WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

Усов Вячеслав Петрович

ИНДУКТОРНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ С МИНИМИЗАЦИЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ В КВАЗИУСТАНОВИВШЕМСЯ РЕЖИМЕ

Специальность 05.09.03 — Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск – 2012

Работа выполнена в ФГАОУ ВПО "Сибирский федеральный университет", г. Красноярск Научный руководитель доктор технических наук, доцент, Бронов Сергей Александрович

Официальные оппоненты:

Иванчура Владимир Иванович, доктор технических наук, профессор, ФГАОУ ВПО "Сибирский федеральный университет", кафедра систем автоматики, автоматического управления и проектирования, профессор Стрижков Анатолий Михайлович, кандидат технических наук, ОАО "Информационные спутниковые системы имени академика М. Ф. Решетнёва", начальник лаборатории 6

Ведущая организация: ЗАО "Компания "ЭлектроПроект – Сибирь"

Защита состоится 31 мая 2012 года в 14:00 на заседании диссертационного совета ДМ 212.099.06 при Сибирском федеральном университете по адресу: ул.

академика Киренского, 26, Красноярск, ауд. УЛК115.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Сибирского федерального университета.

Автореферат разослан 30 апреля 2012 года.

Учёный секретарь диссертационного совета Царёв Роман Юрьевич

Общая характеристика работы



Актуальность (техническая задача). В специальных установках с повышенными требованиями к исполнительным электроприводам (ЭП) — в частности, систем поворота антенн и солнечных батарей космических аппаратов (КА), должны обеспечиваться низкие скорости вращения с высокой точностью в статических и динамических режимах при малом потреблении мощности и сроке активного существования (САС) 10…15 лет. В таких ЭП в настоящее время часто используются индукторные двигатели (ИД). Частным случаем ИД являются индукторные двигатели двойного питания (ИДДП), в которых совмещены два принципа —электромагнитной редукции (за счёт выполнения зубцов статора и ротора) и двойного питания (за счёт размещения на статоре двух многофазных обмоток, запитываемых от двух независимых источников напряжения).

В результате, ИДДП обладают уникальным сочетанием свойств — высокой равномерностью вращения на самых малых скоростях, реверсом, отсутствием необходимости в механическом редукторе, повышенными значениями электромагнитного момента. Но есть и такие свойства, которые ограничивают возможности их применения. В частности, из-за того, что угловая скорость пропорциональна разности частот питающих напряжений, потребляемый обмотками ток зависит от амплитуды приложенного напряжения, а не только от момента нагрузки, как у двигателей, не использующих принцип двойного питания.

Поэтому следует дополнительно регулировать амплитуды питающих напряжений, так как даже при уменьшении механической нагрузки на валу потребление тока остаётся значительным. В связи с этим возникает проблема минимизации электрических потерь за счёт выбора оптимального соотношения частот и амплитуд питающих напряжений для заданной скорости вращения.

В рассматриваемых ЭП возможны различные режимы работы: например, быстрый переброс из одного положения в другое с целью поиска Солнца или точки на земной поверхности и др. Наиболее характерным является квазиустановившийся режим работы, когда ЭП осуществляет вращение антенны или солнечной батареи с постоянной или плавно меняющейся скоростью. Более редким, но характерным является также быстрый переход с одной малой скорости на другую при изменении ориентации космического аппарата.

Теория электроприводов двойного питания, частично распространяющаяся также на ИДДП, развивалась с учётом результатов для асинхронных двигателей с фазным ротором многими учёными, среди которых: С.М.Гохберг, В.Т.Касьянов, А.И.Важнов, М.М.Ботвиник, Ю.Г.Шакарян, В.В.Рудаков, И.М.Столяров, В.А.Дартау, Г.Б.Онищенко, Ю.А.Сабинин, Н.Н.Блоцкий, И.Л.Локтева, Ю.П.Сонин, Б.А.Стромин, И.В.Тургенев, И.В.Гуляев, В.А.Барков и др.

Отдельными вопросами проектирования электроприводов с ИДДП успешно занимались: А.С.Куракин, П.Ю.Каасик, С.А.Ковчин, В.В.Жуловян, В.В.Гапоненко, Б.П.Соустин, В.И.Пантелеев, В.А.Забуга, С.А.Бронов, С.В.Ченцов, В.В.Суханов, А.В.Марарескул и др. За рубежом такие работы практически не велись.

Основная идея диссертации заключается в том, чтобы по заданному значению скорости электропривода на основе аналитических выражений модели электропривода рассчитывать требуемые частоты и амплитуды питающих напряжений, обеспечивающие минимум электрических потерь в обмотках, а в переходных режимах обеспечивать переход из одного оптимального режима в другой без перерегулирования и колебаний скорости.

Научная задача заключается в отсутствии теоретически обоснованных алгоритмов выбора управляющих величин (частот и амплитуд питающих напряжений), обеспечивающих минимизацию электрических потерь в индукторных электроприводах двойного питания, работающих в наиболее характерном для них квазиустановившемся режиме при постоянной или плавно меняющейся скорости.

Объект исследования диссертационной работы — электропривод с индукторным двигателем двойного питания (с электромагнитной редукцией).

Предмет исследования диссертационной работы — алгоритмы управления, а также статические, динамические и энергетические характеристики индукторного электропривода двойного питания в квазиустановившемся режиме при частотно-независимом управлении.

Цель: разработка и исследование алгоритмов частотного управления, обеспечивающих минимизацию электрических потерь в индукторном электроприводе двойного питания в квазиустановившемся режиме.

Задачи исследования:

1 разработка алгоритма автоматизированного формирования комплекса математических моделей ИДДП в аналитическом виде с использованием символьного процессора программы MathCAD;

2 получение комплекса полных и упрощённых моделей ИДДП для установившихся и динамических режимов;

3 постановка и решение задачи минимизации электрических потерь в обмотках ИДДП в квазиустановившемся режиме для различных вариантов регулирования частот и амплитуд обоих питающих напряжений;

4 постановка и решение задачи формирования желаемых переходных характеристик при регулировании скорости в разомкнутой системе электропривода с ИДДП.

Методы исследования: математическая теория электрических машин, включая теорию обобщённого электромеханического преобразователя энергии, для анализа электромеханических процессов в электроприводе с ИДДП; метод переменных состояния в сочетании с аппаратом передаточных функций для анализа и синтеза динамических характеристик электропривода; компьютерная алгебра с применением символьного процессора программы MathCAD для автоматизации получения аналитических моделей ИДДП; численные методы решения систем алгебраических и дифференциальных уравнений с использованием программы MathCAD; методы численной оптимизации; комплексная автоматизация экспериментальных исследований на базе аппаратуры International Instruments, экспериментального образца двигателя, прецизионного датчика углового положения и программного обеспечения LabVIEW 8.5.

Основные новые научные результаты, выносимые на защиту:

1. Разработан и программно реализован алгоритм формирования комплекса аналитических моделей индукторного двигателя двойного питания при различных сочетаниях используемых допущений, отличающийся автоматизацией всех символьных выкладок.

2. С использованием разработанного алгоритма получены аналитические модели индукторного двигателя двойного питания, в том числе в форме передаточных функций и для установившегося режима, отличающиеся от известных учётом большего числа параметров двигателя и режима.

3. На основе полученных математических моделей разработаны алгоритмы минимизации электрических потерь в обмотках для заданной скорости путём одновременного регулирования у питающих напряжений всех амплитуд и частот или только частот при постоянстве амплитуд.

4. С использованием полученных передаточных функций разработан алгоритм формирования желаемых переходных характеристик индукторного электропривода двойного питания при регулировании скорости с учётом минимизации электрических потерь в обмотках в начальной и конечной точках режима работы.





Значение для теории заключается в том, что усовершенствована и алгоритмизирована методика получения комплекса математических моделей ИДДП с использованием символьного процессора, а также научно обоснованы принципы проектирования систем управления индукторным электроприводом двойного питания, обеспечивающих минимизацию электрических потерь в обмотках двигателя в квазиустановившемся режиме.

Значение для практики состоит в том, что за счёт автоматического выбора управляющих величин обеспечивается снижение электрических потерь в обмотках индукторного двигателя двойного питания на 10…40%, в зависимости от параметров двигателя и режима работы.

Обоснованность научных положений, выводов, рекомендаций и достоверность результатов исследований подтверждаются удовлетворительным совпадением теоретических характеристик, полученных методами моделирования с использованием программ MathCAD и Matlab по полным и упрощённым вариантам математических моделей, с отдельными экспериментальными характеристиками, полученными на экспериментальной установке на базе аппаратно-программного комплекса National Instruments в сочетании с программой LAbVIEW8.5.

Материалы диссертационных исследований использованы в рамках учебного процесса по учебным дисциплинам "Математическое программное обеспечение", "Механика" и "Модели и методы анализа проектных решений" специальности 230104.65 "Системы автоматизированного проектирования" в научно-учебной лаборатории систем автоматизированного проектирования кафедры систем искусственного интеллекта Института космических и информационных технологий СФУ.

Все теоретические результаты диссертации получены лично автором, экспериментальные исследования выполнены при участии сотрудников научно учебной лаборатории систем автоматизированного проектирования СФУ П. В. Авласко и В. А. Поваляева.

Полученные результаты рекомендуется использовать на предприятиях космической промышленности, в частности, ОАО "Информационные спутниковые системы имени академика М. Ф. Решетнёва", а также в автономных установках с повышенными требованиями к точности, сроку активного существования и потребляемой мощности.

Апробация результатов диссертации состоялась на конференциях: IV Международной научно-технической конференции "Электромеханические преобразователи энергии", 13—16 октября 2009 г. (г. Томск); Всероссийской научнотехнической конференции "Научная сессия ТУСУР-2009", 12—15 мая 2009 г.

(г. Томск); XIII Междунар. науч. конф., посвящ. 50-летию Сиб. гос. аэрокосмич.

ун-та имени академика М. Ф. Решетнева, 10—12 нояб. 2009, (г. Красноярск);

Всероссийской научно-технической конференции "Научная сессия ТУСУР2010", 4—7 мая 2010 г. (г. Томск); международной пятнадцатой научнотехнической конференции "Электроприводы переменного тока", 12—16 марта 2012 г., ФГАОУ ВПО "УрФУ имени первого Президента России Б. Н. Ельцина" (г. Екатеринбург).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 9 научных работах, из которых 1 публикация в рецензируемом журнале по перечню ВАК и 8 докладов в материалах всероссийских и международных конференций.

Общая характеристика диссертации. Диссертация состоит из 4 разделов, содержит основной текст на 104 с., 36 иллюстраций, приложения на 32 с., список использованных источников из 108 наименований.

Содержание работы Во введении приведены актуальность, объект, предмет, цель и задачи диссертации, перечислены использованные методы исследования, сформулированы полученные в диссертации и выносимые на защиту новые научные результаты, указано их значение для теории и практики, показана их достоверность и обоснованность.

В разделе 1 "Проблематика, цель и задачи диссертационной работы" рассмотрены особенности ЭП автономных объектов на примере систем поворота антенн и батарей солнечных космических аппаратов (КА). Предложено улучшать характеристики ЭП за счёт использования индукторных двигателей двойного питания (ИДДП), являющихся усовершенствованием применяемых индукторных двигателей, но пока слабо изученных (рис. 1). Обоснована возможность использования разомкнутой системы ЭП с ИДДП для уменьшения числа датчиков, кабелей, соединений и др. и повышения надёжности.

Приведено известное математическое описание ИДДП в виде системы дифференциальных уравнений в векторно-матричной форме:

T d (t) 1 L(Zredr ) = -R i(t) + u(t), i(t), (1) [Zredr (t)]= L[Zredr (t)]i(t), M = iT (t) dt 2 r где — вектор потокосцеплений; R — матрица активных сопротивлений об моток; i — вектор токов; u — вектор питающих напряжений t — время; L — матрица собственных и взаимных индуктивностей; угла поворота r — угол поворота ротора; M — электромагнитный момент; Zred — коэффициент электромагнитной редукции; верхний индекс T при векторах и матрицах обозначает транспонирование.

1 - 1 - Угловая скорость ротора R = = =, где 1 и 2 — Z Z ZR sgn(ZS - ZR ) ред ред угловые частоты 1-го и 2-го питающих напряжений; — угловая скорость магнитного поля (магнитного потока); Zred = ZR sgn(ZS - ZR ), где — коэффициент электромагнитной редукции; ZR, ZS — числа зубцов соответственно ротора и статора.

Система управления Инвертор инвертора U1m ИДДП Блок Блок рас- r z задания пределения r Нагрузка z управлений управлений Система управления Инвертор инвертора U 2m Рис.1 — Структурная схема ЭП с ИДДП Отмечено, что проблема энергетической эффективности ИДДП связана с принципом двойного питания, из-за которого двигатель не может сам выбирать потребляемые токи, которые зависят не столько от момента нагрузки, сколько от питающих напряжений. Предложено использовать для этого управление, минимизирующее электрические потери в обмотках. Особенностью ЭП КА является требование к плавности изменения скорости, в том числе при её быстром изменении без колебательности и перерегулирования. Показано, что для проектирования ЭП с ИДДП необходим комплекс разнообразных математических моделей, которые сложно получать вручную, поэтому предложено автоматизировать получение этих моделей с помощью символьного процессора программы MathCAD.

В разделе 2 "Автоматизация получения аналитических моделей ИДДП" решена задача автоматизации получения аналитических математических моделей ИДДП с применением символьного процессора программы MathCAD на основе доработки существующих и разработки новых методик отдельных преобразований и объединения их в единый алгоритм вычислений с учётом различных сочетаний используемых допущений.

Приведена структурная схема процесса автоматизированного преобразования математических моделей (рис. 2), основные этапы и их особенности.

Рис.2 — Структурная схема процесса автоматизированного преобразования математических моделей Показано, что возможности программы MathCAD удовлетворяют требованиям к сложности обрабатываемых выражений и необходимым при этом операциям. Все выкладки выполняются с использованием матричных операций, в том числе с помощью специальных матриц перехода от одного преобразования к другому. Некоторые из них известны из теории электрических машин (преобразование координат, преобразование числа фаз), другие вводятся по мере необходимости (преобразование схемы соединения обмоток, учёт симметричности машины и др.). Кратко охарактеризована часть процедур для символьных выкладок, написанных с применением внутреннего языка программирования MathCAD и приведённых в приложении к диссертации. Эти процедуры дополняют внутренние символьные процедуры. Выстроены последовательности преобразований моделей и показана их взаимная зависимость. Дано краткое описание одного из комплексов рабочих листов MathCAD, применяемых для преобразования системы координат обмоток, выбора переменных состояния (потокосцеплений, токов), получения уравнений статики, полных и упрощённых выражений потокосцеплений и токов. В целом создано более 40 рабочих листов в MathCAD13, обеспечивающих разнообразные символьные выкладки в автоматизированном режиме. По сравнению с известными из литературы, математические модели, формируемые автоматически в диссертации, могут быть получены при таких сочетаниях допущений, которые обычно не используют из-за громоздкости выкладок. В то же время, многие из этих моделей необходимы для определённых этапов проектирования.

Детально рассмотрено математическое обеспечение отдельных преобразований и операций, главным образом имеющих специфические особенности: упрощение нелинейных моделей за счёт неучёта взаимного влияния обмоток;

особенности автоматизированной линеаризации методом разложения в ряд Тейлора с использованием команды MathCAD и специальных способов программирования; процедура получения матричной передаточной функции и на её основе — частных передаточных функций с постепенным преобразованием структуры (рис.3) к упрощённым передаточным функциям ИДДП в аналитической форме. В приложении к диссертации в качестве примера приведено несколько моделей, полученных автоматизированно.

В частности, получены передаточные функции ИДДП с электромагнитным моментом на выходе, которые используются далее для формирования переходных характеристик:

M ( p) LmU2m0 p cos(M 0) +[1 cos(M 0) - 1.0 sin(M 0)] W1( p) = = ; (2) 2 U1m ( p) L1L22.( p2 + 21p + 1 + 1.0) M ( p) LmU1m0 p cos(M 0) +[2 cos(M 0) + 2.0 sin(M 0)] W2( p) = = - ; (3) U2m ( p) L1L21.( p2 + 22 p + 2 + 2.0) 2 M ( p) LmU1m0U2m0 (1.0 - 2.0) W3( p) = = 1 ( p) L1L21.02.p2 sin(M 0) + p (1.0 - 2.0)cos(M 0) + 1.02.0 sin(M 0) ; (4) ( p2 + 21p + 1.0)( p2 + 22 p + 2.0) M ( p) LmU1m0U2m0 p sin(M 0) +[2 sin(M 0) - 2.0 cos(M 0)] W4( p) = = - ; (5) 1 ( p) L1L21.( p2 + 22 p + 2 + 2.0) 2 M ( p) LmU1m0U2m0 p sin(M 0) + [1 sin(M 0) + 1.0 cos(M 0)] W5( p) = = ; (6) 2 1 ( p) L1L22.( p2 + 21p + 1 + 1.0) M ( p) LmU1m0U2m0 p sin(M 0) + [2 sin(M 0) - 2.0 cos(M 0)] W6( p) = = ; (7) 2 ( p) L1L21.( p2 + 22 p + 2 + 2.0) 2 M ( p) LmU1m0U2m0 p sin( M 0) + [2 sin(M 0) - 2.0 cos(M 0)] W7 ( p) = = ; (8) ( p) L1L21.( p2 + 2 2 p + 2 + 2.0) 2 2 M ( p) LmU1m0U2m0 p sin(M 0) + [2 sin(M 0) - 2.0 cos(M 0)] W8( p) = = ; (9) r ( p) L1L21.( p2 + 22 p + 2 + 2.0) 2 M ( p) LmU1m0U2m0 p cos(M 0) + [2 cos(M 0) + 2.0 sin(M 0 )] W9( p) = = - , (10) r ( p) L1L21.02.( p2 + 22 p + 2 + 2.0) 2 где p — символ Лапласа; 1, 2, — вспомогательные параметры, выражающиеся через параметры обмоток; 1.0, 2.0 — угловые частоты первого и второго питающих напряжений в точке линеаризации; L1, L2, Lm — собственные и взаимная индуктивностей соответствующих обмоток; U1m0, U2m0 — амплитуды соответствующих напряжений в точке линеаризации; M 0 — угол нагрузки в точке линеаризации (обычно порядка 45°); значок "" означает приращения, а "0" — значение в точке линеаризации.

В этих передаточных функциях, в отличие от подобных выражений, известных из литературы и полученных вручную, присутствуют дополнительные составляющие, которые ранее не учитывались для упрощения ручных выкладок.

Передаточные функции объединяются в структурную схему (рис.3) с учётом модели механической нагрузки. Затем из них (уже частично вручную) получают передаточные функции с выходом в виде скорости и угла поворота ротора.

U1m W1( p) U2m W2( p) r W3( p) 1 M f 1 W4( p) M r W5( p) 1 Jp p 2 W6 ( p) kv r 2 W7 ( p) r W8( p) r W9( p) Рис.3 — Структурная схема линеаризованной модели ИДДП с использованием аппарата передаточных функций Дальнейшее упрощение заключается в пренебрежении электромагнитными процессами в обмотках, что отражается условием p = 0, после чего во всех передаточных функциях остаются только коэффициенты. Такое допущение возможно из-за сравнительно высоких частот питания, так как электромагнитные постоянные времени всех передаточных функций определяются ими и по сравнению с механическими постоянными времени очень малы. Этот факт известен, но в данном случае он используется для автоматизированного сворачивания передаточных функций и получения общей передаточной функции ИДДП.

В разделе 3 "Минимизация электрических потерь ИДДП в квазиустановившемся режиме" рассмотрена задача минимизации электрических потерь в обмотках ИДДП в связи с особенностями двойного питания, при котором даже при отсутствии механической нагрузки двигатель может потреблять значительный ток, если не ограничивать соответствующим образом питающие напряжения, в отличие от двигателей "одинарного" питания, где величина тока определяется механической нагрузкой. Для автономных объектов это не приемлемо в связи с ограниченностью энергоресурсов и дополнительным нагревом двигателя. Поэтому сформулирована и решена задача выбора частот и амплитуд питающих напряжений, при которых электрические потери в обмотках минимальны. Для моделирования энергетических характеристик электропривода с ИДДП разработана и представлена в разделе 3 его модель в программе Matlab (рис.4). Она включает в себя также имитатор вычислителя управляющих величин.

Рис. 4 — Модель ЭП с ИДДП в программе Simulink С использованием полученных в разделе 2 математических моделей синтезирован алгоритм управления, минимизирующий электрические потери в обмотках ИДДП. Предварительно для определения целесообразности поиска минимума выполнены расчёты мощности электрических потерь в зависимости от частот и амплитуд питающих напряжений. Для этого в выражение электриче2 2 2 ских потерь в обмотках P = i1xR1 + i1yR1 + i2xR2 + i2 yR2 подставляются выражения токов для установившегося режима в синхронной системе координат в системе относительных единиц:

i1x = (1x0 - k22x0) L1 ; i1y = (1y0 - k22 y0) L1 ;

(11) i2x = (2x0 - k11x0) L2 ; i2 y = (2 y0 - k11y0) L2 где потокосцепления в установившемся режиме подставлялись по полным выражениям (схожим с известными из литературы) и по упрощённым, полученным в данной работе с использованием комплекса автоматизированного получения моделей.

Зависимости мощности электрических потерь в обмотках при разных значениях скорости r и статического r=0.момента M в относительных Lr=0. P, о.е.

единицах и при расчёте по r=0.r=0.полным выражениям потоr=0.косцеплений представлены на рис.5.

На полученных зависимостях, построенных для пяти скоростей на примере лабора20, о.е.

торного образца ИДДП-248N, Рис.5 — Зависимости мощности потерь от частоты видны явно выраженные минимумы. При этом в области меньших частот потери мене чувствительны к варьированию частоты, нежели в области больших частот, так как с повышением частоты питания растёт угол нагрузки, что приводит к снижению запаса по моменту. Поэтому при углах от 70° до 90° изменение частот сопровождается более резким подъёмом с потерей работоспособности, т. е. эта зона не является рабочей.

Следующая задача связана с нахождением минимума потерь средствами микропроцессора. Использование полных выражений сопряжено с достаточно большим объёмом математических вычислений, которые могут занимать порядка одной, двух секунд реального времени, что является не допустимым.

С учётом реального соотношения параметров обмоток ИДДП, выражения потокосцеплений и токов были упрощены за счёт пренебрежения активными сопротивлениями обмоток, при сохранении их в выражении мощности потерь.

Потокосцепления:

U1m0 sin(M 0) cos(M 0) 1x0 0, 1y0 -, 2x0 U2m0, 2 y0 - U2m0, (14) 10 20 токи:

U2m0 sin(M 0) U1m0 U2m0 cos(M 0) i1x = -k2 ; i1y = - + k2 ; L120 L110 L120 (15) U2m0 sin(M 0) U2m0 cos(M 0) U1m0 i2x = ; i2 y = -k2 + k L220 L220 L210 - M01020(L1L2 - Lm2) угол нагрузки M 0 arcsin.

LmU1m0U2m0 С использованием символьного процессора MathCAD было получено аналитическое выражение мощности электрических потерь в обмотках ИДДП:

P(U1m0,U2m0, 10, 20) = 2 2 2 2 2 2 (16) U1m0 U2m0 U1m0U2m0 U1m0U2m2 = hrl5 2 + hrl6 - 2 hrl1 2 - hrl3M0 + hrl2 2 - hrl4M0 10 2 102 1020 20 2 2 2 2 2 R1 L2 L2 R2 L1 L2 R1 L2 R2 L2 m m где hrl1 = ; hrl2 = ; hrl3 = ; hrl4 = ;

(L1L2 - L2 )4 (L1L2 - L2 )4 (L1L2 - L2 )2 (L1L2 - L2 )m m m m 2 2 R1 L2 + R2L2 R1 L2 + R2L2 m m hrl5 = ; hrl6 = — коэффициенты, зависящие от парамет(L1L2 - L2 )2 (L1L2 - L2 )m m ров двигателя и режима.

У разных экземпляров ИДДП, различающихся по мощности в десятки раз, параметры в относительных единицах близки, поэтому полученные выражения являются универсальными. Они могут служить основой для отыскания управления, минимизирующего электрические потери в обмотках ИДДП в установившемся режиме. Поскольку выражение (16) получено на основе упрощённых аналитических выражений, расчёты по нему сравнивались с расчётами по полным выражениям. Погрешность составила 2…9%, в зависимости от нагрузки, что доказывает правомерность использования упрощённых выражений, которые быстрее считаются с помощью микропроцессора.

Рассмотрены два варианта минимизирующего потери управления: четырёхканальное (при изменении частот и амплитуд обоих питающих напряжений) и двухканальное (при изменении только двух частот и сохранении амплитуд неизменными).

Четырёхканальное управление предполагает, что оба инвертора ЭП имеют запас по напряжению, вследствие чего амплитуды могут регулироваться вверх и вниз от номинальных значений. Но реальные системы ЭП редко обладают такой возможностью, т. е. амплитуды или не могут регулироваться вообще, либо регулируются только вниз от номинальных значений. В этом случае следует воспользоваться теми дополнительными возможностями по управлению, которые предоставляет принцип двойного питания, когда скорость определяется разностью частот питающих напряжений, т. е. одну и ту же скорость можно получить при разных частотах.

Для четырёхканального и для двухканального управлений используется одно и то же выражение мощности электрических потерь, но в одном случае варьируются все четыре управляющих координаты, а во втором — только две (частоты). На основе этого выражения разработаны алгоритмы управления, миними зирующие электрические потери в ИЭПДП для квазиустановившегося режима, использующие для нахождения минимума метод градиентного спуска. Это связано с тем, что аналитическое решение задачи нахождения минимума приводит к уравнениям, которые не имеют простого решения и которые всё равно приходится решать численными методами. Проверка метода градиентного спуска показала, что с учётом сильной выпуклости целевой функции, метод находит минимум за 3…5 шагов, что достаточно для реализации управления на микропроцессоре в контуре управления. Выявлено, что преимущество четырёхканального управления начинают проявляться только при повышении заданной скорости, что позволяет рекомендовать двухканальное управление для практического использования.

Написаны программы управления ЭП в режиме реального времени на языке программирования С. Проведена симуляция процесса оптимизации, который занимает в среднем от 5 до 10 мс. у микропроцессора из семейства AWR серии ATmega128 с частотой кварцевого генератора 4МГц.

В разделе 4 "Формирование переходных характеристик электропривода при регулировании скорости" с использованием полученных в разделе 2 передаточных функций разработан алгоритм управления, позволяющий переводить систему из одного установившегося состояния с минимумом электрических потерь, в другое установившееся состояния с тем же критерием оптимальности при отсутствии колебательности и перерегулирования за время, не более заданного. Для этого используется комплекс задатчиков интенсивности (рис.6) для формирования сигналов на изменение частот и амплитуд (при четырёхканальному управлении) или только частот (при двухканальном управлении).

U1m U1m ЗИ3 Система управления 1 1 Инвертор инвертора ЗИИДДП z (t) Блок r оптимизации r Нагрузка управления ЗИ2 Система управления Инвертор U U 2m 2m инвертора ЗИРис.6 — Система формирования переходных характеристик с желаемыми показателями качества с помощью задатчиков интенсивности Задатчики интенсивности представляют собой формирователи экспоненциальных зависимостей. Их параметры находятся путём анализа параметров передаточных функций ИДДП по соответствующим управляющим координатам с учётом ограничений на время регулирования. Полученные в разделе 2 аналитические выражения передаточных функций (второго порядка) позволяют определить параметры экспоненциальных зависимостей.

Управление осуществляется по следующему алгоритму: 1) задаётся новое значение скорости; 2) микропроцессорный блок оптимизации управлений рассчитывает новые значения частот (или также амплитуд, если управление четырёхканальное); 3) сигналы пересчитываются в экспоненциальные кривые и подаются на системы управления инверторами.

Заключение Для удовлетворения повышенных требований к ЭП КА по точности, плавности вращения, энергопотреблению, сроку активного существования целесообразно вместо применяемых в настоящее время индукторных двигателей использовать их разновидность — индукторные двигатели двойного питания.

Достигаемый в используемых сейчас двигателях положительный эффект от электромагнитной редукции дополняется положительным эффектом от принципа двойного питания, что позволяет повысить плавность при малых угловых скоростях ротора, исключив при необходимости механический редуктор.

С помощью разработанной автоматизированной системы формирования математических моделей в аналитическом виде можно получать математические модели различного вида и различной степени детализации, которые необходимы для соответствующих этапов проектирования ЭП с ИДДП.

В квазиустановившемся режиме работы индукторного ЭП двойного питания скорость обеспечивается выбором такого сочетания основных управляющих воздействий, чтобы минимизировать электрические потери в обмотках, в соответствии с разработанными алгоритмами регулирования двух частот и двух амплитуд или только двух частот питающих напряжений.

Для формирования переходных характеристик при регулировании скорости параметры задатчиков интенсивности для каждой управляющей координаты выбираются с использованием аналитических упрощённых выражений полученных передаточных функций и заданных ограничений на время переходного процесса при условии отсутствия колебательности и перерегулирования.

Публикации автора по теме диссертации Публикации в изданиях по перечню ВАК:

1 Усов, В. П. Управление индукторными двигателями двойного питания в позиционных электроприводах космических аппаратов / С. А. Бронов, В. П.

Усов и др. // Авиакосмическое приборостроение. — 2010. — № 9. — С. 34—40.

Прочие публикации:

2 Усов, В. П. Моделирование электропривода с индукторным двигателем двойного питания в среде Matlab – Simulink / С. А. Бронов, В. Д. Семенов, В. П.

Усов // Материалы докладов Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Научная сессия ТУСУР-2009", 12— 15 мая 2009 г. — Томск: ТУСУР, 2009. — Ч. 4. — С. 182—186.

3 Усов, В. П. Электроприводы с индукторным двигателем двойного питания / С. А. Бронов, В. П. Усов и др. // Материалы IV международной научнотехнической конференции "Электромеханические преобразователи энергии", посвящённой 100-летию со дня рождения ректора ТПИ (1944—1970 гг.) А. А.

Воробьёва, 13—16 октября 2009 г. — Томск : ТПУ, 2009. — С. 94—98.

4 Усов, В. П. Минимизация электрических потерь в обмотках индукторного двигателя двойного питания при двухканальном управлении / В. П. Усов, С. А.

Бронов // Материалы IV международной научно-технической конференции "Электромеханические преобразователи энергии", посвящённой 100-летию со дня рождения ректора ТПИ (1944—1970 гг.) А. А. Воробьёва, 13—16 октября 2009 г. — Томск : ТПУ, 2009. — С. 99—102.

5 Усов, В. П. Оптимальное двухканальное частотное управление индукторным двигателем двойного питания с минимизацией электрических потерь в обмотках / В. П. Усов, С. А. Бронов // Решетневские чтения : материалы XIII Междунар. науч. конф., посвящ. 50-летию Сиб. гос. аэрокосмич. ун-та имени академика М. Ф. Решетнева (10—12 нояб. 2009, г. Красноярск) : в 2 ч. ; под общ.

ред. Ю. Ю. Логинова / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. — Красноярск, 2009. — Ч. 1. — С. 222—223.

6 Усов, В. П. Минимизация электрических потерь в обмотках индукторного двигателя двойного питания при двухканальном и четырехканальном частотном управлении / С. А. Бронов, В. Д. Семенов, В. П. Усов // Материалы докладов Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Научная сессия ТУСУР-2010", 4—7 мая 2010 г. — Томск :

ТУСУР, 2010.

7 Усов, В. П. Передаточные функции индукторного электропривода двойного питания для космических аппаратов / В. П. Усов // Решетневские чтения : материалы XV Междунар. науч. конф., посвящ. памяти генер. конструктора ракет.космич. систем академика М. Ф. Решетнева (10—12 нояб. 2011, г. Красноярск) :

в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. — Красноярск, 2011. — Ч. 2. — С. 513—514.

8 Усов, В. П. Принципы управления индукторным электроприводом двойного питания / С. А. Бронов, В. П. Усов и др. // Электроприводы переменного тока : Труды международной пятнадцатой научно-технической конференции, 12—16 марта 2012 г. — Екатеринбург : ФГАОУ ВПО "УрФУ имени первого Президента России Б. Н. Ельцина", 2012. — С. 117—120. — ISBN 978-5-82950128-0.

9 Усов, В. П. Комплекс математических моделей индукторного электропривода двойного питания / С. А. Бронов, В. П. Усов и др. // Электроприводы переменного тока : Труды международной пятнадцатой научно-технической конференции, 12—16 марта 2012 г. — Екатеринбург : ФГАОУ ВПО "УрФУ имени первого Президента России Б. Н. Ельцина", 2012. — С. 135—138. — ISBN 9785-8295-0128-0.






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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.