Введение к работе
Актуальность работы. В современном мире регулируемые
электроприводы (ЭП) с асинхронным двигателем (АД) находят применение в большом многообразии сфер народного хозяйства: нефтегазовой, горной, промышленной, а также в космической и военной технике, способной работать в условиях воздействия специальных факторов, которые могут вызывать функциональные сбои работы систем управления. Вопрос надежности ЭП является чрезвычайно важным в большинстве областей применения.
Современный ЭП состоит из информационно-измерительной и
управляющей системы (ИИУС) и АД, который имеет обобщенную структурную схему, изображенную на рисунке 1.
Рисунок 1 – Обобщенная структурная схема современного ЭП
На рисунке 1 приняты следующие обозначения:
АД – асинхронный двигатель, РП – регулятор положения, РС – регулятор скорости, РМ – регулятор момента, ДМ – датчик момента, ДС – датчик скорости, ДП – датчик положения, УМ – усилитель мощности, ИП – источник питания.
Анализ надежности современных ЭП позволил сделать следующий вывод: АД является одним из самых надежных звеньев ЭП. ИИУС в целом, также обладает высокой надежностью, за исключением усилителя мощности, состоящего из силовых ключей (транзисторов), выполняющих роль коммутаторов питания статорных обмоток АД.
Надежность технического объекта любой сложности должна
обеспечиваться на всех этапах его жизненного цикла: от начальной стадии выполнения проектно-конструкторской разработки до заключительной стадии эксплуатации.
ГОСТ 27.002-89 «Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения» устанавливает множество показателей надежности.
Наиболее широко применяемым показателем надежности является наработка до отказа, определяемая по формуле:
( ) 'оад
(1)
где ( ) – интенсивность отказов;
( ) – вероятностью безотказной работы; – средняя наработка до отказа.
Если рассматривать усилитель мощности ИИУС ЭП, то в классической схеме он состоит из шести силовых транзисторов (коммутируемых сигналами управления Uупр), шести быстродействующих диодов и одного конденсатора. На рисунке 2 приведена классическая схема усилителя мощности ИИУС ЭП с АД. Анализ условий работы такого усилителя мощности показал следующие причины выхода из строя:
– неисправности схем управления, приводящие к одновременному включению транзисторов одного плеча (хотя в последнее время появились специальные драйверы, которые сильно снизили вероятность такого события);
– тяжелые условия работы силовых транзисторов – высокие напряжения и большие токи.
0 +
4упрj|
Uупр
Uупрli
uупр|<
Рисунок 2 – Классическая схема усилителя мощност и ИИУС
ЭП с АД
Интенсивности отказов составных элементов усилителя мощности ИИУС следующие:
– силовой транзистор: 0,510-6 1/час;
– диод: 0,210-6 1/час;
– конденсатор до 600 В: 0,02510-6 1/час.
Видно, что силовые транзисторы имеют наибольший показатель интенсивности отказов, соответственно они являются самым слабым звеном усилителя мощности.
У полупроводниковых приборов усилителей мощности постепенные и
внезапные отказы возникают чаще, чем другие виды отказов. Наиболее
характерным изменением параметров полупроводниковых приборов,
приводящим к постепенным отказам, является увеличение обратного тока
диодов и неуправляемых обратных токов коллекторных переходов
транзисторов. Внезапные отказы являются следствием ошибок в конструкции полупроводниковых приборов и нарушения технологии их изготовления. На основе данных о работе полупроводниковых приборов в различных схемах можно считать, что около 80% их отказов являются постепенными.
Для увеличения срока службы силового транзистора, а значит повышения надежности усилителя мощности ИИУС регулируемого ЭП, необходимо увеличить интервал нормальной эксплуатации. Достичь это возможно путем исключения ситуаций работы силового транзистора в предельных условиях, а также за счет облегчения режимов работы.
Следовательно, исследования способов повышения надежности усилителя мощности ИИУС регулируемого ЭП должны быть направлены на решение следующих задач:
-
исключение возможности выхода из строя силового транзистора по причине использования его в неправильном режиме – протекание тока выше допустимого, ведущего к перегреву элемента (например, ситуация сквозных токов открытых транзисторов полумоста);
-
снижение показателя интенсивности отказов за счет облегчения режимов работы (уменьшения коммутируемого силовым транзистором напряжения).
Существует множество способов реализации усилителя мощности ИИУС, позволяющих повысить качество питающего статорные обмотки тока, а также надежность, например, за счет использования быстродействующих контуров защиты. Анализ усилителей мощности, показал, что ни один усилитель мощности не исключает физическую возможность возникновения сквозных токов силовых ключей, а значит не дает 100% гарантии защиты силового блока (инвертора) ИИУС от выхода из строя.
Основным направлением диссертационной работы является повышение
надежности ИИУС автоматизированного ЭП с асинхронным двигателем за счет
исключения возможности возникновения сквозных токов силовых
транзисторов инвертора и снижения напряжения, подаваемого на силовые транзисторы.
При решении задач повышения надежности усилителя мощности ИИУС актуальной задачей является математическое и имитационное моделирование системы, а также подтверждение работоспособности экспериментальными исследованиями с помощью разработанного и изготовленного макета. Поскольку, разработка ИИУС ЭП с АД повышенной надежности влечет за собой создание новой реализации силового блока ИИУС, то актуальным становится вопрос о поиске схемных и структурных решений, обеспечивающих реализацию уже известных высококачественных алгоритмов управления АД (например, с постоянным потокосцеплением ротора и др.), что приводит к необходимости определения оптимального способа измерения тока статорных обмоток, применяемого при построении контуров тока.
Целью диссертационной работы является повышение надежности ИИУС автоматизированного ЭП с АД.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
– провести анализ путей повышения надежности ИИУС ЭП с АД;
– разработать структурную схему ИИУС автоматизированного ЭП повышенной надежности;
– исследовать пути использования апробированных схем управления АД для предлагаемой ИИУС повышенной надежности;
– разработать математическую модель ИИУС автоматизированного ЭП повышенной надежности и выполнить моделирование работы системы;
– исследовать способы измерения токов статорных обмоток АД ЭП с ИИУС повышенной надежности с целью построения контуров тока;
– разработать и изготовить макет ЭП с ИИУС повышенной надежности;
– экспериментально подтвердить достоверность результатов исследований.
Методы исследования. При выполнении работы применялись методы математического и компьютерного моделирования. При построении моделей были использованы методы теории электрических машин. При разработке ИИУС применялись методы векторного управления АД. Экспериментальные исследования проводились на разработанном и изготовленном макете с использованием современного измерительного оборудования.
Достоверность исследований подтверждается совпадением теоретических результатов (результатов моделирования) с экспериментальными данными.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
-
Предложена структурная схема ИИУС автоматизированного ЭП с АД, обеспечивающая повышение надежности системы до 20% за счет снижения интенсивности отказов силовых транзисторов, отличающаяся тем, что при использовании апробированного способа управления АД, может выполнять управление нестандартным шестиобмоточным АД и исключать физическую возможность возникновения сквозных токов открытых транзисторов в усилителе мощности.
-
Предложен способ измерения токов статорных обмоток АД ЭП с ИИУС повышенной надежности, отличающийся тем, что измеряется разность тока пар статорных обмоток, при этом датчик тока устанавливается на проводник, идущий к АД, внутри действия обратного защитного диода силового транзистора, разработана структурная схема контура тока.
-
Разработана математическая модель ИИУС автоматизированного ЭП повышенной надежности с нестандартным шестиобмоточным АД, позволяющая проводить исследования работы системы.
Практическая ценность работы заключается:
-
В разработке новой схемы усилителя мощности ИИУС автоматизированного ЭП с повышенными характеристиками надежности, исключающей физическую возможность возникновения сквозных токов открытых силовых транзисторов.
-
В разработке способа измерения токов статорных обмоток АД ИИУС автоматизированного ЭП повышенной надежности, учитывающего токи, оставшиеся в обмотках после закрытия силового транзистора.
3. В создании макета (лабораторной установки) для изучения студентами вуза принципов работы предложенной ИИУС автоматизированного ЭП с АД.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследований планируются к использованию специалистами ОАО «ЦНИТИ», а также реализованы в макете (учебной установке) для проведения лабораторных работ на кафедре ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет приборостроения и информатики» ПР-1 «Приборы и информационно-измерительные системы» студентам, обучающимся по специальности «Приборостроение» – 200101. Получен патент RU 2488216 C1 от 27 января 2012 г. на изобретение «Регулируемый электропривод с повышенными характеристиками надежности».
Публикации. По теме диссертации имеется 8 публикаций, в том числе 3 в издании, рекомендованном ВАК РФ и 1 патент РФ на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 105 наименований и приложений. Работа содержит 139 страницы машинописного текста, 59 рисунков.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
-
Структурная схема ИИУС автоматизированного ЭП повышенной надежности, достигаемой за счет исключения возможности возникновения сквозных токов открытых силовых транзисторов в усилителе мощности.
-
Математическая модель ИИУС автоматизированного ЭП повышенной надежности.
