Вентильний реактивний двигун з програмним формуванням вихідних характеристик

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Вентильні реактивні двигуни (ВРД) мають підвищену надійність електромеханічного перетворювача (ЕМП) і можливість регулювання частоти обертання у значних межах. Однак широке розповсюдження ВРД стримується відсутністю єдиного універсального методу рішення задач раціонального керування і формування потрібних вихідних характеристик, що перешкоджає ефективному використанню ВРД у транспорті і промисловості з різними видами навантаження.

Рішення цих питань є можливим з використанням сучасних технологій для керування ВРД. На даному етапі розвитку перспективними є дослідження зі створення інтелектуальних методів керування ВРД на основі мікропроцесорної техніки.

У зв'язку з цим з'являється можливість визначення і завдання раціональних з енергетичної точки зору значень керуючих дій у межах циклу комутації фази, а також можливість формування потрібних вихідних характеристик двигуна.

Визначення і завдання раціональних значень керуючих дій в межах циклу комутації фази дозволяє формувати енергозберігаючу траєкторію переключення фаз, яка забезпечує енергетично вигідні умови роботи двигуна в усіх режимах.

При використанні ВРД з різними видами навантаження найбільш важливим є погодження його вихідних характеристик з параметрами навантаження. Безпосереднє застосування амплітудного, струмового і широтно-фазового керування ВРД не дозволяє простими засобами одержати механічні характеристики, які задовольняють заданим вимогам жорсткості та якості регулювання. Так, при амплітудному керуванні ВРД є необхідним регульоване джерело постійної напруги з обмеженням струму, що суттєво ускладнює схему живлення, знижує ККД та збільшує вартість. При струмовому керуванні погіршуються регулювальні характеристики двигуна. Широтно-фазове керування характеризується низькими енергетичними та якісними показниками і в окремому вигляді є непридатним для силового електропривода.

Тому необхідно розробити новий універсальний метод керування ВРД, який дозволяє формувати потрібні вихідні характеристики двигуна програмними засобами з застосуванням комбінацій відомих способів керування. При використанні цього методу керування, який може засновуватися на програмному формуванні характеристик (ПФХ), в мікропроцесорному пристрої керування (МПК) повинні вироблятися керуючи дії у залежності від виду і параметрів навантаження на основі порівняння поточних і заданих координат двигуна у реальному масштабі часу. Для попереднього визначення залежностей і комбінацій значень керуючих параметрів, що забезпечують ПФХ, слід використовувати математичну модель ВРД, яка, на відміну від відомих, повинна враховувати навантаження, що змінюється у часі, і програмну зміну керуючих дій у кожній точці механічних характеристик двигуна.

Традиційні конструктивні і схемотехнічні рішення вузлів ВРД не дозволяють безпосередньо реалізувати метод ПФХ і формування енергозберігаючої траєкторії переключення фаз, тому слід додатково удосконалити структуру мікропроцесорного керування двигуном з урахуванням ПФХ, обґрунтувати вибір параметрів обмотки ЕМП і удосконалити схеми силового напівпровідникового перетворювача (СНП) без буферів і з буферами енергії, підвищити спроможність пристроїв визначення положення ротора.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є вдосконалення ВРД і обґрунтування методу формування його вихідних характеристик програмними засобами для забезпечення заданих режимів роботи і техніко-економічних показників у регульованому електроприводі з різними видами навантаження.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі дослідження:

· удосконалення вузлів ВРД і обґрунтування значень їх параметрів для забезпечення програмного формування вихідних характеристик;

· подальший розвиток нелінійної математичної моделі ВРД для аналізу динамічних і квазіусталених режимів з урахуванням використання декількох буферів енергії і програмного формування вихідних характеристик, виявлення основних закономірностей зміни електромагнітних навантажень та обертаючого моменту, виявлення залежностей і визначення комбінацій значень керуючих параметрів, які забезпечують програмне формування вихідних характеристик;

· подальший розвиток методу формування траєкторії переключення фаз ВРД без буферів і з декількома буферами енергії у руховому і гальмівному режимах роботи на основі енергозберігаючого підходу шляхом визначення області припустимих значень струму і раціональних значень керуючих дій;

· обґрунтування способів керування і визначення областей їхнього раціонального застосування, розробка методу програмного формування вихідних характеристик ВРД з використанням відомих способів керування та інтелектуальних можливостей мікропроцесорного керування;

· фізичне моделювання і експериментальна перевірка ВРД з програмним формуванням вихідних характеристик.

1. Огляд наукових публікацій, присвячених удосконаленню теорії і практичного використання ВРД

Наведена загальна характеристика ВРД, сучасний стан досліджень ЕМП, СНП, пристроїв визначення положення ротора, МПК, математичного моделювання ВРД.

Проведені дослідження свідчать, що високі техніко-економічні характеристики ВРД можна одержати лише при комплексному розгляді всіх частин цих двигунів.

Одним з важливіших і остаточно невирішених питань ЕМП є обґрунтований вибір кількості витків обмотки. Відомі формули для розрахунку не є однозначними або не враховують динамічні можливості з формування фазного струму.

В СНП актуальними питаннями є вдосконалення схем для підвищення функціональних можливостей, надійності, використання напівпровідникових приладів за струмом, зниження вартості, створення нових схем з ємнісними буферами енергії, з несиметричною комутацією, які мають кращі енергетичні показники.

Сучасні МПК ВРД потребують удосконалення структури і програмного забезпечення для підвищення енергетичних показників двигуна шляхом формування вихідних характеристик і енергозберігаючої траєкторії переключення фаз.

Зважаючи на дискретний характер циклу перетворення енергії теорія ВРД може бути основана на енергетичному підході, що враховує баланс енергії за цикл комутації однієї фази. Відомі математичні моделі ВРД не є універсальними, не дозволяють досліджувати характеристики при програмній зміні керуючих параметрів і змінному характері навантаження, не враховують диференційну індуктивність фаз. Таким чином, потрібен подальший розвиток моделей ВРД з урахуванням цих вимог.

2. структурний аналіз інтелектуального ВРД

Виконані дослідження з розрахунку кількості витків обмотки і раціонального струмового навантаження ЕМП, удосконалення і розробки нових схем СНП, удосконалення МПК, підвищення спроможності оптичного ДПР.

Всі дослідження ЕМП виконувалися для конфігурації магнітної системи, яка містить 8 полюсів статора і 6 полюсів ротора („8/6”) і є компромісною між конфігураціями з меншою кількістю полюсів і підвищеними пульсаціями момента, та з більшою кількістю полюсів, але й більшими ціною і трудомісткістю виготовлення.

Обґрунтований вибір кількості витків фаз дозволяє забезпечити задані параметри номінального режиму ВРД з урахуванням перехідних процесів при живленні від джерела напруги. З точки зору мінімальних динамічних втрат енергії при формуванні струму одержаний вираз для визначення раціональної кількості витків фази:

, (1)

де E - ЕРС джерела живлення; F1 - МРС фази, розрахована при раціональному заповненні струму; ном - номінальна кутова швидкість ротора; r - активний опір кола; - функція магнітної провідності; - кутове положення ротора.

Вираз (1) дає два значення W1 і W2, з яких більш прийнятним є W1, тому що дозволяє покращити енергетичні показники за рахунок меншого фазного струму.

При розрахунках раціональної кількості витків припускається, що в кутовому положенні ротора 1, відповідному початку ділянки зі змінною магнітною провідністю, струм вже має усталене значення, яке дорівнює струму уставки . Але у зв'язку з впливом перехідних процесів струму ця умова виконується лише при малих значеннях кутової швидкості ротора. Тому треба задавати кут випереджувального увімкнення фази, який можна розрахувати за допомогою виразу:

, (2)

де - мінімальне значення функції магнітної провідності.

Для поглибленого аналізу процесів в ЕМП потрібно враховувати нелінійні функції магнітної провідності та кривої намагнічення сталі. Функція магнітної провідності апроксимується відрізками прямих (для оцінних розрахунків), косинусоїдою або рядами Фур'є. Для апроксимації кривої намагнічення сталі використана функція арктангенсу, яка має простий вигляд і досить високу точність.

Електромагнітний момент обчислюється відповідно з енергетичним підходом:

, (3)

де i - струм; - потокозчеплення при насиченні.

Враховуючи нелінійність функції момента, визначено залежність максимального струму ВРД за умови рівняння швидкостей зростання момента і струму:

, (4)

де - максимальне значення магнітного потоку у повітряному зазорі.

В результаті аналізу відносно простої схеми Міллера зі спільним транзистором і універсальної схеми асиметричного напівміста вдосконалена схема СНП на IGBT-транзисторах, яка єднає переваги обох схем і вільна від їх недоліків. У цій схемі СНП також існує спільний транзистор, однак він встановлюється на кожні дві фази двигуна (VT2 для фаз A, C і VT5 для фаз B, D). Ця схема містить на чверть менше напівпровідникових приладів, ніж схема асиметричного напівміста, при збереженні її основних переваг.

Відомі схеми СНП з одним ємнісним буфером енергії дозволяють підвищити енергетичні показники ВРД, але вони мають істотне обмеження - неможливість одночасної комутації двох фаз, оскільки буфер накоплює енергію при вимиканні фази. Таким чином, при випереджувальному увімкненні буфер виявляється розрядженим.

Розроблена нова схема СНП з двома буферами енергії для 4-х фазного ВРД, яка містить два буфери і , що діють почергово. При цьому процеси заряду і розряду буферів не перетинаються у часі, і вони завжди заряджені до увімкнення фаз.

На підставі рівняння балансу енергії в системі можна обчислити потрібну ємність буферів або напругу, до якої вони заряджуються:

; , (5)

де - момент часу, коли фаза вимикається.

Використання буферів енергії в ВРД великої потужності не є продуктивним. Тому запропоновано нове рішення - схема СНП з несиметричною комутацією фаз, що виконана на IGBT-модулях.

Суть несиметричної комутації полягає в тому, що при увімкненні фази кожна з її напівобмоток комутується до джерела живлення незалежно від другої, тобто вони виявляються включеними паралельно. Це призводить до зменшення індуктивностей, що підключені до джерела живлення, майже в 4 рази. За рахунок цього струм в напівобмотках значно швидше досягає значення уставки і покращуються енергетичні показники двигунів.

Збільшення спроможності ДПР досягнуто використанням додаткових прорізів у диску, що кодує інформацію про положення ротора, і програмної апроксимації.

3. Нелінійна математична модель ВРД для аналізу динамічних і квазіусталених режимів

Модель побудована на основі енергетичного підходу і враховує використання двох буферів енергії в СНП, програмну зміну комбінацій значень керуючих параметрів, диференційне подання індуктивностей фаз, нелінійні характеристики магнітних кіл, характер навантаження, що змінюється у часі.

Математична модель для аналізу динамічних і квазіусталених режимів ВРД з двома буферами енергії і ПФХ (6) містить рівняння електричного кола для кожної фази, статичного момента (3), а також рівняння руху, механічної кутової координати; функції переключення, що визначають режим комутації фаз (VT1j і VT2j - стан транзисторів СНП); функції керуючих параметрів; функцію кутової залежності струму насичення магнітної системи ЕМП або максимального струму (4); функцію магнітної провідності.

, (6)

де - функція, яка визначає режим комутації СНП (1 - форсоване увімкнення, 0 - повільне вимикання, -1 - форсоване вимикання); - активний опір кола в залежності від режиму комутації; - функція, що моделює ВАХ діода; - момент інерції; - момент опору; Zр - кількість полюсів ротора; Zс - кількість полюсів статора.

Формування характеристик ВРД зумовлене введенням в модель функцій керуючих параметрів, які дозволяють в процесі вирішування визначати комбінації значень керуючих параметрів в реальному масштабі часу. Функції керуючих параметрів моделюють роботу МПК і являють собою наступні аналітичні або табличні залежності: керуючої функції , яка на основі поточних координат двигуна формує вплив МПК на СНП; функції формування струму уставки , яка для ВРД з ПФХ є сімейством функцій у залежності від положення органу керування швидкістю двигуна; функцій формування кутів випереджувального увімкнення і вимикання . Система нелінійних диференційних рівнянь вирішується чисельним методом Рунге-Кута з постійним кроком інтегрування у пакеті MathCAD 7.0 Pro.

Універсальна нелінійна математична модель ВРД з двома буферами енергії і ПФХ дозволяє розраховувати миттєві значення струмів, напруг, потоків, потокозчеплень, моментів фаз, напруг на ємностях буферів енергії і кутової швидкості при відповідній зміні керуючих параметрів і навантаження двигуна.

Моделювання і аналіз перехідних процесів макетного двигуна потужністю 130 Вт (ВРД1) без буферів і з двома буферами енергії і експериментального двигуна рудничного електровозу АМ-8Д потужністю 15 кВт (ВРД2) в руховому і гальмівному режимах при різному характері навантаження показує поліпшення якості перехідних процесів і збільшення ефективності при використанні буферів енергії для ВРД1 і стійкість ВРД2 при стрибкоподібній зміні навантаження. Зроблені висновки про необхідність струмообмеження у режимі динамічного гальмування ВРД, а у разі використання буферів енергії слід запобігати їхньої перенапруги.

4. Метод формування енергозберігаючої траєкторії переключення фаз ВРД в руховому і гальмівному режимах

Проаналізовані способи керування ВРД, розроблений і обґрунтований метод ПФХ.

Відзначено, що дискретність циклу перетворення енергії, живлення від джерела напруги, вплив локального і загального насичення, протиЕРС і ЕРС обертання, нелінійність функції магнітної провідності є факторами, які ускладнюють формування енергозберігаючої траєкторії переключення фаз.

Для обґрунтованого вибору керуючих параметрів потрібно визначити область припустимих значень струму і раціональні значення кутів випереджувального увімкнення і вимикання фаз за допомогою струмової діаграми ВРД.

Струмова діаграма ВРД обмежується кутами увімкнення і вимикання фаз та залежністю струму насичення магнітної системи або максимального струму. В межах полюсного ділення ця характеристика симетрична відносно кутового положення узгоджених полюсів ротора і статора та являє собою область припустимих значень струму в руховому і гальмівному режимах.

В руховому режимі діє випереджувальне увімкнення фаз, кут якого розраховується за допомогою (2). При низькій кутовій швидкості для збільшення момента струм уставки формується без урахування лінії насичення, при зростанні швидкості струм активно формується за лінією насичення, і при подальшому збільшенні кутової швидкості використовується пасивне формування струму насичення.

В гальмівному режимі при низькій кутовій швидкості увімкнено активне формування струму насичення, при збільшенні кутової швидкості умови формування струму погіршуються, і може бути потрібним випереджувальне увімкнення фаз, а також обмеження струму у режимі динамічного гальмування.

При кутовій швидкості більше номінальної потрібне випереджувальне вимикання фаз, тому що виникає гальмівний момент у руховому режимі і навпаки.

Для ВРД з двома буферами енергії в руховому режимі аналіз „струмової хвилі” показує добре заповнення струмової діаграми навіть без випереджувальної комутації фаз, до того ж зменшується час як увімкнення, так і вимикання фази. Це свідчить про те, що буфери енергії дозволяють підвищити потужність і ККД ВРД.

Способи керування ВРД реалізуються при відповідній зміні керуючих параметрів. Тому можна виділити три основних способи керування: амплітудний, струмовий і широтно-фазовий. Можливі також комбінації цих способів для поліпшення енергетичних чи якісних характеристик.

Для вибору способу керування, придатного для ПФХ, розраховані ідеалізовані механічні характеристики при живленні ВРД від джерела струму. Вони мають такі особливості: для струмового керування є природна характеристика з постійною потужністю, нижче якої двигун працює як джерело момента; для амплітудного керування механічні характеристики мають вид сімейства характеристик з постійною потужністю, до того ж при зниженні напруги уставки погіршується заповнення струмової діаграми, а для захисту СНП від перевантаження потрібно струмообмеження; широтно-фазове керування має характеристики, аналогічні амплітудному, просте у реалізації, але має великі пульсації момента і також потребує струмообмеження.

Математичне моделювання характеристик ВРД при різноманітних законах керування и живленні від джерела напруги проведене для зразків ВРД1 без буферів і з двома буферами енергії та ВРД2. Розраховані механічні характеристики при реалізації основних способів керування та їх комбінацій (струмового керування з випереджувальним увімкненням фаз, амплітудного керування зі струмообмеженням).

Наведені механічні характеристики ВРД1 без буферів енергії, з двома буферами енергії і з випереджувальним увімкненням фаз при струмовому керуванні. Можна відзначити, що перехідні процеси впливають на області поблизу природної характеристики, що проявляється у повільних переходах. У ВРД1 з двома буферами енергії перехідні процеси струму менш тривалі, тому він має більшу номінальну потужність (на 35...38%) і ККД. При випереджувальному увімкненні фаз ВРД1 без буферів енергії також спостерігається збільшення номінальної потужності (на 85%), тому що забезпечується максимальне заповнення струмової діаграми.

Проведені дослідження свідчать про те, що найбільш зручним з точки зору простоти реалізації, виду і якості механічних характеристик, придатності для ПФХ є використання комбінації струмового і широтно-фазового керування.

Формування закону керування ВРД залежить від області застосування двигуна і ґрунтується на загальному принципі функціювання двигуна і виконавчого механізму. Переваги ВРД дозволяють прогнозувати їх широке використання в тяговому електроприводі й інших застосуваннях, характерних для двигунів постійного струму. Але для цього потрібно провести дослідження по відповідному формуванню вихідних характеристик ВРД для їх погодження з характеристиками навантаження.

Для програмного формування вихідних характеристик потрібно засобами керування забезпечити оптимальне поєднання координат - кутової швидкості і електромагнітного момента. Кутова швидкість ротора залежить від динамічного момента в системі і може вимірюватися з достатньою точністю, що дозволяє розглядати її як вихідну величину (результат). Момент двигуна є незалежною координатою, яка може програмно задаватися при відповідних значеннях струму уставки. Областю припустимих значень сімейства характеристик, які програмно формуються, є зона нижче природної характеристики при номінальних значеннях параметрів керування. Сімейство характеристик, що програмно формуються, складається з окремих гілок, які квантуються. Тому для забезпечення ПФХ необхідно здійснити формування кожної гілки механічних характеристик. Вибір поточної гілки виконується органом керування швидкістю. При достатній кількості рівнів квантування гілка характеристики, що програмно формується, майже відповідає заданій.

Для пояснення методу ПФХ в одній системі координат наведені механічні характеристики ВРД1 при струмовому керуванні (штрихові лінії) і при амплітудному керуванні (товсті лінії), з яких останні приймаємо потрібними характеристиками. Кожна точка на гілці механічної характеристики, що відповідає амплітудному керуванню, співпадає з точкою на гілці характеристики, що реалізується за певними значеннями струму уставки і кутових керуючих параметрів, які визначають режим у даній точці вихідних характеристик. При зміні кутової швидкості і русі робочої точки по всій гілці заданої характеристики отримуються відповідні залежності необхідних значень керуючих параметрів, які і є функціями, що забезпечують ПФХ.

Залежність струму уставки від частоти обертання визначається графоаналітичним способом за сімейством механічних характеристик двигуна, відповідних обраному способу керування, і заданим механічним характеристикам.

Наприклад, наведені інтерпольовані залежності струму уставки від частоти обертання ВРД1 для формування механічних характеристик, відповідних амплітудному керуванню при використанні струмового керування. Функції формування кутів увімкнення і вимикання надаються у відповідності з рекомендаціями по формуванню енергозберігаючої траєкторії переключення фаз.

Для реалізації ПФХ удосконалена структурна схема ВРД з мікропроцесорним керуванням. Вона містить джерело живлення (ДЖ), датчик напруги (ДН) для перетворення напруги живлення двигуна Е в низький рівень напруги е, АЦП1 для перетворення цієї напруги в цифровий код, підпрограму апроксимації кутового положення ротора (АКПР), підпрограму розрахунку кутової швидкості (РКШ), обчислювач меншого значення з двох величин (min (х, у)), програмний суматор (ПС), програмований ШІМ (ПШІМ), пульт керування (ПК), АЦП2, нормуючий підсилювач (НП), датчик струму (ДС). При обертанні ротора ВРД з кутовою швидкістю змінюється його кутове положення. Ця координата перетворюється ДПР у кодовані імпульсні сигнали для кожної фази ВРД, що поступають в МПК і обробляються підпрограмами РКШ і АКПР, які визначають цифровий код кутового положення ротора # і кутової швидкості #. Функції формування кутів увімкнення і вимикання фаз, механічних характеристик , залежності струму уставки від заданого момента двигуна , кутової залежності струму насичення магнітної системи ВРД або максимального струму відтворені в табличному вигляді в пам'яті МПК для формування керуючих дій, відповідних режиму ВРД.

З використанням цих залежностей за поточними значеннями #, #, E # і врахуванням положення органу керування швидкістю на ПК (n #ПФХ) обчислюються цифрові коди комбінацій значень керуючих параметрів - #t0, #t1, M #, I #уст , I #нас чи I #max. Підпрограма формування заданих кутів увімкнення #t0 і вимикання #t1 фази виробляє сигнали керування на ключі СНП. Значення струму фази I #ф в поточний момент часу визначається як менше з двох значень: струму уставки I #уст і струму насичення I #нас чи максимального струму I #max. Формування струму фази забезпечується за допомогою ПШІМ, ланцюг зворотного зв'язку якого утворюється ДС (вихідна напруга ), НП (вихідна напруга ), АЦП2 (цифровий код струму фази i#ф). Сигнал непогодження I #ф виділяється ПС і надходить на вхід ПШІМ. На виході ПШІМ формуються прямокутні імпульси з частотою модулятора і коефіцієнтом заповнення K#з. СНП виконує перетворення напруги ДЖ постійного струму E в прямокутні імпульси з коефіцієнтом заповнення, що задається ПШІМ, і середнім значенням напруги Uф. Ця напруга викликає появу фазного струму двигуна iф, під дією якого виникає електромагнітний момент. В результаті ротор двигуна обертається з певною кутовою швидкістю, для якій МПК визначає нові значення керуючих параметрів, що забезпечують задані координати робочої точки характеристик ВРД.

Підраховано, що при використанні сучасних засобів цифрової обробки інформації підсумкова похибка ПФХ значною мірою визначається похибками вимірювання і перетворювання аналогової інформації (кутова швидкість, положення ротора, струми фаз, напруга живлення, електромагнітні параметри ЕМП).

5. Конструкція вузлів макетного зразка ВРД1 потужністю 130 Вт, який виготовлений з двигуна постійного струму СЛ-51, і установки для дослідження характеристик з двигуном СЛ-57 для навантаження

ЕМП має конструктивні дані: повітряний зазор м., усереднена площа полюсу м2., кількість витків фаз . Розроблене програмне забезпечення для ВРД з ПФХ на однокристальній мікроЕОМ 80С31АН, наведені результати експериментальних досліджень параметрів і залежностей, ПФХ ВРД.

Досліджувалися механічні характеристики ВРД при реалізації амплітудного і струмового керування, які в області номінального режиму узгоджуються з розрахунковими в межах 5%.

Ці інтерпольовані і квантовані залежності були запрограмовані в МПК ВРД для забезпечення ПФХ. Енергозберігаюча траєкторія переключення фаз формувалася у відповідності з рекомендаціями при номінальних значеннях кутів увімкнення і вимикання фаз.

Експериментальне формування виявило відповідність характеристик, одержаних при програмному формуванні, і заданих характеристик при амплітудному керуванні у межах 5% в області номінального режиму. Розбіжності характеристик зумовлені похибками визначення і відтворення залежності струму уставки від частоти обертання, вони можуть бути знижені при збільшенні точності визначення вихідних даних і подання інформації в МПК, а також його швидкодії.

Висновки

вентильний реактивний квазіусталений електромагнітний

У дисертаційній роботі вирішена актуальна науково-технічна задача формування вихідних характеристик вентильного реактивного двигуна шляхом програмного визначення і виробки відповідних керуючих дій, формування енергозберігаючої траєкторії переключення фаз та вдосконалення вузлів. Вирішення цієї задачі дозволяє забезпечити задані вихідні характеристики і техніко-економічні показники двигунів у регульованому електроприводі з різними видами навантаження, збільшити їх конкурентоспроможність і розширити галузь застосування.

1. Вперше запропоновано метод програмного формування заданих вихідних характеристик вентильного реактивного двигуна, який дозволяє узгодити вихідні характеристики двигуна з параметрами навантаження, збільшити продуктивність і якісні показники електропривода. Суть методу полягає у попередньому знаходженні за розрахунковими або експериментальними вихідними характеристиками двигуна залежностей керуючих параметрів (струму уставки, кутів випереджувального увімкнення і вимикання фаз), визначенні і виробці комбінацій їх значень у реальному масштабі часу за вимірюваними параметрами поточного режиму роботи двигуна.

2. Отримала подальший розвиток універсальна математична модель вентильного реактивного двигуна для аналізу динамічних і квазіусталених режимів роботи, яка відрізняється програмним визначенням комбінацій значень керуючих параметрів, урахуванням використання двох буферів енергії в силовому перетворювачі, диференційним поданням індуктивностей фаз при змінному у часі характері навантаження. Шляхом розрахунку і аналізу механічних характеристик з використанням універсальної математичної моделі, що реалізована на ПЕОМ, виявлені залежності керуючих параметрів для програмного формування, а також обґрунтовані галузі застосування способів керування вентильним реактивним двигуном. Для програмного формування вихідних характеристик вигідно використовувати комбінацію струмового і широтно-фазового керування, при реалізації якої двигун працює у режимі регульованого джерела моменту з підвищеними енергетичними показниками.

3. Отримав подальший розвиток метод формування енергозберігаючої траєкторії переключення фаз за рахунок установлення закономірностей зміни струму вентильного реактивного двигуна без буферів та з декількома буферами енергії в руховому та гальмівному режимах роботи на підставі запропонованих критеріїв максимального заповнення струмової діаграми і енергозбереження. За його допомогою визначені область припустимих значень струму і раціональні значення кутів випереджувального увімкнення і вимикання фаз. Формування кутів випереджувального увімкнення і вимикання фаз за запропонованим методом дозволяє збільшити номінальну потужність двигуна 130 Вт на 85%, а двигуна 15 кВт - на 15...20% і виключає з'явлення гальмівних моментів. Використання активного та пасивного формування залежностей струму насичення і максимального струму зменшує пульсації моменту при пуску й збільшує енергетичні показники номінального режиму за рахунок використання електромагнітної енергії фаз. В гальмівних режимах потрібне обмеження струму чергуванням повільного й швидкого вимикання фаз.

4. З урахуванням раціонального струмового навантаження і параметрів номінального режиму сформульовані умови вибору і одержаний вираз для визначення одного з важливіших параметрів електромеханічного перетворювача - кількості витків обмотки, при якій динамічні втрати у напівпровідникових ключах силового перетворювача будуть мінімальними.

5. Удосконалена схема силового напівпровідникового перетворювача, яка відрізняється зниженою на 25% вартістю і поліпшеним використанням напівпровідникових ключів за струмом при збереженні функціональних можливостей базової схеми асиметричного напівміста. На відміну від відомих схем силових напівпровідникових перетворювачів з одним буфером енергії, запропоновано застосовувати два таких буфера для забезпечення можливості одночасної комутації фаз і поліпшення умов формування струму, що сприяє збільшенню корисної потужності вентильного реактивного двигуна малої потужності на 35...38% без зниження ККД і дозволяє більш ефективно використовувати енергію буферів при увімкненні фаз. У новій схемі силового напівпровідникового перетворювача з несиметричною комутацією фаз значно скорочується час проходження перехідних процесів при увімкненні і вимиканні струму за рахунок паралельної комутації напівобмоток.

6. Удосконалена структура мікропроцесорного пристрою керування вентильного реактивного двигуна введенням програмного формування вихідних характеристик. Пристрій здійснює неперервне вимірювання поточних значень струму, частоти обертання, кутового положення ротора двигуна і напруги джерела живлення, розрахунок потрібних значень струму уставки, кутів випереджувального увімкнення та вимикання фаз. Для забезпечення заданої точності відтворення залежностей керуючих параметрів при формуванні енергозберігаючої траєкторії переключення фаз запропоновано використовувати конструктивне і програмне підвищення спроможності оптичного датчику положення ротора. Аналіз похибок програмного формування вихідних характеристик показує, що при застосуванні сучасних обчислювальних засобів підсумкова похибка залежить, в основному, від точності завдання вихідних даних й визначення поточних координат двигуна.

7. Експериментальні дослідження на фізичній моделі вентильного реактивного двигуна з програмним формуванням вихідних характеристик підтверджують основні теоретичні положення роботи, адекватність математичної моделі, ефективність формування енергозберігаючої траєкторії переключення фаз, а також відповідність характеристик, що програмно формуються, і заданих механічних характеристик з точністю до 5%. Одержані в дисертаційній роботі результати реалізовані у сумісно розроблених й виготовлених ДонНТУ і ВАТ „Первомайський електромеханічний завод ім. К. Маркса (ПЕМЗ)” зразках вентильного реактивного двигуна з програмним формуванням вихідних характеристик для електроприводу рудничного електровозу.

Література

1. Васильев Л.А., Мнускин Ю.В. Формирование траектории переключения фазных обмоток ВРД. // В сб. научных трудов ДонГТУ. Серия: Электротехника и энергетика, выпуск 4: Донецк: ДонГТУ, 1999. - C. 90-94.

2. Васильев Л.А., Мнускин Ю.В. Повышение эффективности вентильно-реактивного двигателя. // В зб. наукових праць ДонДТУ. Серія: „Електромеханіка і енергетика”, вип. 17: Донецьк: ДонДТУ, 2000. - C. 102-105.

3. Дудник М.З., Васильев Л.А., Мнускин Ю.В. Тяговый вентильно-реактивный электропривод с микропроцессорным управлением. // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. Серия: Новые решения в современных технологиях, выпуск 84: Харьков: ХГПУ, 2000. - C. 81-84.

4. Мнускин Ю.В. Силовой преобразователь для питания фазных обмоток вентильно-реактивного двигателя. // Збірник наукових праць Донецького державного технічного університету. Серія: “Електротехніка і енергетика”, вип. 21: Донецьк: ДонДТУ, 2000. - C. 29-31.

5. Васильев Л.А., Мнускин Ю.В. Синтез характеристик вентильного реактивного привода с микропроцессорным управлением. // В зб. наукових праць ДонНТУ. Серія: електротехніка і енергетика. Вип. 28. Донецьк, ДонНТУ, 2001. - C. 89-93.

6. Дудник М.З., Васильев Л.А., Мнускин Ю.В., Мельник В.Н. Экспериментальное исследование вентильного реактивного привода с микропроцессорным управлением. // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля. №1 (47): Луганськ: СНУ, 2002. - C. 203-208.

Размещено на Allbest.ru