Разработка и исследование преобразователей для вентильно-индукторных двигателей с конфигурируемыми обмотками

По данным многих источников вентильно-индукторные двигатели (ВИД) станут электрическими двигателями двадцать первого века [1, 3, 5, 29, 71, 77, 84]. Подобные предположения имеют под собой достаточно веские основания и базируются на ряде существенных преимуществ ВИД перед электрическими двигателями других типов. К его основным достоинствам, в первую очередь, относят явнополюсную магнитную систему и отсутствие обмоток на роторе, а также хорошие массогабаритные показатели, по которым ВИД превосходит даже асинхронные двигатели [5], и высокий к.п.д. Благодаря перечисленным особенностям, двигатели данного типа обладают высокой технологичностью и надёжностью, что позитивно сказывается на их стоимости, а так же высокой энергетической эффективностью, которая совместно с экономической составляющей позволяет им успешно конкурировать практически со всеми существующими электрическими двигателями.

На фоне достоинств вентильно-индуктроных двигателей наиболее ярко становятся выраженными недостатки двигателей постоянного тока (ДПТ). К таким недостаткам можно отнести наличие скользящих контактов, относительно низкий к.п.д. и высокие массогабаритные показатели [19]. Данные факторы способствуют тому, что ДПТ имеют высокую стоимость и низкую надёжность. Несмотря на это, традиционно, в ряде областей применения двигатели данного типа до сих пор остаются основными используемыми электрическими двигателями. Тем не менее, исходя из объективных причин, постепенно активизируется процесс их вытеснения двигателями других типов, в том числе и вентильно-индукторными. Потребность в этом наиболее ярко выражена в области автомобильного и автотракторного оборудования, в состав которого входит значительное число электрических двигателей [66, 72].

С точки зрения внедрения новых технологий автомобильный рынок, несомненно, является наиболее привлекательным: он очень ёмок по своим объемам потребления, постоянно совершенствуется и предъявляет весьма жёсткие требования к конструктивным, надёжностным и технико-экономическим показателям используемых устройств. Во многих случаях успех в решении актуальных для автомобильной электроники задач предопределяет дальнейшее быстрое внедрение разработанных технологий в смежные области техники. Возможность внедрения в серийное производство новых решений в данной области, как правило, оценивается по совокупности критериев, к основным из которых можно отнести: массогабаритные показатели, надежность, технологичность, ремонтопригодность, стоимость, электрические и механические характеристики систем.

Электрические двигатели, входящие в состав автомобильного оборудования, в большинстве своём, являются двигателями малой мощности [66, 72]. Исключение могут составлять только двигатели тяговых установок, речь о которых, в данном случае, не идёт. К настоящему времени наибольшее распространение в автомобилестроении получили двигатели постоянного тока ввиду их очевидных преимуществ в условиях питания от бортовой сети постоянного тока.

Непрекращающееся совершенствование силовых установок современных автомобилей, решение задач экологичности и энергоэффективности автомобильных систем предъявляют все более жесткие требования к электрическим двигателям, применяемым в этой области. Прежде всего, это сказывается именно на требованиях к массогабаритным, электрическим, энергетическим, регулировочным, надежностным и стоимостным характеристикам.

Ранее уже было отмечено, что по многим критериям вентильно-индукторные двигатели обладают рядом неоспоримых преимуществ перед двигателями других типов. Однако при анализе их свойств следует учитывать необходимость применения преобразователя, осуществляющего возбуждение фазных обмоток в соответствии с определёнными алгоритмами. Для ВИД малой и средней мощности стоимость преобразователя сравнима со стоимостью самой индукторной машины. При этом, чем меньше мощность двигателя, тем более существенный вклад в его стоимость вносит преобразователь.

У большинства двигателей, применяемых в автомобильном оборудовании, значение мощности лежит в диапазоне от нескольких десятков до нескольких сотен ватт. Стоимость силового преобразователя для таких ВИД практически равна стоимости индукторной машины (ИМ), вследствие чего общая стоимость двигателя оказывается достаточно высокой, делая его неконкурентоспособным даже по сравнению с ДПТ. При этом крайне актуальной является задача уменьшения стоимости ВИД, состоящей, как уже было отмечено, из стоимости индукторной машины и силового преобразователя.

В диссертации поставлена задача разработки методов управления индукторной машиной, позволяющих максимально упростить структуру преобразователя и тем самым снизить его габаритные размеры и стоимость, сохраняя при этом основные достоинства машины. Очевидно, что решить эту задачу можно на основе анализа электромагнитных процессов в самой индукторной машине и разработке специализированных методов её управления с последующим исследованием и оптимизацией процессов в преобразователях различной структуры.

Анализ процессов в индукторной машине проводился с целью исследования влияния различных способов соединения (конфигурирования) ее фазных обмоток на электромагнитные процессы и электромеханические характеристики двигателя. В результате анализа была подтверждена гипотеза о том, что конфигурирование фазных обмоток оказывает самое существенное влияние на электромагнитные процессы, электромеханические и регулировочные характеристики индукторной машины. Принципиальной особенностью индукторных машин с конфигурируемыми обмотками является наличие непосредственной электрической связи между последними, что совершенно не свойственно ВИД с независимым возбуждением фазных обмоток. В конечном счёте, это приводит к взаимному влиянию полей обмоток, что сказывается на общих электромагнитных процессах в машине. В связи с этим, существующие подходы к анализу и моделированию процессов в машине применить напрямую, практически, не удается, или процесс их адаптации становится трудоемким и неэффективным. Поэтому в диссертации было уделено особое внимание анализу электромагнитных процессов в индукторных машинах при различной конфигурации фазных обмоток и разработке методов математического моделирования протекающих в них процессов.

Так же в диссертации было проведено детальное исследование влияния конфигурирования обмоток индукторной машины на структуру преобразователя ВИД, процессы, протекающие в нём, его статические, динамические и энергетические характеристики. Проведенные исследования показали возможность упрощения структур преобразователей и минимизации количества их силовых ключей за счет конфигурирования фазных обмоток машины. Такой подход позволяет упростить конструкцию и стоимость преобразователя, что напрямую отвечает поставленным в диссертации целям.

Модификация структуры преобразователя влечёт за собой изменение процессов его ключевых элементов и режимов их работы. Причём тенденции данного изменения неочевидны. Режимы работы, в свою очередь, оказывают влияние, как на стоимость полупроводниковых приборов, так и на энергетические характеристики двигателя. Для их изучения требуется проведение анализа процессов, протекающих в системе «силовой преобразователь — индукторная машина» в различных условиях работы ВИД, т. е. при различных значениях напряжения питания, различных параметрах управления, вариации нагрузки и различных режимах работы самого двигателя. Этим проблемам в диссертации также уделено существенное внимание.

Таким образом, основное направление исследований в диссертационной работе связано с анализом влияния конфигурирования обмоток индукторной машины на электромагнитные и энергетические процессы в системе «преобразователь — индукторная машина — нагрузка», а также разработкой и исследованием соответствующих методов управления преобразователем на основе последних достижений микроэлектроники.

Предложенные в диссертации методы анализа могут быть использованы для разработки и исследования алгоритмов управления ВИД, которые до настоящего времени изучались только применительно к двигателям с независимым возбуждением фазных обмоток. При этом основной целью, преследуемой в процессе разработки алгоритмов управления ВИД в данной работе, является сохранение его основных преимуществ перед двигателями других типов в условиях нового подхода к организации процесса возбуждения его фаз. Только в случае достижения этой цели ВИД с конфигурируемыми обмотками может стать конкурентоспособным.

Значительная роль в диссертации отведена экспериментальным исследованиям, в результате которых может быть проведена оценка точности и адекватности разработанных аналитических подходов к анализу процессов в реальных устройствах.

Для достижения поставленной цели в первой главе диссертации рассматриваются основные различия электромагнитных процессов, протекающих в ВИД с конфигурируемыми обмотками, и процессов, протекающих в ВИД с независимым возбуждением фазных обмоток. Рассмотрены существующие подходы к анализу процессов ВИД и показана невозможность их непосредственного использования в отношении ВИД с конфигурируемыми обмотками. Разработана математическая модель индукторной машины, на базе которой в среде Ма^аЬ создана его имитационная модель. Для подтверждения точности модели приведено сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными. Представлен метод адаптации модели к параметрам реального двигателя.

Во второй главе проведён анализ возможных структур силовых преобразователей ВИД при конфигурировании его фазных обмоток. Выбраны наиболее подходящие варианты. На основе разработанных имитационных моделей проведены исследования процессов, протекающих в системе «преобразователь — индукторная машина». Большое внимание уделено режимам работы полупроводниковых приборов преобразователей. Показано их существенное отличие от режимов работы приборов ВИД с независимым возбуждением фазных обмоток. Проведено исследование характеристик ВИД при различных способах включения отдельных катушек его фаз, подтвердившее уникальность свойств подобных двигателей.

В третьей главе с помощью имитационной модели исследованы алгоритмы возбуждения фаз двигателей. На основе полученных энергетических и регулировочных характеристик машин с конфигурируемыми фазными обмотками проведено сравнение с аналогичными характеристиками машины с независимым возбуждением. Рассмотрены специфические особенности организации управления, свойственные ВИД с конфигурируемыми обмотками. Проведен анализ структуры и выбор элементной базы системы управления, позволяющей реализовать разработанные алгоритмы управления.

В четвёртой главе представлен силовой преобразователь ВИД для использования в составе автомобильного и автотракторного оборудования. Описаны алгоритмы управления преобразователем, позволяющие реализовать различные законы управления двигателем и защиту от аварийных режимов его работы. Приведены результаты экспериментальной проверки работоспособности ВИД и сравнение с результатами, полученными на имитационной модели. Проведенное сравнение результатов подтвердило адекватность предложенной в диссертации имитационной модели.

Представлены результаты внедрения в серийное производство разработанных ВИД с конфигурируемыми обмотками. Проведено сравнение механических и энергетических характеристик разработанных ВИД с аналогичными характеристиками для ДПТ и показаны их преимущества.

Квалификационные признаки 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:

1. Исследование влияния способов соединения обмоток на электромагнитные процессы в вентильно-индукторных электрических машинах. Разработка подхода к расчету основных характеристик ВИД с конфигурируемыми обмотками;

2. Разработка имитационных моделей преобразователь — ИМ — нагрузка. Разработка алгоритма адаптации модели к конкретным параметрам системы;

3. Анализ и оптимизация процессов в силовой схеме полупроводникового преобразователя в режимах регулирования скорости вращения в широких пределах. Разработка структуры системы управления;

4. Создание и оптимизация алгоритмов управления полупроводниковым преобразователем с учётом требований современной элементной базы микроэлектроники;

5. 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 MathCAD. Основным методом исследования, применённым в данной работе, 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.

2. Проведена сравнительная оценка влияния способов соединения обмоток статора на электрические и механические характеристики двигателя.

Проанализировано влияние способов соединения обмоток статора на структуру преобразователя.

3. Разработаны преобразователи для ВИД с различной конфигурацией обмоток статора.

4. 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 в 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 статорных обмоток.

2. Имитационная модель для расчета электромагнитных процессов в ВИД с конфигурируемыми фазными обмотками.

3. Алгоритмы управления вентильно-индукторными двигателями с конфигурируемыми обмотками.

4. 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) — XII, XIII и XIV 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 ВВЦ.

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 часть работы изложена на 187 страницах, содержит 82 иллюстрации, 5 таблиц и список литературы из 100 наименований.

Основные результаты и выводы.

1. Проведён анализ электромагнитных процессов в ВИД с конфигурируемыми обмотками и выявлены их существенные отличия от аналогичных процессов в ВИД с независимым управлением обмоток.

2. Разработана имитационная модель, допускающая анализ электромагнитных процессов в ВИД с конфигурируемыми фазными обмотками.

3. Исследовано влияние способов соединения обмоток двигателя на его электрические и механические характеристики. Сформулированы критерии выбора структуры силового преобразователя для ВИД с конфигурируемыми обмотками.

4. Разработаны алгоритмы управления ВИД с конфигурируемыми обмотками, учитывающие реализацию управления двигателем в динамических и установившихся режимах, а также устранение реверсивных стартов.

5. Разработана и реализована система управления двигателем, реализующая предложенные алгоритмы управления на 8 разрядных микроконтроллерах.

6. Проведено сравнение теоретически рассчитанных и экспериментально полученных электрических и механических характеристик ВИД при различных конфигурациях соединения фазных обмоток. Проведена экспериментальная проверка основных разработанных в диссертации положений.

7. Результаты разработок внедрены в серийное производство в системах отопления салона пассажирского автотранспорта.