Введение к работе
Актуальность. Прогресс в силовой преобразовательной технике и микроэлектронике окончательно склонил чашу весов в пользу систем электропривода переменного тока. Современные системы с . полупроводниковыми преобразователям! и машинами'Переменного тока имеют высококачественные регулировочные характеристики,, что позволяет уверенно применять их там, где традиционно использовалиоь машини постоянного тока. Особенно это касается систем приборного электропривода (ПЭП), где требуются высокие динамические качества и где электрическая машина (ЭМ) работает во всех четырех квадрантах механических характеристик, автоматически переходя из режима в режим при обработке управляющих к возмущающих воздействий.
Однако конкурентноспособность разработок на рынке научно -технической продукции определяется технйко-вкономическимй характеристиками систем ПЗП. Повышение надежности и энергетической эффективности при одновременном снижении стоимости и массо-габаритных показателей проектируемых ПЭП может бить достигнуто на основе повышения качества проЕодамых исследований и разработки оптимальных структур, удовлетворяющих заданным техническим требованиям. Оценивая с этих позиций состояние теории электропривода переменного тока и принципы его практической реализации необходимо отметить следующие проблемы.
-
Фундаментальные вопросы управления ЭМ'рассмотрены достаточно подробно. Разработаны основные принципы частотного, часто-тно-токоеого управления, управления с ориентацией го потоку ЭМ, представлены различные способы их практической реализации. Однако эти принципы и. всегда отражают физику электромагнитных процессов в ЭМ, а способы их реалйгации часто псдаеняются понятиями закона управления. Поэтому существует потребность в рассмотрении и классификации законов и способов управления на основе их общей, задачи - создание и регулирование электромагнитного момента ЭМ".
-
Рззработзнные способы управления базируются на использовании в системе ПЭП датчиков переменных состояния, как'потока, скорости, или углового положения ротора ЭМ,- что усложняет конструкцию и увеличивает стоимость исполнительной части привода. Это вызывает необходимость разработки ноеых способов управления ЭМ, более простых по реализации при одновременном улучшении электромагнитных и электромеханических характеристик системы.
-
Разработаны методики расчета электромагнитных процессов
при различных способах управления ЭМ. Ко ати методики не всегда учитывают алгоритм работы силового полупроводникового преобразователя (СІШ) и ограничения, имегасле место в реальных системах. Численные методы расчета позволяют решить эту задачу, однако получение аналитических решений является более предпочтительным в плане проведения более полного анализа электромагнитных процессов и разработки инженерши методик расчета электромагнитных на-грузок в СИЛ.
4. Теория.СПП постоянно совершенствуется и но мере развития силовой электроники определились рациональные схемы силовых каскадов, предложены приьципы к алгоритмы управления, для которых разработаны методики расчета электромагнитных процессов в система "СПП-ЭМ". Но все же СПП го прежнему остается слабим звеном в системах ПЭП. Это связано как с несовершенством элементной. Osju, так и с методами анализа электромагнитных процессов, в которых СПП зачастую рассматривается отдельно от структуры ПЭП, а иногда и вовсе Ш заменяется активно-индуктивной нагрузкой.
Перечисленные проблемы указывают на необходимость применения системного подхода.к'анализу и принципам построен;** ПЭП. Это позволит качественно повысить уровень проводимых исследований и получить более точные результаты, определяющие технико-экономические характеристики проектируемых ПЗП.
Электромагнитные процесси в силових цепях ПЭП.зависят не толь ко от типа ЭМ и ее нагрузки, но и от схемы СПИ, алгоритма управления им,а также от закона управления принятого в системе. Поэтому с-системных позиций целесообразно рассматривать СПП.'ЗМ и их взаимную информационную связь как единый электромеханотроннкй пре образователь (ЭМТП),реализующий заданный закон управления. Особук важность приобретает задача создания математических моделей ЭМТП, объективно отражающих суть физических процессов с минимально возможной степенью идеализации и представленных в более простой фэр-ме, позволяющей применять известные методы для их анализа.
Таким образом, разработка адекватных математических моделей и анализ электромагнитных процессов в различных стуктурах ЗМТП, расчет их электромеханических и энергетических характеристик является основой для практической реализации систем ПЭП, отвечающих современному уровни техяико-экоксмических- требований. .
Целью диссертационной работы является.исследование электромагнитных- и электромеханических-характеристик ЭМТП, их расчет и
проектирование для ряда конкретных систем електропривода,
В соответствии с указанной' целью в работе_реягены следующие научные и практические задачи:
-
Проведен сравнительный анализ электромеханических и силовых полупроводниковых преобразователей, применительно к ПЭП переменного тока, что явилось основой для коштедіаашш исследований и практических разработок,
-
Проведена качественная оценка' различных способов реализации основных законов управления ЭМ. переменного тока'.
-
Разработана классификация.ЭМТП, позволившая сформировать единый подход к анализу_й принципам построения систем с различными типами ЗМ.
-
Разработаны математические модели и проведен анализ электромагнитных процессов в ЭМТП с различными алгоритмами переключения СІШ и законами управления.
-
Разработан новый способ управления ЭМТП, при котором плавное регулирование скорости.в диапозоне 1:10 осуществляется без применена датчиков со стороны исполнительной ЭМ.
-
Разработаны схемы силовых транзисторных ключей (СТК), отличающихся повышенной надежностью.
-
Разработаны, изготовлены и внедрены две системы специального электропривода и бездатчиковый регулируемый асинхронный электропривод для общепромышленного применения и бытовой техники.
Методы исследования. Анализ электромагнитных и электромеханических процессов в ЭМТП проводился на основе метода: результирующего (обобщенного) вектора. Метод суперпозиции -применен при разделении элбктрмагнитных процессов на гладкие и пульсирующие составляющие. При составлении и решении зекгорно-матричкых уравнений использовался метод переменных состояния.
Научная новизна., Разработана классификация ЭМТП, критериями которой являются физические законы преобразования энергии и общность принципов управления этим преобразованием. Это позволило осуществить системный подход к анализу электромагнитных процессов в различных структурах ЭМТП.
Разработаны методики анализа электромагнитных Процессов' в ЭМТП с асинхронными (AM) и синхронными (СМ) машинами для различных законов управления при широтно-импульсном регулировании (ШИТ) и синусоидальной широтно-импульсной модуляции (ШИМ) в автономном инверторе напряжения (АИН). В частности получены аналитические
выражения для расчета пульсирующих составляющих электромагнитных процессов в ЭМТП при назЕаншх способах управления АМН.
Предложен новый способ управления ЭМТП с AM
Практическая ценность. Предложенные методики анализа электромагнитных процессов в ЭМТП позволяют более точно расчитать электрические нагрузки в полупроводниковых элементах СГШ, что дает возможность обоснованно выбрать типы силовых полупроводниковых элементов
Реялизания результатов работы. Результаты теорег'ческих и експериментальних исследований использованы при разработках
двух систем специального электропривода устройства сварки ферм, отвечающих повышенным требованиям к надежности;
бездзтчикового регулируемого асинхронного электропривода широкого применения, отличающегося сравнительно простой схемной реализацией и невысокой стоимостью.
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены на
научной конференции с международным участием "Проблемы электротехники" , Новосибирский государственный технический университет, Новосибирск, 20-22. октября 1993 г.;
Всесоюзном научно-техническом семинаре по электромеханотрони-ке, ЛЭТИ, г.Ленинград, 25-27 октября 1989 г.;
научно-техническом семинаре "Совершенствование электрических электрических машин и преобразователей на базе применения микропроцессорной и электронной техники", Ленинградский Дом научно-технической пропаганда, 2.5-26 ноября 1938 г.;
IV Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы преобразовательной техники", г.Киев, сентябрь 1937 г.;
VII научно-технической конференции "Электроприводы переменного тока с полуїгроводниковими преобразователями", Уральский политехнический институт, г.СвердлоЕск, февраль І98Є г.;
XXVI і...учно-техшческой конференции профессорско-преподава-Чельского состава ЛИТМО, 4-6 февраля 1536 г.
Публикацииj По результатам работы опубликовано девять работ, из них одно авторское свидетельство на изобретение.
Структура и рб^ем работы, диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 52 наименований и 2 приложений. Она содержит 93 страницы основного машинописного текста, иллюстрировйнного 59 рисунками и 5 таблицами.
- 7 г
