Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные свойства вентильно-индукторного двигателя 10
1.1 Структурная схема вентильно-индукторного двигателя 10
1.2 Принцип действия ВИД 13
1.3 Основные геометрические параметры и соотношения вентильно -индукторной машины 15
1.4 Электромеханическое преобразование энергии в вентильно-индукторном двигателе 20
1.4.1 Формула баланса энергий и мощностей в ВИД 21
1.4.2 Графическая интерпретация энергии и коэнергии 23
1.4.3 Энергетическая диаграмма интегрального типа 26
1.5 Достоинства и недостатки вентильно-индукторного двигателя 28
1.5.1 Достоинства ВИД 28
1.5.2 Недостатки ВИД 32
Глава 2. Построение математической модели вентильно-индукторного двигателя 37
2.1 Описание объекта моделирования 37
2.1.1 Описание и схема преобразователя 37
2.1.2 Анализ электромагнитных процессов в несимметричном мосте 41
2.1.3 Способы коммутации фаз 43
2.1.4 Система управления ключами инвертора 44
2.2. Вентильно-индукторный двигатель 47
2.3. Датчик положения ротора 51
2.4 Описание модели ВИМ 55
2.4.1 Блок «commutator» 59
2.4.2 Блок «inverter» 53
2.4.3.Блок «3 phases motor» : 53
2.4.4. Блок модели звена постоянного тока 73
Глава 3. Испытания промышленного образца вентильно-индукторного электропривода и проверка адекватности модели
3.1 Конструкция стенда для испытаний опытного образца ВИЛ
3.2 Определение омического сопротивления фаз индукторного двигателя
3.3 Определение статических моментных характеристик индукторного двигателя
3.4 Определение значений индуктивности фаз в зависимости от угла поворота
3.5 Определение механической характеристики ИД 87
3.6 Осциллографирование токов фаз в двигательном режиме работы... 88
3.7 Осциллографирование токов фаз в генераторном режиме работы ... 90
3.8 Проверка адекватности математической модели... 94
Глава 4 Генераторный режим вентильно-индукторного привода
4.1 Математическое описание модели идеальной линейной машины (ИЛМ) в генераторном режиме 101
4.1.1. Включение фазы 102
4.1.2. Рабочий интервал фазы 106
4.1.3 Этап отключения фазы 107
4.2 Определение оптимальных углов коммутации ВИЛ в тормозных режимах 109
4.2.1. Определение угла коммутации ВИЛ при достижении максимальной выходной мощности 109
4.2.2. Определение угла коммутации ВИЛ при достижении минимальных пульсаций момента 124
Заключение 134
Список использованной литературы 135
- Основные геометрические параметры и соотношения вентильно -индукторной машины
- Анализ электромагнитных процессов в несимметричном мосте
- Осциллографирование токов фаз в генераторном режиме работы
- Определение угла коммутации ВИЛ при достижении максимальной выходной мощности
Введение к работе
ВВЕДЕНИЕ
С 80-х годов в иностранной научно-технической литературе появились материалы о новом перспективном типе электрического привода SRD -Swidched Reluctance Drive. В последние годы практически во всех промышленно развитых странах многими исследовательскими центрами и фирмами ведутся активные разработки этого типа электропривода для различных областей применений. В таком приводе используется очень простая по конструкции и технологии изготовления электрическая машина с неодинаковым числом явно выраженных полюсов на статоре и роторе. На полюсах статора расположены сосредоточенные обмотки. Статорные обмотки переключаются специальным коммутатором (преобразователем) в функции положения ротора.
Не смотря на давнюю известность, вентильно-индукторные двигатели имели ограниченную область применения в силу сложности получения импульсов большой мощности, а также невозможности реализации высокоэффективных алгоритмов управления, обеспечивающих небольшие пульсации момента и высокий КПД. Однако с появлением в последние годы мощной преобразовательной и вычислительной техники ситуация меняется в сторону их более широкого применения.
Так, например, французская компания Radio-Energie (Marcoussis) [15] выпускает приводы и цифровые контроллеры для малых транспортных средств с напряжением питания 24 В. Двигатель может работать в четырех квадрантах с возможностью рекуперации энергии во время торможения. Диапазон мощностей от 0,7 до 2 кВт, частота вращения 3000 об/мин, КПД 80%. Контроллер позволяет отслеживать скорость, нагрузку, зону работы.
В нашей стране одно из внедрений ВИЛ было произведено заводами «Татэлектромаш» и «Ратеп» в сотрудничестве с кафедрой Электрического транспорта МЭИ в качестве мотор-компрессора троллейбуса и вагона метро.
ВВЕДЕНИЕ
Была разработана электрическая машина и преобразователь, привод прошел испытания и показал эффективность его использования. Пока область его применения сводится исключительно к двигательному режиму эксплуатации, однако в транспорте существует огромный класс задач связанный с вопросом создания тормозного момента (в том числе с малыми пульсациями) и работы двигателя в генераторном режиме. Это мотор-колеса, стартер-генераторы.
В ряде работ [7, 10, 35] дается описание структуры и возможностей компьютерных программ моделирования работы вентильно-индукторного двигателя, но нет достаточной информации о заложенных в них процедурах и расчетных соотношениях. Также большинство известных публикаций [1, 13, 17, 32, 34] рассматривают вопрос получения двигательного момента с минимальными пульсациями и вибро-шумовыми характеристиками.
В статье М.Г.Бычкова [I] рассматриваются вопросы оптимизации режимов вентильно-индукторного электропривода средствами управления. На базе упрощенных моделей ВИМ получены аналитические соотношения для токов и моментов в различных режимах работы привода и на различных участках цикла коммутации. Сформулированы оптимальные по энергетическим критериям условия управления процессом коммутации. Полученные результаты являются основой для построения системы управления ВИМ, обеспечивающей эффективное преобразование энергии в различных режимах работы. Аналитические соотношения для мгновенных значений тока и момента ВИМ на различных этапах цикла коммутации могут быть использованы при проектировании ВИМ для расчетов среднего значения момента, действующего значения тока и уточненного значения коэффициента электромеханического преобразования,
Однако, при рассмотрении генераторного режима вентильно-индукторного двигателя, большинство авторов лишь упоминают, что необходимо инвертировать угол управления, но не конкретизируют, что при этом свойства машины как объекта управления изменятся, как это будет
ВВЕДЕНИЕ
показано в данной работе. Поэтому задачей автора было: наиболее полно отобразить процессы происходящие в двигателе в генераторном режиме с различными способами управления на базе имитационной модели ВИП.
Проверка адекватности имитационной модели проводилась на вышеупомянутом приводе.
Таким образом, целью диссертационной работы является: оптимизация способов управления вентильно-индукторным двигателем на электрическом транспорте в тормозных режимах.
Предметом исследований является электропривод на базе трехфазного вентильно-индукторного двигателя с числом зубцов статора и ротора 12/14 соответствен но.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
Разработка математической модели системы «электрический преобразователь- вентильно-индукторный двигатель»
Снятие экспериментальных данных в двигательном и генераторном режиме
Проверка адекватности математической модели
Оптимизация алгоритмов управления для режима максимального КПД
Оптимизация алгоритмов управления для режима торможения с постоянством момента
Для решения поставленных в работе задач использовалась как теоретическая литература, так и техническая информация, взятая, в основном, из зарубежных источников: каталоги, технические данные устройств, руководства по их применению, интернет-ресурсы. При моделировании на ЭВМ различных режимов работы вентильно-индукторного двигателя использовалось средство визуального моделирования SIMULINK, входящее в программный пакет MATLAB 6.1. Экспериментальные исследования
ВВЕДЕНИЕ
проводились на промышленном образце трехфазного ВИД с преобразователем тока.
В первой главе отмечены отличительные признаки и специфика работы ВИД: дискретность работы, нелинейность магнитной системы и изменение в широких пределах электромагнитных параметров ВИД;
приведены основные геометрические параметры и соотношения, показана кусочно-линейная апроксимация зависимости индуктивности фазы от угла поворота ротора, используемая для описания вентильно-индукторного двигателя;
описано электромеханическое преобразование энергии в ВИД: показана графическая интерпретации энергии и коэнергии, выведена формула мгновенного момента, приведен расчет коэффициента электромагнитного преобразования энергии;
показаны основные достоинства и недостатки вентильно-индукторного двигателя и привода в целом.
Во второй главе с использованием средства визуального моделирования SIMULINK, входящего в состав математического пакета MATLAB, разработана математическая модель ВИЛ.
В программе предусмотрены различные варианты задания индуктивности фазы, в частности зависимость может быть задана аппроксимирующими прямыми линиями по известным значениям минимальной индуктивности, максимальной индуктивности и значениям углов начала перекрытия и полного перекрытия зубцов. При наличии экспериментально определенной кривой возможно использование полиномиальной зависимости 4-го, 5-го порядка, полученной из экспериментальных данных, путем обработки с помощью любого программного пакета.
ВВЕДЕНИЕ
Модель содержит выделенный блок фазы двигателя, который может быть использован нужное число раз по количеству фаз двигателя.
В модели предусмотрена возможность разрыва контура скорости для снятия характеристик при постоянстве частоты вращения, при нарастании частоты вращения.
Модель производит расчет коэффициента электромеханического преобразования, величины среднего момента и его пульсации на электрическом обороте при постоянстве скорости вращения для определения оптимальных управляющих воздействий.
В третьей главе описан испытательный стенд вентильно-индукторного электропривода мощностью 5 кВт, разработанный для экспериментальных исследований, включающий два промышленных образца ИД, два преобразователя тока, порошковый тормоз типа ПТ40, датчики тока, напряжения и контрольно-измерительную аппаратуру.
Определены омические сопротивления фаз ИД, снята зависимость индуктивности фазы от угла поворота ротора, сняты статические моментные характеристики и механическая характеристика в двигательном режиме работы, а также кривые токов фаз в двигательном и генераторном режимах работы.
На основе экспериментальных исследований проведена проверка адекватности математической модели ВИП. Подтверждена возможность использования математической модели, созданной в визуальной среде Matlab для оценки поведения реального ИД в различных режимах работы.
В четвертой главе приведено математическое описание вентильно-индукторного двигателя в генераторном режиме работы и рассмотрены способы управления при достижении максимального коэффициента электромеханического преобразования и минимальной пульсации момента.
ВВЕДЕНИЕ
Проведен анализ зависимости коэффициента электромеханического преобразования от способа управления.
Рекомендован алгоритм оптимизации способа управления для ВИП разной конструкции и мощности в режимах оптимизации по коэффициенту электромеханического преобразования и по пульсации момента.
Сделан вывод о неэффективности генераторного режима при токоограничении. Рекомендуется регулировать момент путем снижения напряжения инвертора, используя преобразователь уровня напряжения. В заключении обобщены основные результаты работы.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. |А.В. Сафронов[, М.Г. Колобов, А.В. Амелькин, М.В. Логинов, Д.В. Елисеев. Торможение одноименно-полюсных индукторных машин // Девятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. докл. - М., Моск. энерг. ин-т, 2003. - Т. 2. - С. 143 - 144.
[А.В. Сафронов], А.В. Амелькин, П.Л. Бураков. Математическая модель вентильно-индукторного двигателя // Пятая Международная конференция «Электромеханика, электрогехнологии и электроматериаловедение»: Труды МКЭЭЭ-2003. докл. - Крым, Алушта, 2003. -Ч. 2. -С. 170-173.
А.В. Амелькин. Разработка вентильно-индукторного привода для вагонов метрополитена // Пятая Международная конференция «Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение»: Труды МКЭЭЭ-2003. докл. - Крым, Алушта, 2003. - Ч. 1. - С.720-721.
М.А. Слепцов, А.В. Амелькин, Построение математической модели вентильно-индукторного двигателя // Вестник ГЭТ России - 2003. - № 5. -С. 25-30.
Основные геометрические параметры и соотношения вентильно -индукторной машины
Стремительное развитие на протяжении последних десятилетий силовой электроники и микропроцессорной техники способствовало расширению сферы применения регулируемых электроприводов и переходу в области регулируемых электроприводов от двигателей постоянного тока к частотно регулируемым асинхронным, синхронным, индукторным, синхронным реактивным приводам [48].
Среди индукторных электроприводов в литературе наиболее часто упоминаются вентильно-индукторные привода (ВИП) или в англоязычном обозначении - Switch Reluctance Drive (SRD). По способу коммутации фаз обмотки вентильно-индукторная машина (ВИМ) является вентильной машиной, как и бесколлекторные (бесконтактные) машины постоянного тока (БДПТ) -вид синхронных машин с постоянными магнитами на роторе. Однако в БДПТ обмотка питается системой многофазных синусоидальных токов, а в ВИМ однополярными импульсами тока [1, 48].
Во многих странах мира активно ведутся исследования теории работы вентильно-индукторных двигателей и разработки регулируемых электроприводов с их использованием. Среди отечественных авторов в этой области следует отметить работы Бычкова М.Г., Кузнецова В.А., Ильинского Н.Ф.. Из зарубежных исследователей особый интерес представляют работы Т. Миллера, Р. Дэвиса, С. Поллока, В. Вильямса, L. Хи.
Знакомство с результатами работ перечисленных авторов позволяет кратко изложить основные положения теории работы вентильно-индукторных двигателей, существенно важные для нашего исследования. Основными функциональными узлами ВИЛ являются: - m-фазный вентильно - индукторный двигатель (ВИД); - инвертор (силовой преобразователь) на силовых транзисторных модулях; - датчик положения ротора (ДПР); - система управления, подающая управляющие сигналы на силовые транзисторы преобразователя (инвертора). Статор и ротор вентильно-индукторной машины выполнены шихтованными явнополюсньши, причем число полюсов статора и ротора неодинаково: 6/4, 8/6 и т.д. На статоре расположены сосредоточенные обмотки (катушки), соединенные через преобразователь с источником питания постоянного тока Число фаз обмотки в рассматриваемых машинах, как правило, равно половине числа зубцов статора, поскольку две катушки одной фазы располагаются на диаметрально противоположных зубцах [1]. Силовой преобразователь состоит из группы электронных ключей (транзисторных модулей), открытое или закрытое состояние которых зависит от положения ротора, фиксируемого специальным датчиком ДПР, и сигналов блока управления, за счет чего формируются токи в обмотках двигателя. Инвертор, переключающий обмотки статора, может быть реализован в различных конфигурациях, рассмотренных в [1, 5, 22, 29]. Однако, наиболее часто применяемая схема в трехфазном варианте состоит из двух транзисторов и двух диодов на фазу. Преобразователь и система управления являются неотъемлемыми частями ВИД, необходимыми для осуществления электромеханического преобразования энергии. Это дает право утверждать, что совокупность структурных элементов, представленных на рис. 1.1, является не только системой регулируемого электропривода, но и электромеханическим преобразователем энергии. Работу ВИМ можно свести к поочередному последовательному включению электромагнитов (индукторов), якорями у которых являются зубцы ротора (рис. 1.2). Возбуждение фазы вызывает возникновение электромагнитных сил притяжения между зубцами этой фазы статора и ближайшими к ним зубцами ротора. В результате ротор перемещается в согласованное положение (совпадение осей зубцов статора и ротора). Так как число зубцов статора и ротора различно, то в согласованном положении ротора для одной фазы (на рис, 1.2. - фазы С) следующая оказывается в рассогласованном положении (фазы А и В) и подготовленной к включению. Последовательная коммутация фаз с помощью, например, датчика положения ротора обеспечивает создание непрерывного вращающего момента, а следовательно, и непрерывное вращение ротора [1], [2], [43]. ГЛАВА J Само название вентильно-индукторного привода подразумевает работу в вентильном режиме - режиме автокоммутации фаз машины по сигналам с датчика положения ротора. Частота коммутаций ключей силового преобразователя, а следовательно, и скорость вращения ВИМ в этом режиме, будет зависеть от уровня напряжения на звене постоянного тока, параметров вентильно-индукторной машины, углов коммутации. Природа образования электромагнитного момента в индукторных машинах определяется взаимодействием ферромагнитных тел, изменяющих свое положение в магнитном поле таким образом, чтобы проходящий через них поток внешнего магнитного поля принимал максимальное значение. Поэтому при возбуждении обмотки фазы ротор машины поворачивается в сторону увеличения индуктивности до LMAX, совершая при этом положительную работу (двигательный режим). Если движение продолжается в сторону уменьшения индуктивности, то знак момента меняется (тормозной режим) [1]. Существует два типа ВИМ: - ВИМ с внешним возбуждением; - ВИМ с самоподмагничиванием. Отсутствие обмотки возбуждения в ВИМ с самоподмагничиванием позволяет упростить машину и снизить ее стоимость. Кроме того, ГЛАВА I однонаправленное протекание фазных токов и принципиальная независимость процессов в фазах, позволяет использовать в данном преобразователе меньшее число силовых ключей, чем в преобразователе частоты, применяемом для наиболее массового регулируемого привода с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором (АД) [33]. Индукторную машину с внешним возбуждением, имеющую дополнительную обмотку возбуждения или постоянные магниты на статоре и работающую в вентильном режиме, можно скорее отнести к классу бесколлекторных (бесконтактных) машин постоянного тока (БДПТ). В данной машине обмотка питается системой многофазных синусоидальных токов. Математические модели и алгоритмы управления данным приводом существенно отличаются от моделей и алгоритмов для ВИЛ, имеющего в своем составе ВИМ с самоггадмагничиванием [1, 33]. Индукторная машина с внешним возбуждением не является объектом исследования в данной работе и в дальнейшем, под ВИМ будет пониматься только вентильно-индукторная машина с самоподмагничиванием, а под ВИН — система электропривода, построенная на базе этой машины.
Анализ электромагнитных процессов в несимметричном мосте
Современные IGBT и MOSFET транзисторы на токи до 2000 А и напряжения до 4500 В позволяют решить проблему статического преобразователя на новом техническом уровне. Возможна конструкция, когда он не представляет собой отдельного блока, превосходящего двигатель по габаритам, а может быть пристроен к электродвигателю с торца или даже встроен в него, что обеспечивает минимальные массогабаритные показатели системы электропривода.
Диапазон регулирования скорости вращения может соответствовать потребностям любого исполнительного механизма, например, вплоть до 10000:1 в приводах наведения антенн или телескопов.
Подобное значение диапазона регулирования ранее достигалось только в системах генератор-двигатель постоянного тока, где установленная мощность электрических машин более чем втрое превышает полезную. Масса и габариты ВИД не зависят от диапазона регулирования. Способ регулирования подразумевает также любое направление регулирования - как вверх, так и вниз от номинальной частоты вращения. 5. Во многих случаях нагрузка (например, грузоподъемные механизмы для ответственных грузов) предъявляет очень жесткие требования к плавности регулирования частоты вращения. Регулирование ВИД осуществляется бесступенчатым способом, то есть плавность регулирования идеальна. Отсутствие дополнительных потерь обеспечивает при этом высокую экономичность. 6. Электроприводы предлагаемой системы имеют высокую удельную мощность, что уменьшает габариты и облегчает их встраивание в самые различные механизмы и машины, в частности, в ручной инструмент, масса и габариты которого сильно ограничены. Особо следует отметить способность ВИД к длительной и безотказной работе в динамических режимах с частыми пусками и остановками. При этом пуск механизма может быть осуществлен сколь угодно плавно. 7. Естественная механическая характеристика ВРД определяется реактивным принципом действия электрической машины и близка к гиперболической форме. Основное свойство такой характеристики постоянство мощности на валу машины - оказывается чрезвычайно полезным для электроприводов с ограниченной мощностью источника, так как при этом легко реализуется условие его неперегружаемости. Применение замкнутой системы управления с обратными связями по скорости и нагрузке позволяет получить механические характеристики любой ч заданной формы, включая абсолютно жесткие (астатические), и не ведет к какому либо усложнению системы управления, так как ее процессор обладает большой избыточностью по числу входов и выходов, быстродействию и памяти. Фактически поле доступных механических характеристик непрерывным образом покрывает все четыре квадранта плоскости момент-скорость в пределах области ограничений конкретного привода. 8. Отсутствие обмотки на роторе электрической машины само по себе способствует уменьшению потерь и повышению КПД. Кроме того, отсутствие необходимости в интенсивном охлаждении ротора ведет к уменьшению механических потерь. Повышение КПД по сравнению с асинхронными машинами достигается также ввиду отсутствия скольжения. Потери в стали ротора имеют место только в результате перемагничивания его полюсов при коммутации фаз ВИД. Таким образом, ВИД оказывается высокоэкономичной затрат. Текущие расходы на эксплуатацию ВИД существенно меньше, по сравнению с такими же по мощности электроприводами других типов. Высокая экономическая эффективность ВИД определяется несколькими факторами. Прежде всего, стоимость электрической машины оказывается самой низкой из всех известных конструкций электрических машин. Дорогостоящим в рассматриваемой системе электропривода можно считать преобразователь электроэнергии, который является обязательным элементом всех современных регулируемых приводов. Кроме того цены на изделия силовой электроники по мере развития масштабов производства имеют устойчивую тенденцию к снижению. Исключение из состава ВИД коммутационных аппаратов, для изготовления которых необходима непрерывно дорожающая медь, также способствует уменьшению стоимости. Наконец, экономическая эффективность ВИД повышается также в результате существенно меньшего расхода электроэнергии, обусловленного высоким КПД электродвигателя, а также применением наиболее экономичных стратегий управления в динамических режимах работы. 9. Со времен Генри Форда Старшего известно, что не отказывают только те детали, которых в машине нет. В этом свете понятно, что столь простая конструкция, как электрическая машина ВИД, имеет потенциально существенно более высокую безотказность, чем другие типы электрических машин. Что касается преобразователя электрической энергии, то уже сейчас надежность электронных компонентов существенно превышает надежность механических узлов и деталей. 10. Как электрическая машина, так и электронные блоки ВИД обладают высокой гибкостью компоновки. Не составляет труда изготовление машины с расположением статора как снаружи ротора, так и наоборот, а также встраивание электроники в корпус машины. Изменение коэффициента электромагнитной редукции позволяет создавать машины для облегченных и, напротив, тяжелых условий работы, включая моментные двигатели. Для привода некоторых рабочих машин выгоднее иметь линейные электродвигатели с возвратно-поступательным перемещением якоря. В ряде случаев может быть использована давно известная, но неэффективная в случае асинхронного двигателя конструкция дугостаторной машины, статор которой охватывает доступную для размещения дугу окружности ротора, в качестве которого может использоваться вал рабочей машины или соединенное с ним зубчатое колесо. 11. Простота конструкции электрической машины влечет за собой простоту изготовления. В сущности, для серийного производства ВИД требуется обычное механическое оборудование - штампы для изготовления шихтованных сердечников статора и ротора, токарные и фрезерные станки для обработки валов и корпусных деталей. Трудоемкие и сложные в технологическом отношении операции, например, заливка клетки ротора асинхронного двигателя, здесь отсутствуют. Анализ технологических особенностей ВРД убедительно показывает возможность полной механизации производства (при достаточных его объемах) на основе станков с ЧПУ и сборочных манипуляторов (роботов).
Осциллографирование токов фаз в генераторном режиме работы
Таким образом, в результате экспериментальных исследований были получены значения углов управления фазой индукторного двигателя в генераторном режиме работы при минимальных пульсациях момента и коэффициенте электромагнитного преобразования в пределах 0,5 - 0,53.
Подведем итоги анализа работы ВИП в генераторном режиме: - специфической особенностью получения генераторного режима в ВИП является присутствующий в начале каждого цикла коммутации такт возбуждения фазы от постороннего источника. При ограниченном напряжении источника этот такт может начинаться в зоне генерации двигательного момента и должен заканчиваться к моменту достижения током требуемого значения; - переход к такту рекуперации энергии осуществляется принудительным приложением к обмотке отрицательного напряжения. Для поддержания при этом постоянства тока требуется изменять величину напряжения пропорционально скорости; максимально допустимые значения тормозного момента при высоких скоростях ограничены предельной механической характеристикой, являющейся зеркальным отражением естественной характеристики ВИЇЇ относительно вертикальной оси. Для ее получения необходимо либо снижать уставку токоограничения с ростом скорости, либо принудительно переходить к такту рекуперации (отключать фазу) при угле коммутации, соответствующем половине интервала работы фазы, чтобы обеспечить спадание потока к моменту полного рассогласования зубцов; - поддержание постоянства момента при малых скоростях достигается либо соответствующим уменьшением значения угла включения фазы при неизменном напряжении возбуждения, либо уменьшением напряжения возбуждения при постоянстве угла включения фазы; - ВИП имеет достаточное количество управляющих воздействий для формирования требуемых механических характеристик в тормозном режиме. Выводы по главе. 1. Проведен анализ зависимости коэффициента электромеханического преобразования от способа управления. 2. Рекомендован алгоритм оптимизации способа управления для ВИП разной конструкции и мощности в режимах оптимизации по коэффициенту электромеханического преобразования и по пульсации момента. 3. Сделан вывод о неэффективности генераторного режима при токоограничении. Рекомендуется регулировать момент путем снижения напряжения инвертора, используя преобразователь уровня напряжения. В работе получены следующие основные результаты: 1. Разработана имитационная модель в среде MATLAB, для оценку коэффициента электромеханического преобразования, пульсаций момента, потребляемой и отдаваемой мощности, действующего значения тока фазы при различных способах управления ВИД. 2. Рекомендован алгоритм оптимизации способа управления для ВИД разной конструкции и мощности в режимах оптимизации по коэффициенту электромеханического преобразования и по пульсации момента во всем диапазоне изменения нагрузки и частоты вращения. 3. Анализ работы привода на низких скоростях показал, что для поддержания постоянного момента при работе фазы в токовом коридоре следует изменять угол включения фазы в сторону отставания, либо уменьшать напряжение, подводимое к фазе ВИД, с целью сохранения постоянства момента без режима токового коридора. 4. Предложена структурная схема и алгоритм управления вентильно-индукторным двигателем в генераторном режиме работы. 5. Сравнение результатов моделирования ВИД, его механических характеристик и кривых токов с характеристиками и осциллограммами, полученными экспериментально, подтверждают адекватность созданной имитационной математической модели с погрешностью менее 10%. 6. Рекомендованы желаемые свойства будущих разрабатываемых ВИЛ для задач с торможением и рекуперацией. Для реализации качественного управления требуется микропроцессорная система управления. Соотношение проводимостей максимальной к минимальной должно быть как можно выше.
Определение угла коммутации ВИЛ при достижении максимальной выходной мощности
Сравнение осциллограмм для генераторного режима (рис.4.7) с аналогичными для двигательного режима (рис.3.14) позволяют объяснить отличие механических характеристик генераторного и двигательного режима в области высоких скоростей.
При п = 1500 об/мин момент в генераторном режиме превышает двигательный, хотя ток в двигательном режиме имеет более длительный участок токоограничения. Однако при данном способе коммутации общая длительность протекания тока в генераторном режиме больше, чем в двигательном, что и увеличивает значение тока по сравнению с аналогичным моментом времени для двигательного режима, а также среднее значение отрицательного момента. Как видно из рис.4.П., при опережающем угле включения наблюдается явно выраженный максимум момента в механической характеристике, после чего момент начинает уменьшаться. Это явление описывает рис.4.12. При скорости около 1000 об/мин в конце рабочего этапа цикла коммутации генераторного режима возникает неконтролируемое увеличение тока фазы (рис. 4.1.2). Это объясняется тем, что в генераторном режиме увеличение скорости хотя и уменьшает начальное значение тока для второго такта цикла коммутации и задерживает нарастание тока на этом этапе, но не ограничивает его рост вплоть до уставки токограничения. В результате ток и поток начиная с некоторого момента времени оказываются больше, чем в соответствующий момент двигательного режима. Снижение потока начинается только в момент достижения током значения уставки токоограничения. Но при больших скоростях вращения напряжения источника питания не хватает для быстрой расфорсировки фазы и поток спадает медленнее, чем магнитная проводимость. В результате даже когда к обмотке приложено полное отрицательное напряжение источника питания ток начинает возрастать до тех пор, пока магнитная проводимость не спадет до значения Лты. Такой режим является опасным для силовых ключей и чтобы его избежать, необходимо производить отключение фазы гораздо раньше, из расчета, чтобы поток успел уменьшиться до нуля к моменту полного рассогласования зубцов. Затем при уменьшении скорости (рис.4.12,а) к фазе прикладывается напряжение, пропорциональное скорости вращения. Это объясняет постоянство тока фазы. При дальнейшем уменьшении скорости вращения ИД работа преобразователя реализуется с помощью токового коридора (рис.4.12,6). Попробуем рассмотреть способ двухступенчатой коммутации фазы, когда такт преобразования из механической в магнитную энергию и такт преобразования из магнитной в электрическую энергию не совмещены по времени на рабочем этапе, а специально полностью или частично разделены. Для реализации этого в генераторном режиме требуется изменить алгоритм работы силовых ключей. Если, например, в двигательном режиме регулируется ШИМ верхнего ключа при постоянно включенном нижнем, то в генераторном необходимо регулировать ШИМ либо верхнего, либо нижнего ключа при постоянно закрытом противоположном ключе (см. рис. 4.13). отключается верхний ключ VS1, обмотка оказывается закороченной через остающийся включенным нижний ключ VS2. В диапазоне 1} \ І2 сохраняется предыдущее состояние ключей. Если при закороченной обмотке ток продолжает нарастать, что характерно для зоны с dA/d0 0, и достигает уставки 12, то размыкается и нижний ключ VS2, к фазе через обратные диоды VD1 и VD2 прикладывается отрицательное напряжение и ток начинает спадать. При і 13 нижний ключ VS2 замыкается, что отключает от фазы обмотки отрицательное напряжение и вызывает повторное нарастание тока. Если провести аналогии с традиционной классификацией тормозных режимов, то в возбужденной и закороченной обмотке будет аналог режима динамического торможения, при приложении к обмотке положительного напряжения и dA/d9 0 - аналог торможения противовключением, а основной режим торможения при Un 0 и dA/d9 0 - рекуперативный. На рис.4.14 показано изменение на фазовой плоскости величин в процессе двухступенчатой коммутации фазы. При полном разделении тактов преобразования энергии (рис.4.14,а) возбуждение фазы производится на участке A=AMAx=const, что обеспечивает отсутствие преобразования запасаемой магнитной энергии в электрическую. На протяжении всего рабочего этапа обмотка остается закороченной, поэтому такт преобразования запаса магнитной энергии в электрическую протекает без дополнительного обмена с источником электроэнергии.
