Разработка бездатчикового вентильно-индукторного электропривода с искусственной нейронной сетью тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Полющенков, Игорь Сергеевич

• Полющенков, Игорь Сергеевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Полющенков, Игорь Сергеевич

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5 ГЛАВА 1. ОБЗОР ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Принцип работы и математическое описание ВИП

1.2. Свойства ИНС, их классификация и основные направления использования

1.2.1. Структура и свойства искусственного нейрона

1.2.2. Классификация искусственных нейронных сетей

1.2.3. Особенности выбора структуры ИНС

1.2.4. Применение ИНС в интеллектуальных системах управления

1.3. Общие положения дискретного преобразования Фурье

1.4. Анализ назначения датчика положения ротора ВИМ. Характеристика

методов идентификации положения ротора ВИМ в бездатчиковых ВИП

1.5. Применение ИНС для идентификации положения ротора ВИМ

1.6. Постановка цели и задач исследования. Формулировка новизны идей 42 Выводы по главе 1 48 ГЛАВА 2. АЛГОРИТМ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПОЛОЖЕНИЯ РОТОРА ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНОЙ МАШИНЫ В ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИСКРЕТНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФУРЬЕ И ИСКУССТВЕННЫХ НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ

2.1. Структурная схема бездатчикового ВИП, общая характеристика алгоритма идентификации и управления

2.2. Выбор архитектуры ИНС

2.3. Определение набора гармонических составляющих, необходимых для идентификации углового положения ротора ВИМ

2.4. Определение ширины спектра ДПФ

2.5. Адаптация идентификатора углового положения ротора ВИМ к изменению напряжения питания

2.6. Настройка идентификатора для ВИМ с разными конфигурациями

2.7. Выбор структуры ИНС

2.8. Распределение алгоритма идентификации во времени

2.9. Регулирование электромагнитного момента ВИМ

2.10. Синтез регулятора скорости 92 Выводы по Главе 2 96 ГЛАВА 3. ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ БЕЗДАТЧИКОВОГО ВИП

3.1. Выбор степени детализации имитационной модели и принятые допущения

3.2. Выбор средств моделирования, требования к имитационной модели

3.3. Разработка имитационной модели ВИП и его системы управления

3.4. Решение уравнений электрического равновесия и электромеханического преобразования энергии фазы ВИМ

3.5. Моделирование системы управления коммутатором фаз

3.6. Моделирование дискретного преобразования Фурье

3.7. Моделирование искусственной нейронной сети

3.8. Моделирование бездатчикового ВИП на основе разработанного алгоритма идентификации и управления

3.9. Оценка адекватности математической модели алгоритма идентификации 123 Вывод по главе 3 128 ГЛАВА 4. ПРИМЕНЕНИЕ АЛГОРИТМА ИДЕНТИФИКАЦИИ ПОЛОЖЕНИЯ РОТОРА ВИМ В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ БЕЗДАТЧИКОВОГО ВИП И ЕГО ИССЛЕДОВАНИЕ

4.1. Выбор микроконтроллера для реализации системы управления

4.2. Разработка и описание экспериментальной установки

4.3. Разработка программного обеспечения системы управления бездатчиковым ВИП

4.3.1. Структура программного обеспечения для реализации алгоритма идентификации и управления

4.3.2. Разработка программного модуля дискретного преобразования Фурье

4.3.3. Разработка программного модуля ИНС

4.3.4. Разработка модуля адаптации

4.4. Исследование разработанного ВИП 166 Выводы по главе 4 175 ГЛАВА 5. ЭЛЕКТРОПРИВОД НАГНЕТАТЕЛЯ

5.1. Обзор электроприводов компрессоров, насосов и вентиляторов

5.2. Регулирование частоты вращения нагнетателей

5.3. Вентильно-индукторный электропривод вентилятора 188 Выводы по главе 5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы 200 ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Программное обеспечение системы управления

бездатчиковым ВИП

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Акты об использовании результатов диссертационной работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка бездатчикового вентильно-индукторного электропривода с искусственной нейронной сетью»

ВВЕДЕНИЕ

Серийные электрические машины переменного тока рассчитаны на применение в электрических цепях с синусоидальными источниками питания. Автономные инверторы современных регулируемы электроприводов переменного тока тоже, как правило, имеют выходное напряжение синусоидальной формы, хотя для этого необходимо преодолеть определённое усложнение их схемы, т. к. силовые вентильные элементы, работая в ключевом режиме, синусоидальную форму напряжения и тока создать естественным образом не могут. Для самих электрических машин, работающих от преобразователей частоты, синусоидальная форма фазных токов и результирующей МДС в воздушном зазоре может быть подвергнута сомнению, когда речь заходит о рациональном использовании активных материалов. Так, например, амплитудное и среднее значения синусоиды очень отличаются; три синусоидальных фазных тока единичной амплитуды создают не тройную, а лишь полуторакратную амплитуду результирующего вектора тока в электрической машине.

По этой причине вполне логичным является создание таких вентильных электроприводов, в которых электрическая машина проектируется под вентильный преобразователь. Тогда теряют свою бесспорность такие утверждения, что три фазы - это оптимальное число фаз, что синусоида является наилучшей формой напряжения для электрической машины, питающейся от вентильного преобразователя. Системный подход к разработке вентильного электропривода и, в первую очередь, учёт взаимодействия между электрической машиной и преобразователем приводит к нетрадиционным конструкциям электрических машин и преобразователей, обеспечивающим более высокие удельные показатели (например, мощность на единицу массы, надёжность и т. п.).

Одним из таких перспективных электроприводов является вентильно-индукторный электропривод (ВИП). В зарубежной литературе ВИЛ более известен под названием SRD (Switched Reluctance Drive) [1 - 9]. Широкую известность получили работы по ВИП таких авторов, как P.P. Acarnley, P.C. Kjaer, G. Gallegos-Lopez, J.P. Lyons, S.R. MacMinn, T.J.E. Miller и др. Значительный вклад в развитие ВИП наряду с зарубежными специалистами внесли отечественные учёные Н.Ф. Ильинский, М.Г. Бычков, Л.Ф. Коломейцев и др.

Новая элементная база силовой электроники позволила резко увеличить мощность транзисторных преобразователей, а их модульное исполнение -уменьшить габариты и цены [10 - 15]. Программная реализация сложных алгоритмов регулируемого электропривода на базе современных достижений микропроцессорной техники устранила препятствия к промышленному внедрению систем управления [16 - 23].

Вентилыю-индукторный электропривод по сравнению с электроприводом постоянного тока, асинхронными и синхронными электроприводами имеет следующие преимущества [1,2]:

1) Высокая технологичность и низкая трудоёмкость производства двигателя (простая конфигурация магнитной системы, отсутствие коллектора, беличьей клетки, постоянных магнитов; сосредоточенные обмотки статора (катушки) хорошо приспособлены к массовому производству: простая обработка, т. к. пропитке подвергаются только катушки, а не статор в целом, как в машинах других типов, простая разборка при ремонте и утилизации);

2) Низкая, в силу изложенного, себестоимость машины - в 1.7-^-2 раз ниже себестоимости самого дешевого асинхронного короткозамкнутого двигателя;

3) Упрощенная и более надежная, по сравнению с преобразователем частоты для асинхронного электропривода, схема и конструкция силового коммутатора за счет однополярной коммутации

4) Широкие функциональные возможности - работа в зоне низких (десятки-сотни об/мин) или высоких (десятки тысяч об/мин) частот вращения в широком диапазоне регулирования и большими моментами в зоне низких частот;

5) Возможность работы как в режиме непрерывного вращения с разными скоростями, так и в режиме шагового двигателя;

6) Высокие энергетические показатели, не уступающие ближайшим аналогам;

7) Высокая надежность привода в целом;

8) Экологическая чистота производства (отсутствует вредная для окружающей среды операция пропитки статора в целом, пропитываются лишь катушки) и утилизация (легко разделяются железо и медь, отсутствуют вредные в переработке редкоземельные магниты).

К основным недостаткам ВИЛ можно отнести следующее [1,2]:

1) Необходимость наличия информационной системы для определения положения ротора;

2) Неработоспособность привода при отказе электронного коммутатора, в то время как асинхронный и синхронный приводы могут продолжать работать от сети при полном отказе преобразователя частоты;

3) Некоторое усложнение конструкции из-за необходимости использования датчиков положения ротора;

4) Сложная и не до конца отработанная процедура проектирования привода для достижения высоких технических показателей;

5) Повышенные шумовые характеристики по сравнению с синхронными и асинхронными машинами;

6) Отсутствие чётких рекомендаций по проектированию и разработке систем управления.

Неотъемлемыми частями системы управления ВИЛ являются контроллер, силовой преобразователь и вентильно-индукторная машина (ВИМ), поскольку она не рассчитана на прямое подключение к сети переменного тока. Технические характеристики контроллера и реализуемые ими алгоритмы управления в значительной мере определяют потребительские свойства и сферы применения ВИЛ.

Отличия алгоритмов управления ВИЛ от традиционных электроприводов обусловлены наличием двойной зубчатости в магнитной системе ВИМ и связанными с этим нелинейностями, однополярными импульсами токов фаз, дискретным управлением коммутацией фаз.

Переход к бездатчиковым системам управления является одним из направлений развития современных регулируемых электроприводов (ЭП) на базе двигателей различных типов. Это позволяет упростить конструкцию, снизить стоимость и повысить надёжность ЭП [24 - 37]. Однако в ряде случаев снижается точность и диапазон регулирования.

Датчик положения ротора (ДПР) в ВИП осуществляет позиционную обратную связь в зависимости от положения зубцов ротора по отношению к зубцам статора, переключая преобразователь в нужный момент времени так, чтобы сохранить заданное направление вращающего момента. Устранение ДПР, усложняющего конструкцию ВИП и снижающего его надёжность, является актуальной и широко обсуждаемой научной общественностью проблемой

При разработке бездатчиковых ВИП необходима синхронизация управляющих воздействий с положением ротора ВИМ, которое определяется косвенным путём по измеряемым электрическим сигналам.

Применение классических методов идентификации и управления требует известных значений параметров, входящих в математическое описание, а также известной структуры математического описания объекта управления. Однако в ходе технологического процесса параметры и структура объекта управления

могут изменяться. Такой способ регулирования, как нейрорегулирование, относится к категории интеллектуальных систем управления и позволяет реализовать любой требуемый нелинейный алгоритм управления, не имея описания объекта, создавать адаптацию, обеспечивать робастность при нестабильности параметров.

Такой способ регулирования, как нейрорегулирование, относится к категории интеллектуальных систем управления позволяет реализовать любой требуемый нелинейный алгоритм управления, не имея описания объекта управления, создавать адаптацию, обеспечивать робастность системе при нестабильности параметров. Искусственные нейронные сети (ИНС) [38 - 49] также нашли применение в идентификации сложных нелинейных динамических систем.

Способность ИНС к аппроксимации сложных нелинейных зависимостей и устойчивость к изменению параметров объекта управления делает их привлекательными для решения задач управления. ЭП с ИНС требует программно-аппаратную реализацию, которая выполняется на современных контроллерах с использованием широкого набора отладочных средств, внутрисхемных отладчиков и эмуляторов. Недавно появившиеся на рынке высокопроизводительные контроллеры делают задачи управления, ранее решённые только в теоретическом плане, прикладными в самом широком смысле этого слова. Каждое практическое применение этой техники в контурах управления остаётся востребованным.

Однако применение ИНС для управления ВИЛ и идентификации положения ротора ВИМ, как правило, состоит в аппроксимации зависимости между током, потокосцеплением и угловым положением ротора [35, 36]. Реализация такого алгоритма идентификации требует выполнения большого объёма вычислений за сравнительно короткий интервал времени, т.к. ИНС обрабатывает мгновенные значения электромагнитных величин с дискретностью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) тока. Очевидно, что

возможности ИНС по идентификации положения ротора ВИМ не ограничиваются этим методом.

Нейросетевые алгоритмы управления и идентификации являются затратными по времени из-за больших объёмов вычислений, однако рост вычислительной мощности микроконтроллеров (как специализированных, так и общего назначения) позволяет реализовать сложные алгоритмы управления в режиме реального времени.

Одним из перспективных направлений применения бездатчиковых ВИП может являться их внедрение вместо нерегулируемого ЭП с асинхронными короткозамкнутыми двигателями. В промышленности есть большой класс устройств и механизмов, использующих нерегулируемый электропривод, где эффективность существенно возрастает при использовании регулируемого электропривода. К таким устройствам, прежде всего, относятся нагнетатели, являющиеся механизмами центробежного типа, а именно, центробежные насосы, компрессоры и вентиляторы.

Характеристики механизмов центробежного типа создают благоприятные условия для работы регулируемого ЭП как в отношении статических нагрузок, так и требуемого диапазона регулирования скорости. При снижении скорости по крайней мере квадратично снижается и момент сопротивления на валу двигателя. Это облегчает тепловой режим двигателя при работе на пониженной скорости.

Регулирование производительности нагнетателей возможно несколькими способами:

1) Дросселированием в напорной магистрали;

2) Рециркуляцией (перепуском части потока с нагнетания на всасывание);

3) Регулированием скорости вращения рабочего колеса;

4) Поворотом направляющих лопаток на входе рабочего колеса.

Сравнение этих способов показывает, что наиболее экономичным из них

является регулирование производительности посредством регулирования

скорости вращения [50]. Опыт применения регулируемых ЭП на насосных станциях и в системах водоснабжения показывает высокую энергетическую эффективность, благодаря чему достигается значительная экономия электроэнергии [50].

Обычно изменение технологического режима механизмов центробежного типа протекает достаточно медленно и не требует от регулируемого ЭП высокого быстродействия.

Таким образом, актуальность работы можно сформулировать в виде следующих положений:

1) Простой, надёжный и дешёвый вентильно-индукторный электропривод весьма перспективен для широкого круга применений. Одним из возможных направлений внедрения ВИП является его использование в компрессорных, вентиляционных, насосных агрегатах, в установках для подачи воздуха или газа, где применение регулируемого электропривода вместо нерегулируемого позволяет повысить энергетические показатели. Кроме того, ВИП характеризуется высокой пожарной безопасностью при работе в агрессивной среде и высокими скоростями вращения.

2) Устранение ДПР позволяет упростить конструкцию привода, снизить стоимость и повысить надёжность ЭП. Однако в ряде случаев снижается точность и диапазон регулирования.

3) Способность ИНС к аппроксимации сложных нелинейных зависимостей и устойчивость к изменению параметров объекта управления делает их привлекательными для решения задач управления.

4) Рост вычислительной мощности микроконтроллеров позволяет решать задачи управления и идентификации на основе сложных алгоритмов в режиме реального времени.

5) Регулирование производительности нагнетателей (механизмов центробежного типа) посредством регулирования скорости вращения является

наиболее экономичным, а применение регулируемого ЭП в таких установках вместо нерегулируемого ЭП имеет перспективу.

Сказанное позволяет сделать вывод об актуальности и практической значимости научной задачи разработки и исследования бездатчикового ВИП с искусственной нейронной сетью.

Цель диссертационной работы. Разработка и исследование системы бездатчикового управления ВИП на основе оригинального алгоритма идентификации положения ротора ВИМ, использующего математический аппарат дискретного преобразования Фурье (ДПФ) и искусственных нейронных сетей (ИНС). Техническая реализация комплекса программно-аппаратных средств микропроцессорной системы управления бездатчикового ВИП нагнетателя.

Для достижения поставленных целей были поставлены и решены следующие задачи:

1) Анализ существующих способов бездатчикового управления ВИП.

2) Анализ особенностей функционирования электроприводов нагнетателей.

3) Разработка и апробация алгоритма идентификации углового положения ротора ВИМ на основе математического аппарата дискретного преобразования Фурье и искусственных нейронных сетей.

4) Разработка и экспериментальная проверка алгоритма настройки идентификатора углового положения ротора ВИМ при изменении питающего напряжения и уровня токоограничения, а также настройка на различные конфигурации ВИМ без изменения настройки ДПФ и ИНС.

5) Составление компьютерной модели разработанного бездатчикового ВИП и проверка её соответствия реальной системе управления ВИП.

6) Применение разработанного алгоритма идентификации в замкнутой системе стабилизации частоты вращения ВИП и его экспериментальная проверка.

7) Разработка и изготовление программно-аппаратных средств для реализации результатов исследования и проверка предложенного алгоритма идентификации и управления на экспериментальной установке.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовались:

1) Теория электропривода и теория автоматического управления;

2) Методы имитационного моделирования (SimnlinkMATLAB)\

3) Элементы теории искусственных нейронных сетей и теории цифровой обработки сигналов;

4) Элементы теории планирования эксперимента;

5) Компьютерные методы интерактивной отладки и исследования микропроцессорных систем управления с использованием интегрированной среды разработки MPLAB IDE-,

6) Экспериментальные исследования вентильно-индукторного электропривода.

Объектом исследования является вентильно-индукторная машина в составе бездатчикового вентильно-индукторного электропривода, а также его микропроцессорная система управления.

Обоснованность научных положений и выводов подтверждается корректным применением теории электропривода, теории автоматического управления, теории искусственных нейронных сетей, теории планирования эксперимента, цифровой обработки сигналов и имитационного моделирования.

Достоверность результатов подтверждается вычислительными экспериментами на персональном компьютере (ПК) и натурными экспериментами.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Структура системы бездатчикового управления ВИП, обеспечивающая идентификацию углового положения ротора ВИМ, регулирование

электромагнитного момента, стабилизацию частоты вращения и адаптацию к изменению напряжения питания и уровня токоограничения.

2) Алгоритм идентификации углового положения ротора ВИМ на основе математического аппарата ДПФ и ИНС, ориентированный на снижение вычислительных затрат микроконтроллера по объёму вычислений ИНС.

3) Алгоритм настройки идентификатора углового положения ротора ВИМ при изменении величины питающего напряжения и уровеня токоограничения без изменения настройки ДПФ и ИНС. Настройка идентификатора на различные конфигурации ВИМ без изменения настройки ДПФ и ИНС.

4) Структура организации программного обеспечения микроконтроллера для реализации бездатчикового управления ВИП с использованием математического аппарата ДПФ и ИНС для идентификации углового положения ротора ВИМ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) Разработан алгоритм идентификации углового положения ротора ВИМ на основе математического аппарата дискретного преобразования Фурье и искусственных нейронных сетей. Разработана и апробирована система бездатчикового управления ВИП на основе предложенного алгоритма идентификации положения ротора ВИМ.

2) Определены параметры ДПФ и ИНС для выполнения требований к точности идентификации углового положения ротора ВИМ для предложенного алгоритма идентификации.

3) Установлено, что предложенный алгоритм идентификации позволяет снизить вычислительные затраты при микропроцессорной реализации по сравнению с известными алгоритмами идентификации с использованием ИНС.

4) Показано, что для настройки идентификатора углового положения ротора ВИМ при изменении величины питающего напряжения и уровня токоограничения не требуется изменение настройки ДПФ и ИНС. Предложен

способ настройки идентификатора на различные конфигурации ВИМ без изменения настройки ДПФ и ИНС.

Научная значимость работы. Дано новое решение задачи бездатчикового управления ВИП, для чего предложен оригинальный алгоритм идентификации положения ротора ВИМ, учитывающий специфику ЭП нагнетателей. Практическое исполнение бездатчикового ВИП является основой для исследования различных алгоритмов управления ВИП.

Практическая значимость. Принципы, положенные в основу разработанного бездатчикового ВИП, применимы для механизмов центробежного типа, например, в агрегатах компрессоров, насосов, вентиляторов

Реализация результатов работы. Теоретические положения и результаты экспериментальных исследований использованы в учебном процессе филиала ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» в г. Смоленске, а именно:

- в лекционном курсе «Электроприводы с вентильными и шаговыми двигателями» программы подготовки специалистов 140604 - «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов».

- в лекционном курсе «Применение вычислительной техники в задачах электропривода» программы подготовки бакалавров 140600 -«Электротехника, электромеханика и электротехнологии».

- в лекционном курсе «Микропроцессорные системы управления» программы подготовки бакалавров 140600 - «Электротехника, электромеханика и электротехнологии».

- в экспериментальном стенде «Вентильно-индукторный электропривод» для НИР студентов и аспирантов.

ВИП, основанный на результатах работы над диссертацией, применён в системе канальной вентиляции на НПО «Рубикон-Инновация» в г. Смоленске.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 14-й МНТК студентов и аспирантов

«Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2008 г.), 5-й, 6-й, 7-й, 8-й Межрегиональных науч.-техн. конференций студентов и аспирантов (г. Смоленск, 2008, 2009, 2010, 2011 г. соотв.), а также на заседании кафедры «Электромеханические системы» филиала МЭИ в г. Смоленске. На региональном конкурсе научно-технического творчества молодежи «НТТМ-Смоленск 2012» работа была удостоена диплома I степени в номинации «Лучший проект в области технических наук»

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

В главе 1 описан принцип работы ВИЛ, приведено математическое описание ВИМ, дана характеристика существующих методов идентификации положения ротора ВИМ в бездатчиковых ВИП, конкретизированы задачи исследования. Приведены краткие сведения о ИНС и ДПФ. Рассматривается назначение ДПР и возможность его исключения из системы управления ВИП. Описан разработанный алгоритм идентификации положения ротора ВИМ, основанный на применении ДПФ и ИНС. Приведено сопоставление с известным методом идентификации на основе ИНС. Формулируется новизна предложенных идей.

1.1. Принцип работы и математическое описание ВИП

Принцип действия ВИП основан на следующих положениях [1 —9]. ВИМ является электрической машиной с самоподмагничиванием, которое осуществляется за счёт средней составляющей однополярных импульсов тока, поступающих на сосредоточенные обмотки статора от силового коммутатора.

Обмотки статора индукторного двигателя создают не вращающиеся, как в обычных двигателях переменного тока, а пульсирующие однополярные потоки фаз, дискретно сдвинутые в воздушном зазоре. Угловая скорость вращения ротора не равна, а кратна угловой скорости перемещения фазных потоков в зазоре. Принцип работы ВИП состоит в следующем. При подаче с помощью силового коммутатора на одну из фаз напряжения постоянного тока в области зазора возбуждается поле. Под действием электромагнитных сил несимметричный ротор поворачивается, стремясь к согласованному положению между зубцами статора и ротора. В момент подхода к согласованному

положению предыдущей фазы коммутируется следующая фаза, и ротор поворачивается вновь.

Принцип работы простейшего индукторного двигателя поясняется по рис. 1.1. Здесь каждая из трёх фаз статора ВИМ образована двумя последовательно и согласно включёнными катушками, размещёнными на диаметрально противоположных зубцах (полюсах). Токи подаются поочерёдно в обмотки каждой фазы.

ВИМ выполняются с неравным числом зубцов (полюсов) на статоре и роторе 2?. Реверсивные двигатели должны иметь не менее трёх фаз. В общем случае для индукторных двигателей должно выполняться соотношение:

Z(: = 2тк,

гр=2(тк±\\ (1Л)

где к= 1,2,3 ... - целое число; т - число фаз.

В трёхфазных индукторных двигателях чаще встречается соотношение Zc/Zp равным 6/4, 12/8 и 12/10; в четырёхфазных - 8/6.

/V

! Г

Г

б)

Рис.1.1. Индукторный двигатель с числом полюсов 6/4 в разрезе (а) и диаграмма токов фаз

статора (б)

Существуют разные способы управления ВИП. Рассмотрим один такт коммутации при релейном и при фазном управлении ВИП. На рис. 1.2,а показаны упрощённые кривые тока I, напряжения и и индуктивности фазы Ь в

функции угла 0 = Ш при релейном управлении ВИП. Фаза включается при минимальной индуктивности, что обеспечивает формированный рост тока до значения /РТ, установленного релейным регулятором. При оптимальном угле включения ток фазы достигает значения /зад к моменту нарастания 1(0) (точка излома кривой). Отключение фазы производится до магнитного согласования осей зубцов так, чтобы реактивный ток успел снизиться до нуля. Дальнейшее затягивание тока вредно, т. к. на спадающем участке ЦО) момент и электродвижущая сила (ЭДС) вращения меняют знак.

Рис.1.2. Форма тока и напряжения при релейном (а) и фазном (б) управлении ВИП

При ограниченном уровне питающего напряжения II и росте частоты вращения амплитуда и форма фазных токов определяются электромагнитными переходными процессами, а не релейным регулированием среднего напряжения или тока фазы. Именно эту частоту вращения принято считать для ВИП номинальной. При этом мгновенные токи называются «однопульсными» (рис. 1.2,6), а их регулирование осуществляется только фазным сдвигом углов включения и отключения фаз.

Общие вопросы регулирования ВИП рассмотрены в [51 - 68].

Традиционные двигатели переменного тока питаются от источника синусоидального тока. Напряжения, токи и потокосцепления обмоток этих машин изменяются практически по синусоидальному закону, хотя в них имеются и высшие гармоники. В отличие от них ВИМ имеют ряд особенностей, которые требуется учитывать в математическом описании [69 - 83]:

1) Дискретность управления;

2) Питание фазных обмоток однополярными импульсами напряжения, форма которых в общем случае претерпевает значительные изменения в зависимости от режима работы привода и является резко несинусоидальной. Кривые токов и потокосцеплений также имеют несинусоидальную форму;

3) Изменение в достаточно широких пределах состояния магнитной системы двигателя в цикле коммутации каждой фазы. Линейный режим работы (без насыщения) чередуется с режимом локального насыщения взаимодействующих зубцов;

4) Двусторонняя зубчатость магнитной системы двигателя при ограниченном числе его фаз приводит к практически трапециедальному закону изменения магнитной проводимости воздушного зазора между статором и ротором;

5) С достаточной для большинства практических случаев точностью можно не учитывать взаимного влияния фаз двигателя и анализировать коммутационные процессы в каждой фазе отдельно;

6) Падением МДС в стали ротора и статора можно пренебречь и учитывать только эквивалентную магнитную проводимость воздушного зазора.

7) Частота, фаза и ширина импульсов напряжения определяется частотой вращения ротора, положением ротора относительно статора и алгоритмом управления;

В основу математического описания процесса преобразования энергии в ВИМ положены уравнения электрического равновесия фаз двигателя [84 - 86]:

ик=1кКк+--т-= 1кКк+ —

Л

л

сПь

ей,.

+ ьк («А = 1к як + + 4 о*, ©)

л

е

л

(1.2)

с/0

и уравнение электромагнитного момента:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Полющенков, Игорь Сергеевич, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ильинский Н.Ф. Перспективы развития регулируемого электропривода. -Электричество, 2003, №2.

2. Ахунов Т.А., Макаров Л.Н., Ильинский Н.Ф., Бычков М.Г. Вентильно-индукторный электропривод - перспективы развития. - приводная техника, 2001, №2.

3. Electronic control of Switched Reluctance Machines / Edited T.J.E. Miller. -Oxford: Newnes, 2001.

4. Бычков М.Г. Элементы теории вентильно-индукторного электропривода. -Электричество, 1997, №8.

5. Miller T.J.E. Switched Reluctance Motors and Their Control. - Oxford: Magna Physics Publishing and Clarendon Press, 1993.

6. Голландцев Ю.А. Вентильные индукторно-реактивные двигатели. СПб.: ГНЦ РФ - ЦНИЦ «Электроприбор», 2003 - 148 с.

7. Кузнецов В.А., Кузьмичёв В.А. Вентильно-индукторные двигатели. М.: Издательство МЭИ. 2003. - 68 с.

8. Кузнецов В. А., Садовский Л. А., Виноградов В. Л. Особенности расчёта индукторных двигателей для вентильного электропривода. -Электротехника, 1998, №6, с. 35 - 43.

9. Садовский Л. А., Виноградов В. Л. Электродвигатели с переменным магнитным сопротивлением для современного регулируемого электропривода // Электротехника. 2000. №2. С. 54 - 59.

10. Уткин С.Ю. Разработка электронных коммутаторов вентильно-индукторных электроприводов широкого применения: Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук. - Москва, МЭИ, 2002.

11. Bose, Bimal К. Modern Power Electronics and AC Drivers. Prentice Hall PTR, 2002.-738 p.

12. Остриров В. Н., Уткин С. Ю. Силовой преобразователь для вентильно-индукторного электропривода массового применения. - Вестник МЭИ, 2000, №5, с. 8- 13.

13. Усынин Ю. С. Системы управления электроприводов: Учебное пособие для вузов. - 2-е издание. - Челябинск: Издательство ЮурГУ, 2004. - 328 с.

14. Зиновьев Г. С. Основы силовой электроники: Учебное пособие. - Изд. 3-е. -Новосибирск: Издательство НГТУ, 2004. - 672 с.

15. Le-Huy Н., yiarouge Ph. A Novel Unipolar Converter for Switched Reluctance Motor // IEEE transactions on power electronics. October 1990. Vol. 5. №4.

16. Ремизевич T.B. Микроконтроллеры для встраиваемых приложений: от общих подходов - к семействам НС05 и НС08 фирмы Motorola / Под ред. И.С. Кирюхина. - М.: ДОДЭКА, 2000.

17. Семенчук В.А. Технико-экономические аспекты создания контроллеров для вентильно-индукторного электропривода на основе процессора Intel 8хС196МН. - Электричество, 2000, №5.

18. Козаченко В.Ф., Ремизевич Т.В. Микроконтроллеры для встраиваемых систем управления электроприводом / Обзор спектра элементной базы. Восьмиразрядные «Motorola Control». - Электронные компоненты, 2002, №7.

19. Козаченко В.Ф., Анучин A.C., Обухов H.A. Высокопроизводительный контроллер для управления двигателями на базе TMS320F241 для массовых применений. - Компоненты и технологии, 2000, №8.

20. Козаченко В.Ф., Темирев А.П., Обухов А.Н., Анучин A.C. и др. Контроллеры МК11.3 для высокопроизводительных систем прямого цифрового управления двигателями. - Инженерная микроэлектроника. СНГР NEWS, 2002, №4 (67).

21. Семенчук В.А. Разработка высокоэффективных микроконтроллерных модульных систем управления вентильно-индукторными двигателями и базового комплекта программного обеспечения: Автореферат диссертации на

соискание учёной степени кандидата технических наук. - Москва, МЭИ, 1998.

22. Arefeen M.S., DiRenco М., Bierke S. DSP for Switched Reluctance Drives. -PCIM Europe, 1998, No. 5.

23. Visinka R. Бездатчиковое управление вентильно-индукторным двигателем с использованием устройства DSP6F80x фирмы Motorola. - Привод и управление, 2001, №6.

24. R. Krishnan. Switched reluctance motor drives: modeling, simulation, analysis, design and applications. The Bradley Department of Electrical and Computer Engineering Fellow, Center for Organizational and Technological Advancement (COTA) Virginia Tech, Blacksburg. - 2001.

25. Бычков М.Г., Фукалов P.B. Универсальная модульная микропроцессорная система управления вентильно-индукторным двигателем. Электричество, 2004, №8, с. 23-31.

26. Алямкин Д.И. Разработка и исследование двухфазного вентильно-индуктоного электропривода насосов горячего водоснабжения: Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук. -Москва, МЭИ, 2012.

27. Алямкин Д.И. Алгоритмы бездатчикового управления двухфазным вентильно-индукторным двигателем // Электричество - М.: ЗАО «Знак», 2011.-№8. С. 49-56.

28. Gallegos-Lopez, G., Р.С. Kjaer, and T.J.E. Miller, A new sensorless method for switched reluctance motor drives, IEEE Trans. On Ind. Appl., 34(4), 832-840, 1998.

29. Аракелян А. К., Глухенький Т. Г. Определение положения ротора в высокоскоростных бездатчиковых вентильно-индукторных электроприводах. - Электричество, 2003, №4, с. 27 - 30.

30. Ehsani, M., I. Husain, Rotor position sensing in switched reluctance motor drives by measuring mutually induced voltages, Conf. Rec. IEEE Ind. Appl. Soc., Oct., 422-429, 1992.

31. Egan, M.G., M.B. Harrington, and J.M.D. Murphy, PWM-based position sensorless control of variable reluctance motor drives, Proc. Eur. Power Electronics Conf., 4, 24-29, 1991.

32. Lumsdaine, A. and J.H. Lang. State observers for variable-reluctance motors, IEEE Trans. On Industrial Electronics, 37(2), 133-142, 1990.

33. Elmas, C. and H. Zelaya-De La Parra. Application of a full-order extended Luenberger observer for a position sensorless operation of switched reluctance motor drive, IEEE Proc. On Control Theory Appl., 143(5), 401-408, 1996.

34. Laurent, P., M. Gabsi, and B. Multon, Sensorless rotor position analysis using resonant method for switched reluctance motor, Conf Rec. IEEE Ind. Appl. Soc., Oct., 687-694, 1993.

35. Bellini, A., F. Filippetti, G. Franceschini, C. Tassoni, and P. Vas. Position sensorless control of a SRM drive using ANN-techniques, Conf Rec. IEEE Ind. Appl. Soc., Oct., 709-714, 1998.

36. Mese, E. And D.A. Torrey. Sensorless position estimation for variable-reluctance machines using artificial neural networks, Conf Rec. IEEE Ind. Appl. Soc., Oct., 540-547, 1997.

37. Полющенков И.С., Льготников В.В. Бездатчиковый вентильно-индукторный электропривод с элементами искусственного интеллекта// Электричество -М.: ЗАО «Знак», - 2012. - №2. - с. 25 - 32.

38. Kohonen, Teuvo. Self-organization maps - 3. ed. - Berlin: Springer, 2001. - 500 P-

39. Круглов В.В., Борисов В.В Искусственные нейронные сети. Теория и практика. - 2-е изд. - М.: Горячая линия - Телеком, 2002. - 382 с.

40. Методы робастного, нейро-нечёткого и адаптивного управления \ Под ред. Н. Ф. Егупова. М.: Изд. МГТУ им Н.Э. Баумана, 2001. - 745 с.

41. Галушкин А.И. Теория нейронных сетей. Кн. 1: Учебное пособие для вузов -М.: ИПРЖР, 2000.-416 с.

42. Комарцова Л.Г., Максимова A.B. Нейрокомпьютеры: Учебное пособие для вузов. - 2-е изд. - М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. - 400 с.

43. Оссовский С. Нейронные сети для обработки информации \ Перевод с польского - М.: Финансы и статистика, 2002. - 344 с.

44. Хайкин С. Нейронные сети: Полный курс. - 2-е изд.: Перевод с английского - М.: Издательский дом «Вильяме», - 2006. - 1104 с.

45. Калан Р. Основные концепции нейронных сетей \ Перевод с английского -М.: Издательский дом «Вильяме», - 2001. - 291 с.

46. Девятков В.В. Системы искусственного интеллекта: Учебное пособие для вызов. - М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. - 352 с.

47. Терехов В.А. Нейросетевые системы управления: Учебное пособие для вузов - М.: Высшая школа. 2002. - 167 с.

48. Круглов В.В., Дли М.И., Голунов Р.Ю. Нечёткая логика и искусственные нейронные сети. М.: Издательство Физико-математической литературы, 2001 -234 с.

49. Нейронные сети: конфигурация, обучение, применение. Круглов В. В., Борисов В. В. Смоленск: СФМЭИ, 1998. - 77с.

50. Петунии A.A. Вентильный индукторный электропривод для водяных насосов центробежного типа: Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. - Липецк, 2005.

51. Krishnan, R., Electric Motor Drives, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 2001.

52. Krishnan, R., X. Mang, and A.S. Bharadwaj, A low-cost SRM analog controller, Electronic Motor technics, Feb/March 1990, pp. 19-23.

53. John, G. and A.R. Eastham, Speed control of SRM using slide mode control strategy, Conf. Ree. IEEE IAS Ann. Mtg., Oct. 1995, pp. 263-270.

54. Buja, G.S., R. Menis, and M.T. Valle, Variable structure control of an SRM drive, IEEE Trans, on Industrial Electronics, 40(1), 56-63, 1993.

55. Schramm, D.S., B.W. Williams, and T.C. Green, Torque ripple reduction of switched reluctance motors by phase current optimal profiling, IEEE Power Electronics Specialist Conf., 1992, pp. 857-860.

56. Ilic-Spong, M., T.J.E. Miller, S.R. MacMinn, and J.S. Thorp, Instantaneous torque control of electric motor drives, IEEE Trans, on Power Electronics, 2( 1), 55-61, 1987.

57. Wallace, R.S. and D.G. Taylor, A balanced commutator for switched reluctance motors to reduce torque ripple, IEEE Trans, on Power Electronics, 7(4), 617-626, 1992.

58. Kim, C.H. and I.J. Ha, A new approach to feedback-linearizing control of variable reluctance motors for direct-drive applications, IEEE Trans, on Control Syst. Technol, 4(4), 348-362, 1996.

59. Pillay, P., Y. Liu, W. Cai, and T. Sebastian, Multiphase operation of switched reluctance motor drives, IEEE Ind. Appl. Soc. Ann. Mtg. Conf. Rec., 1997, pp. 310 317.

60. Krause, P.C., Analysis of Electric Machinery, McGraw-Hill, 1986.

61. Bae, H.K. and R. Krishnan, A study of current controllers and development of a novel current controller for high performance SRM drives, IEEE Ind. Appl. Soc. Ann. Mtg. Conf. Rec., 1996, pp. 68-75.

62. Slotine, J.J.E. and W. Li, Applied Nonlinear Control, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1991.

63. Bae, H.K., B.S. Lee, P. Vijayraghavan, and R. Krishnan, A linear switched reluctance motor: converter and control, IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 36, No. 6, Nov./Dec. 2000, pp. 1351-1359.

64. Bae, H.K., Control of Switched Reluctance Motors Considering Mutual Inductance, Ph.D. thesis, The Bradley Department of Electrical and Computer Engineering, Virginia Tech., Blacksburg, VA, August 2000.

65. Jackson, T.W., Design and development of a low-cost controller for SRM drive, M.S. Thesis, The Bradley Department of Electrical and Computer Engineering, Virginia Tech., Blacksburg, VA, July 1996.

66. Bae, H.K. and R. Krishnan, A novel approach to control of switched reluctance motors considering mutual inductance, IEEE Ind. Electronics Conf., Oct. 2000, Nagoya, Japan, pp. 369-374.

67. Husain, I. and M. Ehsani, Torque ripple minimization in switched reluctance motor drives by PWM control, IEEE Trans, on Power Electronics, Vol. 11, No. 1, 1996, pp. 83-88.

68. Rim, Guen-hie., Variable speed constant frequency power conversion with permanent magnet synchronous and switched reluctance generators, Ph.D. Thesis, The Bradley Department of Electrical and Computer Engineering, Virginia Tech., Blacksburg, VA, February 1992.

69. Miller, T.J.E. and M. McGilp, Nonlinear theory of the switched reluctance motor fo rapid computer-aided design, lEEProc. B, 137(6), 337-346, 1990.

70. Lindsay, J.F., R. Arumugam, and R. Krishnan, Finite element analysis characterization of a switched reluctance motor with multi-tooth per stator pole, lEEProc. B, 133(6), 347-353, 1986.

71. Corda, J. and J.M. Stephenson, An analytical estimation of the minimum and maximum inductances of a double-salient motor, in Proc. of the Int. Conf. on Stepping Motors and Systems, Leeds, 1979, pp. 50-59.

72. Radun, A., Analytical calculation of the switched reluctance motor's unaligned inductance, IEEE Trans, on Magnetics, 35(6), 4473-4481, 1999.

73. Stephenson, J.M. and J. Corda, Computation of torque and current in doubly salient reluctance motors from nonlinear magnetization data, IEEE Proc., 127(5), 393-396, 1979.

74. Esatham, A.R., H. Yuan, G.E. Dawson, P.C. Choudhury, and P.M. Cusack, A finite element evaluation of pole shaping in switched reluctance motors, Electrosoft, l(l),55-67, 1990.

75. Arumugam, R., D.A. Lowther, R. Krishnan, and J.F. Lindsay, Magnetic field ananlysis of a switched reluctance motor using a two-dimensional finite element model, IEEE Trans, on Magnetics, Vol. MAG-21, No. 5, 1883-1885, 1985.

76. Arumugam, R., Design and Finite Element Analysis of Switched Reluctance Motors, Ph.D. thesis, Concordia University, Montreal, Canada, December 1987.

77. Lee, B.-S., H.-K. Bae, P. Vijayraghavan, and R. Krishnan, Design of a linear switched reluctance machine, in IEEE Ind. Appl. Soc. Conf. (IAS '99), Vol. 4, Oct. 3-7, 1999, Phoenix, AZ, pp. 2267-2274.

78. Krishnan, R., M. Abou-Zeid, and X. Mang, A design procedure for axial field switched reluctance motors, in IEEE Ind. Appl. Soc. Ann. Mtg. Conf Rec., Oct. 1990, Seattle, WA, pp. 241-246.

79. Materu, P. and R. Krishnan, Analytical prediction of SRM inductance profile and steady state average torque, in IEEE Ind. Appl. Soc. Ann. Mtg. Conf Rec., Oct. 1990, Seattle, WA, pp. 214-223.

80. Deshpande, U.S., J.J. Cathey, and E. Richter, A high force density linear switched reluctance machine, in Conf. Rec. of the 1993 IEEE IAS Ann. Mtg., Vol. 1, Oct. 1993, Toronto, Canada, pp. 251-257.

81. Roters, H.C., Electromagnetic Devices, Wiley, New York, 1941.

82. Corda, J. and M. Wilkinson, Prediction and measurement of magnetic parameters of cylindrical linear switched reluctance actuator, in Proc. of Int. Conf. on Electrical Machines, Vol. 3, Sept. 1994, Paris, France, pp. 479-484.

83. Lee, B.S., Linear Switched Reluctance Machine Drives with Electromagnetic Levitation and Guidance Systems, Ph.D. thesis, The Bradley Department of Electrical and Computer Engineering, Virginia Tech., Blacksburg, VA, Nov. 2000.

84. Красовский А. Б. Применение имитационного моделирования для исследования вентильно-индукторного электропривода. Электричество, 2003, №3, с. 35-44.

85. Кузнецов В. А., Матвеев А. В. Дискретная математическая модель вентильно-индукторного двигателя. - Электричество, 2000, №8, с. 22 - 27.

86. Бычков M. Г. Анализ вентильно-индукторного электропривода с учётом локального насыщения магнитной системы. - Электричество, 1998, №6, с. 50 -53.

87. Low T., Lin H., Chen S. An Approach to Design and Simulation of Fraction-Horse Power SRD. - Proc. ICEM - 94, D7 Machines, 4.

88. Stefenson J., El. Khazendar M. Saturation in doubly salient R.M. - IEEE Proc., 1989. Vol. 136, № 1.

89. Шетат Б., Ходжа Дж. Использование искусственных нейронных сетей для диагностики неисправности асинхронного электропривода в режиме реального времени. Электротехника, 2003, № 3.

90. Костылев А.В., Мезеушева Д.В. Опыт разработки систем управления на основе нейронных сетей для асинхронных электроприводов. Электротехника, 2004, №9.

91. Браславский И.Я., Костылев А.В. Методы синтеза систем асинхронными электроприводами с использованием нейронных сетей. Электротехника , 2005 № 9.

92. Тарасов И.М. Динамические режимы работы автономного генераторного комплекса на основе машины двойного питания: Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук. - Н. Новгород, ВГАВТ, 2010.

93. Ильинский. Н.Ф. Элементы теории эксперимента - М.: МЭИ, 1988. 3-е изд. - 100 с.

94. Анисимов В.А., Сергиевский Ю.Н. Лабораторный практикум по курсу «Экспериментальное исследование электроприводов» - М.: МЭИ. 1980. - 62 с.

95. Дьяконов В.П. MATLAB 6/6.1/6.5 + SIMULINK 4/5 в математике и моделировании. М.: СОЛОН - Пресс. - 2003. - 576 с.

96. Дьяконов В.П. MATLAB. Обработка сигналов и изображений. Специальный справочник. - СПб.: Питер, 2002. - 608 с.