Введение к работе
Актуальность проблемы. Современный вентильный электропривод (ВЭП) постоянного тока находит свое применение во многих отраслях промышленности и транспорта: в металлообрабатывающей, текстильной, резиновой, полиграфической и др. Это обусловлено широким, плавным и экономичным регулированием частоты вращения двигателей постоянного тока (ДПТ), высокими перегрузочными пусковыми и тормозными моментами. При этом исследование характеристик как серийных двигателей, так и машин специального исполнения, работающих совместно с вентильными преобразователями (ВП) и имеющих сложную многоконтурную систему управления, предполагает использование новейших компьютерных технологий. Это позволит не только исследовать переходные электромагнитные и электромеханические процессы в машине, оценивать показатели качества процесса регулирования систем с различными способами настройки регуляторов, но и прогнозировать динамические свойства двигателей на стадии их проектирования.
Существующие в настоящее время математические модели машинно-вентильных систем (МВС) и реализованные на их основе программные комплексы, позволяющие решать задачи достаточно широкого класса, при всем своем многообразии имеют ограничения по возможностям исследований: по способу представления формы питающего напряжения, определения параметров математических моделей ДПТ и др.
В связи с этим разработка методов математического моделирования МВС и моделей ДПТ высокого уровня адекватности, позволяющих при использовании в качестве исходных данных только технических характеристик, приведенных в паспорте двигателя, анализировать переходные и квазистационарные процессы в машине, работающей в составе ВЭП, при различной форме питающего напряжения, является актуальной.
Объектом исследований является МВС постоянного тока с ДПТ последовательного возбуждения.
Предметом исследований являются методы математического моделирования МВС постоянного тока и анализ результатов, основанных на этих методах.
Целью настоящей работы является разработка математических моделей и программного обеспечения, позволяющих исследовать влияние режимных и конструктивных параметров на статические и динамические характеристики ДПТ последовательного возбуждения с шунтированной обмоткой возбуждения (ОВ). работающего в составе ВЭП.
При этом необходимо было решить следующие задачи:
Выполнить аналитический обзор существующих моделей ДПТ, тиристорных выпрямителей, работающих совместно с ДПТ в составе как нерегулируемого, так и регулируемого вентильного электропривода, а также методов реализации соответствующих математических моделей.
Разработать и программно реализовать метод моделирования статических характеристик ДПТ последовательного возбуждения на основе поверочного расчета с учетом пульсаций питающего напряжения.
Разработать математическую модель ДПТ последовательного возбуждения с шунтированной ОВ, работающего в составе МВС, для расчета электромагнитных и электромеханических переходных и квазистационарных режимов.
Разработать алгоритм и соответствующее программное обеспечение для моделирования динамических режимов ДПТ последовательного возбуждения, работающего в составе ВЭП, численным и численно-аналитическим методами.
Методы исследований:
При решении поставленных задач использовались методы математического моделирования - компонентного и имитационного (логического макромоделирования), численные и приближенные аналитические методы интегрирования нелинейных дифференциальных
5 уравнений, методы приближения функций (аппроксимация, сплайн-интерполяция и т.п.).
Научная новизна результатов диссертационной работы:
Разработан метод моделирования статических характеристик ДПТ последовательного возбуждения, питающегося от источника пульсирующего напряжения, с использованием динамической математической модели двигателя и результатов поверочного расчета.
Разработан алгоритм и программное обеспечение, позволяющие определять параметры динамической модели ДПТ последовательного возбуждения с шунтированной ОВ на основе результатов поверочного расчета.
3. Разработана динамическая математическая модель в виде системы
нелинейных алгебро-дифференциальных уравнений, алгоритм и
программное обеспечение для анализа переходных процессов в ДПТ
последовательного возбуждения, работающего в составе МВС. В отличие от
других, модель позволяет исследовать процессы в двигателях с
шунтированной ОВ, учитывая на основе эквивалентных активно-
индуктивных контуров вихревые токи в массивах магнитопровода и реакцию
якоря, на основе обобщенной кривой намагничивания - нелинейность
магнитной цепи; а также коммутационные процессы в ВП.
4. Впервые разработан метод моделирования динамических режимов
ДПТ последовательного возбуждения и определен коэффициент пульсаций
тока якоря с помощью дифференциально-тейлоровского преобразования.
Достоверность полученных в диссертационной работе результатов
обусловлена выполнением исследований в соответствии с теорией
математического моделирования электрических машин и
полупроводниковых преобразователей, а также численных, численно-аналитических методов интегрирования нелинейных дифференциальных уравнений и методов приближения функций. Результаты диссертационной
работы не противоречат законам физики и электромеханики, согласуются с опытом исследований в данной области и совпадают с имеющимися экспериментальными данными. Основные результаты и сделанные выводы доложены и обсуждены на Международных и Всероссийских научных конференциях.
Практическая ценность диссертационной работы:
Разработанный программный комплекс позволяет в условиях производства выполнять оперативный анализ работы серийных ДПТ последовательного возбуждения, используемых при пульсирующем питании в неноминальных условиях эксплуатации. При этом оцениваются рабочие, пусковые и механические параметры машины.
Программный комплекс для расчета динамических режимов ДПТ, работающего в составе вентильного электропривода, дает возможность выбирать электромагнитные нагрузки двигателя и параметры шунта в цепи ОВ в соответствии с требованиями конкретного технологического процесса.
Программный комплекс также позволяет моделировать переходные режимы ДПТ, работающего в составе регулируемого ВЭП, оперативно и с высокой точностью выполнять настройку регуляторов в соответствии с заданными показателями качества системы управления.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
Математическое и программное обеспечение для моделирования статических характеристик ДПТ последовательного возбуждения при пульсирующем питании.
Алгоритм и программное обеспечение для определения параметров динамической модели последовательного ДПТ по результатам поверочного расчета.
Математическая модель, алгоритм и программное обеспечение для моделирования динамических режимов ДПТ последовательного возбуждения с шунтированной ОВ, работающего в составе вентильного электропривода.
4. Алгоритм для моделирования динамических режимов ДПТ последовательного возбуждения с использованием диффсреициалыю-тейлоровского преобразования.
Публикации и апробация результатов исследования.
По теме диссертации автором опубликовано 9 работ, из них 2 статьи в журнале «Вестник Воронежского государственного технического университета» (входящем в перечень ВАК РФ), 2 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ, 1 депонированная в ВИНИТИ рукопись.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:
-V Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы
информатизации образования: региональный аспект» (Чебоксары, 2007);
-VIII Международной научно-практической конференции
«Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы» (Новочеркасск, 2007);
-VIII Международной научно-практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (Новочеркасск, 2007); - IV Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2007).
Личный вклад соискателя. Автором лично разработаны все программные комплексы. На основе известной модели ДПТ Фетисова В.В.-Сидельникова Б.В. автором была разработана модель ДПТ последовательного возбуждения с шунтированной ОВ, работшоїцего в составе МВС. Лично разработан алгоритм определения параметров модели двигателя на основе поверочного расчета, алгоритм учета угла коммутации. Проведено исследование влияния параметров модели двигателя на такие показатели качества регулирования, как перерегулирование, время регулирования, а также на коэффициент пульсаций тока якоря. Основные
8 выводы и положения диссертационной работы сформулированы лично автором.
Реализация результатов диссертационной работы. Основные результаты работы внедрены (что подтверждается соответствующим актом) в ОАО «Схема» (акт о внедрении от 27.02.2009).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 170 наименований. Материал диссертации содержит 156 страниц, 49 рисунков, 8 таблиц.
