Введение к работе
Актуальность задачи. Развитие современных электрических приводов автономных объектов идет по пути увеличения их удельных показателей, снижения энергопотребления. В то же время постоянно возрастают требования к точностным и динамическим характеристикам. Решать эти задачи необходимо в условиях низковольтного, ограниченного по мощности бортового источника энергии. Примерами таких объектов являются мобильные робототехнические комплексы, манипуляторы на основе пространственных механизмов платформенного типа, системы управления полетом космических аппаратов, системы наведения и стабилизации вооружения автономных подвижных объектов. Кроме того, получение высоких точностных показателей затруднено тем, что большинство подобных объектов являются многомассовыми электромеханическими системами с упругими связями.
Таким образом, очевидно противоречие между высокими требованиями к быстродействию и точности и одновременно повышению энергоэффективности электрического привода в условиях низковольтного источника энергии. Разрешению этого противоречия для электрического привода системы наведения и стабилизации многомассового инерционного объекта и посвящена диссертационная работа.
Решению поставленных задач способствует создание транзисторного статического преобразователя, удовлетворяющего критерию максимума КПД силовой части быстродействующего электропривода с низковольтным силовым питанием.
Объект исследования. Объектом исследования настоящей работы является статический преобразователь быстродействующего электропривода с низковольтным силовым питанием.
Цель работы. Целью диссертации является разработка методики построения и расчета преобразователя, удовлетворяющего критерию максимума КПД силовой части быстродействующего электропривода с низковольтным силовым питанием.
Задачи работы. Поставленная цель работы достигается решением следующих задач:
-
Определение требований к статическому преобразователю на примере анализа технических характеристик современных систем наведения и стабилизации инерционных объектов.
-
Разработка имитационных моделей электронных узлов статического преобразователя и имитационной модели привода.
-
Разработка методов повышения КПД и удельной мощности статического преобразователя, включая алгоритмы и методы управления.
-
Определение эффективности разработанных методов с использованием имитационных моделей и экспериментальных исследований.
Методы исследований:
-
математическая модель привода горизонтального наведения инерционного объекта выполнена на основе уравнений теоретической механики, элементов теории автоматического управления, методов электротехники, матричного исчисления, методов пространства состояний;
-
при имитационном моделировании на ЭВМ привода и электронных узлов статического преобразователя использовались численные методы решения дифференциальных уравнений, методы визуального моделирования;
-
достоверность и обоснованность научных результатов работы подтверждается хорошей сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Предмет исследования. Предметом исследования настоящей работы являются технические характеристики статического преобразователя быстродействующего электрического привода с низковольтным силовым питанием.
Отечественные системы наведения и стабилизации автономных подвижных объектов создавались такими организациями как «ВНИИ «СИГНАЛ» (г. Ковров), ФГУП «ЦНИИАГ», БГТУ «ВОЕНМЕХ» (г. С.-Петербург), НТЦ ФНПЦ ОАО «Красногорский завод» (г. Красногорск), ОАО «УКБТМ» (г. Н. Тагил). Значительный вклад в теорию силовых приводов наведения и стабилизации внесли Тарасов В.В., Ривкин С.С., Бродский Л.Е., Кутузов В.К., Новоселов Б.В., Слипенко Г.К. и другие ученые. Значительный вклад в развитие регулируемого электрического привода внесли работы Ключева В.И., Ковчина С. А., Башарина А.В., Терехова В.М., Фираго Б.И. и др. Методы структурного и параметрического синтеза силовых транзисторных преобразователей разработаны в трудах Букреева С.С., Конева Ю.И., Мелешина В.И., Моина В.С.
Научная новизна.
-
-
Обоснована структура статического преобразователя быстродействующего электрического привода с низковольтным питанием.
-
Разработана математическая модель статического преобразователя как системы «обратимый источник энергии - усилитель мощности со звеном повышенного напряжения».
-
Предложены и реализованы методы повышения КПД и удельной мощности статического преобразователя, в том числе:
способ ограничения тока заряда конденсатора звена повышенного напряжения, предназначенный для реализации оптимального по быстродействию процесса заряда (Пат. РФ № 2367081);
способ управления симметрированием повышающего конвертора с использованием замыкания по индукции и напряженности поля в сердечнике силового трансформатора, обеспечивающий минимизацию потерь на перемагничивание (Пат. РФ № 2465711);
алгоритм слежения напряжения звена постоянного тока за ЭДС двигателя, снижающий перегрузку двигателя при торможении и повышающий КПД рекуперации энергии;
методы уменьшения пульсаций тока силовых транзисторов, повышающие КПД преобразования энергии, реализуемые путем оптимизации параметров силовой части и характеристик управления.
Практическая значимость.
-
-
Разработана имитационная модель привода со статическим преобразователем, позволяющая проводить исследования количественного влияния параметров реальной системы на характеристики привода.
-
Предложенная структура и методика настройки позволяют увеличить точность стабилизации привода горизонтального наведения на 30-50% по сравнению с серийными аналогами.
-
Разработанные структура и методы управления статическим преобразователем позволяют при равных по сравнению с серийными аналогами габаритах получить вдвое большую перебросочную скорость, увеличить время работы от аккумуляторной батареи.
-
Разработанные структура и методы управления статическим преобразователем могут быть использованы как при модернизации систем наведения и стабилизации объектов вооружения и военной техники, так и в компонентах электроприводов других автономных объектов.
На защиту выносятся:
-
-
-
Результаты анализа силовых приводов с низковольтным питанием на примере систем наведения и стабилизации специального назначения, определяющие цель и задачи диссертационной работы.
-
Математическая модель статического преобразователя как системы «обратимый источник энергии - усилитель мощности со звеном повышенного напряжения».
-
Результаты численного моделирования и экспериментальных исследований эффективности предложенных методов повышения КПД и удельной мощности статического преобразователя.
-
Анализ влияния ограничений параметров статического преобразователя на динамические характеристики привода.
Реализация результатов работы. Данная диссертация обобщает самостоятельные исследования автора, полученные в ходе работ, проводимых коллективом «ВНИИ «СИГНАЛ» под руководством главного конструктора направления д.т.н. Новоселова Б.В. по совершенствованию приводов наведения и стабилизации автономных объектов. Полученные в диссертационной работе результаты внедрены в ОАО «УКБТМ», г. Н. Тагил (ОКР «С-88», 1995-2010 гг.), в ФНПЦ ОАО «КБТМ», г. Омск (ОКР «Бурлак», 2007-2011 гг.).
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на III конференции аспирантов и молодых ученых "Вооружение. Технология. Безопасность. Управление" (Ковров, 2008), на Молодежной конференции Московского отделения Международной общественной организации "Академия навигации и управления движением" (Москва, 2011), на II Всероссийской научно-технической конференции "Мехатронные системы (теория и проектирование) " (Тула, 2011).
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, получено 2 патента РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 133 наименований и 10 приложений. Основная часть работы изложена на 175 страницах, содержит 55 иллюстраций и 15 таблиц. Общий объем работы составляет 191 страницу.
Похожие диссертации на Синтез параметров статического преобразователя для быстродействующих электрических приводов с низковольтным силовым питанием
-
-
-
-
