Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Для большинства современных регулируемых электроприводов (ЭП) основными требованиями являются высокая точность и плавность регулирования скорости при обеспечении требуемого запаса устойчивости переходных процессоц. Этим требованиям удовлетворяет ЭП постоянного тока, который до конца 80-х - начала 90-х годов составлял основную часть регулируемого ЭП. Причем около 2/3 всех регулируемых двигателей постоянного тока (ДПТ) составляют двигатели малой мощности -до 10 кВт. Однако наличие коллектора и щеточного узла, обладающих пониженной надежностью, делает в некоторых случаях нежелательным, а в некоторых - невозможным применение двигателя постоянного тока.
Одним из путей улучшения показателей ЭП является применение бесконтактного двигателя постоянного тока (БДПТ). БДПТ представляет собой электромеханическую систему, содержащую полупроводниковый преобразователь электрической энергии (ППЭ), синхронный двигатель с постоянными магнитами (СД с ПМ) и датчик положения ротора (ДПР). По сравнению с двигателями постоянного тока СД с ПМ обладают рядом достоинств, основными из которых являются: меньший момент инерции, лучшие массогабаритные показатели, хороший отвод тепла вследствие расположения обмотки якоря на статоре.
В Республике Беларусь применение БДПТ пока не приобрело массового характера. Это объясняется высокой стоимостью иностранных двигателей и отсутствием отечественных. Для удовлетворения возрастающей потребности в СД с ПМ для БДПТ целесообразно использовать конструкцию серийного асинхронного двигателя (АД), особенно при единичном и мелкосерийном производствах, тем более, что в силу широкого проникновения регулируемого ЭП в различного рода механизмы, требующего зачастую индивидуального подхода к проектированию двигателей, возникает потребность именно в двигателях единичного и мелкосерийного производства.
Проектирование СД с ПМ на известном листе статора АД до последнего времени осуществлялось, в основном, макетно-экспериментальным методом, что значительно увеличивало сроки разработки электропривода.
Важнейшим этапом проектирования электропривода является исследование его статических и динамических характеристик. Такие особенности БДПТ, как несинусоидальность распределения магнитной индукции в зазоре СД с ПМ и дискретность питания фаз при различных законах управления ключами ППЭ, не позволяет использовать известные модели систем "преобразователь частоты-двигатель переменного тока".
Для расчета электромагнитных и электромеханических процессов в БДПТ, описываемых сложной математической моделью, содержащей большое число уравнений, необходима разработка имитационной модели БДПТ на осно-
ве современного программного обеспечения.
Отмеченное позволяет считать тему диссертационной работы, направленную на совершенствование методов расчета БДПТ, актуальной.
Связь работы с крупными научными программами, теліалш. Работа выполнялась в соответствии с темами научію-исследовательскпх работ:
№ ГР 1996488 "Провести теоретически!.- и экспериментальные исследования її разработать электропривод на основе Сч*сконтактного двигателя и разработать рекомендации по его применению для автономных транспортных и промышленных установок", 1996 г.;
№ ГР 19981271 "Провести теоретические исследования электропривода на основе вентильных двигателей с векторным управлением и разработать рекомендации по их применению в Республике Беларусь", 1998 г.;
№ ГР 2000955 "Исследование электропривода с вентильным двигателем без механического датчика положения ротора", 2000 г.
Цепь и задачи исследовании. Цель диссертационной работы состоит в совершенствовании методов расчета бесконтактных двигателей постоянного тока.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
-
Анализ выполненных научных исследований по бесконтактным двигателям постоянного тока.
-
Разработка методики автоматизированного проектирования СД с ММ для БДПТ на основе конструкции серийных АД.
-
Разработка полной математической модели электромеханической системы БДПТ.
4. Разработка имитационной модели электромеханической системы
БДПТ.
-
Выявление преимуществ замены треугольной диаграммы скорости на трапецеидальную в режиме малых перемещений позиционного электропривода.
-
Разработка методики синтеза системы автоматического управления током тягового электропривода на базе БДПТ.
-
Экспериментальные исследования БДПТ.
Объект и предмет исследовании. Бесконтактный двигатель постоянного тока.
Методология и методы приведенного исследования. Для решения поставленных задач использовалась теория электрических машин, теория электропривода, теория полупроводниковых преобразователей, теория автоматического управления, а также численные методы решения дифференциальных и алгебраических уравнений. Проверка результатов теоретических исследований осуществлялась с помощью имитационного моделирования и экспериментальными исследованиями на лабораторной установке.
Научная повита и значимость полученных результатов.
Предложена рациональная классификация вентильных двигателей, в основу которой положен принцип управления положением вектора намагничивающей силы якоря.
Предложена методика автоматизированного проектирования СД с ПМ на основе серийного АД, позволяющая сократить время проектирования и повысить его точность.
Предложена полная математическая модель БДПТ, учитывающая дне-, кретпый характер питания фаз СД с ПМ и различные законы управления ключами ппэ.
Предложена оригинальная имитационная модель БДПТ, позволяющая осуществить анализ электромагнитных и электромеханических процессов.
Предложена методика синтеза системы управления током тягового электропривода на базе БДПТ, основанная на линейной аппроксимации характеристики постоянства мощности, отличающаяся от известных учетом влияния индуктивности якоря СД с ПМ на механические характеристики.
Научная значимость диссертации состоит в том, что она вносит вклад в расширение и углубление теории бесконтактных двигателей постоянного тока и методов управления ими.
Практическая значимость полученных результатов.
Методика автоматизированного проектирования СД с ПМ может быть использована на предприятиях электротехнической промышленности республики Беларусь при проектировании СД с ПМ для БДПТ.
Имитационная модель позволяет проводить разносторонние исследования электромеханической системы БДПТ при проектировании электропривода на базе БДПТ для различных машин и механизмов, в частности, для позиционного и тягового электроприводов.
Разработанные в работе математическая и имитационная модели исполь-, зуются при выполнении госбюджетных НИР и внедрены в учебный процесс кафедры "Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов" при курсовом и дипломном проектировании студентами специальности "Автоматизированный электропривод".
Экономическая значимость диссертации определяется возможностью получения коммерческой выгоды от реализации программного обеспечения организациям и предприятиям, занимающимся проектированием и эксплуатацией БДПТ.
Оспоеные положения, выносимые па защиту.
Автором заншщцются:
-
Метод:пса автоматизированного проектирования СД с ПМ па базе конструкции серийного АД.
-
Математическая модель электромеханической системы БДПТ.
-
Имитационная модель электромеханической системы БДПТ.
-
Методика синтеза комбинированной системы автоматического управления током тягового электропривода на базе БДПТ.
Личный вклад соискателя. Научные и практические результаты диссертации, положения, выносимые на защиту, разработаны и получены лично автором или при его основном участии.
Апробации результатов диссертации. Материалы диссертационной работы докладывались и получили положительные отзывы на 52-й международной научно-технической конференции профессоров, преподавателей, научных работников, аспирантов и студентов Белорусской государственной политехнической академии (Минск, 1997), на XI симпозиуме "Микромашины и сервопривода" (Мальбор, "Польша, 1998), международной научно-технической конференции «Автоматический контроль и автоматизация производственных процессов» (Минск, 1998), на 53-й международной научно-технической конференции профессоров, преподавателей, научных работников и аспирантов Белорусской государственной политехнической академии (Минск, 1999), на VII! симпозиуме "Фундаментальные проблемы силовой электроники и электромеханики" (Висла, Польша, 1999), на XXXVI симпозиуме "Испытания, диагностика, моделирование электрических машин" (Вроцлав, Польша, 2000).
Опубликовинность результатов. Основные положения диссертации опубликованы в 2-х статьях в журнале "Энергетика", 3-х статьях на международных конференциях и 3-х тезисах докладов в сборниках трудов научно-технических конференций. Всего объем опубликованных материалов составляет 45 страниц.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из общей характеристики работы, пяти глав, заключения, списка используемых источников и приложения. Полный объем диссертации составляет 197 страниц, в том числе 123 рисунка на 69 страницах, 27 таблиц па 14 страницах, 2 приложения на 7 страницах и список использованных источников из 91 наименования на 6 страницах. '
