Введение к работе
Актуальность темы
Исследование и использование космического пространства является сегодня одним из приоритетных направлений деятельности Российской Федерации, обеспечивающим развитие экономики, науки и техники, укрепление обороноспособности. Непременным условием решения любой из задач космической деятельности является, в том числе, наличие высокотехнологичных средств радиосвязи и оптического наблюдения за космическими объектами.
Повышение точности, надёжности и быстродействия современных оптических и радиотелескопов достигается за счёт применениябезредукторных электроприводовна базе высокомоментных вентильных двигателей (ВД), позволяющих минимизировать количествопромежуточных механических связей между исполнительным двигателем и рабочим механизмом.
Вентильный двигатель состоит из синхронного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов, датчика положения ротора (ДПР), преобразователя координат (ПК), силового полупроводникового преобразователя(СПП) и замкнутого контура синхронизации управления СПИ (КСУСПП).
Система управления (СУ) вентильного электропривода (ВЭП) строится по подчиненному принципу и кроме контура синхронизации управления СПП содержит контур положения, контур скорости и, как правило, подчиненный ему контур тока. В замкнутой СУ электромагнитные и энергетические характеристики, быстродействие, статическая и динамическая точность ВЭП зависят от структуры и параметров регуляторов в каждом контуре.
Исследование этих свойств представляет собой одну из актуальных задач проектирования энергоэффективного электропривода.
Проектирование прецизионных электроприводов с ВД для современных оптических комплексов, обладающих значительными моментами инерции, требует решения вопросов электромагнитной совместимости электропривода с питающей сетью. Эти вопросы становятся всё более актуальными для систем, работающих на автономных объектах, ввиду их ограниченного энергоресурса.
Одним из перспективных направлений повышения энергетической эффективности привода, при сохранении его динамических показателей, является применение активных полупроводниковых преобразователей (АП).
Применение АП как вторичного источника питания ВЭП позволяет обеспечить:
двухстороннюю энергетическую связь между цепями переменного и постоянного тока;
синусоидальную форму потребляемого из сети тока;
коэффициент мощности близкий к единице во всех режимах работы электропривода;
компенсацию реактивной мощности потребителей в сети.
Обеспечение перечисленных свойств базируется на исследовании регулировочных, выходных (нагрузочных), электромагнитных и энергетических характеристик АП.
Исследование свойств АП в разомкнутых и замкнутых системах представляет собой актуальную задачу при проектировании энергоэффективного вентильного электропривода.
Вентильный электропривод вместе с АП представляет собой многосвязную, нелинейную, импульсную систему с дискретно изменяющимися параметрами. Точное количественное исследование таких систем может быть осуществлено только методами численного моделирования.
На сегодняшний день разработано множество программных продуктов (ПП), в которых реализованы принципы объектно-ориентированного проектирования электромеханических систем, в том числе ПП Matlab с приложениями Simulink, SimPowerSystem, SimScape, Real-Time Workshop и др.
Модельно-ориентированное проектирование позволяет разрабатывать и моделировать конструктивно сложные системы, работающие в различных режимах, проводить тесты, которые невозможно провести на реальном объекте из-за различных ограничений, в том числе связанных с безопасностью.
Таким образом, третьей актуальной задачей, которая рассматривается в диссертации, является разработка алгоритма модельного проектирования энергоэффективного, безредукторного, вентильного электропривода двухкоординатного опорно-поворотного устройства (ОПУ) оптического комплекса автономного объекта.
Объект исследования
Объектом исследования является безредукторный электропривод с высокомоментным вентильным двигателем опорно-поворотного устройства автономного объекта.
Предмет исследований
Предметом исследования являются электромагнитные, механические, энергетические и динамические характеристики ВЭП и АП в замкнутых системах управления.
Цель и задачи исследования
Целью диссертационной работы является разработка вентильного электропривода опорно-поворотного устройства оптического комплекса автономного объекта, обеспечивающего заданные по техническому заданию динамические и энергетические характеристики.
Для достижения указанной цели решены следующие задачи:
-
Проведено исследование электромагнитных, механических, энергетических и спектральных характеристик ВЭП в различных замкнутых структурах.
-
Проведено исследование электромагнитных, регулировочных, внешних, энергетическихи спектральных характеристик АП с разомкнутой и замкнутой системой управления.
-
Выработаны рекомендации по выбору структур СУ ВЭП и АП, обеспечивающих наилучшие энергетические свойства.
-
Разработаны адекватные модели ВЭП и АП, на которых проведено исследование основных характеристик с учётом импульсных процессов в СПП.
-
Экспериментально проверены результаты теоретических и модельных исследований на изготовленном опытном образце привода.
Методы и средства,применяемые при проведении исследования
Для решения поставленных задач в работе использовались методы теории электропривода, нелинейных систем,автоматическогоуправления. Расчётные исследования выполнены в ПП Matlab-Simulink. Экспериментальные исследования выполнены на макете опорно-поворотного устройства, изготовленного на предприятии ОАО «КБСМ». Для обработки экспериментальных данных использовалась программа Fluke View.
Научная новизна
Основной научный результат диссертации заключается в разработке научно-методического инструментария, позволившего провести аналитические и модельные исследования для определения статических, динамических и энергетических характеристик электропривода, в том числе:
-
получены аналитические уравнения для расчёта основных характеристик вентильного электропривода с замкнутой системой управления и активного преобразователя с разомкнутой и замкнутой системой управления. Характеристики, рассчитанные по этим уравнениям, позволили провести сравнение и определить структуры, обеспечивающие оптимальные энергетические свойства системы.
-
по уравнениям разработаны адекватные модели ВЭП и АП в ПП Matlab-Simulink, позволившие рассчитать потери на переключение в полупроводниковых элементах СПП ВЭП и АП, а также гармонический состав токов в источнике питания и якорных обмотках ВД.
-
на разработанных моделях ВЭП проведено исследование динамики электропривода, синтезированы и рассчитаны параметры регуляторов.
-
разработаны модели АП с замкнутой системой управления, позволившие, синтезировать и рассчитать параметры регуляторов, обеспечившие постоянство напряжения в звене постоянного тока в установившихся и переходных режимах.
-
разработана и исследована полная модель вентильного электропривода азимутальной оси ОПУ с учетом двухмассовости механической части и дискретности системы управления.
-
совокупность перечисленных новых научных положений представляет собой методику модельно-ориентированного проектирования энергоэффективного электропривода на базе высокомоментного вентильного двигателя.
Достоверность научных выводов и рекомендаций
Достоверность научных выводов и рекомендаций диссертации подтверждаются корректным использованием математического аппарата, моделированием и экспериментальными исследованиями опытного образца
вентильного электропривода двухкоординатного ОПУ, достаточной апробацией и публикациями полученных результатов. Практическая значимость работы
-
Рассчитаны и построены электромагнитные, механические и энергетические характеристики вентильного электропривода. Проведено сравнение этих характеристик в различных замкнутых структурах управления приводом и предложена структура, обеспечивающая оптимальные энергетические свойства.
-
Рассчитаны и построены электромагнитные, регулировочные, нагрузочные и энергетические характеристики активного преобразователя с разомкнутой и замкнутой системой управления. Проведено сравнение этих характеристик и предложены структуры, обеспечивающие оптимальные энергетические свойства преобразователя.
-
Разработаны модели электропривода азимутальной оси ОПУ с замкнутой цифровой системой управления. Проведено модельное исследование статических, динамических и энергетических характеристик привода.
-
Разработанные модели дают возможность получить динамические, энергетические и другие характеристики системы на ранних этапах проектирования, проработать несколько вариантов системы управления.
Практическое подтверждение научной новизны
-
Предлагаемая методика модельного проектирования использовалась ОАО «КБСМ» при проведении расчётов электроприводов опорно-поворотных устройств СМ-830 и СМ-836 (акт внедрения от 08.12.2011 г.).Разработанные модели позволили снизить временные и финансовые затраты на разработку электроприводов ОПУ СМ-830 и СМ-836 за счёт исключения этапа макетирования и эскизного проекта.
-
Получен патент на полезную модель «Преобразователь переменного трёхфазного напряжения в постоянное» №119546 от 20.03.2012.
-
Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012616738 от 27.07.2012 г. «Управление ЮВТ-транзисторами трёхфазного мостового инвертора преобразователя переменного трёхфазного напряжения в постоянное».
Апробация результатов работы
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались:
на международной конференции «Экстремальная робототехника, нано-
микро- и макророботы», Дивноморское, октябрь 2009 г.;
на второй научно-технической конференции «Старт в будущее»,
Санкт-Петербург ОАО «КБСМ», апрель 2011 г.;
намеждународной научно-технической конференции «Пятые
Уткинские чтения», Санкт-Петербург, БГТУ «ВОЕНМЕХ», май 2011 г.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 6 научных статей, из них две работы опубликованы в изданиях, рекомендуемых ВАК, две в сборниках трудов международных конференций.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Аналитические уравнения для расчёта основных характеристик вентильного электропривода с замкнутой системой управления.
-
Аналитические уравнения для расчёта основных характеристик активного преобразователя напряжения с разомкнутой и замкнутой системой управления.
3. Модели вентильного электропривода и активного преобразователя.
4. Алгоритм (методика) модельно-ориентированного проектирования
энергоэффективного безредукторного электропривода с высокомоментным
вентильным двигателем.
Структура и объём работы
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, включающего 127 источников, и приложений. Основная часть работы изложена на 167 страницах машинописного текста. В текст диссертации включены 119 рисунков и 14 таблиц.
