Введение к работе
Актуальность темы.
Электроприводы постоянного тока, несмотря на ряд присущих им недостатков и успешное развитие электроприводов переменного тока, широко используются в промышленности и на транспорте. В настоящее время актуальны вопросы исследования и разработки электроприводов, применяемых в пневмо-колесном и электрическом транспорте. Электроприводы с двигателями постоянного и переменного тока, в сочетании с тепловыми двигателями, позволяют создавать экономичные, надежные, экологичные, маневренные транспортные средства для применения практически во всех областях промышленности.
Двигатели постоянного тока параллельного, последовательного и смешанного возбуждения (далее: ДПТ ПРВ, ДПТ ПСВ, ДПТ СВ) в промышленных установках применяются там, где нужно получить большой пусковой момент и его плавное снижение по мере увеличения скорости - в электрическом транспорте, грузоподъёмных механизмах, кранах и т.п. В приводах ДПТ ПСВ, как правило, используются схемы управления напряжением на двигателе (с полупроводниковым управляемым источником питания) или реостатные схемы с изменением потока возбуждения, характеризующиеся большими потерями энергии. Как правило, эти электрические приводы работают в условиях питания от сети неограниченной мощности.
Используемые режимы управления и регулирования недостаточно экономичны и оптимальны, что сопровождается перерасходом электроэнергии.
Таким образом, стоит проблема оптимизации режимов регулирования и управления электроприводов с применением современных средств электроники, математического моделирования и вычислительной техники.
Одна из проблем оптимизации регулирования скорости ДПТ ПРВ, ДПТ ПСВ и ДПТ СВ связана с нелинейностью электродвигателя как объекта регулирования. При регулировании скорости путем изменения напряжения в этих приводах одновременно изменяется и ток возбуждения. Эта проблема является общей для всех приводов такого типа, независимо от того, в каких областях техники они применяются. Вторая проблема, связанная с оптимизацией регулирования скорости, заключается в том, что магнитная цепь электродвигателя является нелинейным объектом при регулировании тока возбуждения в широких пределах. Третья проблема связана со спецификой автономного пневмоко-лесного и железнодорожного транспорта с тепловыми двигателями. Часто в транспорте используются двигатели смешанного возбуждения. В отличие от электротранспорта, получающего энергию от электросети, мощность которой во много раз больше потребляемой электроприводом мощности, в автономном транспорте регулирование электропривода производится в условиях ограниченной мощности теплового двигателя.
Объект исследования: управляемые электроприводы постоянного тока.
Предмет исследования: тиристорные регуляторы скорости электроприводов постоянного тока ПРВ, ПСВ и СВ.
Цель работы: Синтез, разработка и исследование оптимальных регуляторов скорости электроприводов постоянного тока параллельного, последовательного и смешанного возбуждения с питанием от тиристорного преобразователя для двух практически важных случаев: а) в условиях работы с сетью бесконечной мощности; б) в условиях работы с сетью ограниченной мощности автономных транспортных средств. Рассматривается регулирование напряжения на выходе преобразователя путем изменения угла отпирания тиристоров.
Задачи исследования:
синтез, разработка и исследование на основе моделирования оптимальных регуляторов скорости ДПТ параллельного возбуждения в условиях подключения тиристорного преобразователя к сети неограниченной мощности;
синтез, разработка и исследование на основе моделирования оптимальных регуляторов скорости ДПТ последовательного возбуждения в условиях подключения тиристорного преобразователя к сети неограниченной мощности и с учетом нелинейной кривой намагничивания двигателя;
реализация синтезированных регуляторов в разработанных электрических схемах;
оптимизация регулирования скорости ДПТ смешанного возбуждения в электрических трансмиссиях автономных транспортных механизмов.
Методы исследования:
Теория электропривода, теория автоматического управления, методы оптимизации, метод пространства состояний, методы линеаризации нелинейных задач, методы моделирования в среде МатЛаб Симулинк.
Научная новизна.
Впервые с применением современных компьютерных методов оптимизации и моделирования решен комплекс задач оптимального регулирования скорости электроприводов постоянного тока параллельного, последовательного и смешанного возбуждения, которые являются нелинейными объектами.
Синтезирована и реализована электрическая схема универсального модального регулятора скорости ДПТ параллельного и последовательного возбуждения.
На основе моделирования в среде МатЛаб Симулинк предложены способы регулирования скорости автономных транспортных механизмов в режимах: постоянства пускового момента, постоянства потребляемой ДПТ мощности и ограничения частоты вращения в соответствии с предельной и частичной характеристиками регулирования тягового ДПТ, являющегося нелинейным объектом.
На защиту выносятся.
Алгоритмы синтеза методом минимизации квадратичного функционала и разработанные на основе этих алгоритмов оптимальные модальные регуляторы скорости электроприводов постоянного тока параллельного, последовательного и смешанного возбуждения, обладающих нелинейными характеристиками, с питанием от тиристорных преобразователей.
Методика синтеза в среде МатЛаб Симулинк регуляторов скорости электроприводов транспортных машин в режимах: постоянства пускового момента, постоянства потребляемой ДПТ мощности и ограничения частоты вращения в соответствии с предельной и частичной характеристиками регулирования тягового ДПТ, являющегося нелинейным объектом.
Практическая значимость.
Ценность разработанных методик состоит в возможности применения для решения прикладных задач электропривода. Разработанные оптимальные модальные регуляторы скорости ДПТ в различных режимах управления по цепи якоря и возбуждения и их схемные реализации могут быть применены в электрических трансмиссиях транспортных механизмов и в учебном процессе вузов на кафедрах электропривода и автоматизации промышленных установок и технологических комплексов.
Степень достоверности и обоснованности научных положений подтверждается правомерностью принятых исходных положений и предпосылок, корректным применением методов исследования, применением классических методов теории автоматического управления и теории электропривода, корректным симулированием в среде МатЛаб.
Личный вклад соискателя. В публикациях соискателю принадлежит постановка задачи, проведение моделирования, разработка электрических схем, анализ полученных результатов.
Апробация работы.
Основные результаты диссертации докладывались на 15, 16, 17, 18 и 19 Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» в г. Казани, на аспирантско-магистерских конференциях КГЭУ в период с 2002 года по 2008 год.
Публикации.
