Разработка методического и аппаратного обеспечения испытаний вентильно-индукторного электропривода

Вентильно-индукторный электропривод (ВИП) — новый тип электропривода, которому в последние годы посвящено большое количество исследований и публикаций. Интенсивные разработки ВИП, за которым в англоязычной литературе закрепилось название — Switched Reluctance Drive (SRD), ведутся на протяжении двух последних десятилетий практически во всех промышленно развитых странах мира (Германия, Великобритания, Швеция, Италия, США, Австралия, Япония и др.) [1, 14, 15, 25, 54−57].

Простота исполнения, высокая технологичность и надежность машины, низкая ее стоимость, возможность создания простого и надежного коммутатора на современной элементной базе, функциональная гибкость и высокие энергетические показатели делают этот привод весьма перспективным для широкого применения в различных отраслях современной техники.

По массогабаритным и энергетическим характеристикам ВИП не уступает широко применяемому частотно-регулируемому асинхронному электроприводу и превосходит его по технологичности, ремонтопригодности и т. п. [38].

Несмотря на ряд достоинств, продвижение ВИП на мировом рынке происходит достаточно медленно, хотя уже сейчас многие электротехнические фирмы мира либо рассматривают возможность серийного выпуска ВИП, либо уже производят его. Так, например,.

— английская фирма Allenwest изготавливает общепромышленные электроприводы мощностью 7,5−22 кВт;

— фирма Jeffery Diamond выпускает электроприводы мощностью 35−200 кВт для горно-добывающей промышленности;

— американская фирма Magna Physics серийно производит электроприводы мощностью 10−1500 Вт;

— итальянская фирма Sicme Motor совместно с SRDL выпускает серию приводов RELU-SPEED мощностью 9−140 кВт с частотой вращения 3000 об/мин;

— Emerson Electric (У ежедневно выпускает 2000 стиральных машин, в которых используются эти двигатели;

— АМС совместно с NEC/Densai (Япония) выпускает вентилыю-индукторные двигатели для электрического транспорта [25].

Из широко известных типов электроприводов наиболее близким к ВИП по конструкции двигателя и структуре управления является успешно применяемый в приборных системах шаговый электропривод (ШЭП) [8, 11].

Наиболее существенный вклад в исследование ВИП внесли такие зарубежные ученые, как P.J. Lawrenson, T.G.E Miller, J.M. Stephenson и др. Среди российских ученых следует выделить работы Н. Ф. Ильинского, М. Г. Бычкова., В. А. Кузнецова, Д. А. Бута. Л. Ф. Коломийцева, С. А. Пахомина, В. В. Жуловяна и др.

К настоящему времени решены первоочередные задачи: обоснован функциональный состав привода и сформулированы требования к его элементампроанализированы физические особенности функционирования вентильно-индукторной машины (ВИМ) при представлении ее различными математическими моделямиразработаны и реализованы различные подходы к формированию алгоритмов управления.

Системы управления ВИП разделяются на традиционные, с использованием датчика положения ротора и бездатчиковые системы. Используемый в традиционных решениях датчик положения ротора усложняет электропривод конструктивно, повышает стоимость и снижает надежность. Переход ВИП от датчиковых к бездатчиковым системам управления является общепринятой тенденцией развития. Широкую известность получили работы по бездатчиковым ВИП таких авторов, как P.P.Acarnley, P.C.Kjaer, G. Gallegos-Lopez, J.P.Lyons, S.R.MacMinn, М. Г. Бычков, P.B. Фукалов и др [4, 9, 36, 37, 47,.

65]. Алгоритмы бездатчикового управления могут быть реализованы только при микропроцессорном управлении за счет использования достаточно сложного программного обеспечения [9, 42, 46].

На основании результатов, полученных ранее на кафедре АЭП МЭИ, режим бездатчиковой коммутации может быть использован в определенном скоростном диапазоне без изменения настройки параметров в процессе работы. Дальнейшее расширение диапазона в сторону увеличения или уменьшения скорости требует адаптации алгоритма управления в процессе работы [12, 46].

Для доведения бездатчиковой системы управления до законченной, работоспособной во всем диапазоне работы ВИП, необходимо провести целый комплекс экспериментальных исследований.

Разработка методического и аппаратного обеспечения для экспериментальных исследований ВИП, необходимых для оптимального проектирования и обеспечения рациональных условий эксплуатации, имеет особое значение для продвижения нового электропривода на широкий рынок.

В современных зарубежных и отечественных публикациях данная тема практически не отражена, а приводится лишь не всегда согласующиеся между собой результаты исследований [5−7, 39−41, 51].

Целью настоящей работы является разработка методического и аппаратно-программного обеспечения для автоматизированного определения параметров и характеристик вентильно-индукторного электропривода. Цель работы определила основные задачи исследования, решенные в пяти главах диссертации.

В первой главе рассматривается структура и принцип действия ВИП. Представлены разнообразные конфигурации ВИМ и способы управления ВИП. Показаны различные варианты исполнения силового преобразователя и алгоритмы коммутации фаз на примере 4х фазной ВИМ. Даны технические данные базовых образцов ВИМ и блоков управления (БУВИ), использовавшихся в экспериментальных исследованиях. Представлена структура базовой системы управления ВИП и связь БУВИ с персональным компьютером, с целью обмена необходимыми параметрами.

Вторая глава посвящена проектированию и изготовлению компьютеризированного научно-исследовательского стенда предназначенного для получения экспериментальных результатов необходимых при проектировании и обеспечении рациональных условий эксплуатации ВИП. После предъявления ряда требований к оборудованию, подробно описана силовая и информационная часть экспериментального стенда. В конце данной главы представлены осциллограммы входных каналов, полученные при экспериментальном исследовании одного из базовых образцов ВИП.

В третьей главе рассмотрены виды испытаний ВИП, представлены способы и примеры определения основных параметров и характеристик ВИМ:

— геометрических параметров;

— схемы соединения катушек в обмотках фаз, маркировка «начало"-"конец» катушек;

— активных сопротивлений обмоток фаз Яф,.

— индуктивностей обмоток фаз Ьф, зависимостей Ьф =j{9).

— кривых намагничивания у/=/0ф);

— механических характеристик co=f (M).

Представлены механические характеристики и зависимости «потокосцепление-ток», полученные в реальном времени при экспериментальном исследовании ВИП5 и ВИП7,5. Дан анализ зависимостей «потокосцепление-ток», полученных при изменении коэффициента Ки, определяющего в бездатчиковой системе управления момент коммутации и при работе привода в зоне токоограничения.

Приведены осциллограммы характерных точек механических характеристик снятых при различных значениях напряжения питания.

В четвертой главе исследуются энергетические характеристики вентильно-индукторного электропривода. Рассмотрены виды и способы определения потерь в ВИП: потери в меди, потери в коммутаторе комм., механические потери^РМех. и потери в стали АРст Приведен пример автоматического определения энергетических характеристик ВИП, полученных с помощью аппаратной и программной базы экспериментального стенда.

Пятая глава посвящена построению энергетической модели ВИП. Даны общие сведения об энергетической модели ВИМ. Представлен принцип получения модели потерь в стали в критериях подобия. Получена модель потерь в стали по экспериментальным данным одного из образцов ВИП. Проведена проверка адекватности полученной модели на другом опытном образце. Произведена оценка энергетической модели вентильно-индукторного электропривода.

Проведенный комплекс работ по разработке методического и аппаратного обеспечения испытаний вентильно-индукторного электропривода позволил с одной стороны провести детальные испытания двух базовых образцов ВИП с получением новых сведений о вентильно-индукторном электроприводе, необходимых для оптимального проектирования и обеспечения рациональных условий эксплуатации, с другой стороны обобщить результаты и представить их в виде, удобном для применения в исследовательских лабораториях и на предприятиях, производящих новый тип электропривода.

Основные результаты работы состоят в следующем.

1. Разработан оригинальный компьютеризированный стенд для исследования вентильно-индукторных электроприводов, оборудованный прецизионными измерительными средствами и позволяющий в реальном времени получать информацию о характеристиках электропривода в любых заданных условиях.

2. Разработана методика определения основных параметров и характеристик вентильно-индукторного электропривода, в том числе индуктивностей обмоток фаз £ф, зависимостей =J{0), кривых намагничивания у/=/0ф, 0), механических характеристик o)=f (M) — получение последних характеристик осуществляется в автоматическом режиме в реальном времени.

3. Разработана и реализована на практике процедура автоматизированного определения потерь в магнитопроводе вентильно-индукторного двигателя, основанная на вычитании просто оцениваемых составляющих потерь (в меди, в коммутаторе, механических) из общих и осуществляемая в процессе снятия механических характеристик.

Показано, что потери в стали вентильно-индукторного электродвигателя имеют три явно выраженных участка: участок близкий к холостому ходу с повышенными потерями, участок среднего значения момента с минимальными потерями и участок больших моментов, характеризующийся резким повышением потерь.

4. С использованием аппарата анализа размерностей получена универсальная модель потерь в стали общепромышленных вентильно-индукторных двигателей (0,5⁵⁰ кВт) в критериях подобияэкспериментально установлена адекватность модели применительно к двигателям различной конфигурации.

5. На основе разработанной универсальной модели потерь в стали предложена методика обоснованной оценки энергетических показателей вентильно-индукторного электропривода.

Заключение

.