Исследование и разработка регулирующего устройства высокооборотного вентильного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов

Тип работы:
Диссертация
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Страниц:
133


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Синхронный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов (СДПМ), благодаря своим высоким эксплуатационным характеристикам, является наиболее перспективной машиной в диапазоне малых и средних мощностей. СДПМ простой по конструкции, не имеет потерь на возбуждение и обладает высокой стабильностью скорости ротора. Эти качества выделяют его из ряда всех остальных машин и обеспечивают ему применение в системах автоматики, приводах подачи станков, прецизионных системах слежения, а также системах, где стабильность скорости является первостепенным требованием, предъявляемым к технологическому процессу.

Внедрение сплавов редкоземельных металлов, совершенствование аппаратной базы управления делают возможным использование этого типа двигателей в тех областях, где традиционно применялись двигатели постоянного тока или асинхронные двигатели. Использование СДПМ стало возможным с появлением соответствующей преобразовательной и цифровой вычислительной техники.

Следующей ступенью развития этого типа двигателей стало появление высокооборотных СДПМ. Потенциал внедрения высокооборотных двигателей поистине огромен: турбогенераторы, турбокомпрессоры, центрифуги и т. д. Обладают наименьшими размерами и наибольшим временем безотказной работы, при условии использования новых типов магнитов.

До недавнего времени прогресс в области высокооборотных систем наталкивался на крайне высокую стоимость предлагаемых решений: работа с высокооборотными СДПМ без информации о положении ротора не представляется возможной. Есть 2 способа решения проблемы: установка датчика положения ротора (ДПР), либо использование алгоритмов бездатчикового управления. И то и другое в достаточном количестве существует для обычных СДПМ. ДПР для высокооборотных двигателей -это оптические энкодеры, чувствительные к нагреву и механическим воздействиям. Стоят очень дорого, достаточно ненадежны, что делает их использование в промышленных установках крайне нежелательным.

Существующие алгоритмы вычисления положения ротора по сигналам встроенных в регулирующее устройство (РУ) датчиков напряжения и тока, так называемые алгоритмы бездатчикового векторного управления, выделяются повышенной сложностью и накладывают особые требования к аппаратной части устройства. Создание высокобыстродействующих систем приводит к увеличению стоимости, неприемлемой для современной промышленности, хотя подобные устройства нашли применение в авиационной и космической технике, где цена не играет решающей роли.

В середине прошлого десятилетия появились контроллеры, позволяющие управлять высокооборотными СДПМ. На протяжении 5 лет ведущие западные производители предлагают законченные решения для управления данным типом двигателя. Ввиду крайней коммерческой привлекательности направления, а, следовательно, и особой заинтересованности ведущих мировых производителей приводной техники в сохранении наработок в области управления высокооборотными СДПМ внутри компаний, количество публикаций по теме стремится к 0. Россия здесь лишь отражает общемировую тенденцию. Особенно удручает это на фоне того, что в Российской Федерации существуют промышленные и научные объединения, способные производить высокотехнологичные электродвигатели, в том числе и высокооборотные СДПМ. ,

Данная работа призвана восполнить пробел на пути инновационного развития Российской Федерации в области управления высокооборотными СДПМ. В работе представлено РУ для высокооборотного СДПМ в составе компрессора холодильной машины, а именно: предложен эффективный алгоритм управления (cos Ф = 1), рассмотрена структура устройства управления, приведены принципиальные схемы системы управления и структура устройства управления, а также рассмотрены результаты эксперимента.

Цель диссертационной работы заключается в разработке алгоритма векторного бездатчикового управления, структуры и методик проектирования РУ мощными (сотни кВт) высокооборотными СДПМ.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. определена область применения высокооборотных СДПМ,

2. проведен анализ электромагнитных процессов, возникающих во время работы СДПМ. Определены критерии оптимального управления для достижения максимального момента на валу. Выведена формула расчета угла поворота ротора (угла нагрузки).

3. проведен анализ существующих алгоритмов управления СДПМ,

4. на основе пункта 2 предложен алгоритм управления высокооборотными СДПМ,

5. разработана структура РУ, реализующая предложенный способ и алгоритм управления,

6. разработана компьютерная модель РУ, состоящая из управляемого выпрямителя и автономного инвертора напряжения. На основе модели проведен анализ статических и динамических режимов работы РУ с связке с СДМП. Доказана принципиальная возможность создания физического образца РУ.

7. разработана методика проектирования РУ. Проведено полное физическое моделирование в связке с высокооборотным СДПМ, номинальной мощностью 100 кВт, 30 000 об/мин.

Методы исследований. Для решения поставленных задач были использованы методы математического анализа, методы теории линейных электрических цепей (прямые методы расчета электрических цепей), методы математического моделирования (система сквозного проектирования МаЙаЬ 6. 5).

Достоверность научных результатов, изложенных в работе, обеспечена корректным применением апробированных методов анализа электромагнитных процессов в силовых электронных устройствах и подтверждается результатами компьютерного и физического моделирования.

Научную новизну представляют:

1. новый принцип управления мощным высокооборотным СДПМ,

2. алгоритм управления и структура РУ, позволяющие реализовать этот алгоритм на современной элементной базе,

3. математическая модель РУ, делающая возможным анализ статических и динамических режимов работы,

4. методика проектирования РУ.

Практическую ценность представляют:

1. алгоритм управления и структура РУ, учитывающие возможности современной компонентной базы,

2. методика проектирования РУ, в основе которой лежит выбор типа и параметров компонентов.

Реализация работы. Основные научные и практические результаты использованы в разработке новых РУ, как самостоятельных изделий, так и в качестве составных частей других устройств, в ЗАО & laquo-ЭЛСИЭЛ»-.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на второй Всероссийской конференции & laquo-Силовая электроника& raquo-, XXVIII межрегиональной научно-технической конференции & laquo-Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем& raquo-, научно-технической конференции & laquo-Инновационные разработки и опыт применения микросхем ЗАО & laquo-ПКК Миландр& raquo- в аппаратуре специального и двойного назначения& raquo-.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 работы, из них: 1 — статья в издании по спискам ВАК (& laquo-Электротехника»-) — 3 — работы в материалах научно-инженерных конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Объем работы составляет 133 стр. и содержит 99 рисунков.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1) проведен обзор современных способов управления СДПМ, акцентированы их преимущества и недостатки,

2) выполнен анализ электромагнитных процессов СДПМ,

3) разработан новый алгоритм управления В СДПМ, обеспечивающий высокую робастность системы и оптимизированный для реализации на современной элементной базе,

4) создана математическая модель РУ и двигателя в программе 8шш1тк программного комплекса МаЙаЬ, реализующая предложенный алгоритм и подтвердившая его высокую эффективность,

5) разработана цифровая система управления, позволяющая обеспечить высокое качество регулирования и адаптивность к внешним условиям,

6) разработана инженерная методика расчёта параметров силовых компонентов РУ,

7) было проведено экспериментальное исследование работы РУ В СДПМ на основе физического макета. Полученные результаты работы полностью совпадают с расчетными и показывают высокую эффективность разработанной цифровой системы управления.

6. Заключение.

ПоказатьСвернуть

Содержание

1. Обзор литературы и общая характеристика работы

1.1. Анализ литературы и состояние вопроса

1.2. Преимущества и недостатки высокооборотных СДПМ.

1.3. Анализ современных способов управления СДПМ.

1.4. РУ-назначение и принцип действия.

1.5. Выводы по главе.

2. Анализ электромагнитных процессов синхронного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов

2.1. Физическая модель обобщенной электрической машины.

2.2. Уравнения ЭДС и момента ОЭМ в осях с! и д.

2.3. Уравнения ЭДС и момента СДПМ в осях <1 и д.

2.4. Переход от трехфазной системы координат к вращающейся ортогональной.

2.5. Выводы по главе.

3. Моделирование устройства управления

3.1. Описание моделируемой системы.

3.2. Математическое описание вентильного двигателя.

3.3. Техническое предложение по реализации понижающего преобразователя напряжения (ППН).

3.4. Компьютерная ППН модель в 8шшНпк.

3.5. Результаты моделирования ППН.

3.6. Техническое предложение по реализации инвертора.

3.7. Компьютерная модель инвертора в программе 8тш1тк.

3.8. Результаты моделирования инвертора.

3.9. Выводы по главе.

4. Методика проектирования регулирующего устройства высокооборотного синхронного двигателя на постоянных магнитах

4.1. Методика проектирования силовой части.

4.2. Тепловой расчет.

4.3. Выводы по главе.

5. Разработка устройства управления высокооборотного синхронного двигателя на постоянных магнитах

5.1. Разработка структуры устройства и силовой части.

5.2. Разработка системы управления.

5.3. Проверка функционирования разработанного алгоритма на макете устройства.

5.4. Выводы по главе.

Список литературы

1. Розанов Ю. К. Основы силовой электроники М.: Энергоатомиздат, 1992. -296 с.

2. Супронович Г. Улучшение коэффициента мощности преобразовательных установок. М.: Энергоатомиздат, 1985. — 136 с.

3. Ильинский Н. Ф., Юнькова М. Г. Автоматизированный электропривод. -М.: Энергоатомиздат, 1990. 544 с.

4. Ковач К. П., Рац И. Переходные процессы в машинах переменного тока. -&mdash-- М. -Л.: Госэнергоиздат, 1963. -744 с.

5. Ульянов С. А. Электромагнитные переходные процессы в э). гектрических системах. М.: Энергия, 1970.- 518 с.

6. Казовскцй Е. Я. Переходные процессы в электрических машинах переменного тока. М. -Л. Издательство академии наук СССР. — 1962. — 624 с.

7. Гольдберг О. Д, Буль О. Б, Свириденко И. С, Хелемская С. П. Переходные процессы в электрических машинах и аппаратах и вопросы их проектирования.- М.: Выш. шк., 2001. 512с.

8. Копылов И. П., Математическое моделирование электрических машин. -М. :Выш. шк., 1987.- 248с.

9. Герман-Галкин С.Г., Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в МАТЪАВ 6.0. СПб.: Корона принт, 2001.- 320с.

10. Соколов М. М, Петров Л. П, Масандилов Л. Б. Электромагнитные переходные процессы в асинхронным электроприводе. М.: Выш. шк., 1985, 151с.

11. Н. Ильинский Н. Ф. Основы электропривода. М.: Издательство МЭИ, 2003, 224с.

12. Важнов А. И. Переходные процессы в машинах переменного тока. Л: Энергия. Ленингр. Отд-ниеб, 1980, 256с.

13. Дьяконов В .П. Matlab 6/6. 1/6.5 Simulink 4.5 в математике и моделированиию. М.: 2003. -214 с.

14. Электрические и электронные аппараты: Учебник для ВУЗов / под ред. Ю. К. Розанова 2-е изд., испр. и доп.- М.: Информэлектро, 2001 — 421 с.

15. И. Мжельский, Е. Б. Мжельская Составление моделей анализа систем, методическое пособие. -М.: МЭИ, 2000.- 17 с.

16. Mohan N., Underland Т. М., Robbins W. P. Power Electronics Converters, application and design-New York: John Wiley and Sons, 1995 820 p.

17. Выготский M. Я. Справочник по высшей математике- M.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1957.- 620 с.

18. Skvarenina Т. Power Electronics Handbook Boca Raton: CRC Press, 2002.- 664 p.

19. Rashid M. Power Electronics Handbook В.: Academic Press, 2001. -895 P-+

20. Sabin D., Sundaram A. Quality Enhances Reliability // Spectrum IEEE-1996, — № 2. -P. 38−44.

21. Redl R., Tenti P., Van Wyk J.D. Power electronics' polluting effects // Spectrum IEEE.- 1997. -№ 5. -P. 32−39.

22. Cameron M. M. Trends in Power Factor Correction with Harmonic Filtering // Spectrum IEEE.- 1993.- № 7.- P. 45−48.

23. Pitel I., Talukdar S. A review of the effects and suppression of power converter harmonics // IAS annual meeting: Тез. докл.- W., 1977 P. 119- 127.

24. Жежеленко И. В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. -М.: Энергоатомиздат, 1984. -272 с.

25. Железко Ю. С. Компенсация реактивной мощности и повышение качества электроэнергии-М.: Энергоатомиздат, 1985. -224 с.

26. Захаренко А. Б. Исследование вентильной машины для привода электромобиля // Электротехника. 2002. — № 7. — с. 2 — 10.

27. Захаренко А. Б. Проектирование погружного электродвигателя с сосредоточенной обмоткой статора // Электротехника 2005. — № 1. -е. 39−44.

28. Геча В. Я., Захаренко А. Б. Применение метода конечных суперэлементов для расчета электромагнитного поля магнитоэлектрической машины // Труды Hi 111 ВНИИЭМ & laquo-Вопросы электромеханики& raquo- Том 106. М.: 2008 — с. 19−23.

29. Геча В. Я., Захаренко А. Б. Магнитоэлектрический тормоз с массивным якорем // Электротехника. 2010. — № 10. -е. 11−16.

30. Электротехническая продукция Schneider Electric: Каталог / Schneider Electric. -P., 2002, — 105 с.

31. Климов В. П., Москалев А. Д. Способы подавления высших гармоник тока в системах электропитания.- М.: АОЗТ ММП-Ирбис, 2002.- 8 с. +

32. Houdek J. A. Economical Solutions to Meet Harmonic Distortion Limits. -P.: MTE Corporation, 1999.- 5 p.

33. Dugan R. C., McGranaghan M. F., Beaty H. W. Electrical Power Systems Quality-L.: McGraw-Hill, 1996. -265 p.

34. ГОСТ 13 109–97. Показатели качества электроэнергии.- М.: Изд-во стандартов, 1999. -25 с.

35. Collombet С., Lupin J. М., Shonek J. Harmonic disturbances in networks and their treatment // Schneider Electric cahiers techniques 1999 -№ 15 231 p.

36. Collombet M., Lacroix B. LV circuit breakers confronted with harmonics, transients and cyclic currents // Schneider Electric cahiers techniques -1999. -№ 192. -16 p.

37. N 50 160. Voltage characteristics of electricity supplied by public distribution systems-D.: Standards, 1999 -38 p.

38. IEC 61 000−3-2. Electromagnetic compatibility (EMC). Limits for harmonic current emissions (equipment input current up to and including 16 A per phase).- D.: Standards, 2001.- 30 p.

39. IEEE-519. IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems,.- W.: JSC, 1992.- 65 p.

40. Guide to harmonics with AC drives S.: ABB Industry, 2002 — 32 p.

41. Испытания, эксплуатация и ремонт электрических машин Н. Ф. Котеленец, Н. А. Акимова, М. В. Антонов, 2003 г, Академия, с 390

42. Архипцев Ю. Ф. Котеленец Н.Ф. Асинхронные электродвигатели 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1986. — 104 с.

43. Gyugyi L., Stricula Е. С. Active AC Power Filters // IAS annual meeting: Тез. докл.- В., 1976.- P. 529−535.

44. Stacey E. J., Strycula E. C. Hybrid power filters // IAS annual meeting: Тез. докл.- W., 1977. -P. 1133−1140.

45. Чжан Дайжун. Исследование активных фильтров-компенсаторов на базе мостового инвертора для динамической компенсации неактивной составляющей мощности: Дис. канд. техн. Наук М., МЭИ, 1993- 129 с.

46. Рябчицкий М. В. Регулятор качества электроэнергии: Дис. канд. техн. наук М., МЭИ, 1999.- 119 с.

47. Кваснюк А. А. Регулятор качества электроэнергии с расширенной областью функциональных возможностей: Дис. канд. техн. наук — М., МЭИ, 2002. -133 с.

48. Иванов И. В. Исследование и разработка регулятора сетевого фильтра высших гармоник для систем автономного электроснабжения: Дис. канд. техн. наук М., МЭИ, 1993- 146 с.

49. Гапеенков А. В. Анализ и разработка способов улучшения электромагнитной совместимости в автономных системах электроснабжения: Дис. канд. техн. наук. -М., МЭИ, 1999.- 155 с.

50. Стрикос Д. Анализ и исследование нового класса силовых фильтров для трехфазных промышленных сетей 380 В: Дис. канд. техн. наук М., МЭИ, 2000.- 162 с.

51. Электротехническая продукция Electronicon: Каталог / Electronicon-М., 2002.- 30 с.

52. Демирчян К. С. Теоретические основы электротехники: Учебник для ВУЗов. В 3-х томах. Том 1. Изд. 4.- М.: Изд-во СПБ Питер, 2004.- 463 с. +

53. Электротехнический справочник: В 4 т. / под. ред. Герасимова В. Г -М.: Изд-во МЭИ, 2003. Т. 2.- 518 с.

54. Akagi Н. New. trends in active filters for power conditioning // IEEE Transactions on industry applications 1996.- vol. 32.- № 6 — P. 1312−1322.

55. Akagi H. Control strategy and site selection of a shunt active filter for damping of harmonic propagation in power distribution systems // IEEE Transactions on power delivery- 1997-vol. 12-№ 1 P. 354−363.

56. Розанов Ю. К., Рябчицкий M. В., Кваснюк А. А. Новые функции активного фильтра // Межвузовский сборник научных трудов / ЧТУ -1998. -С. 45−49.

57. Le Roux A. D., Mouton Hd. Т., Akagi Н. Digital control of an integrated series active filter and diode rectifier with voltage regulation // IEEE Transactions on industry applications 2003- vol. 39.- № 6 — P. 1814−1820.

58. Aredes M., Monteiro L. F. C., Mourente J. Control strategies for series and shunt active filters // IEEE PowerTech Conference Proceedings: Тез. докл-B., 2003. -P. 23−29.

59. Hyosung К., Akagi H. The instantaneous power theory on the rotating p-q-r reference frames // Power Electronics and Drive Systems Conference: Тез. докл.- Т., 1999.- P. 422−427.

60. Розанов Ю. К., Гринберг Р. П. Вопросы управления гибридными фильтрами // IV Международная конференция & laquo-Электротехника, Электромеханика и Электротехнологии& raquo-: Тез. докл.- Клязьма, 2000 С. 365−366.

61. Bhattacharia S., Divan D. M., Banejee B. Active filter solutions for utility interface // IEEE ISIE conference: Тез. докл.- P., 1995 P. 53−61.

62. Fujita H., Akagi H., Nabae A. A combined system of shunt passive and series active filters an alternative to shunt active filters // EPE conference: Тез. докл.- S., 1991. -P. 12−17.

63. Четти П. Проектирование ключевых источников электропитания М.: Энергоатомиздат, 1990. -420 с.

64. Ковалев Ф. И. Статические агрегаты бесперебойного питания& mdash- М.: Энергоатомиздат, 1992. -288 с.

65. Мустафа Г. М., Ковалев Ф. И. Сравнительный анализ трех способов управления импульсными следящими инверторами // Электричество. -1989. -№ 2. -с. 29−37.

66. Srianthumrong S., Fujita Н., Akagi Н. Stability analysis of a series active filter integrated with a double series diode rectifier // IEEE Transactions on power electronics.- 2002.- vol. 17.- № 1.- P. 117−124.

67. Разевиг В. Д. Система сквозного проектирования электронных устройств Oread 9.2 М.: Солон-Р, 2001.- 700 с.

68. Розанов Ю. К., Рябчицкий М. В., Кваснюк А. А. Гринберг Р. П. Моделирование энергетических систем с фильтрами высших гармоник // Международная научно-техническая конференция & laquo-Силоваяэлектроника и энергоэффективность& raquo-: Тез. докл.- Алушта, 2000 С. 44−45.

69. Савоськин А. Н., Кулинич Ю. М., Гринберг Р. П. Повышение коэффициента мощности электровоза // Электротехника 2002 — № 5-С. 11−16.

70. Дьяконов В., Круглов В. Математические пакеты расширения MATLAB: Специальный справочник.- СПб: Питер, 2001.- 480 с.

71. Дьяконов В., Круглов В. MATLAB. Анализ, идентификация и моделирование систем: Специальный справочник СПб: Питер, 2002−448 с.

72. Герман-Галкин С. Компьютерное моделирование преобразователей в пакете Matlab- М.: Корона Принт, 2001- 320 с.

73. CSNA-111: Product Datasheet / Honewell Inc.- В., 2002.- 5 p.

74. Isolation Amplifier HCPL 7800: Datasheet / Agilent Technologies- LA., 2002.- 10 p.

75. IR components: Catalogue / International Rectifier C., 2001- 250 p. +

76. C167CR derivatives: user’s manual / Infineon Technologies- M., 2 002 480 p.

77. Розанов Ю. К., Баранов H. Н., Соломатин А. В., Антонов Б. М., Ефимов Е. Н. & laquo-Силовая электроника в системах с нетрадиционными источниками электроэнергии& raquo- // Электричество. — М., 2002. № 3. — с. 20−28

78. Zadeh L. A. Fuzzy Sets // Information and control.- 1965.- №.8 P. 338 -353.

79. Mamdani E. H., Assilian S. An Experiment in Linguistic Synthesis with a Fuzzy Logic Controller // In Int. J. Man-Machine Studies 1975 — vol.7.- P. 32−39.

80. Dell’Aquilla A., Liserre M., Cecatti C., Ometto A. A Fuzzy logic CC-PWM three-Phase AC-DC converter // IAS Conference: Тез. докл.- W., 2000 P. 987−992.

81. DeH’Aquilla A., Lecci A., Zanchetta P., Sumner M., Palethorpe B. Novel voltage control for active shunt power filters // ISIE conference: Тез. докл. -H., 2002. -P. 924−929.

Заполнить форму текущей работой