WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |

На правах рукописи

Жарков Александр Александрович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С НЕЗАВИСИМЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ И МИКРОКОНТРОЛЛЕРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Специальность 05.09.03 – электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва, 2008

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированного электропривода» Московского энергетического института (Технического Университета).

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Козаченко Владимир Филиппович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Красовский Александр Борисович;

кандидат технических наук,

Чуев Павел Вячеславович

Ведущая организация: ОАО «ВНИИКП»

Защита диссертации состоится 18 апреля 2008 года в 14 час. 00 мин. в аудитории М-611 на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.13, корп. М.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (Технического Университета).

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим отправлять по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д.14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан « » ________________ 200__г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.02

к.т.н., доцент Цырук С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время силовая электроники и микропроцессорная техника достигли таких результатов, что при упоминании современного регулируемого электропривода подразумевается комплектный электропривод, состоящий из электромеханического преобразователя энергии, силового преобразователя, цифровой системы управления. Для всех известных типов двигателей получение хороших динамических, энергетических и точностных характеристик невозможно без разработки качественных алгоритмов прямого цифрового, в том числе векторного управления. Во всем мире ведутся активные исследования новых типов машин, в которых определяющее значение имеет надежная силовая и управляющая электроника, прежде всего – индукторных машин (ИМ). Перспективы этого направления связаны с существенным упрощением конструкции машины и ее стоимости. В работе решается задача создания и исследования комплектного вентильно-индукторного электропривода (ВИП) с независимым возбуждением (НВ), особенно перспективного для тяговых, станочных и робототехнических применений.

Современные ИМ могут быть трех типов: с самовозбуждением, за счет постоянной составляющей тока в обмотке якоря; с независимым возбуждением, т.е. со специальной обмоткой возбуждения, расположенной на статоре; с магнитоэлектрическим возбуждением.

В мире наибольшее внимание из-за простоты конструкции и технологичности их изготовления уделяется ИМ с самовозбуждением, более известным как SRD. Однако разработчики этого направления сталкиваются со значительными трудностями:

  • отсутствие специализированной силовой элементной базы, что ведет к значительному увеличению габаритов инвертора по сравнению с частотно-регулируемым электроприводом на базе АД;
  • увеличение числа проводов для подключения двигателя по сравнению с АД;
  • значительные пульсации момента при малом числе фаз, усложнение инвертора при увеличении числа фаз;
  • сложность реализации полноценного векторного управления с качественным поддержанием электромагнитного момента.

Значительный вклад в развитие теории и практики этого типа привода внесли Ильинский Н.Ф., Бычков М.Г., Кузнецов В.А., Фисенко В.Г. (Москва), Термирев А.Л., Лозицкий О.Е., Коломийцев Л.Ф. (Новочеркасск), Miller T., Lawrenson P..

ВИП на базе ИМ с постоянными магнитами развиваются, главным образом, для прецизионной техники и следящих систем (Балковой А.П., Луценко В.Е.). Это направление перспективно для малых мощностей (меньше 1 кВт).

В последнее время на кафедрах АЭП, ЭКАО, ЭМ МЭИ(ТУ) (Русаков А.М., Козаченко В.Ф., Остриров В.Н., Фисенко В.Г.) ведутся исследования вентильно-индукторных двигателей (ВИД) с независимым возбуждением (НВ). Технологически эти двигатели сложнее, однако, привода на их основе, имеют следующие преимущества:

  • возможность использования стандартной силовой элементной базы, в том числе мостовых инверторов, как для асинхронных 3-х фазных двигателей;
  • возможность реализации современных методов управления, таких, как векторное, с качественным формированием момента;
  • возможность секционирования как машины, так и силового преобразователя и построения мощного ВИП (до 1МВт) на низковольтной элементной базе с высоким уровнем надежности и резервирования.

В настоящей работе обосновываются эти преимущества, в том числе доказывается теоретически и экспериментально возможность создания 4-х квадрантного широкорегулируемого электропривода на базе ВИП с НВ.

Актуальность работы состоит в ориентации на создание нового, отечественного конкурентоспособного электропривода для энергосберегающих технологий, станкостроения и электрической тяги.

Цель диссертационной работы Создание модульных программно-аппаратных средств оптимального, в том числе векторного, управления вентильно-индукторными двигателями с независимым возбуждением.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были решены следующие задачи:

  1. Создана математическая модель ВИД с НВ. Выполнен анализ электромагнитных связей в двигателях этого типа;
  2. Создана компьютерная модель ВИП с НВ в среде Simulink MatLab для исследования 2-х структур управления: в режиме классического вентильного двигателя, в режиме векторного управления;
  3. Для этих структур разработаны алгоритмы управления и базовое модульное программное обеспечение (ПО);
  4. Разработаны модульные аппаратные средства построения системы управления ВИП: высокопроизводительные контроллеры привода (150 млн. оп./сек.); модули дискретного ввода/вывода; модули сопряжения с несколькими типами датчиков положения, в том числе с интеллектуальными абсолютными; встраиваемые датчики положения;
  5. Проведены экспериментальные исследования на опытно-промышленных образцах ВИП.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовались:

  • теория электропривода и цифрового управления;
  • современные методы анализа и синтеза ЭМП (схемы замещения магнитных цепей, векторные диаграммы);
  • методы компьютерного моделирования (Simulink MatLab);
  • методы интерактивной отладки микропроцессорных систем управления с использованием среды разработки Code Composer Studio;
  • компьютерные методы экспериментальных исследований опытных образцов ВИП с использованием интеллектуальных датчиков, в том числе электромагнитного момента.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждена внедрением разработанных СУ в опытно-промышленную эксплуатацию.

Научная новизна работы заключается в следующем:

  • на основе анализа схем замещения ВИД с НВ предложено математическое описание, обоснована оптимальная структура векторного управления, в том числе в режиме ослабления поля;
  • предложен метод прямого токового управления инвертором ВИП для расширения допустимого скоростного диапазона в два раза;
  • разработаны оригинальные конструкции встроенных датчиков положения ВИД и модули сопряжения с контроллером пристраиваемых датчиков положения, программно-аппаратные средства идентификации скорости и электрического положения;
  • разработана архитектура и схемотехника высокопроизводительного контроллера для реализации векторного управления ВИП.

Основные практические результаты диссертации состоят в экспериментальных исследованиях опытно-промышленных образцов ВИП малой мощности; во внедрении разработанной системы управления в мощные многосекционные ВИП для районных тепловых станций (315, 400, 630 кВт), а так же испытательного оборудования (500 кВт).

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на заседании кафедры «Автоматизированного электропривода» Московского энергетического института (Технического Университета).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 5 печатных работ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения; количество страниц 150, иллюстраций 74, число наименований использованной литературы 55 на 4 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы и показаны преимущества использования ВИД с НВ с векторной системой управления, а так же преимущества в использовании многосекционных ВИД при создании электроприводов повышенной надежности большой мощности на низковольтной элементной базе. Поставлены цели и задачи исследования.

В первой главе проведена классификация индукторных двигателей по способу возбуждения и рассмотрен принцип работы ВИД с НВ. Показаны преимущества выбранного типа двигателя.

Приведены варианты конструкций двигателей с аксиально-радиальным потоком и обоснованы преимущества 2-х пакетной конструкции ВИД с НВ (Рис.1). Проанализированы варианты конструктивного размещения кольцевой обмотки возбуждения на статоре.

Получена схема замещения магнитной цепи базовой конструкции 2-х пакетного вентильно-индукторного двигателя. На основе ее анализа сделан вывод о том, что 2-х пакетный ВИД с НВ по структуре магнитных связей подобен синхронному двигателю с неявновыраженными полюсами, за исключением дополнительных взаимных связей между фазными обмотками.

Рассмотрены варианты конструкций ВИД с НВ с минимизацией электромагнитных связей между фазами, а также между отдельными секциями в многосекционных машинах.

Выбраны несколько перспективных конструкций ВИД с НВ для которых:

  • Взаимоиндуктивности фаз отсутствуют (по первой гармонике);
  • Отсутствуют электромагнитные связи между секциями, что позволяет организовать независимое векторное управление каждой секцией ВИД с НВ, рассматривая многосекционную машину в виде совокупности «элементарных» машин, имеющих общий контур возбуждения;
  • Индуктивность контура возбуждения не зависит от положения ротора, а взаимоиндуктивности фазных обмоток с обмоткой возбуждения меняются от положения ротора по синусоидальному закону, как в классических синхронных машинах.

На основе проведенного анализа создана компьютерная модель ВИД с НВ для целей синтеза систем управления.

Во второй главе известные и уже внедренные методы управления ВИД в режиме БДПТ (бездатчиковый двигатель постоянного тока) распространены на многосекционные двигатели.

Предложена структура системы управления (СУ) 3-х секционного электропривода мощностью 500 кВт на базе стандартных ПЧ «Универсал» мощностью 220 кВт с цифровой системой управления на базе контроллеров МК10.5 (40 млн. оп./сек.), разработанных с участием автора (Рис. 2.).

Рис. 2.

Электронный преобразователь ВИП состоит из 3-х независимых секций, связанных между собой промышленным интерфейсом связи CAN. Датчик положения – общий для всех секций.

Особенностью привода является согласованное совместное управление контуром возбуждения от трех преобразователей частоты (ПЧ) секций с поддержанием тока при аварии в любой секции неизменным.

Предложена структура системы управления ВИП в режиме автокоммутации по датчику положения (Рис. 3.).

Рис. 3

Имеется 3 контура регулирования: быстродействующий контура регулирования тока статора, контур регулирования скорости и контур регулирования тока возбуждения.

В предложенной структуре системы управления ВИП в режиме автокоммутации по датчику положения объяснено использование основных узлов. Структура управления ВИП имеет 3 контура регулирования: быстродействующий контур регулятора тока статора, контур регулятора скорости и контур тока в ОВ.

Применительно к двигателям большой мощности совместно с Русаковым А.М. разработана конструкция встраиваемого в двигатель датчика положения ротора на дискретных элементах Холла. Разработанный цифровой модуль интерполяции сигнала с датчика обеспечивает точность управления углом коммутации в функции скорости не хуже 3-4 эл. град.

Разработано модульное ПО межсекционного взаимодействия секций привода по интерфейсу CAN с учетом выравнивания нагрузок секций.

Опытно-промышленный образец ВИД-500 изготовлен на Тираспольском электромеханическом заводе, а силовой преобразователь ООО «Энергосбережение» (г. Пущино). ВИП установлен на заводе «Салют» (г. Москва) в испытательной лаборатории (Рис. 4).

Рис. 4

В третьей главе обосновывается и разрабатывается структура 4-х квадрантного 2-х зонного ВИП с НВ с векторным управлением.

Основываясь на математическом описании ВИД в естественных координатах, обоснован переход к вращающимся d-q координатам. Показано, что момент ВИД с НВ пропорционален току возбуждения и составляющей тока статора по оси «q», что позволяет предложить структуру векторного управления ВИД с НВ для каждой из секций машины, близкую к структуре векторного управления синхронными двигателями.

Система векторного управления ВИП с НВ состоит из следующих блоков: координатных преобразований, управления инвертором в режиме ШИМ-модуляции базовых векторов, компенсации ЭДС вращения, измерения скорости и электрического положения, вычисления потокосцеплений (q, d), а так же 3-х цифровых регуляторов тока статора по осям d и q и возбуждения. В большинстве практических задач в систему добавляется регулятор скорости и регулятор технологической переменной, например давления (Рис. 5).

Рис. 5

Рассмотрена специфика синтеза контура тока с адаптивной компенсацией ЭДС вращения (Рис.6).

Рис.6

Предложена оригинальная структура работы ВИП в режиме ослабления потока двигателя (Рис.7).

Рис. 7

Pages:     || 2 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»