Введение к работе
Актуальность проблемы. Вентильно-индукторные двигатели (ВИД) отличаются высокой энергетической эффективностью и надёжностью. По этой причине они получают всё большее распространение в различных областях техники, постепенно вытесняя двигатели других типов. В том случае, если речь идёт о двигателях малой и средней мощности, актуальной становится проблема общей стоимости системы «индукторная машина - преобразователь». При таких значениях мощности стоимость преобразователя ВИД становится соизмеримой со стоимостью его ИМ. Данное обстоятельство затрудняет внедрение вентильно-индукторных двигателей в ряде областей применения, с^еди которых наиболее значимой является явтомобитткной и автотракторное электрооборудование.
Одним из методов снижения стоимости ВИД является оптимизация структуры его силового преобразователя, которая может быть достигнута путём различного рода соединения (конфигурирования) его фазных обмоток. В ряде случаев это позволяет существенно снизить количество силовых ключей инвертора, а, следовательно, его габариты и стоимость. Конфигурирование же обмоток, в свою очередь, оказывает влияние и на электромагнитные процессы в самой индукторной машине, что требует их отдельного детального рассмотрения и разработки подходов к их анализу. Практическая реализация основных достоинств ВИД с конфигурируемыми фазными обмотками может быть осуществлена лишь на основе эффективных законов регулирования в системе «преобразователь - индукторная машина», разработка которых является также одной из задач диссертационной работы.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование полупроводниковых преобразователей для вентильно-индукторных двигателей с возможностью конфигурирования их фазных обмоток.
Задачи диссертации. Поставленная цель достигается решением следующих задач:
Исследование влияния способов соединения обмоток на электромагнитные процессы в вентильно-индукторных электрических машинах. Разработка подхода к расчету основных характеристик ВИД с конфигурируемыми обмотками;
Разработка имитационных моделей «преобразователь - ИМ - нагрузка». Разработка способов адаптации модели к конкретным параметрам системы;
Анализ и оптимизация процессов в силовой схеме полупроводникового преобразователя в режимах регулирования скорости вращения в широких пределах. Разработка структуры системы управления;
Создание и оптимизация алгоритмов управления полупроводниковым преобразователем с учётом требований современной элементной базы микроэлектроники;
Практическая реализация полупроводниковых преобразователей ВИД для автомобильного электрооборудования.
Методы исследований базируются на общих положениях теории цепей, теории дифференциальных и алгебраических уравнений, вычислительных методах и использовании современных инструментальных систем моделирования MatLab и iviatu^ru-'. v/Снсбньщ методом исследования, применённым и дашшй рабоїе, является метод имитационного моделирования. При проведении экспериментальных исследований использовались компьютерные методы интерактивной отладки и исследования микропроцессорных систем управления с использованием интегрированной среды разработки Metrowerks Code Warrior, а так же современные средства измерения.
Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием математического аппарата, сравнением теоретических результатов с экспериментальными данными, а так же с результатами, известными из литературы.
Научная новизна:
1. Предложен подход к анализу электромагнитных процессов в системе
«преобразователь - вентильно-индукторный двигатель» при изменяемой
конфигурации обмоток статора двигателя. Получены соотношения для расчета
основных характеристик двигателя при различной конфигурации фазных обмоток.
2. Разработана методика построения имитационной модели системы
«преобразователь - ВИД - нагрузка» и предложен алгоритм адаптации модели к
характеристикам исследуемой системы.
3. Разработаны алгоритмы управления преобразователями, обеспечивающие работу
и эффективное управление двигателем в статических и динамических режимах.
Практическая полезность: 1. Разработаны модели для систем «преобразователь - ВИД» с различной конфигурацией обмоток статора, позволяющие проводить детальный анализ электромагнитных процессов в преобразователе и двигателе.
Проведена сравнительная оценка влияния способов соединения обмоток статора на электрические и механические характеристики двигателя. Проанализировано влияние способов соединения обмоток статора на структуру преобразователя.
Разработаны преобразователи для ВИД с различной конфигурацией обмоток статора.
Рассмотрены и реализованы алгоритмы управления для систем «преобразователь - ВИД» в момент пуска, динамических и установившихся режимах на маломощных микроконтроллерах низкой стоимости.
5. Результаты работы внедрены в системах автомобильного и автотракторного
электрооборудования.
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы лежат б основе серийно выпускаемого ВИД типа 81.3780 и насоса 812.3780, используемых в автомобильном и автотракторном электрооборудовании.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Сравнительный анализ электромагнитных процессов, электрических и
механических характеристик ВИД с различными конфигурациями стагорных
обмоток.
2. Имитационная модель для расчета электромагнитных процессов в ВИД с
конфигурируемыми фазными обмотками.
Алгоритмы управления вентильно-индукторными двигателями с конфигурируемыми обмотками.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований, подтверждающие эффективность конфигурирования фазных обмоток ВИД.
5. Преобразователь серийно выпускаемого ВИД 81.3780, предназначенный
для использования в автомобильном и автотракторном электрооборудовании.
Апробация полученных результатов: Основные результаты работы докладывались на заседании кафедры «Промышленная электроника» Московского энергетического института (Технического университета); XIV и XV международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика"; на IX Всероссийской выставке научно-технического творчества молодёжи (НТТМ 2009); на заседании учёного совета ФГУП «НИИАЭ».
На выставке НТТМ 2009 работа награждена медалью «лауреат ВВЦ» (постановление ВВЦ от 25.06.09 №13).
Публикации. Основные результаты диссертации освещены в 5 научных работах, из них две в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объём работы: диссертационная работа состоит из введения четырёх глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Основная часті работы изложена на 187 страницах, содержит 82 иллюстрации, 5 таблиц и списо; литературы из 100 наименований.
Похожие диссертации на Разработка и исследование преобразователей для вентильно-индукторных двигателей с конфигурируемыми обмотками
