Введение к работе
Диссертация представляет собой обобщение результатов научно-исследовательской работы, а также опыта работ по проектированию, изготовлению и внедрению образцов бесконтактных электроприводов, в которых участвовал автор с I960 года в институте Электромеханики АН СССР, ВНИИЭлектромаш, Вологодском политехническом институте, научно-внедренческом предприятии "ЭЛКОМ", научно-производственном предприятии "НОВТЕХ".
К 1990 году элементная база и технические средства сделали очередной шаг в своем развитии. Это прежде всего относится к силовой электронике и микропроцессорным средствам управления. В результате появилась возможность сократить разрыв между результатами научных исследований и их реализацией в промышленных образцах электроприводов. Однако разработка, изготовление и внедрение современных бесконтактных электроприводов на предприятиях России сдерживается как по объективным, так и по субъективным причинам. Из объективных причин следует выделить и то, что свободное владение информацией, которую вобрало в себя понятие "современный автоматизированный электропривод", требует подготовки инженеров по 3 - 4 традиционным специальностям. Поэтому в этой области необходима новая концепция подготовки научных и инженерных кадров. Из субъективных причин следует выделить часто одностороннюю оценку результатов исследований: только по достигаемым показателям качества регулирования без учета технико - экономических показателей как на стадии изготовления, так и при эксплуатации на предприятиях. В то же время зарубежные фирмы на Российском рынке предлагают широкий ассортимент бесконтактных электроприводов с микропроцессорным управлением. Однако многие зарубежные электроприводы используют принцип "абсолютной унификации", что делает их функционально-избыточными для большинства производственных установок. В результате при их объектной ориентации необходима разработка и запись дополнительных управляющих программ, что приводит к затратам, иногда соизмеримым со стоимостью электроприводов. Таким образом, специалисты в области электроприводов и автоматизации поставлены перед выбором,- либо использовать зарубежные системы,- либо искать пути, методы и средства для организации производства и внедрения отечественных электроприводов.
История и современное состояние проблемы. Создание первых промышленных образцов асинхронных и синхронных машин определило начало исследований, поисков методов и технических средств реализации регулируемых электроприводов переменного тока. В своих работах М.П. Костенко, Н.С. Ямпольский, О.Г. Вегнер, Д.А. Завалишин, И.М. Садовский,
R.H. Park, E. Rodewald, Г. Крон, А.Я. Бергер, Л.Н. Грузов, А.С. Коган, Е.Д. Несговорова, А. Глязер, К. Мюллер, К. Любек к середине 50-х годов создали теоретическую базу для дальнейших исследований. Развитие работы в этом направлении получило в трудах А.А. Булгакова, В.А. Шубенко, А.А. Янко -Триницкого, Е.Я. Казовского, А.А. Горева, А.В. Иванова-Смоленского, В.Т. Касьянова, Г.Н. Штурмана, Ф.И. Бугаева, Е.Л. Этингера. В результате к началу 60-х годов был создан теоретический базис для разработки электроприводов переменного тока и сформировалось три основных направления:
частотно-регулируемые электроприводы с асинхронными двигателями;
частотно - регулируемые приводы с синхронными двигателями;
вентильные преобразователи частоты.
С разработкой транзисторов, тиристоров, а затем и интегральных микросхем электроприводы переменного тока получили реальную возможность конкурировать с электроприводами постоянного тока. Благодаря работам научных коллективов, прежде всего Москвы, Санкт-Петербурга, Новосибирска, Екатеринбурга, Иванова, Киева, Харькова, Минска, в период с I960 г. по 1996 г. создан научный базис в области анализа и синтеза систем модульного, частотно-токового и векторного управления электроприводами переменного тока, полупроводниковых преобразователей частоты, микропроцессорной реализации систем управления.
Однако инженеры, занимающиеся проектированием электроприводов, а тем более руководители, определяющие техническую политику предприятий, по-прежнему испытывают трудности в принятии решений:
какой тип электропривода выбрать;.
что выиграет от этого предприятие;
как организовать обслуживание современных электроприводов. Отсюда следует актуальность темы диссертации, что подтверждается
потребностями предприятий в современных регулируемых электроприводах переменного тока и дефицитом электроприводов отечественного производства на Российском рынке.
Целью диссертации является разработка методов идентификации, анализа, синтеза и проектирования объектно-ориентированных бесконтактных электроприводов, обеспечивающих их реализацию минимальными средствами.
Для достижения этой цели были решены следующие задачи:
разработаны обобщенные модели вентильно-электромеханических систем и выполнена их идентификация на основе общности и различий энергетических и функциональных преобразований;
выполнен сравнительный анализ характеристик вентильно-электромеханических систем и характеристик механизмов и предложен принцип минимальной достаточности при выборе типа привода и способа регулирования;
выполнены исследования характеристик электроприводов с синхронными и асинхронными электроприводами и синтезированы оптимизированные законы частотного управления, ориентированные на различные группы механизмов;
разработаны алгоритмы и системы управления электроприводами с переменной структурой;
исследованы переходные процессы в асинхронных электроприводах и разработаны способы оптимизации в системах с модульным управлением;
разработана методика проектирования асинхронных электроприводов для станков и общепромышленных механизмов;
выполнены исследования электромагнитных процессов в вентильных преобразователях частоты и синтезированы новые способы и устройства управления;
разработаны устройства диагностирования и контроля исправности преобразователей, увеличивающие время безотказной работы;
выполнен анализ энергетического баланса в системах преобразователь-двигатель и предложены методы расчета силовых цепей преобразователя;
предложены принципы принятия решений на этапах проектирования, изготовления и внедрения на основе обобщенных технико-экономических критериев;
обслуживание электроприводов с асинхронными двигателями.
Методы исследований основаны на разделах теории вероятности,
алгебры логики, тензорного анализа, использовались положения теории пространства состояний и метода энергетического баланса. Были применены методы суперпозиции, кусочно-линейной аппроксимации и активного эксперимента.
Научная новизна работы заключается в следующем :
-
Разработана методика системно-функционального анализа и идентификации автоматизированных электроприводов с вентильными преобразо вателями.
-
Предложены принципы постоянства функциональных и энергетических преобразований и минимальной достаточности для принятия решений при проектировании объектно-ориентированных электроприводов.
-
Разработана методика проектирования частотно-регулируемых электроприводов с управлением модулями переменных.
-
Предложены методы анализа, идентификации и проектирования полупроводниковых преобразователей частоты.
-
Уточнены динамические и регулировочные свойства частотно-управляемых двигателей переменного тока и предложено их математическое
описание.
-
Разработаны новые способы и устройства управления преобразователями и частотно-регулируемыми электроприводами.
-
Предложены принципы организации производства и маркетинга частотно-регулируемых электроприводов.
-
Новизну подтверждают 47 авторских свидетельств на изобретения и комплексы изобретений.
Практическая значимость результатов исследований заключается в разработке (с учетом реальной производственной базы), изготовлении и организации производства полупроводниковых преобразователей частоты и частотно-регулируемых электроприводов:
-
Преобразователи повышенной частоты (200-400 Гц) серии ПСП для питания электроинструмента, а также бортовых систем стратосферной астрономической станции (ВНИИЭлектромаш).
-
Бесконтактный микроэлектропривод возвратно-поступательного движения для систем жизнеобеспечения скафандров (НИИХиммаш).
-
Сверхвысокоскоростной электропривод электрошпинделя шлифовального станка (240000 об/мин, ЭНИМС).
-
Низкоскоростной частотно-регулируемый электропривод с синхронным двигателем для поворота антенны.
-
Устройства диагностирования преобразователей.
-
Электроприводы судовых грузовых лебедок.
-
Система управления асинхронно-вентильным каскадом.
-
Устройства управления электропривода кругового мостового крана.
-
Устройства управления и контроля электроприводов Ново-Воронежской АЭС.
-
Высокоскоростной электропривод с бесконтактным вентильным двигателем.
-
Тяговые электроприводы и системы управления электротрансмиссией пневмоколесного восьмиосного транспортного средства.
-
Унифицированные электроприводы с модульной архитектурой MS-MR с бесконтактными вентильными двигателями для станков с ЧПУ и MS-MA с асинхронными двигателями для общепромышленных механизмов, участие в организации серийного производства.
-
Частотно-регулируемые электроприводы серии ЭЧР для станков и общепромышленных механизмов (разработка, организация серийного производства и сбыта).
Личный вклад автора. Начиная с 1961 года автор участвовал в исследованиях и разработке частотно-регулируемых электроприводов в Институте электромеханики Академии Наук СССР (Ленинград, ИЭМ). С 1965 года автор руководил научными коллективами в ИЭМ, ВНИИЭлектромаш,
СЗПИ, Вологодском политехническом институте. Он принимал участие в изготовлении, наладке и испытаниях полупроводниковых преобразователей частоты и электроприводов в Г.Александрии (преобразователи серии ПСП), в Москве (приводы роботов, ЭНИМС), в Казахстане (электроприводы для стрижки овец), в Бюрокане (преобразователи для стратосферной астрономической станции), в Казани, в Вологде (электроприводы MS-MR и MS-MA). В настоящее время под руководством автора разработаны электроприводы нового поколения семейства ЭЧР и при его участии организовано их производство. Преобразователи серии ПСП экспонировались на ВДНХ и были отмечены медалью ВДНХ, по результатам изобретательской деятельности автору было присвоено звание "Изобретатель СССР", а за научную и педагогическую работу присвоено звание "Отличник высшей школы" и ученое звание профессора.
Реализация результатов работы. Начиная с 1965 года научные исследования были ориентированы на обеспечение опытно - конструкторской работы и использование результатов исследований при создании опытных и промышленных образцов электроприводов и полупроводниковых преобразователей. Кроме перечисленных ранее устройств результаты работы используются (судя по цитированию) авторами других научных коллективов. Разработанные автором схемы и системы применяются не только в реализованных при его участии установках, но и в электроприводах, выпускаемых предприятиями других регионов (ТПТР - Ставрополь, РЭН). Принципы, использованные при разработке микродвигателей возвратно-поступательного движения, применяются в магнитном подвесе высокоскоростных электрошпинделей, бесконтактные датчики тока построены по схеме, использованной автором в системе контроля состояния вентилей преобразователей. Материалы диссертации внедрены и внедряются в учебный процесс. На их основе подготовлены и изданы учебные пособия, отдельные разделы включены в лекционные курсы "Преобразовательная техника", "Системы управления электроприводами", предложенные методики применяются в курсовом и дипломном проектировании. Начиная с 1975 года в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах активно участвуют студенты. Одиннадцать студентов, работавших под руководством автора, получили авторские свидетельства на изобретения, 3 аспиранта под руководством автора подготовили и защитили кандидатские диссертации.
Положения, выносимые на защиту:
1. Методы идентификации и сравнительного анализа автоматизированных электроприводов на основе обобщенных моделей вентильно-электромеханических систем с учетом характеристик различных групп механизмов.
-
Принципы постоянства функциональных энергетических преобразований при синтезе простейших технических решений в процессе разработки серии объектно-ориентированных электроприводов.
-
Анализ регулировочных свойств и переходных процессов в частотно-регулируемых электроприводах и синтез оптимизированных законов управления.
-
Методы оптимизации переходных процессов в асинхронных электроприводах общего применения.
-
Методы обеспечения требуемого качества регулирования на основе систем с переменной структурой.
-
Приближенные методы расчета асинхронных электроприводов с модульным управлением.
-
Методы расчета вентильных преобразователей частоты на основе энергетического баланса и эквивалентных величин.
-
Способы и устройства управления и диагностирования электроприводов и вентильных преобразователей.
-
Организация разработки, производства и внедрения частотно-регулируемых электроприводов с микропроцессорным управлением.
Апробация работы. По отдельным разделам диссертационной работы было сделано более 25 докладов на Всесоюзных, республиканских, отраслевых и межвузовских научно-технических и научно-методических конференциях и семинарах в Москве, Ленинграде, Санкт-Петербурге, Иванове, Орджоникидзе, Риге, Тольятти, Вологде.
Целиком диссертация докладывалась на расширенном научно- техническом Совете электроэнергетического факультета ВоПИ, на кафедре электрических машин и автоматизированного электропривода Санкт-Петербургскогс Государственного Горного института, на научном семинаре пс электромеханическим системам (Международная энергетическая Академия, НТО энергетиков и электриков, Санкт-Петербург).
Публикации. Автором опубликовано (единолично и в соавторстве^ по теме диссертации и смежным проблемам более 120 работ, в том числе 41 авторских свидетельств на изобретения и комплексы изобретений Использована при составлении рукописи 71 работа. Список работ приведен і конце текста диссертации.
