоянного тока, обеспечивающей работу в двигательном и генераторном режимах, без использования датчика положения ротора в широком диапазоне скоростей вращения;
разработка модели активного выпрямителя напряжения для обеспечения
улучшенной электромагнитной совместимости вентильно-индукторного
привода с питающей сетью; синтез алгоритма управления силовыми клю
чами, обеспечивающего поддержание заданного уровня постоянного на-
" пряжения на выходе выпрямителя, потребление из сети синусоидальных токов, регулирование коэффициента мощности по входу выпрямителя и двусторонний обмен энергии с питающей сетью;
разработка программного комплекса для моделирования вентильно-индукторного привода и проведение исследований работы привода в различных режимах;
разработка опытного образца вентильно-ипдукторного привода без использования датчика положения ротора на валу двигателя; экспериментальные исследования и сопоставление с теоретическими результатами.
Методы исследований. При решении поставленных в диссертационной работе задач использованы положения теории автоматизированного электропривода, электрических машин, полупроводниковой преобразовательной техники и теории автоматического управления.
Предлагаемые в диссертационной работе выводы основаны на математическом моделировании и теоретических и экспериментальных исследованиях. Обоснованность и достоверность результатов подтверждается сопоставлением результатов моделирования и теоретических выводов с результатами испытаний опытного образца установки.
На защиту выносятся:
-
математическое описание вентильно-индукторного двигателя и коммутатора, как единого электромеханотронного преобразователя (ЭМТП), включающее в себя расчет фазного напряжения на основе рассмотрения режимов работы фазы; результаты моделирования;
-
метод определения положения ротора вентильно-индукторного двигателя по измеряемым фазным токам и напряжению питания;
-
метод адаптивной коррекции величины активного сопротивления фаз в модели вентильно-индукторного привода;
-
математическая модель активного выпрямителя напряжения, результаты численного моделирования и экспериментального исследования;
-
замкнутая система автоматического регулирования вентильно-индукторного привода, обеспечивающая работу привода в двигательном и генераторном режимах;
-
профаммный комплекс для моделирования работы вентильно-индукторного привода и активного выпрямителя напряжения, как раздельно, так и в единой системе, что позволяет проводить исследования различных режимов работы привода (двигательного, генераторного, аварийного).
Научная новизна. К новым результатам, полученным в диссертационной работе, можно отнести:
-
алгоритм определения положения ротора вентильно-индукторного двигателя по измеряемым фазным токам и напряжению питания с определением углового положения совокупно по данным от нескольких фаз ВИД;
-
метод адаптивной коррекции величины активного сопротивления фаз в модели вентилыю-индукторной машины;
-
модель активного выпрямителя напряжения с координатным подходом к построению коммутационных функций силовых ключей;
-
математическая модель электромеханотронного вентильно-индукторного преобразователя с обобщенным описанием функции формирования фазных напряжений на основе рассмотрения режимов работы фаз;
-
структура системы управления вентильно-индукторного привода с комбинированным способом управления скоростью, без использования датчика положения на валу двигателя и адаптивной коррекцией параметров модели.
Практическая ценность. Разработанный алгоритм определения положения ротора по измеряемым фазным токам и напряжению питания позволяет исключить из схемы вентильно-индукторного привода сложный и ненадежный элемент - датчик положения ротора, без добавления каких бы то ни было новых аппаратных средств. Алгоритм обеспечивает определение углового положения ротора вентильно-индукторного двигателя на всем интервале работы фаз, что позволяет регулировать скорость вращения ротора в широких пределах.
Метод адаптивной коррекции позволяет адаптивно подстраивать величину активного сопротивления фазных обмоток в модели, компенсируя его изменение под воздействием температуры.
Блок распределения общего задания на момент каждой фазы, позволяющий обеспечить более плавную коммутацию фаз вентильно-индукторного двигателя, чем при их раздельной работе.
Разработанный активный выпрямитель напряжения с системой управления может применяться в различных системах электропитания для согласования нагрузки с питающей сетью. Это позволит практически полностью исключить протекание реактивных токов в питающей сети, т.е. повысить эффективность энергопотребления.
Разработанный программный комплекс позволяет проводить исследования вентильно-индукторного привода и активного выпрямителя напряжения в различных режимах работы.
Реализация результатов. Разработанный опытный образец активного выпрямителя напряжения и программа, моделирующая его работу, используются, в НПО «Поиск-93» в рамках совместных работ с НИЦ «ЭЛСИЭЛ» ВЭИ при проведения НИР и ОКР по теме «Разработка транзисторного преобразователя частоты для питания гистерезисных двигателей основного технологического оборудования VII6 производства». Программный комплекс моделирования вентильно-
индукторного привода с питанием от активного выпрямителя напряжения используется в учебном процессе Новоуральского политехнического института МИФИ в курсе «Элементы и устройства систем автоматики».
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на: II XI НТК «Электроприводы переменного тока» 24-26 февраля 1998г. в г. Екатеринбурге; Международной (XIII Всероссийской) НТК 23-25 сентября 1998 г. в г. Ульяновске; II Межвузовской отраслевой НТК "Автоматизация и прогрессивные технологии" 27 сентября - 1 октября 1999 г. в г. Новоуральске; Межотраслевой НПК «Снежинск и наука», 29 мая - 2 июня 2000 г. в г. Снежинске; V Международной НТК «Актуальные проблемы электронного приборостроения» 26-29 сентября 2000 г. в г. Новосибирске; заседаниях кафедры «Автоматизации управления» НПИ МИФИ. В полном объеме результаты диссертационной работы докладывались на объединенном заседании кафедр «Автоматизации управления» и «Промышленная электроника» НПИ МИФИ, а также в Санкт-Петербургском государственном университете аэрокосмического приборостроения на кафедре №32.
По методу определения положения ротора вентильно-индукторного двигателя подана заявка на патент на «Способ определения положения ротора в машинах с двойной зучатостью» №2000105854/09(006086) (авторы: A.M. Смехнов, Р.Т. Шрейнер, А.А. Ефимов), которая рассматривается в настоящий момент в ФИПС.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ. Из них 1 работа представлена на зарубежной конференции (ЕРЕ-99), 5 на международных.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы содержащего 90 источников и приложения, в котором представлены акты внедрения результатов работы. Общий объем работы составляет 98 страниц, в том числе 30 рисунков, список литературы и приложения на 12 страницах.
