Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Управление процессами электромеханического преобразования энергии в веттшьно-индукторном двигателе .
1.1 Структуры систем управления регулируемых приводов
1.2 Особенности конструкции индукторной машины
1.3 Функциональная схема вентильно - индукторного двигателя
1.4 Алгоритмы коммутации фаз ВИД 24
1.4.1 Связь между частотой возбуждения фаз ВИД и частотой вращения ротора 26
1.4.2 Токи обмоток ИД 27
1.4.3 Электромагнитный момент в ВИД зо
1.4.4 Кривая изменения мгновенного момента фазы ВИД 33
1.5 Математические модели вентильно-индукторного двигателя 34
1.6 Выводы 39
Глава 2 Анализ процессов преобразования энергии в ВИД
2.1 Общие положения 41
2.2 Основные положения теории электромеханического преобразования энергии в ВИД 43
2.2.1 Влияние насыщения 46
2.3 Анализ процессов изменения тока фазы в процессе коммутации 49
2.3.1 Включение фазы и формирование переднего фронта тока 53
2.3.2 Рабочий этап цикла коммутации 55
2.3.3 Выключение фазы, и формирование заднего фронта тока 59
2.4 Выводы 65
Глава 3 Анализ колебаний электромагнитного момента ВИД
3.1 Причины вызывающие пульсации момента 57
3.2 Исследование колебаний электромагнитного момента на математической модели ВИД 70
3.2.1 Линейная модель ВИД 72
3.3 Исследование колебаний электромагнитного момента с помощью линейной уточненной модели ВИД 75
3.4 Выводы 84
Глава 4 Способы уменьшения колебаний электромагнитного момента ВИД
4.1 Метод формирования фазных токов включенных обмоток обеспечивающихся постоянство ЭМ момента 85
4.2 Описание вычислительного алгоритма (метод хука-дживса) 90
4.3 Использование экспериментальных характеристик ВИД для уточнения моделей двигателя 95
4.4 Оптимизация управления из условия минимума потерь 100
4.5 Оптимизация управления по минимуму напряжения питания 103
4.6 Система управления ВИД 108
4.7 Выводы 113
Заключение 114
Список литературы 117
Приложения 125
- Математические модели вентильно-индукторного двигателя
- Основные положения теории электромеханического преобразования энергии в ВИД
- Исследование колебаний электромагнитного момента с помощью линейной уточненной модели ВИД
- Использование экспериментальных характеристик ВИД для уточнения моделей двигателя
Введение к работе
В настоящее время одним из наиболее динамично развивающихся типов электромеханических преобразователей энергии (ЭМП) являются бесконтактные вентильные машины, к которым относятся и вентильно-ин-дукторные двигатели (ВИД).
ВИД имеют простую конструкцию, благодаря которой они исключительно надежны, долговечны и технологичны; хорошо приспособлены для работы во взрывоопасных и агрессивных средах при повышенной температуре; покрывают большой диапазон мощностей и обеспечивают глубокое регулирование частоты вращения, что обусловлено применением микропроцессорных регуляторов; имеют высокие энергетические показатели, в следствие пренебрежимо малого уровня потерь в роторе. Использование в ВИД полупроводниковых преобразователей в силу общемировых тенденций удешевления электронной техники не приводит к непомерному росту их стоимости. Совместное рассмотрение цен на полупроводниковую технику и материалы, используемые при производстве ВИД, позволяет говорить о высоких экономических показателях данного класса ЭМП.
Высокие энергетические, экономические и технологические показатели позволяют ВИД все более успешно конкурировать с другими типами машин (двигателями постоянного тока, асинхронными и синхронными двигателями).
Области применения ВИД широки и разнообразны. Они могут быть использованы в электроприводах компрессоров, насосов, вентиляторов, стиральных машин, кухонных комбайнов и электроинструмента. Органическое объединение электромеханического звена и управляемого полупроводникового инвертора уже сегодня делает возможным создание на основе ВИД универсальных электроприводных комплексов, которые находят широкое при-
менение в станкостроении, авиационно-космических системах, судовой технике, робототехнике, передовой технологии и медицине [83]. Одним из наиболее широких и важных применений ВИД в перспективе будет создание электромобильного транспорта. Существует прогноз, что через 20-40 лет на смену традиционному автомобилю придет электромобиль, оснащенный компактным источником электроэнергии и приводным вентильно-индукторным двигателем с микропроцессорной системой управления. В будущем ВИД, ин-тегрируясь с информационно-управляющими системами, обеспечат основу создания информационно-энергетических комплексов с дальнейшей их трансформацией в сложные агрегативные системы преобразования энергии, вещества, информации.
Первый ВИД был построен Дэвидсоном в Шотландии в 1838 году. Однако, в силу несовершенства существовавшей тогда элементной базы, широкого распространения вентильно-индукторные машины в те времена не получили. Современные достижения в области полупроводниковой техники, и прежде всего в создании силовых полупроводниковых ключей, а также микроконтроллеров и цифровых систем, способных реализовывать сложные алгоритмы управления, создало предпосылки для бурного развития ВИД.
Ведущие компании мира занимаются их разработкой и выпуском. Так, фирма Task Drives осуществляет серийный выпуск ВИД мощностью от 10 Вт до 200 кВт. Ведутся испытания машин мощностью до 300кВт с базовой скоростью от 500 до 1500 об/мин. Некоторые компании объявили о разработке ВИД малых мощностей со скоростями до 100000 об/мин. Для электромашинных усилителей аэрокосмической промышленности разрабатываются машины с номинальными данными 90 кВт и 50000 об/мин [84].
Научные работы по ВИД проводятся в разных странах мира в течение более чем двадцати последних лет. За это время были достигнуты большие
успехи по расчету магнитного поля, характеристик, разработке способов управления. Однако до сих пор нет полного понимания процессов, происходящих в ВИД, не существует точной математической модели, не разработаны эффективные методы проектирования. Причиной тому являются ряд особенностей ВИД: относительно высокое насыщение магнитной цепи; резко несинусоидальный характер изменения тока, потока и напряжения; многообразие режимов регулирования частоты вращения. Одним из недостатков ВИД является колебание его электромагнитного момента, создающее сильной акустический шум, что создает серьезные препятствия для более широкого использования ВИД в промышленных и бытовых механизмах.
Имеющиеся способы снижения колебаний недостаточно эффективны и могут быть применены лишь для отдельных видов двигателей. Одной из основных задач данного диссертационного исследования является разработка общего, эффективного метода снижения колебаний электромагнитного момента и создание соответствующей системы управления.
Одной из важнейших характеристик ВИД, позволяющей оценить возможность его использования в следящих системах, является уровень пульсаций электромагнитного момента. Значения пульсаций момента в двигателях определяются соответствием форм распределения МДС обмотки и индукции воздушном зазоре по расточке статора. Формы распределения МДС и индукции зависят от типа электрической машины, принципа формирования электромагнитного момента [29].
В таблице приведены некоторые особенности регулируемых электроприводов и характерные или перспективные области их применения.
Таблица 1
опорные
Электропривод
асинхронный
постоянного тока
оЯкства Отличные регулиро- возможность работы от вочные возможности жги переменного тока.
Развитые схемотехника и программное обеспечение
вентильно-индукторный
Простота, технологичность, низкая стоимость машины. Высокая надежность. Большие моменты при низких скоростях.
С машинами на постоянных магнитах
Хорошие энергетические и массогабаритные пока затели
хггатки
Трудоемкая и мате-риалоемкая дорогая машина Необходи-мостьобслуживания
Сложность обеспечения высокой надежности. Относительно высокая стоимость
Сложные алгоритмы управления. Недостаточно разработанное программное обеспечение
Высокая стоимость машины. Маломощные ЭП
тгіочтитель> Многодвигательные применения ЭПтехнологических пиний по систем легочник тока-двига-гели. Система Г-Д
Общепромышленный ЭП широкого применения
Легкие транспортные средства. Автомобильные стартер-генера-горы. Общепромышленный Эп. оьгговая техника. Низкоскорост-ные и высокоскоростные ЭП.
Станки, роботы, бытовая техника
В. 1 Актуальность темы
Важное место в современных электротехнических системах занимают электроприводы (ЭП) с электронным управлением. В настоящее время доля их выпуска быстро возрастает. Их применение позволяет снижать потребление электроэнергии, увеличить производительность и расширить функциональные возможности производственного оборудования, а также, в ряде случаев, существенно повысить его надежность.
В 80-х годах в ряду приводов появился вентильно-индукторный двигатель (ВИД), который в зарубежной литературе он встречается с названием SRM (Switched Reluctance Motor).
Конструктивно ВИД аналогичен реактивному шаговому двигателю, питание обмоток двигателя от коммутатора с обратной связью по положению ротора обеспечивает высокие технико-экономические показатели ВИД и позволяет применять его в качестве управляемого электродвигателя в широком диапазоне мощностей. От традиционных конструкций электрических машин его отличает повышенная надежность, обусловленная отсутствием обмоток на роторе и применением для возбуждения полюсов статора простых и надежных сосредоточенных обмоток, не имеющих пересечений смежных катушек в лобовых частях. По простоте устройства и надежности ВИД
превосходит асинхронный двигатель (АД), трудоемкость его изготовления в 1,5...2 раза меньше, чем у АД. При этом КПД у ВИД на 2-5% выше. В сравнении с синхронными вентильными двигателями с электромагаитным возбуждением или возбуждением от постоянных магнитов (ПМ) ВИД конструктивно проще и надежнее, стоимость его существенно ниже. Характеристики ВИД находятся на уровне характеристик вентильных двигателей с ПМ. Диапазон мощностей создаваемых ВИД сегодня достаточно широк: от единиц Вт до сотен кВт.
В связи с вышеизложенным создание ЭП с ВИД, обладающих улучшенными технико-экономическими показателями и позволяющих создавать энергосберегающие технологии, является актуальной научно-технической задачей.
Интерес к реактивным индукторным двигателям в настоящее время вышел за рамки теоретических споров о месте ВИД среди регулируемых электрических машин. В настоящее время разработкой и внедрением их в новые сферы рынка занимаются практически все ведущие электротехнические компании -OULTON (Великобритания), EMERSON ELECTRIC, TRW, DANA, General Electric Company (США) и др. Ндд технологией проектирования и вопросами управления этих машин работают ученые ведущих университетов США, Великобритании, Германии и др. В России работы в этом направлении наиболее активно ведутся в Южно-Российском государственном техническом университете (ЮРГТУ), в Московском энергетическом институте (техническом университете), Всероссийском электровозостроительном научно-исследовательском и проектно-конструкторском институте (ОАО "ВЭлНИИ"), Ростовском государственном университете путей сообщения и др.
Есть основания полагать, что в ближайшее время вентильно-индукторные приводы составят серьезную альтернативу имеющимся электроприводам традиционных типов.
Однако, несмотря на простоту конструкции, проектирование ЭП с ВИД отличается спецификой, обусловленной двухсторонней явновыраженной зубчатостью магнитной системы и значительным влиянием насыщения зубдового
слоя на электромагнитные процессы. Несмотря на большое количество патентов и публикаций, посвященных ЭП с ВИД, вопросы компьютерного моделирования процессов в системе «реактивный индукторный двигатель-преобразователь частоты-блок управления» (ВИД-ПЧ-БУ), выбора структуры и геометрии зубцового слоя РИД, а также оптимизационного проектирования, разработки алгоритмов питания обмоток и работы коммутатора, обеспечивающих высокие технико-экономические показатели и снижение пульсаций электромагнитного момента, не получили достаточного развития. Отсутствие методик проектирования и компьютерных моделей, позволяющих на уровне мгновенных значений электромагнитных величин с высокой точностью определять функциональные параметры ЭП с ВИД, и, как следствие, неразработанность указанных проблемных вопросов, в значительной степени сдерживают широкое внедрение этих двигателей в практику электромашиностроения и современные электротехнические комплексы.
R 2 Цель работы
Целью работы является разработка методов снижения колебаний электромагнитного момента вентильно-индукторных электроприводов и создание системы управления ВИД, реализующих эти методы.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
Анализ процессов преобразования энергии в вентильно-индукторных двигателях.
Исследование причины возникновения колебаний электромагнитного момента.
Разработка способов минимизации колебаний электромагнитного момента.
Создание математической модели ВИД, позволяющий исследовать процессы электромеханического преобразования энергии в двигателе.
Исследование на модели систем управления ВИД реализующих предложенные способы уменьшения колебаний электромагнитного момента, с учетом
нелинейности магнитной системы и ошибок в измерении углового положения ротора. Разработка структур систем управления, реализующих разработанные методы.
Методы исследований. Исследования проведены с использованием следующих методов:
Численные методы решения нелинейных алгебраических уравнений - для расчета цепных схем замещения магнитной системы двигателя;
Численные методы решения дифференциальных уравнений - для расчета электромагнитных процессов в вентильно-индукторном электроприводе.
Методы аппроксимация с помощью сплайн функций - для расчета составляющих формы тока.
Теория оптимизации - для расчета желаемого момента.
Компьютерные моделирования.
В. 3 Практическая ценность и значение работы
Разработана компьютерная модель ЭП с ВИД, которая позволяет проводить исследование ВИД с улучшенными технико-экономическими показателями.
Выработаны рекомендации по выбору углов включения и отключения фазных обмоток двигателя, обеспечивающих максимальную эффективность электромеханического преобразования энергии.
Предложен метод аппроксимации кривых тока произвольной формы с помощью В-сплайн функций.
Разработана методика уменьшения пульсаций электромагнитного момента и предложена структура систем управления ВИД, позволяющие создавать электроприводы с улучшенными техническими характеристиками.
Математические модели вентильно-индукторного двигателя
Решение уравнения ЭДС вентильного индукторного двигателя, представленного в форме (111), может быть выполнено методами численного интегрирования. Однако, нелинейные функции у/{в,і) или Ь(в,г) в аналитической форме выразить достаточно сложно.
В настоящее время существуют два подхода к созданию математической модели. Первый из них связан с приближенным аналитическим анализом магнитной цепи. Здесь возможна кусочно - линейная аппроксимация кривых зависимости потокосцепления обмотки от протекающего в ней тока для различных угловых положений ротора, кроме того, часто используются, приближенные функции, аппроксимирующие реальные кривые потокосцеплений [66]; функции Фрелиха, квадратичные функции, ряды Фурье [40].
Исходной информацией для работы такой модели является семейство характеристик намагничивания, хранящееся в памяти ЭВМ в форме матрицы. Однако использование дифференциальной индуктивности предполагает применение численных методов, что сопровождается относительной трудоемкостью при их программировании.
Использование понятия линеаризованной индуктивности приводит к получению более простых уравнений модели (сравнительно меньшее число итерационных процедур) обеспечивает простоту программирования и более высокую, чем у традиционных моделей, скорость вычислений.
Точность модели и скорость работы алгоритма, реализующего модель, зависят от степени дискретизации, тем выше точность, но меньше скорость расчета. Программа позволяет моделировать такие алгоритмы управления, как ШИМ тока, ШИМ напряжения, фазовое регулирование, а также некоторые нетрадиционные алгоритмы.
На рис. 1.23а., представлена одна из наиболее распространенных схем питания фазы обмотки ВИД, содержащая источник напряжения, два транзисторных ключа SVi, SV2 и два обратных диода Дь Дг, а также конденсатор С, выполняющий функцию фильтра и накопителя энергии для обмена ею с обмоткой через обратные диоды [34, 40]. На рис. 1.236, изображена соответствующая расчетная схема замещения фазы обмотки ВИД, где Ro - внутреннее сопротивление источника питания; R и L - сосредоточенные параметры фазы обмотки ВИД (активное сопротивление и индуктивность). Для исследования процессов преобразования энергии в ВИД используется модель ВИД, изображенная на рис. 1.23 [34]. В электроприводах с ВИД преобразователь и двигатель образуют единую неразделимую электромеханическую систему. Процесс преобразования энергии в двигателе зависит от режима работы преобразователя. В свою очередь, режим работы двигателя также влияет на работу преобразователя. Таким образом, математическое моделирование системы должно охватывать и ВИД, и блок управляемых силовых ключей. Тем не менее, электромагнитные процессы в ВИД можно с достаточной точностью рассматривать независимо от преобразователя, если принять допущение о постоянстве амплитуды напряжения на выходе преобразователя, которое определяется напряжением звена постоянного тока преобразователя. Такое допущение открывает возможность создания достаточно достоверной математической модели ВИД, которая может быть применима не только для анализа электромеханических процессов и расчета характеристик, но и для проектирования двигателя и преобразователя [40].
Согласно теории электрических цепей, процессы в схеме рис. 1.236, описываются системой уравнений [34]: Приведем уравнения (1.14) к форме Коши, удобной для использования стандартных пакетов прикладных программ при решении систем дифференциальных уравнений:
Законы управления, найденные с помощью методов теории оптимального управления по математической модели электропривода с учетом электромагнитных и электромеханических переходных процессов, являются сложной функцией многих переменных.
Современный подход к проектированию ВИД предполагает создание математических моделей, которые могут быть легко адаптированы к использованию в программных пакетах САПР. Одно из самых важных требований к таким моделям - простота их программирования и обеспечение высокой скорости вычислений. Скорость вычислений особенно важна, поскольку при выполнении оптимизационных расчетов (обычно организованных циклически) обращение к блоку программы, выполняющему расчет характеристик (таких как средний момент, мощность на валу, КПД и т. п.) по математической модели, может осуществляться сотни раз [34].
Рассматриваемая математическая модель ориентирована именно на выполнение этих двух требований. Исходными данными для модели являются характеристики магнитной цепи машины, которые определяются с помощью расчета в двумерном пространстве магнитного поля методом конечных элементов.
В работе [41,42] использован опыт расчетов индукторного двигателя (ИД) для шагового и вентильного электропривода, накопленный научными коллективами кафедр АЭП и электромеханики МЭИ [33, 37, 40, 42].
Основные положения теории электромеханического преобразования энергии в ВИД
Как известно, для ВИД характерна очень слабая магнитная связь между фазами [12,40, 74], что позволяет при определенных условиях рассматривать их действие независимо друг от друга. В предыдущий главе получены условия согласованного изменения скорости, напряжения и утла включения фазы, обеспечивающие постоянство тока и, следовательно момента, развиваемого каждой фазой на рабочем этапе цикла коммутации, поскольку для него dM.9)ld0 = const Этот режим является оптимальным с точки зрения использования силовых ключей инвертора, он также обеспечивает минимум электрических потерь [37].
Однако постоянство момента, создаваемого каждой фазы на ее рабочем этапе не является достаточным условием для отсутствия пульсаций суммарного момента, поскольку на этапах включения и отключения каждая фаза также развивает момент. Эти добавочные моменты, складываясь с моментом работающей фазы, вызывают пульсации суммарного момента рис.3.1. При одиночной коммутации фаз и относительно низких скоростях вращения длительность интервалов увкд и уотх может быть много меньше интервала работы угвві поэтому и токи одновременно протекают в двух соседних фазах только на этих интервалах рис3.1,а. В такой ситуации задача исключения пульсаций суммарного момента разделяется на две части. Во-первых, необходимо обеспечить у = утж и согласованное изменение токов івкл и готк так, чтобы М +Мотх =MZ= М , где М - заданное значение момента. Во - вторых, необходимо обеспечить постоянство тока во включенной фазе на интервале работы.
При высоких скоростях, интервал уотх »увкл у , т. е. фактически исчезает участок автономной работы одной фазы рис.3.1,6. Более того, переход от одиночной коммутации к комбинированной с целью увеличения среднего значения момента и отдаваемой мощности приводит к отключению предыдущей фазы несколько позже включения последующей. Появляются интервалы, на которых токи протекает одновременно в трех фазах. Заметим, что стремление получить максимальную мощность за счет увеличения интервала работы фазы приводит к увеличению амплитуды колебаний момента. Такой режим не является рациональным как с точки зрения пульсаций момента, так и с точки зрения установленной мощности инвертора [ 35, 36 ].
Отсюда следует, что одна из причин колебаний электромагнитного момента состоит в неправильном выборе моментов включения и отключения обмоток ВИД. Дополнительным фактором является то, что при обычно используемом опережающем угле включения фазы проводимость магнитной цепи у включаемой фазы много меньше, чем у отключаемой. Это вызывает более быстрое нарастание тока при включении фазы, чем его уменьшение при отключении. Это может приводить к созданию тормозного момента отключаемой фазой на интервале dK(0)/de 0. Кроме того, на этапе включения значение dA(0)/d0 = var, а на этап отключения - либо dK{&)lde - const, либо
Указанное обстоятельство не позволяет обеспечить условие Mz = const за счет выполнения равенства івюі + іотк - і . Анализ уравнений электромагнитного момента ВИД показывает, на его величину оказывают влияние форма фазных токов, знак и величина производной от индуктивности, а также углы включения и отключения обмоток. Исследование колебаний электромагнитного момента на математической модели ВИД
Многие авторы предлагают динамические модели ВИД с учетом и без учета насыщения магнитной системы [12, 32, 35]. Для учета насыщения требуется либо аналитически, либо экспериментально найти потокосцепление в функции тока и углового положения ротора. Учет насыщения позволяет создать более точную модель двигателя, однако она более сложна, учитывает особенности данного двигателя и его магнитной системы, а потому результаты, полученные с её использованием трудно сравнивать с результатами, полученными другими авторами. В данной работе на первом этапе исследования процессов образования электромагнитного момента, анализа причин возникновения пульсаций, а также методов их устранения используется упрощенная модель ВИД, не учитывающая насыщения магнитной системы. Параметры такой модели могут быть найдены из конструктивных данных машины, таких как число зубцов статора и ротора, ширина этих зубцов, величина воздушного зазора. Для уточнения результатов исследования и формирования законов управления реальным ВИД в главе 4 приводится уточненная модель. В главе 4 приводится модель, учитывающая реальные параметры магнитной системы, которая может быть использована на этапе фор мирования законов управления вентильным реактивным двигателем и уточнения параметров колебаний электромагнитного момента. При составлении модели ВИД без учета влияния насыщения используем следующие допущения: Ток статора при всех его изменениях не вызывает насыщения магнитной системы двигателя. Это позволяет считать поток линейной функцией тока. Магнитная система двигателя симметрична и взаимная индуктивность обмоток статора равна нулю. Магнитная проводимость синусоидально зависит от положения ротора, что с учетом п. 1 позволяет считать индуктивность фазной обмотки также синусоидально зависящей от углового положения ротора. Потери в двигателе отсутствуют. Введенные допущения позволяют получить простые выражения для электромагнитного момента двигателя. Индуктивность фазы двигателя.
Исследование колебаний электромагнитного момента с помощью линейной уточненной модели ВИД
Полученные результаты подтверждают тот факт, что метод фазных составляющих момента дает возможность уменьшить амплитуду колебаний момента двигателя за счет определения формы фазных токов. Результаты зависят от точности аппроксимации желаемой формы кривой В-сплайнами и могут быть улучшены за счет увеличения числа итераций и количества замещающих кривых. Однако улучшение результата ведет к возрастанию времени вычислений.
Полное устранение колебаний момента требует иметь бесконечно большую форсировку напряжения, т.к. ток фазы при ее включении должен мгновенно достигать установившегося значения, чему препятствует индуктивность.
При одновременны работе нескольких фаз уменьшение амплитуды колебаний момента приводит к возрастанию потерь в двигателе, поэтому при проектировании системы управления необходимо четко определить требования к величине пульсаций момента. 4- В работе показано, что приближенная линейная модель ВИД может быть уточнена за счет использования экспериментальных данных, определяющих зависимость магнитной проводимости от углового положения ротора и тока. Такая уточненная модель должна использоваться при построении реальной системы управления ВИД.
ВИД - это относительно новый динамично развивающийся тип электромеханического преобразователя энергии, о перспективах которого специалисты еще не выработали единого мнения.
Отношение к ним среди специалистов далеко неоднозначно и колеблется в диапазоне от полного их неприятия до утверждений о том, что они в перспективе могут заменить все остальные типы электрических машин. Истина скорее всего находится где-то посередине. Нельзя утверждать, что работы по ВИД - пустая трата времени и денег. Но нельзя утверждать и то, что мы можем решить все существующие в электромеханике проблемы. Каждый тип электрической машины имеет свои достоинства и недостатки. Каждый из них имеет свои области применения. ВИД не является здесь исключением. Его появление не случайно. Оно отражает объективную тенденцию развития технических систем, направленную на интеграцию отдельных их элементов.
Проведенные в данной диссертации исследования показали, что за счёт применения более совершенных систем управления может быть устранен или значительно уменьшен один из основных недостатков ВИД - пульсации электромагнитного момента. Несомненно, что решение проблемы пульсаций расширит области применения таких двигателей и приводов на их основе.
Можно выделить следующие основные результаты, полученные в ходе работы под диссертацией. Проведенный анализ показывает,, что в ближайшие годы среди регулируемых ЭП значительную часть будут составлять ЭП с ВИД. Для высокодинамичных ЭП широким регулированием скорости потребуется применение ВИД специальной конструкции со встроенными датчиками углового положения ротора или без них; улучшенными энергетическими показателями и уменьшенными колебания момента. Дальнейшее развитие систем управления приведет к широкому использованию ВИД в составе мехатронных моделей, где до настоящего момента преобладали двигатели постоянного тока. 2. При построении систем управления ЭП целесообразно электродвигатель рассматривать как источник момента. При таком подходе синтез внешних контуров регулирования может осуществляться типовыми методами не зависящими от типа электродвигателя и силового преобразователя. Поэтому, разработка алгоритма управления электродвигателем любого типа должна сводиться к поиску алгоритма регулирования его момента. 3. На основе теории В-сплайн функций разработаны методика и алгоритмы аппроксимации функций произвольной формы. Результаты теоретических исследований подтверждены компьютерным моделированием при помощи пакета SIMULINK MATLAB. 4. Предложена методика определения формы фазных токов ВИД, обеспечивающих отсутствие колебаний электромагнитного момента. Точность расчета в значительной мере определяется точностью паспортных данных ВИД, приводимых заводами - изготовителями. 5. Разработаны алгоритмы определения формы фазных токов при управлении по условию минимума потерь и при минимуме напряжения источника питания ВИД. Их применение позволяет существенно улучшить энергетические характеристики ЭП и снизить колебания момента. 6. Результаты теоретических исследований подтверждены компьютерным моделированием при помощи пакета SIMULINK МАТЬАВ.Предложен вариант реализации системы управления ВИД, которая обеспечивает постоянство момента. Несмотря на большое количество публикации, патентов и данную диссертацию многие вопросы, связанные с ВИД, остаются открытыми. Этот электромеханический преобразователь энергии, как и прежде, дает широкое поле деятельности для проведения дальнейших научных исследований.
Использование экспериментальных характеристик ВИД для уточнения моделей двигателя
Расчет магнитной цепи ВИД предполагает определение семейства кривых намагничивания фазы Ч = (01 . с некоторым шагом по угловому положению ротора в. При этом, чем большее число кривых намагничивания определено при расчете магнитной цепи, тем точнее будут результаты расчета других характеристик двигателя. Среди бесконечно большого числа кривых намагничивания особое место занимают кривые, соответствующие согласованному 0 = 02= 9 и рассогласованному положению фазы в = вх- Gpoceo . Следует отметить, что все остальные кривые на плоскости Ч / располагаются между ними. Поэтому расчет магнитной цепи двигателя необходимо начинать именно с определения этих зависимостей. Расчеты показывают, что для определения кривых намагничивания очень удобно пользоваться зависимостями Ч = 44 )1,= . Найдя аналитические выражения для них, достаточно просто перейти к кривым намагничивания. Именно такой подход реализован в методике, описанной ниже [72]. На первом участке магнитная система ненасыщенна и ферромагнитные части имеют магнитную проницаемость, равную бесконечности. Следовательно, их магнитное сопротивление протеканию потока равно нулю. Таким образом, на этом участке кривой намагничивания вся МДС фазы приложена только к сопротивлению, обусловленному наличием в магнитной системе воздушных зазоров. Функция, описывающая кривую намагничивания, в данном случае имеет вид
Величина Lmsx имеет очень важное значение для проведения дальнейшего расчета магнитной системы и может быть определена как по результатам численного моделирования магнитного поля в машине, так и аналитически
На втором участке кривой намагничивания происходит постепенное насыщение магнитной системы, в результате которого магнитная проницаемость стали снижается, что приводит к существенному росту ее магнитного сопротивления. Особо следует отметить, что данный рост носит нелинейный характер. Поэтому данный участок кривой намагничивания носит название нелинейного участка. Кривая намагничивания здесь аппроксимируется квадратичной функцией, параметры которой должны быть подобраны таким образом, чтобы не было разрывов первой производной на границе участков (при токе / ) и чтобы полученная в результате аналитического расчета кривая проходила через точку ( да /»), которая определяется по результатам полевого расчета. Исходя из этог Для полного определения кривой намагничивания согласованного положения необходимо найти аналитическое выражения для вычисления тока, при котором происходит переход с линейного на нелинейный участок характеристики. Если известна индукция насыщения стали Д , то інас определяется как ток, при котором индукция в воздушном зазоре равна индукции насыщения стали, то есть Геометрический смысл параметров аппроксимирующих функций поясняется рис.п. 1. Таким образом, описанная выше методика позволяет провести аналитический расчет кривой намагничивания согласованного положения по результатам только одного расчета поля при токе lm. Все остальные коэффициенты аппроксимирующих функций определяются аналитически. Кривая намагничивания рассогласованного положения Анализ кривых намагничивания рассогласованного положения, показывает, что эти зависимости в рабочей области токов имеют линейный характер. Это объясняется достаточно большим по сравнению с согласованным положением воздушным зазором и, как следствие этого, его высоким магнитным сопротивлением. В рассогласованном положении практически невозможно достичь насыщение магнитной системы, поэтому кривая намагничивания описывается линейной функцией Данная величина является единственным параметром, знание которого необходимо для определения кривой намагничивания рассогласованного положения. Индуктивность рассогласованного положения, как правило, определяется по результатам полевого расчета. Методика расчета характеристик Ч? = (9)\і=сога, На рис.п.2 представлены зависимости = (0)) =eow/. Рост потокосцепления фазы при изменении угловой координаты ротора от рассогласованного к согласованному положению при постоянстве тока объясняется ростом магнитной проводимости воздушного зазора. Следует отметить, что потокосцепление фазы в рассогласованном положении линейной возрастает с ростом тока, в то время как в согласованном положении потокосцепление фазы увеличивается нелинейно с ростом тока.
