Управление вентильным двигателем в системах точных электроприводов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Зиннер, Андрей Львович

• Зиннер, Андрей Львович
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Зиннер, Андрей Львович

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРИЧИН НЕРАВНОМЕРНОСТИ ВРАЩЕНИЯ ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ

1Л. Состояние вопроса и постановка задачи исследования

1.2. Анализ причин неравномерности вращения

вентильных двигателей

1.3. Анализ составляющих магнитного поля ВД в равномерном воздушном зазоре

1.3.1. М.Д.С. вентильных двигателей

1.3.2. Анализ магнитного поля якоря вентильного двигателя

1.3.3. Анализ магнитного поля ротора вентильного двигателя

1.4. Электромагнитный момент ВД при равномерном воздушном зазоре и его анализ

1.5. Аналитическая и экспериментальная проверки математической модели ВД

ВЫВОДЫ

2. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА НЕРАВНОМЕРНОСТЬ ВРАЩЕНИЯ ВД В СИСТЕМЕ ТОЧНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

2.1. Анализ механических причин неравномерности

вращения ВД в системе точного привода

2.1.1. Статический и динамический эксцентриситеты ротора

2.1.2. Эллиптичность статора и овальность ротора

2.1.3. Зубчатость статора и явнополюсность ротора

2.2. Проводимость неравномерного воздушного зазора

2.3. Анализ составляющих магнитного поля в неравномерном воздушном зазоре ВД постояннго тока

ВЫВОДЫ

3. АНАЛИЗ СОСТАВЛЯЮЩИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО МОМЕНТА ВД С НЕРАВНОМЕРНЫМ ВОЗДУШНЫМ ЗАЗОРОМ

3 Л. Электромагнитный момент неявнополюсного ВД с

эксцентричным воздушным зазором

3.2. Электромагнитный момент ВД при эллиптичном статоре

3.3. Электромагнитный момент в явнополюсных ВД

3.3 Л. Электромагнитный момент в явнополюсных ВД при

коаксиальном распоряжении ротора в расточке статора

3.3.2. Реактивный момент, обусловленный эксцентричном

расположением явнополюсного возбужденного ротора

ВЫВОДЫ

4. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МОМЕНТ И НЕРАВНОМЕРНОСТЬ ВРАЩЕНИЯ ВД В ОБЛАСТИ НИЗКИХ И ПОЛЗУЧИХ ЧАСТОТ ВРАЩЕНИЯ

4.1. Анализ составляющих электромагнитного момента и неравномерности вращения ВД при работе коммутатора

в режиме инвертора тока

4.2. Анализ составляющих электромагнитного момента и неравномерности вращения при работе в режиме инвертора напряжения

4.3. Анализ составляющих момента и неравномерности вращения, обусловленных пространственными

гармониками поля

4.4. Синтез оптимальных законов управления токами ВД для компенсации угловой неравномерности вращения

4.5. Синтез системы управления ВД

4.6. Результаты экспериментальных исследований

ВД в системе точного электропривода

ВЫВОДЫ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Управление вентильным двигателем в системах точных электроприводов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы: появление новой техники в ряде производств предъявляет повышенные требования в отношении увеличения диапазона регулирования частоты вращения, точности отработки заданной частоты вращения, стабильности мгновенной частоты вращения и неравномерности вращения вала. Такие системы находят широкое применение в станочном приводе, металлургии, химической промышленности при получении тонких пленок и волокон, поверочной технике, звукозаписывающей и звуковоспроизводящей технике, приборостроении, тахометрической аппаратуре и т.д.

Среди возможных вариантов исполнения систем задания и поддержания необходимой частоты вращения наибольшее распространение в последние годы находят электроприводы на основе бесколлекторных двигателей постоянного тока - вентильных двигателей (ВД), содержащих в своем составе: полупроводниковый коммутатор (инвертор), управляемый или неуправляемый выпрямитель, датчик углового положения ротора, систему управления коммутатором по положению ротора и синхронную машину.

К основным достоинствам такой системы электропривода относятся возможность регулирования в широком диапазоне частоты вращения, направленное формирование механической и регулировочной характеристик, точное задание и поддержание средней и мгновенной частоты вращения, возможность работы в агрессивных и взрывоопасных средах.

Перечисленные достоинства систем с вентильными двигателями (ВД) достигается современным уровнем развития полупроводниковой и преобразовательной техники, а также высокоэффективных постоянных магнитов, что позволяет создать ВД с органически связанными коммутатором, системы управления по положению ротора и собственно электромеханическим преобразователем.

Учитывая, что ВД является довольно сложной машинно-вентильной системой, работа которого отличается от работы обычных электродвигателей требуется его дальнейшее исследование.

Основные результаты, посвященные исследованию и разработке ВД, отражены в работах по проектированию электромеханических преобразователей с постоянными магнитами (В. А. Балагуров, А.И. Бертинов, В.А. Лифанов, Ю.А. Конев, В.П. Комеников, Ф.М. Юферов); вопросы теории электромагнитных процессов ВД представлены в работах А.К. Аракеляна, A.A. Афанасьева, A.A. Ду-бенского, Л.Я. Зиннера, В.А. Кугумова, И.Е. Овчинникова, Н.И. Лебедева, А.Б. Цукублина, В.П. Фрумина, А.И. Скороспешкина и др.

Несмотря на достаточно обширный материал по теории и проектированию ВД, остаются неясными многие вопросы, связанные с особенностями работы ВД в системе электропривода.

К таким особенностям относятся питание ВД от сети переменного тока через выпрямитель, дискретный характер переключения фаз якорной обмотки через коммутатор, дискретное распределение якорной обмотки в пазах статора, возбуждение от постоянных магнитов. Перечисленные особенности приводят к появлению в магнитном поле машины высших гармонических составляющих как временного, так и пространственного характера. При работе ВД в системе точного задания мгновенной частоты вращения, где предъявляются высокие требования к равномерности вращения вала и рабочей машины, существенное влияние оказывают и механические факторы такие, как эксцентриситет ротора, эллиптичность расточки статора, овальность и явнополюсность ротора, зубчатость статора, приводящие к модуляции проводимости воздушного зазора и, как следствие, появлению в магнитном поле воздушного зазора дополнительных временных и пространственных гармоник поля.

Перечисленные особенности электромагнитного и механического характера приводят к модуляции электромагнитного момента и к угловой неравномерности вращения ВД. Отметим в связи с этим, что вопрос влияния перечисленных фак-

торов на стабильность мгновенной частоты вращения ВД, как теоретически, так и практически до сих пор не изучен.

Решению перечисленных проблем в комплексе и посвящена настоящая диссертация.

Цель работы заключается в исследовании электромагнитных и механических причин неравномерности вращения вентильных двигателей, разработке системы допусков на механические факторы и схем компенсации электромагнитных причин неравномерности вращения ВД.

Задача научного исследования состоит в систематизации причин неравномерности вращения ВД, их теоретическом описании и анализе и разработке оптимальных алгоритмов и схем управления для компенсации угловой неравномерности вращения ВД в системе электропривода.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе рассматриваются следующие вопросы:

- систематизация причин неравномерности вращения ВД;

- математическое описание магнитного поля в воздушном зазоре машины;

- математический анализ временных и пространственных составляющих электромагнитного момента, обусловленных неравномерностью магнитного поля;

- анализ механических причин неравномерности вращения ВД;

- математическое описание влияния механических факторов на магнитное поле, электромагнитный момент и неравномерность вращения ВД;

- исследование неравномерности вращения ВД в области низких частот вращения при питании от инвертора тока и инвертора напряжения;

- разработка алгоритмов и систем управления ВД, направленных на компенсацию причин угловой неравномерности вращения ВД;

- сравнение теоретических характеристик системы электропривода с ВД с результатами практического исследования.

Основные методы исследования. В основу теоретических исследований электромагнитных процессов в системе электропривода с вентильным двигате-

лем положены волновые уравнения теории электромагнитного поля и спектральные методы их решения и анализа.

В основу теоретических исследований влияний механических факторов положен метод гармонических проводимостей воздушного зазора и метод гармонического баланса, позволяющие оценить степень влияния составляющих неравномерности воздушного зазора машины на электромагнитный момент, пульсацию угловой частоты вращения и выработать систему допусков на механические факторы. Для оценки точности результатов и правильности теоретических выводов проведены расчеты и дано их сравнение с известными экспериментальными исследованиями, а также проведен ряд экспериментальных исследований, в ходе которых подтверждена правильность исходных положений и результатов исследований.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- систематизированы причины неравномерности вращения ВД в системе точного электропривода;

- разработана математическая модель и метод анализа электромагнитного поля ВД, позволяющие учесть как пространственную, так и временную его неравномерность;

- получены аналитические выражения для составляющих электромагнитного поля, электромагнитного момента;

- сформулированы условия аналитического процесса электромагнитного преобразования энергии в ВД и синтезированы уравнения управления напряжением якоря для компенсации пульсации момента;

- разработаны алгориты и схемы компенсации пульсации электромагнитного момента и угловой неравномерности вращения.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

- в разработке методики расчета параметров магнитного поля в воздушном зазоре ВД с учетом его пространственной и временной неоднородности;

в разработке методики и аналитических выражений для расчета составляющих электромагнитного момента, обусловленных временными и пространственными составляющими магнитного поля, а также составляющими неравномерности воздушного зазора ВД;

- в разработке программы на ПВЭМ для анализа и расчета магнитного поля и электромагнитного момента ВД;

- в разработке алгоритмов и систем у оптимального управления ВД, направленных на компенсацию угловой неравномерности вращения.

Реализация результатов работы

Основные результаты и рекомендации диссертационной работы использованы при проектировании и изготовлении экспериментального образца ВД для привода прецизионных дозаторов жидкостей и газов во Всероссийском Научно-Исследовательском Институте расходометрии г. Казани, в учебном процессе КГТУ.

Апробация. Основные положения и результаты работы докладывались на 2-й Республиканской научно-технической конференции «Электромеханические системы и перспективы их развития» г. Ульяновск, 1996г.; Республиканской научно-технической конференции «Проблемы энергетики» г. Казань, 1996г.; Республиканской научно-технической конференции «Проблемы энергетики» г. Казань, 1997г.; Республиканской научн. - техн. конф. «Электротехнические системы энергетики». - Казань, 1995г.; Республ. Студенческой научн. - техн. конф. «Энергетика, строительство и архитектура» - Казань, 1995г.; 8-й международной конф. Молодых ученых «Синтез, исследования свойств, модификаций и переработки ВМС». - Казань 1996г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ.

Структура и объем работ. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 189 страниц машинописного текста, 7 таблиц, 43 рисунка, списка литературы, включающего 90 наименований, 108 страниц приложений.

1. АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРИЧИН НЕРАВНОМЕРНОСТИ ВРАЩЕНИЯ ВЕНТИЛЬНОГО

ДВИГАТЕЛЯ

1.1. Состояние вопроса и постановка задачи исследования

В связи с широким применением в современной технике и технологии прецизионных приводов постоянного и переменного тока, включающих в свой состав электромеханические преобразователи постоянного и переменного тока, тиристорные и транзисторные преобразователи частоты, средства микроэлектроники, управляющие вычислительные машины, возникает острая необходимость в правильном выборе составляющих системы электропривода для улучшения точностных и динамических характеристик, надежности и массогабаритных показателей системы электропривода в целом.

Анализ технической и системной литературы показывает, что значительная часть выпускаемых электроприводов строится на основе коллекторных двигателей постоянного тока, удовлетворяющим многим требованиям современного состояния техники. Однако, применение машин постоянного тока в ряде случаев ограничивается их специфическими недостатками, такими как низкая надежность, малый ресурс, невозможность работы в агрессивных взрывоопасных средах, сложность технологии изготовления, низкие массогабаритные показатели, ограничения по частоте вращения и т.д.

Это заставляет искать другие возможности решения проблемы. Анализ указанных недостатков приводов на основе двигателей постоянного тока показывает, что расширение и улучшение электроприводов возможно за счет применения бесконтактных машин [1,2].

В областях, где предъявляются высокие требования к надежности в тяжелых условиях работы и эксплуатации широкое применение нашли электроприводы на основе асинхронных двигателей [3, 4].

Применение электроприводов на основе АД в системах с точным заданием и поддержанием частоты вращения затруднено сложностью поддержания постоянства скольжения, связанного с его зависимостью с моментом сопротивления на валу. Из сравнительного анализа различных приводов [1,2] по таким критериям, как точность регулирования, диапазон регулирования частоты вращения, кратность пускового момента, стоимость и др. Предпочтительным является электропривод на основе вентильного двигателя (ВД).

Наибольшее распространение в настоящее время получили ВД на основе синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов [5,6]. Это подтверждается их широким распространением в отечественной практике [7-11] и разработками ряда фирм зарубежных стран.

В качестве перспективы дальнейшего усовершенствования ВД намечается разработка оптимальных алгоритмов и систем управления, совершенствование конструкции электромеханического преобразователя, применение микропроцессорных схем автоматики, управляющих ЭВМ, схем на сверхбольших микросхемах и интегральных силовых схем на полупроводниковых приборах.

Необходимо отметить, что имеющийся на настоящее время опыт разработки, проектирования и методы анализа электромагнитных процессов ВД позволяют осуществить их широкое внедрение в самые различные области промышленности в качестве общепромышленного силового привода.

Однако применительно к системам, где требуется точное задание и поддержание средней и мгновенной частоты вращения использование существующих электроприводов встречает серьезные затруднения, органически связанные с их конструкцией и принципом работы, следующих из функциональной схемы ВД (Рис. 1.1)

В зависимости от углового положения индуктора относительно обмоток якоря (статора) датчики положения индуктора (ДПР) вырабатывают управляющие сигналы, поступающие на силовые ключи и управляющие их включением таким образом, чтобы относительное расположение векторов М.Д.С.

(X 2 71

якоря и индуктора составляло — эл. град ± — , где а = — угол,

соответствующий периоду коммутации; т - число фаз обмотки якоря.

В результате взаимодействия полей якоря и индуктора возникает вращающий электромагнитный момент на валу ВД.

Как видно, инвертор с ДПР выполняет функцию коллекторно-щеточного узла, как в машинах постоянного тока, осуществляя в функции углового положения индуктора коммутацию фаз якорной обмотки и обеспечивая схожие с коллекторным двигателем механические и регулировочные характеристики ВД.

Однако при работе ВД проявляются специфические особенности такие, как импульсное питание фаз, связанное с дискретным их подключением к источнику, взаимное перемещение магнитных полей якоря и индуктора на рабочем интервале у из-за малого числа фаз обмотки якоря, несинусоидальное распределение

поля индуктора и др. Это приводит к появлению в М.Д.С., линейной нагрузке, магнитных полях и электромагнитном моменте широкого спектра гармонических составляющих, как временного, так и пространственного характера и, как следствие, к угловой неравномерности вращения, делая ВД обычного использования непригодными для привода в прецизионных системах.

Кроме того, на рабочие характеристики вентильного двигателя существенное влияние оказывают тип используемого инвертора (инвертор тока или напряжения), закон управления ключами инвертора [4], схема соединения фаз обмотки якоря. Принципиальное различие инверторов тока и напряжения состоит в том, что в ВД с инвертором тока угол между М.Д.С. статора и индуктора задается принципиально фиксированным, а в ВД с инвертором напряжения - угол между результирующим вектором напряжения и Э.Д.С. холостого хода [14,15]. В зависимости от типа используемого инвертора меняется гармонический состав фазных напряжений и токов и, как следствие, уровень пульсации электромагнитного момента и частоты вращения. Существенное влияние на работу ВД оказывает и соотношение форм фазных напряжений и Э.Д.С. При их полном с оответствии ток на интервале коммутации фаз остается неизменным

к ДПР

К 1

к

4

К

2

(

К

5

К 3

к 6

м

в/

к,

□

Рис. 1.1. Функциональная схема ВД

в соответствии с чем не меняются и момент и частота вращения [16,17,18]. Всякое нарушение этого условия приводит к появлению пульсаций тока, момента и частоты вращения в тем большей степени, чем больше разница между формами Э.Д.С. и тока. Отметим в этой связи, что лучшими энергетическими показателями обладают ВД с синусоидальным распределением поля в воздушном зазоре и синусоидальным питающим напряжением. Выполнение этого условия позволяет снизить пульсации тока на интервале коммутации, при этом практически отсутствуют взаимные перемещения полей статора и ротора, что благоприятно сказывается на пульсациях момента и частоты вращения.

Однако, присущее ВД импульсное питание, малое число фаз и дискретный характер их распределения в пазах статора, а также затруднения, связанные с профилированием полюсов постоянных магнитов индуктора, не позволяет формировать синусоидальные токи и Э.Д.С. вращения фаз [19,20].

Вместе с тем известно, что ВД с трапециидальным распределением поля индуктора (с равномерным воздушным зазором) и сосредоточенными обмотками якоря более технологичны, обладают большей удельной мощностью, большим отношением момента к току, что делает возможным и применение в условиях с ограничениями на габариты и массу [5,6].

Кроме перечисленных причин пульсации момента и частоты вращения существенное влияние на неравномерность вращения могут оказывать и причины механического характера такие, как эксцентриситет ротора, эллиптичность внутренней поверхности статора и овальность ротора, несбалансированность ротора, связанные с неточностями сборки и отклонениями штампов и литьевых форм от расчетных [21,22]. Их влияние на момент и частоту вращения связано с модуляцией проводимости воздушного зазора и, как следствие, с модуляцией магнитного поля и момента.

Если задача компенсации причин неравномерности вращения ВД электромагнитного характера может решаться формированием специальных форм фазных токов и Э.Д.С. схемными методами путем широтно-импульсного управления ключами инвертора и введения перекрестных обратных связей по

току, частоте и положению ротора, то компенсация причин механического характера возможна лишь заданием жестких допусков на них.

Задача компенсации неравномерности вращения, обусловленной электромагнитными причинами, требует создания специальных форм управляющих напряжений для систем управления инвертором для чего необходимы глубокие исследования спектрального состава фазных токов, М.Д.С., линейной нагрузки, электромагнитных полей и момента ВД.

В такой постановке ВД в отечественной и зарубежной литературе практически не исследован. Имеющиеся исследования [5, 18,20,23-28], как правило, базируются на общей теории синхронных машин, оперирующей параметрами обмоток, токами, напряжениями и Э.Д.С. в них с учетом специфических особенностей, вносимых наличием переключающих полупроводниковых элементов (инверторов) в электрических цепях ВД. Такой "классический" подход не позволяет проследить глубинные вопросы спектрального состава токов, М.Д.С., магнитных полей якоря и индуктора, образования и спектрального состава электромагнитного момента и потерь в массивах статора и ротора.

Что касается вопроса исследования механических причин и их влияния на электромеханические характеристики и неравномерность вращения электрических машин вообще и ВД в частности, то он практически не исследован. Имеющиеся отдельные работы [21,22] посвящены частным вопросам влияния статического и динамического эксцентриситетов на точностные показатели информационных машин (сельсинов, поворотных трансформаторов и тахогенераторов) и не содержат обобщения.

В связи с изложенным задачи настоящего исследования могут быть укрупненно сформулированы в следующем виде:

1. Провести анализ и систематизировать причины неравномерности вращения ВД.

2. Разработать метод анализа магнитного поля ВД с учетом высших временных и пространственных составляющих М.Д.С., линейной

нагрузки и токов, провести на его основе анализ спектрального состава магнитного поля и электромагнитного момента.

3. Провести аналитическое исследование влияния механических факторов на магнитное поле ВД, пульсацию электромагнитного момента и неравномерность вращения и дать рекомендации на допуски по неравномерности воздушного зазора.

4. Провести исследования неравномерности вращения ВД в области высоких и низких частот вращения.

5. Разработать алгоритмы и системы управления ВД для компенсации электромакнитных причин неравномерности вращения.

1.2. Анализ причин неравномерности вращения вентильных двигателей

Основные причины неравномерности вращения ВД включают:

- внешние, связанные с особенностями работы нагрузки (рабочей машины) и питающей сети;

- внутренние, связанные с особенностями работы самого электромеханического преобразователя энергии (электродвигателя).

Внешние причины принято разделять на электромагнитные и механические. К причинам электромагнитным относятся пульсации тока и напряжения за сглаживающим фильтром, несимметрия питающей сети и пульсация напряжения на выходе управляемого выпрямителя и импульсного регулятора на выходе ВД.

К механическим причинам относятся особенности характера нагрузки на валу двигателя.

Внутренние причины связаны непосредственно с работой ВД и их также можно разделить на электромагнитные и механические.

К внутренним электромагнитным причинам относятся:

- насыщение магнитной цепи;

- несимметрия статорных обмоток;

неравномерность распределения индукции в воздушном зазоре по расточке статора и вдоль оси машины;

- дискретный характер переключения фаз и несинусоидальность фазных потоков и напряжений;

- несимметрия управляющих сигналов.

Анализ причин неравномерности вращения показывает, что все они приводят к появлению широкого спектра гармонических составляющих электромагнитного момента как временного, так и пространственного характера.

Внутренние механические причины неравномерности вращения ВД делятся

на:

- эксцентриситет (смещение оси вращения ротора относительно оси расточки статора);

- дисбаланс ротора (смещение центра тяжести вращающихся масс относительно оси вращения ротора);

- смещение опор и износ подшипников;

- эластичность внутренней поверхности статора и овальность внешней поверхности ротора;

- зубчатость поверхности статора;

- явнополюсность ротора.

Результаты экспериментальных исследований равномерности вращения роторов электрических машин показывают [32,33], что в процессе работы действует комплекс переменных сил, обусловленых механическими причинами и приводящие к модуляции действующей на ротор результирующей силы. Для устранения механических причин следует оценить их степень влияния на неравномерность вращения для задания обоснованной системы допусков на перечисленные механические причины.

В заключении отметим, хотя электромагнитные и механические причины имеют различную природу, их влияние на неравномерность вращения ВД можно оценить через обобщенный параметр машины - картину магнитного поля в

воздушном зазоре и, как следствие, электромагнитный момент и пульсации частоты вращения.

1.3. Анализ составляющих магнитного поля в равномерном воздушном

зазоре

Поскольку электромагнитные и механические причины имеют различную и независимую природу, а их компенсация достигается различными приемами представляется целесообразным рассмотреть их отдельно в "чистом" виде.

1.3.1. М.Д.С. вентильных двигателей

Применительно к ВД с электромагнитным возбуждением результирующее магнитное поле в воздушном зазоре машины создается М.Д.С. якоря и М.Д.С. возбуждения ротора.

При определении параметров поля возбуждение будем иметь в виду, что варьирование полюсного перекрытия и формой полюстной системы можно формировать оптимальную форму основного поля. На рис. 1.2 представлена кривая распределения М.Д.С., созданная возбужденным индуктором, для которой

оо

Еь(а,(р)=^УрРь{,а,(р) (1.1)

4 W,I, (-1) Г v яЬЛ / ч

где "Fb(а,?) = —-—у ■ — • cos[ — exp j{vp(p- vpa),

г

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Зиннер, Андрей Львович

ВЫВОДЫ

1. При работе инвертора в режиме инвертора тока возникает 2тр пульсаций М.Д.С. статора за оборот ротора, что приводит к таким же пульсациям электромагнитного момента. При этом глубина пульсаций момента определяется числом фаз двигателя, углом опережающего включения вентилей коммутатора, формой фазной противо - Э.Д.С. и может достигать 20% на низких частотах вращения.

2. При работе инвертора в режиме инвертора напряжения для снижения уровня пульсаций момента и частоты вращения в области низких и ползущих частот вращения необходимо формирование фазных напряжений, близких к синусоидальным, что достигается широтно - импульсной одноуровневой и многоуровневой модуляцией фазного напряжения.

3. В области низких и ползущих частот вращения сильное влияние на пульсацию электромагнитного момента и частоту вращения оказывают пространственные гармоники полей якоря и индуктора. Так, взаимодействие 5 и 7 пространственных гармоник индукции статора и ротора приводят к (4-5)% угловой неравномерности вращения ротора, что во многих случаях недопустимо.

4. Для компенсации неравномерности вращения ВД необходимо приближение формы фазных токов к форме фазной противо - Э.Д.С., что достигается введением в систему управления широтно - импульсного модулятора, управляемого в функции угла поворота ротора, частоты вращения, тока якоря и формы поля индуктора.

5. Введение в систему управления вентильного двигателя широтно - импульсного функционального преобразователя позволяет снизить угловую неравномерность вращения до 0,1%.

180

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ особенностей работы вентильных двигателей в составе точных электроприводов с повышенными требованиями к равномерности вращения показывает, что ВД, выполненные по обычной схеме, не обеспечивают необходимой точности поддержания мгновенной частоты вращения из - за широкого спектра электромагнитных и механических возмущающих факторов. Электромагнитные возмущения, связанные с дискретным питанием фаз якорной обмотки, приводят к появлению широкого спектра токов, М.Д.С. и полей , а, следовательно, и широкого спектра пульсирующих моментов. Механические возмущения, связанные с неравномерностью воздушного зазора (эксцентриситет, явнополюсность ротора и зубчатость статора), модулируют проводимость воздушного зазора и, как следствие, электромагнитные поля статора и ротора и так же приводят к пульсациям момента и мгновенной скорости вращения.

2. Учитывая, что электромагнитные и механические причины неравномерности вращения имеют различную природу, разработан математический аппарат, позволяющий исследовать их влияние на неравномерность вращения раздельно. Для анализа электромагнитных причин неравномерности вращения ВД разработана математическая модель и метод расчета электромагнитных полей статора и ротора, основанные на полигармоническом представлении фазных токов, напряжений и М.Д.С., с последующим определением параметров поля, составляющих электромагнитного момента и уровня пульсаций скорости вращения. Для анализа механических причин вращения разработан метод расчета электромагнитных полей, моментов и пульсаций частоты вращения, основанный на методе гармонических проводимостей и гармонического баланса, путем представления токов, М.Д.С., полей и момента полигармоническими функциями.

3. Разработанный аналитический метод расчета магнитного поля позволяет рассчитать все характеристики ВД, в том числе пульсации частоты вращения и составляющие электромагнитного момента. Дано обоснование необходимости разработки специальных законов и схем управления для компенсации пульсирующих моментов, обусловленных пространственно - временными гармониками М.Д.С. и полей.

4. По положениям аналитической модели разработана программа на языке программирования FORTRAN, позволяющая рассчитать характеристики ВД исходя из реальных параметров двигателя.

5. Проанализированы механические причины модуляции воздушного зазора и их влияние на магнитное поле в воздушном зазоре. Даны рекомендации по снижению уровня составляющих магнитной индукции, обусловленных нерав-номерностями воздушного зазора, за счет ужесточения допусков на исследованные факторы.

6. Проведен анализ составляющих электромагнитного момента ВД с неравномерным воздушным зазором. Аналитически доказано появление в ВД дополнительных асинхронных и синхронных моментов и их зависимость от степени неравномерности зазора.

7. Из всех модулирующих факторов выделен статический эксцентриситет, как оказывающий наиболее значительное влияние на неравномерность вращения ротора двигателя. Даны дополнительные рекомендации по снижению негативного воздействия этого явления.

8. Задача компенсации неравномерности вращения ВД в диапазоне низких и ползучих скоростей вращения, требует приближения формы фазных токов к форме фазной противо - Э.Д.С., что достижимо созданием систем управления на базе устройств ШИМ тока с управлением по углу поворота ротора.

9. Основным практическим результатом работы следует считать разработанный комплекс математико - программных средств для быстрого и качественного анализа работы электропривода в диапазоне низких и ползучих скоростей вращения.

182

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Зиннер, Андрей Львович, 1999 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Брядовский В.Н., Иванов Е.С. Приводы с частотно-токовым управлением. -М.: Энергия, 1974. - 169 с.

2. Горчаков В.В., Шелепин В.Ф. Электроприводы на основе вентильного двигателя. М.: Энергоатомиздат, 1983. - с. 5-13.

3. Сандлер A.C., Сарбатов P.C. Частотное управление асинхронными двигателями. - М., Л.: Энергия, 1966. - 144 с.

4. Глазенко Т.И., Хрисанов В.И. полупроводниковые системы импульсного асинхронного двигателя малой мощности. - Л.: Энергоатомиздат, Ленинград. Отделение, 1986 г. - 216 с.

5. Овчинников И.Е., Лебедев Н.И. Бесконтактные двигатели постоянного тока. - Л.: Наука, 1979. - 270 с.

6. Лебедев Н.И. Электрические и конструктивные схемы мощных вентильных двигателей. // В. кн.: Вентильные электродвигатели. - Л.: ВНШ Электро-маш, 1981.-с. 95-109.

7. Микродвигатели для систем автоматики, (технический справочник)./ Под ред. Э.А. Лодочникова, Ю.М. Юферова. - М.: Энергия, 1969. - 272 с.

8. Поздеев А.Д. Развитие электроприводов для станков в 11-й пятилетке. -Электротехника, 1982, N 3, С. 34-39.

9. Невраев В.Ю., Петелин Д.П. Системы автоматизированного электропривода переменного тока. - М. Л.: Энергия, 1984. - 104 с.

10. Воронин С.Г. Электропривод промышленных роботов с управлением от микро-ЭВМ. - В сб.: Роботы и робототехнические системы, материалы 3-ей Всесоюзной конференции, ч. 2, 1985, с. 76-78.

11. Егоров Ю.Н. Системы привода роботов / Под ред. проф. Ковчина С. А., -Л.: Издат. Ленинградского ун-та, 1982. - 336 с.

12. Управление бесконтактным двигателем постоянного тока. / Н. П. Авдо-лоткин, В. Т. Грощенков, Н. И. Лебедев и др. - Л.: Энергоатомиздат, 1984. - 160 с.

13.Глазенко Т. И., Гончаренко П. Б. Полупроводниковые преобразователи частоты в электроприводах. - Л.: Энергия, 1969. - 184 с.

14.Скворцов Б. А. Уравнения вентильного двигателя постоянного тока. - В кн.: Электромагнитные процессы в приводах с частотным управлением. - Л.: Наука, 1972, с. 32-41.

15. Новиков Г.И., Прозоров В.А. Вопросы создания электрических бесконтактных исполнительных устройств с регулируемой скоростью. / Электрические машины в электроприводах малой мощности. - М., Л.: Наука, 1966. - с. 158 — 167. 1

16. Зуев В.Ю. Повышение технико-экономических показателей работы синхронного электропривода с непосредственным преобразователем частоты. Дис. канд. техн. наук: 05.09.03 - Свердловск, 1985. - 188 с.

17. Гейнц Э.Р., Крансберг Ю. Н. Энергетические показатели бесщеточных двигателей постоянного тока. - М.: Энергия, 1975. - 164 с.

18. Балагуров В.А., Гридин В.М., Лозенко В.К. Бесконтактные двигатели постоянного тока. - М.: Энергия, 1975. - 128 с.

19. Балагуров В.А. Проектирование специальных электрических машин переменного тока: Учебное пособие для студентов ВУЗов. - М.: Высшая школа, 1982.-272 с.

20. Аракелян А.К., Афанасьев A.A., Чиликин Н.Г. Вентильный электропривод с синхронным двигателем и зависимым инвертором. - М.: Энергия, 1977. -224 с.

21. Пульер Ю. М. Индукционные электромеханические элементы вычислительных и дистанционноследящих систем. - М.: Машиностроение, 1964. - 294 с.

22. Гольдберг О.Д., Талышанский Р.Н., Исаева P.A. Статическая оценка нового косвенного метода контроля неравномерности воздушного зазора асинхронных двигателей. - Электротехника, 1954, 6. - с. 22-25.

23. Аракелян А.К., Афанасьев A.A. Вентильные электрические машины и регулируемый электропривод. - М.: Энергоатомиздат, 1997. - 508 с.

24. Михалев A.C., Миловзоров В.П. Следящие системы с бесконтактными двигателями постоянного тока. - М.: Энергия, 1979. - 160 с.

25. Дубянский A.A. Бесконтактные двигатели постоянного тока. - М.: Энергия, 1967. - 144 с.

26. Зиннер Л.Я., Скороспешкин А.И. Вентильные двигатели постоянного и переменного тока. -М.: Энергоиздат, 1981. - 136 с.

27. Копылов И.П., Панферов Ю.Б. Микродвигатели постоянного тока с коммутаторами на магнитоуправляемых контактах. -М.: Энергия, 1976. - 88 с.

28. Копылов И.П., Фрумин В.А. Электромеханическое преобразование энергии в вентильных двигателях. - М.: Энергоиздат, 1986. - 168 с.

29. Вольдек А.И. Исследование магнитного поля в воздушном зазоре явно-полюсной синхронной машине методом гармонических проводимостей. - Электричество, 1966, № 7.

30. Геллер Б., Гамата В. Высшие гармоники в асинхронных машинах. - М.: Энергия, 1981.-350 с.

31. Костенко М.М., Коник Б.Е. Определение основной и третьей гармоники поля якоря и поля полюсов синхронной машины. // Электричество, 1951, № 3, с. 18-23.

32. Савенко Е.Ю. Влияние экцентриситета на моментную характеристику двигателя с коммутацией потока. // Электротехника, 1996, № 3, с. 5-10.

33. Левин В.И. Воздушный зазор и силы одностороннего магнитного притяжения в АД с водяным охлаждением. // Электротехника, 1967, № 2, с. 16-18.

34. Алексеев А.Е. Конструкция электрических машин. - М.: Госэнергоиздат, 1960.-463 с.

35. Сергеев П.С., Виноградов Н.В., Горяинов Ф.А. Проектирование электрических машин. - М.: Энергия, 1969. - 632 с.

36. Сорокер Т.Т. Влияние пазов на гармонические составляющие магнитного поля в воздушном зазоре асинхронной машины с односторонней зубчатостью. // Электротехнический обзор, 1972, № 10.

37. Иванов-Смоленский A.B., Абрамкин Ю.А. и др. Универсальный метод расчета электромагнитных процессов в электрических машинах. - М.: Энерго-атомиздат, 1986. - 227 с.

38. Афанасьев А.К., Аракаян A.A., Шмекин Н.К. Вентильный электропривод с синхронным двигателем и зависимым инвертором. - М.: Энергия, 1977. - 223 с.

39. Асинхронные двигатели общего назначения. / Бойко Е.П., Гаинцев Ю.В. и др.: Под ред. В.М. Петрова, А.Э. Кравчика. - М.: Энергия, 1980. - 456 с.

40. Зиннер Л.Я., Коротаев В.П., Скороспешкин А.И. Реакция якоря вентильного двигателя. Электромеханика, 1976, 8. С.854-851.

41. Горин H. Н., Кучумов В. А. Исследование машин вентильного двигателя. Вестник ВНИИ жд. Транспорта, 1973, 3. С. 136-143.

42. Балагуров В. А., Галтеев Ф. Ф., Ларионов А. Н. Электрические машины с постоянными магнитами. —М.: Энергия, 1964.- 449 с.

43. Гинзбург А.Б., Глуханов Н.П., Рейфе Е.Д. Механизмы с магнитной связью. - М.: Машиностроение, 1977. - 247 с.

44. Вишневский Н.С., Глуханов Н.М., Ковалев Н.С. Машины и аппараты с герметичным электроприводом. - М.: Машиностроение, 1977. - 274 с.

45. Теплов А.И. Вентильный двигатель для промышленных роботов. Кандидатская диссертация. Томск, 1989 г.

46. Инкин А.И. Аналитическое исследование магнитного поля в активном объеме электрической машины с постоянными магнитами. Электричество, 5, 1979, с. 30-33.

47. Зачехин Б.С., Старовентова Г.А. Гармонический анализ активных зон генераторов с редкоземельными постоянными магнитами. - Электричество, 4, 1983.

48. Зачехин Б.С. Электрические машины летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1983. - 432 с.

49. Поклонов C.B., Феофанов H.A., Фильчаков В.В. Электромагнитное поле и потери в массивном роторе асинхронной электрической машины. Электричество, 1985, 11, с. 64-69.

50. Hannakam L. Wirbelströme in einem massiven Zylinder bei beliebig geformter erregender Leiterschleife. Archiv für Elektrotechnik, 1973, 55, s. 207 - 215.

51. Анго-Андре. Математика для электро- и радиоинженеров. - М.: Наука, 1967.-830 с.

52. Атабеков Г.И. и др. Теоретические основы электротехники. Часть 2-3. М.: Наука, 1967.-354 с.

53. Иванов-Смоленский A.B. Электромагнитные поля и процессы в электрических машинах и их физическое модулирование. - М.: Энергия, 1969. - 227 с.

54. Иванов-Смоленский A.B. Электрические машины. - М.: Энергия, 1980. -927 с.

55. Казовский Е.А., Данилевич Я.Б. Добавочные потери в мощных синхронных машинах. Исследование электромагнитных полей, параметров и потерь в мощных электрических машинах. - Л.: Наука, 1966. - с. 22-47.

56. Заездный А.М. Гармонический синтез в радиотехнике и электросвязи. -Л.: Энергия, 1972.-527 с.

57. Рыжик И.М., Графштейн H.H. Таблици интегралов, сумм и рядов и произведений. - М. -Л.: Гостехиздат, 1951. - 464 с.

58. Брынский Е.А., Данилевич Я.Б., Яковлев В.И. Электромагнитные процессы в электрических машинах. - Л.: Энергия, 1979. - 176 с.

59. Туровский Я. Электромагнитные расчеты в электрических машинах. -М.: Энергоатомиздат, 1986. - 199 с.

60. Куракин A.C., Лодочников Э.А. Юферов Ф.М. Синхронный редуктор-ный двигатель с осевым возбуждением. Электротехника, 6, 1967. - с. 23-27.

61. Куракин A.C., Анненков В.Б. Равномерность вращения синхронных микродвигателей. Электротехника, 2,1967.-е. 12-15.

62. Коник Б.Х. Исследование реактивных моментов в некоторых типах микромашин. - Л.: Судпромгиз, 1959. - 78 с.

63. Радин В.К. и др. Универсальная серия асинхронных машин интерэлек-тро. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 415 с.

64. Бесколлекторные тахогенераторы постоянного тока. / В.Н. Коржаков, Ю.П. Рыбкин. Под ред. В.Н. Бродовского. -М.: Энергоиздат, 1982. - 128 с.

65. Разработка датчиков положения ротора для вентильных двигателей с постоянными магнитами. Отчет о НИР ГР76095348. Чебоксары, 1978.

66. Горчаков В.В., Шелепин В.Ф. Электроприводы на основе вентильного двигателя. В кн. Автоматизированный электропривод, силовые полупроводниковые приборы, преобразовательная техника. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - с. 513.

67. Поздеев А.Д. Развитие электропривода для станков в 11-й пятилетке. -Электротехника, 1982, 3, с. 34-39.

68. Михайлов О.П. Перспективы развития автоматизированного электропривода металлорежущих станков. - Электричество, 1985, 10. - с. 11-17.

69. Ганджу В.М., Гращенков В.Т.Уменыпение неравномерности вращения вентильного двигателя с помощью коррекции момента. Электротехника, 1981, 9. -с. 46-48.

70. Дедовский А. Н. Выбор конструкции электрических машин с вы-сококоэцитивными магнитами. Электротехника, 1983, 1.-е. 18-22 .

71. Oberretl К. Dreidimensionale Berechnung des Linearmotors mit Berücksichtigung der Endeffekte und der Wicklungsverteilung. Archiv für Elektrotechnik, 1973, 55, s. 181 - 190.

72. Gottkehaskamp R. Nichtlineare Berechnung von Asynchronmaschinen mit massiveisernem Rotor und zusätzlichem Käfig im stationären und transienten Zustand mittels Finiter Differenzen und Zeitschrittrechnung. Dissertation Universität Dortmund 1992.

73.Bolte E. Dreidimensionale Berechnung des asynchronen Sektormotors mit massiveisernem Rotor. Dissertation Universität Dortmund 1979.

74. Mc Connell H.M.: Eddy - Current Phenomena in Ferromagnetic Materials. Trans. AIEE 75 1954. pg. 226 - 233.

75. Зиннер А.Л., Валиуллин P.P., Цвенгер И.Г. Вентильный двигатель с высокой стабильностью скорости вращения. // Эл. механич. Системы в энергетике: Сборник научных трудов 2-й республ. научн.-техн. конф. - Казань, 1995, с. 84.

76. Зиннер А.Л., Цвенгер И.Г. Определение неравномерности вращения вентильных двигателей. // Энергетика, строительство, архитектура: Сборник научных трудов республ. студ. конф. - Казань, 1995. - с. 84.

77. Жигалко Е.К., Цвенгер И.Г.,Зиннер АЛ. Передаточные функции вентильного двигателя постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов. // Проблемы энергетикт: Сборник научных трудов республиканской научн.-техн. конф. - Казань, 1996. - с. 47.

78. Зиннер В.В., Цвенгер И.Г., Зиннер А.Л. Неравномерность вращения вентильных двигателей. // Проблемы энергетики: Сборник научных трудов республиканской научн.-технич. Конф. - Казань, 1996. - с. 48.

79. Зиннер А.Л., Цвенгер И.Г. Регулировочные характеристики вентильного двигателя. // Эл. механич. системы в энергетике. - Казань, КФМЭИ, 1995. - с. 2528.

80. Цвенгер И.Г., Зиннер А.Л. Математическая модель ВД в системе электропривода. // Энергетика, стоительство, архитектура: Сборник научных трудов научн.-технич. конф. - Казань, 1995. - с. 84.

81. Зиннер Л.Я., Зиннер А.Л., Цвенгер И.Г. Анализ Электромагнитных процессов в вентильных двигателях при различных законах управления. // Проблемы промышленных электромеханических систем и перспектив их развития: Сборник научных трудов научн.-технич. конф. с международным участием. - Ульяновск, 1996.-с. 11-12.

82. Зиннер А.Л. Прецизионный привод дозаторов жидкостей и газов. // Сборник научных трудов 8-й междунар. конф. молодых ученых «Синтез, иссл. свойств, модифик. и переаб. ВМС» - Казань, 1996. - с. 18-19.

83. Постоянные магниты. // Под общ. ред. Пятина Ю.М. - М.: Энергия, 1980. - 448 с.

84. Юньков М.Г., Ильинский Н.Ф. Перспективы Развития автоматизированных электроприводов. В кн. Автоматизированный электропривод, силовые полупроводниковые приборы, преобразовательная техника. - М.: Энергоатомиздат, 1983.-с. 5-13.

85. Управляемые бесконтактные двигатели постоянного тока. / Н.П. Адо-лоткин, В.Т. Гращенков, Н.И. Лебедей и др. - Л.: Энергоатомиздат, 1984. - 180 с.

86. Поздеев А.Д., Афанасьев A.A., Королев Э.М. Синхронные двигатели с постоянными магнитами для электропривода металлорежущих станков. Электротехника, 1983, 1. - с. 33-37.

87. Жигалко Е.Г., Зиннер А.Л., Цвенгер И.Г. Бесконтактный двигатель как элемент системы автоматического регулирования. Межвуз. Темат. Сб. науч. Трудов. Казань, Казан, фил. Моск. Энерг. ин - та . Электроэнергетика, 1995 с.53 - 62.

88. Зиннер Л.Я., Зиннер А.Л., Гайнутдинов М.Р. К вопросу о неравномерности вращения вентильных двигателей. . Межвуз. Темат. Сб. науч. Трудов. Казань, Казан, фил. Моск. Энерг. ин - та . Электроэнергетика, 1998. - с.64 - 66.

89. Зиннер А.Л., Зиннер В.В., Цвенгер И.Г. Исследование пульсаций электромагнитного момента вентильных двигателей. Межвуз. Темат. Сб. науч. Трудов. Казань, Казан, фил. Моск. Энерг. ин - та . Электроэнергетика, 1998. - с. 73 -76.

90. Зиннер Л.Я., Зиннер А.Л., Готткехаскамп Р. Метод

расчета магнитного поля якоря вентильного двигателя постоянного тока. Известия ВУЗов России. Проблемы энергетики. 1999, N1 - 2.