Вентильно-реактивний електродвигун для апаратів штучної вентиляції легенів

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 621.313.33

ВЕНТИЛЬНО-РЕАКТИВНИЙ ЕЛЕКТРОДВИГУН ДЛЯ АПАРАТІВ

ШТУЧНОЇ ВЕНТИЛЯЦІЇ ЛЕГЕНІВ

Спеціальність 05.09.01 - Електричні машини і апарати

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ГУЛИЙ МИХАЙЛО ВІКТОРОВИЧ

Одеса 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі електричних машин Одеського національного політехнічного університету Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник доктор технічних наук, професор Римша Віталій Вікторович, Одеський національний політехнічний університет, професор кафедри електричних машин

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Ткачук Василь Іванович, Національний університет «Львівська політехніка», завідувач кафедри електричних машин та апаратів

кандидат технічних наук, доцент Щукін Ігор Сергійович, Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», доцент кафедри електричних машин

Захист відбудеться "16" квітня 2010 р. о "14" годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 41.052.05 в Одеському національному політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1, адм. корпус, ауд. 400.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Одеського національного політехнічного університету за адресою: м. Одеса, пр. Шевченка, 1.

Автореферат розісланий "11" березня 2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.П. Шевченко

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Апарат штучної вентиляції легенів (АШВЛ) - це медичне обладнання, що призначене для підтримки дихання пацієнта при проведенні хірургічних операцій або в інших випадках, коли людина не в змозі дихати самостійно. Основним елементом АШВЛ є система нагнітання повітря, яка реалізується за допомогою мікрокомпресора (МК) з приводним електродвигуном.

Внаслідок розвитку сучасної медицини виникла необхідність у створенні нових АШВЛ, які повинні мати більшу кількість різноманітних режимів вентиляції легенів і сервісних функцій в порівнянні з їх попередниками. Нові АШВЛ також повинні відповідати жорстким вимогам щодо надійності і безпеки, які висуваються до обладнання такого класу. Враховуючи це, створення нових АШВЛ потребує розробки нових надійних та безпечних електродвигунів, що мають за-довольнити не тільки вимогам до їх статичних та динамічних характеристик, а й до їх енергетичної ефективності.

Вентильно-реактивний двигун (ВРД), завдяки простій і надійній конструкції електромеханічного перетворювача (ЕМП) та наявності силового інвертора, являє собою достойну альтернативу колекторному електродвигуну постійного струму або вентильному електродвигуну з постійними магнітами. Завдяки відсутності постійних магнітів і обмоток на роторі, а також простій концентричній обмотці статора конструкція ЕМП ВРД відрізняється високою технологічністю при серійному виробництві. Система керування дозволяє регулювати частоту обертання та момент на валу ЕМП, а сучасний рівень розвитку силової електроніки дозволяє створювати прості та надійні інвертори ВРД. Перелічені переваги дозволяють застосовувати ВРД у медичній техніці.

Таким чином науково-технічна задача розробки ВРД для застосування у складі нового АШВЛ є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась відповідно до науково-дослідних тем № 560-51 «Розробка математичних моделей та дослідження процесів в електричних машинах і трансформаторах» (номер державної реєстрації 0107U001962) та № 625-51 «Розробка засобів автоматизованого синтезу високоефективних електромагнітних та електро-механотронних пристроїв» (номер державної реєстрації 0106U0113174).

Метою дисертації роботи є розробка високоефективного регульованого ВРД для привода АШВЛ.

Задачі дослідження:

a) розробка математичної моделі ВРД, яка дозволяє урахувати взаємний вплив фаз електродвигуна на його характеристики;

б) розробка коло-польової математичної моделі для дослідження динамічних та квазістатичних режимів роботи ВРД, яка враховує специфіку його роботи у складі привода АШВЛ;

в) обґрунтування рекомендацій щодо покращення характеристик та підвищення ефективності роботи ВРД у складі АШВЛ за рахунок вибору комутаційних параметрів;

г) розробка і створення ВРД для АШВЛ та проведення експериментальних досліджень з метою ідентифікації параметрів і підтвердження адекватності роз-роблених математичних моделей.

Об'єктом дослідження є процеси перетворення енергії в ВРД.

Предметом дослідження є параметри і характеристики регульованого ВРД. вентильний реактивний електродвигун вентиляція

Методи досліджень. Вирішення поставлених в роботі задач досягнуто використанням методів чисельного розв'язання рівнянь електромагнітного поля ВРД методом кінцевих елементів в двовимірній постановці задачі та чисельних методів розв'язання диференційних рівнянь математичної моделі електродвигуна.

Інформація щодо ліцензій на програмні продукти, які були використані в роботі:

1. FEMM. License: Free Public;

2. Matlab Simulink. License number: 21808. Platform: all. License option: group. Term: perpetual. Use: classroom;

3. OctaveFEMM. License: Free Public.

Наукова новизна одержаних результатів:

· запропоновано коло-польову математичну модель високого ступеню дета-лізації для дослідження режимів роботи ВРД, яка на кожному кроці інтегрування враховує вплив усіх фаз електродвигуна на розподіл магнітного поля, що дозволяє підвищити ступінь адекватності розрахунку електромагнітних процесів в електродвигуні;

· вперше виявлені додаткові імпульси струму в фазах ВРД при його роботі з силовим інвертором Міллера та проаналізовано їх вплив на електромеханічні властивості електродвигуна;

· отримала подальший розвиток математична модель для аналізу динамічних і квазістатичних режимів роботи ВРД, яка відрізняється урахуванням взаємо-індукції фаз за допомогою заздалегідь розрахованих масивів даних потокозчеплення, та завдяки якій проаналізовано причини появи і вплив додаткових імпульсів струму на роботу ВРД з силовим інвертором Міллера;

· запропоновано та реалізовано комбінований спосіб гальмування ВРД для мінімізації втрат енергії в електроприводі при його роботі в режимі S5 з частотою пусків до 200 у хвилину.

Практичне значення одержаних результатів:

· запропоновано та обґрунтовано комплекс рекомендацій щодо покращення енергетичних та динамічних характеристик ВРД за рахунок зміни параметрів комутації фаз;

· запропоновано нове схемне рішення для керування транзисторами силового інвертора, що дозволяє підвищити надійність роботи ВРД за рахунок підтримки потрібного значення напруги на вольтдодаткових конденсаторах;

· реалізація комбінованого способу гальмування привела до суттєвого зниження втрат енергії у ВРД при його роботі в режимі S5 з частотою пусків до 200 у хвилину, що дозволило зменшити нагрів електродвигуна і підвищити надійність роботи АШВЛ.

Розроблені математичні моделі, а також отримані в дисертаційній роботі результати та рекомендації використані при розробці, конструюванні та практичній реалізації ВРД, які серійно випускає завод «Електротехніка» (м. Миколаїв) для комплектації АШВЛ «Бриз», «Бриз-Т» і «Малятко» - виробництва Київського державного заводу «Буревісник» (м. Київ), «Ксена-010» - виробництва підприєм-ства «Передовые медицинские технологии» (м. Москва). За результатами роботи створено лабораторний стенд і запропоновано комплекс лабораторних робіт по дослідженню властивостей ВРД, який впроваджено в навчальний процес на ка-федрі електричних машин Одеського національного політехнічного університету. Відповідні документи про впровадження результатів роботи наведені в дисертації.

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота містить теоретичні положення і результати, що отримані автором особисто. У наукових працях, що опубліковані у співавторстві, дисертанту належить: в роботі [1] здобувачем проведено дослідження впливу зміни кутів вмикання і вимикання фаз на параметри ВРД при його роботі з одиночним законом комутації; в [2] здобувачем створено математичну модель ВРД, проведено розрахункові дослідження і аналіз впливу зсуву зони комутації на параметри електродвигуна; в [6] - формування оптимального алгоритму керування кутом комутації фази та експериментальне дослідження характеристик ВРД; в [7] здобувачем запропоновано комбінований спосіб гальмування ВРД та проведено експериментальні дослідження його ефективності; в [8] - проведення експериментів на реальних вентильно-реактивних електродвигунах, співставлення результатів розрахункових і експериментальних досліджень.

Апробація результатів роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідались й обговорювались на міжнародному симпозіумі SIEMA «Проблеми удосконалення електричних машин та апаратів» (м. Харків, 2006 р.), міжнародній науково-технічній конференції «Проблеми підвищення ефективності електромеханічних перетворювачів в електроенергетичних системах» (м. Севастополь, 2007 р.), міжнародній науково-технічній конференції «Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика» (Крим, с.м.т. Миколаївка, 2007 р.), міжнародній науково-практичній конференції «Екологія навколишнього середовища - 2008». Секція 2. «Енерго- і ресурсозбереження в промисловості, енергетиці і на транспорті», на науково-технічних семінарах АН України «Електромагнітні процеси та проектний синтез електричних машин та апаратів», Одеський національний політехнічний університет, 2006, 2007, 2008 р.

Розроблені ВРД демонструвалися на міжнародній спеціалізованій виставці «Elcom - 2006» (м. Київ, 2006 р.), на 4-й та 5-й міжнародних спеціалізованих виставках «AISS-Автоматика-2008» (м. Київ, 2008 р.) і «AISS-Автоматика-2009» (м. Київ, 2009 р.).

Публікації. За результатами дисертаційної роботи отримано свідоцтво про реєстрацію авторського права на твір і опубліковано сім статей, з них шість у фахових наукових виданнях, рекомендованих ВАК. Без співавторів опубліковано 3 наукові праці.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота загальним обсягом 169 сторінок, складається із вступу, чотирьох розділів, висновку та списку використаних джерел із 112 найменувань, містить 91 рисунок і 7 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету та задачі досліджень, зазначено основні наукові і практичні положення, що виносяться на захист. Наведено інформацію про апробацію роботи та її структуру, а також про публікації автора за темою дисертації.

У першому розділі проаналізовано вимоги до електродвигуна приводу МК АШВЛ, розглянуто типи електромеханічних перетворювачів, що використо-вуються для приводу МК різних АШВЛ.

Основним режимом роботи електродвигуна для МК АШВЛ є повторно короткочасний з частими пусками та електричним гальмуванням (режим S5). Максимальна частота пусків - 200 за хвилину при заповненні , де - час роботи електродвигуна, - час зупинки електродвигуна. Серед вимог (табл. 1), які висуваються до електродвигуна МК АШВЛ, вирішальне значення мають його показники динаміки при розгоні - гальмуванні. Окрім цього, висока надійність - це невід'ємна вимога, що висувається до обладнання, від працездатності якого залежить життя людини.

Для АШВЛ, що працюють з дихальною сумішшю, до складу якої входить кисень, висуваються вимоги щодо обмеження максимальної допустимої температури внутрішніх частин апарата, в тому числі і електродвигуна приводу МК. Це пояснюється можливістю запалення дихальної суміші та вибуху при контакті кисню з нагрітими частинами апарату.

Таблиця 1

Основні вимоги до електродвигуна МК АШВЛ

Максимальні габаритні розміри довжина/діаметр, мм	120/60
Діапазон регулювання частоти обертання, D	450
Мінімальна частота обертання, об/хв	10
Максимальне відхилення від заданої частоти обертання	±5%
Максимальна тривалість процесу пуску або гальмування, мс	60
Номінальний електромагнітний момент,	0,05
Максимальна температура поверхні електродвигуна, 0С	95

В результаті проведеного аналізу зроблено висновок про необхідність роз-робки нового електродвигуна для привода МК АШВЛ. Порівняння недоліків і переваг існуючих типів електричних машин показало, що ВРД задовольняє усім висунутим вимогам і може бути використаний для привода МК АШВЛ. Останнім часом ВРД набуває все більшого розповсюдження завдяки цілому ряду переваг: проста, технологічна та надійна конструкція ЕМП; висока перевантажувальна здатність; високі динамічні показники; надійний силовий інвертор, що виключає появу наскрізних струмів; система керування, яка дозволяє здійснювати регулювання частоти обертання та моменту електродвигуна.

Огляд літературних джерел та існуючих напрямків використання ВРД дозволив провести аналіз конструктивних виконань ЕМП, а також схемотехнічних рішень щодо виконання силового інвертора електродвигуна і давача положення. Для ВРД МК АШВЛ обрано чотирифазну конструкцію ЕМП з співвідношенням полюсів статора і ротора 8/6 (рис. 1, а).

Для чотирифазного ЕМП економічно обґрунтованим є використання силового інвертора, виконаного за схемою Міллера (рис. 1, б), де за рахунок об'єднання фаз у групи з одним спільним верхнім транзистором кількість силових елементів така, як і для схеми силового інвертора трифазного ЕМП.

Схема Міллера дозволяє реалізувати комутацію струму фази ЕМП за допомогою одного з трьох режимів: «Р2», «Р1», «Р0». Номер режиму відповідає числу одночасно ввімкнених транзисторів. Шлях протікання струму показано пунктирною лінією (рис. 2).

В режимі «Р2» ввімкнено обидва транзистори VT1 і VT2 (рис. 2, а) - струм фаз зростає під дією напруги Ud джерела живлення. Режими «Р1» і «Р0» використовуються для спадання струму фази. В режимі «Р1» (рис. 2, б) струм фази спадає через ввімкнений транзистор VT1 і силовий діод VD1, а в режимі «Р0» (рис. 2, в) - через діоди VD1, VD2 і джерело живлення з напругою Ud. При цьому швидкість спадання струму в режимі «Р0» більша, ніж в режимі «Р1», що пояснюється наявністю джерела живлення з зустрічною напругою Ud на шляху спадання струму фази.

Загальна задача проектування ВРД передбачає виконання розрахунку голов-них розмірів ЕМП за наявністю певного обсягу вихідних даних. Як показує аналіз літературних джерел, існують спрощені методики розрахунку ЕМП, які передбачають велику кількість допущень, але дозволяють отримати необхідні розміри магнітної системи електродвигуна. Тому на етапі попереднього розрахунку ВРД доцільно провести його моделювання в лінійній постановці задачі.

У другому розділі розроблена коло-польова математична модель для дослідження характеристик ВРД при його роботі в режимі S5 у складі АШВЛ. Для визначення геометричних розмірів активної частини електродвигуна на основі енергетичного підходу проведено моделювання ЕМП ВРД в лінійній постановці задачі. При моделюванні були прийняті наступні допущення:

- магнітна система ЕМП симетрична, лінеаризована, а її насичення урахо-вується коефіцієнтом ;

- взаємоіндуктивність між фазами ЕМП не ураховується;

- розрахунок проводиться для середнього значення електромагнітного моменту за період комутації фази ЕМП;

- струм фази за час її комутації не змінюється.

В результаті проведених розрахунків (табл.2) отримано геометричні розміри статора і ротора ЕМП з урахуванням обмежень щодо габаритних розмірів ВРД.

Таблиця 2

Результати розрахунку геометричних розмірів ЕМП

Найменування параметру	Значення
Діаметр ротора, мм	28,7
Активна довжина ротора, мм	30
Діаметр розточки статора, мм	29
Зовнішній діаметр статора, мм	53
Ширина зубця статора, мм	5,5
Ширина зубця ротора, мм	6,1

Виходячи з того, що моделювання ЕМП виконано з урахуванням великої кількості допущень, для перевірки та уточнення отриманих результатів необхідно скористатися більш точними методами розрахунку магнітного поля, серед яких найбільше розповсюдження отримав метод кінцевих елементів (МКЕ).

Для розрахунку магнітного поля МКЕ розроблена польова математична модель ЕМП в програмі FEMM у двомірній постановці задачі. Кількість елементів, на які дискретизована геометрія ЕМП, в загальному випадку сягнула біля 50000, що дозволило з великою точністю апроксимувати поперечний переріз електродвигуна (рис. 3, а) і отримати картину розподілу магнітного поля для будь-якого положення ротора (рис. 3, б). Це в свою чергу дозволило оцінити індукцію в усіх частинах магнітної системи розробленого ЕМП і зробити висновок, що робота ВРД зі струмами фази, які не перевищують номінального значення, завжди супроводжується локальним насиченням зубцевої зони статора і ротора.

Тому для адекватного відображення процесів в ВРД при його моделюванні необхідно ураховувати нелінійність магнітної системи ЕМП. Для цього необхідно визначити закон зміни потокозчеплення і рушійного електромагнітного моменту, що діє на ротор, від його положення і струму збудження активної фази.

Розрахунки проводились для ряду положень ротора з кроком в 1 градус, що дозволило проаналізувати зміну потокозчеплення фази і електромагнітного моменту за повний період комутації фази. В результаті проведених розрахунків отримані залежності: і (Рис.4, а, б).

На рис. 4 кут градусів відповідає розузгодженому положенню полюсів статора і ротора, а градусів - узгодженому. Аналіз отриманих залежностей показує, що на ділянці, яка відповідає зоні комутації градусів, електромагнітний момент задовольняє вимогам до електродвигуна приводу МК АШВЛ при струмі фази 4,5 А і являє собою практично пряму лінію, яка паралельна осі абсцис. Однак, приймаючи до уваги те, що основним режимом роботи електродвигуна є повторно-короткочасний, значення струму і електромагнітного моменту фази можуть бути значно більшими за номінальні, що приводить до значного впливу насичення магнітної системи на характеристики ЕМП (рис. 4).

Подальший аналіз потребує проведення математичного моделювання ВРД для оцінки його характеристик у динамічних та квазістатичних режимах роботи. Для цього необхідна математична модель, що дозволяє урахувати не тільки електромагнітні особливості ЕМП, а й процеси зміни струму в обмотках статора, які залежать від схеми силового інвертора, параметрів комутації та системи керування електродвигуном. Виходячи з того, що отримані в результаті польового розрахунку залежності на рис. 4 дозволяють описати електромагнітні процеси в фазі ЕМП, їх доцільно використати для побудови математичної моделі ВРД.

Для дослідження динамічних і квазістатичних режимів роботи ВРД створено математичну модель, яка дозволяє урахувати схему силового інвертора Міллера, алгоритми комутації струму фази і структуру системи керування, а також режими роботи електродвигуна у складі АШВЛ. При побудові математичної моделі в програмному пакеті Matlab Simulink ЕМП представлено системою рівнянь, що описують процеси в одній фазі:

,

(1)

,

де - напруга, струм, активний опір і електромагнітний момент фази ЕМП відповідно;

- момент опору на валу ЕМП;

- момент холостого ходу ЕМП;

- момент інерції, що приведено до вала ЕМП;

- кутова частота обертання вала ЕМП;

- кут між полюсами статора і ротора активної фази ЕМП.

Для моделювання роботи силового інвертора в моделі використано блоки бібліотеки SimPowerSysytems з параметрами реальних силових напівпровідникових елементів: транзисторів IRF3205 і діодів Шоттки 60CTQ045. Система керування ВРД представляє собою систему підпорядкованого регулювання координат з внутрішнім контуром струму та зовнішнім контуром швидкості.

Результати моделювання роботи ВРД при обмеженні струму фаз на рівні 10А наведено на рис. 5.

Аналіз результатів моделювання ВРД дозволив зробити висновок про відповідність розробленого ЕМП вимогам щодо номінального електромагнітного моменту та максимальної частоти обертання. Для експери-ментального аналізу результатів моделювання створено дослідний ВРД. До його системи керування входять: силовий інвертор Міллера, двоканальний інкрементальний енкодер і цифровий сигнальний процесор типу TMS320Х24, який дозволяє реалізувати більшу частину системи керування у про-грамному виді, та, таким чином, спростити її апаратну частину.

На рис. 6 наведено розрахункові та експериментальні характеристики ВРД. Різниця між характеристиками не перевищує 10 %, що дозволяє зробити висновок про адекватність розробленої польової математичної моделі ВРД.

В зоні навантажень від до (рис. 6, б) ККД розробленого ВРД практично не змінюється, що забезпечує можливість роботи електродвигуна з переван-таженнями без суттєвого зниження його ефективності.

Дослідження експериментального ВРД також дозволили порівняти розрахункові та експериментальні осцилограми струму фази ЕМП. На рис. 7 наведено фрагмент осцилограми фазного струму ВРД при роботі електродвигуна на «природній» механічній характеристиці з номінальним моментом навантаження.

Порівняння розрахункової (1 на рис. 7) та експери-ментальної (2 на рис. 7) осцилограм показує, що в робочій зоні струми фаз практично не відрізняються, а в зоні, де за результатами розрахунку фаза неактивна, на експериментальній осцилограмі присутні додаткові імпульси струму (3 на рис. 7).

Беручи до уваги те, що амплітуда додаткових імпульсів струму становить до 15% від амплітуди робочого струму фази - їх наявність може спричинити суттєвий вплив на процеси перетворення енергії в ЕМП. Аналіз літературних джерел дозволив зробити висновок, що причиною появи додаткових імпульсів струму фази може бути ЕРС взаємоіндукції фаз ЕМП. Невідповідність розрахункових та експериментальних осцилограм пояснюється тим, що створена польова математична модель не ураховує взаємний вплив фаз. Тому для дослідження причин виникнення додаткових імпульсів струму необхідна математична модель ВРД, що дозволяє ураховувати взаємоіндукцію фаз.

У третьому розділі розроблені математичні моделі для дослідження дина-мічних і квазістатичних режимів роботи ВРД, що дозволяють урахувати взаємоіндукцію фаз ЕМП.

При аналізі взаємоіндукції фаз використані значення магнітних потоків через неактивні фази ЕМП. Результати польового розрахунку показали, що най-більше значення магнітного потоку взаємоіндукції (до 2,5% від основного магнітного потоку ЕМП) спостерігається у сусідній з активною фазі (фази “D” і “B” на рис. 8).

Завдяки тому, що робота ВРД супроводжується великою швидкістю зміни магнітного потоку в ЕМП, в неактивних фазах виникають ЕРС взаємоіндукції, які призводять до появи додаткових імпульсів струму при роботі ВРД с силовим інвертором Міллера. Для побудови математичної моделі, яка враховує взаємоіндукцію фаз ЕМП, використано масиви заздалегідь розрахованих значень магнітного потоку через неактивні фази ЕМП, що отримані для різних струмів активної фази і кутових положень ротора. Рівняння математичної моделі ЕМП у даному випадку:

де - магнітні потоки у фазах В, С, D при активній фазі А; - кількість витків обмотки фази ЕМП.

Реалізація запропонованої математичної моделі з асиметричним напів-мостовим силовим інвертором у програмі Matlab Simulink дозволила отримати розрахункові осцилограми струму та напруги фаз (рис. 9).

На осцилограмі напруги фази «В» є імпульси ЕРС взаємоіндукції е_В, що виникають при спаданні струму у сусідній фазі «С». Внаслідок того, що в цей момент потік взаємоіндукції між ними приймає найбільше значення - його швидка зміна при спаданні струму фази викликає появу імпульсу ЕРС е_В. Тривалість наведеного імпульсу ЕРС відповідає часу спадання струму фази «С».

Розвиток обчислювальної техніки та програмного забезпечення на сьогоднішній день дає можливість побудувати математичну модель, яка б дозволяла проводити розрахунки магнітного поля ЕМП на кожному кроці моделювання динамічних режимів роботи ВРД без використання попередньо розрахованих масивів даних. Програма OctaveFEMM дозволяє забезпечити обмін розрахунковими даними між програмами Matlab Simulink та FEMM і, таким чином, проводити польові розрахунки в динамічному режимі на кожному кроці інтегрування математичної моделі ВРД за будь-якої картини розподілу струмів фаз ЕМП. OctaveFEMM представляє собою набір команд, що дозволяє безпосередньо за допомогою мови програмування m-функцій програми Matlab Simulink здійснити перехід до мови програмування скриптів LUA програми FEMM.

Виходячи з того, що програма FEMM дозволяє вирішувати лише задачі магнітостатики, де вхідними даними є струми обмоток, необхідно, щоб результатом вирішення диференційного рівняння електричної рівноваги обмотки був струм фази. Для цього в першому рівнянні системи (1) похідну потокозчеплення розкладено на складові:

,

де - диференційна індуктивність фази ЕМП, - кутова частота обертання ротора, - кутове положення ротора.

Якщо складову представити як ЕРС обертання Е, то алгоритм розв'язання цього рівняння при моделюванні ВРД буде мати вигляд, як представлено на рис. 10.

Для коректного розв'язання рівняння до індуктивності додається індуктивність з'єднувальних проводів .

Виходячи з того, що результати розрахунку магнітного поля ЕМП дозволяють отри-мати потокозчеплення фаз, тоді диференційну індуктивність та ЕРС обертання можна представити у кінцевих прирощеннях при моделюванні ВРД зі сталим шагом розрахунку: , , де - потокозчеплення, кутове положення ротора і струм фази, що були отримані на попередньому кроці розрахунку моделі. Структурну схему математичної моделі ЕМП наведено на рис. 11.

Реалізована модель ВРД дозволяє розглядати електромеханічні процеси з урахуванням нелінійностей магнітної системи ЕМП і не має, на відміну від роз-роблених вище моделей, допущення про магнітну ізольованість фаз.

На рис. 12 наведено результати моделювання роботи ВРД на «природній» механічній характеристиці з використанням асиметричної полумостової схеми силового інвертора. На осцилограмах також присутні імпульси ЕРС взаємо-індукції е_В з амплітудою 5 В.

З точки зору аналізу електромагнітних процесів, що відбуваються у ЕМП, запропонована математична модель є більш адекватною, ніж модель, що використовує масиви попередньо розрахованих даних. Однак недоліком цієї моделі є тривалий час розрахунків. При проведенні розрахунків на ЕОМ з двоядерним процесором Pentium E8400, час моделювання пуску ВРД (0,1 с.) при кроці розрахунку 1 мкс. становив близько 38 годин. Приймаючи до уваги те, що результати роз-рахунків усіх характеристик ВРД і, зокрема, амплітуди ЕРС е_В на рис. 9 та рис. 12 відрізняються не суттєво, моделювання електродвигуна раціонально виконувати з використанням моделі на основі масивів попередньо розрахованих даних.

Виникнення ЕРС взаємоіндукції е_В підтверджено на експериментальному ВРД. Завдяки наявності загального транзистора для однієї групи фаз в силовому інверторі Міллера, поява ЕРС взаємоіндукції при роботі ВРД на «природній» механічній характеристиці призводить до виникнення додаткових імпульсів струму в фазі електродвигуна (рис. 7).

Аналіз впливу цих струмів на параметри ВРД показав, що на «природній» механічній характеристиці додаткові струми призводять до погіршення ККД електродвигуна на 1,4%, а при роботі ВРД з регулюванням швидкості появи додаткових імпульсів струму не виявлено завдяки роботі транзисторів силового інвертора з частотою комутації ШИМ.

У четвертому розділі розглянуто вплив параметрів комутації фаз ЕМП на енергетичні та динамічні характеристики ВРД.

Реалізація системи керування ВРД з використанням цифрового сигнального процесора та енкодера дозволяє динамічно змінювати параметри комутації фаз, які мають суттєвий вплив на ККД електродвигуна. Для розробленого ВРД проведено оптимізацію ККД в залежності від параметрів комутації: величини зсуву зони комутації та затримки часу на спад струму фази в режимі «Р1». Зсув зони комутації виконувався у бік випередження ввімкнення фази. Результати розрахунку (рис. 13, а) показують, що за рахунок зсуву зони комутації на градуси ККД ВРД, що працює з регулюванням швидкості збільшується на 10% при його роботі з частотою обертання 3000 об/хв.

Подальше збільшення величини зсуву зони комутації на цій швидкості призводить до погіршення ККД електродвигуна. Збільшення ККД ВРД при зсуві зони комутації пояснюється збільшенням відносного струму фази за період створення нею електромагнітного моменту.

Аналіз зміни максимального значення ККД ВРД від (рис. 13, б) дозволив сформувати залежність , реалізація якої дозволяє забезпечити максимальний ККД ВРД. Для реалізації залежності у системі керування ВРД її представлено в апроксимованому вигляді (рис. 14).

Реалізація запропонованої залежності дозволила збільшити максимальний ККД ВРД на 8%, а також зменшити витрати енергії та час розгону ВРД. Час розгону ВРД до 4000 об/хв при цьому зменшився на 19 мс і становив 33 мс, а енергія - на 1,25 Дж, що у процентному відношенні склало 26 %. Зменшення витрат енергії на розгін ВРД дозволило значно знизити споживання енергії при роботі електродвигуна у повторно - короткочасному режимі та збільшити час роботи АШВЛ від акумуляторних батарей.

Затримка часу на спад струму фази в режимі «Р1» призводить до зменшення ККД ВРД незалежно від її величини або частоти обертання електродвигуна. В результаті проведеного аналізу встановлено, що мінімальна затримка часу в 50 мкс. призводить до незначного погіршення ККД ВРД, але дозволяє суттєво зменшити акустичний шум при роботі електродвигуна.

Аналіз режимів гальмування ВРД дозволив запропонувати комбінований спосіб гальмування, при якому гальмування відбувається у 2 етапи: на частоті обертання вище 1600 об/хв - рекуперативне, а на частоті обертання нижче 1600 об/хв - противвімкненням. Обґрунтування прийняття цього способу пояснюється тим, що на частотах обертання нижче 1600 об/хв реалізація рекуперативного гальмування стає неможливою, так як величини наведеної ЕРС недостатньо для виконання умови:

,

де - падіння напруги на силовому діоді та на обмотці фази.

Порівняльний аналіз запропонованого способу з гальмуванням противвімкненням (рис. 15) показав, що при практично однаковому часі гальмування максимальний рівень гальмового струму зменшився на 22 %.

Для оцінки ефективності гальмування ВРД безпосередньо на АШВЛ проведені випробування, в ході яких вимірювалася спожита енергія за цикл «вдих-видих» пацієнта при роботі електродвигуна у режимі S5 з максимальною частотою 200 пусків за хвилину. Спожита ВРД енергія при використанні запропонованого способу гальмування знизилася на 28 % у порівнянні з гальмуванням противвімкненням.

В результаті зниження спожитої енергії за рахунок введення комбінованого гальмування також знизилась усталена температура поверхні ВРД (рис. 16) на 17⁰С.

Зниження температури ВРД дозволило зменшити ймовірність перегрівання внутрішніх частин АШВЛ, підвищити безпеку апарату, а також використати ВРД у апаратах для вентиляції легенів немовлят.

Для покращення умов підзарядки вольтдодаткових конденсаторів, що входять до складу схеми керування верхніми транзисторами силового інвертора ВРД, запропоноване схемне рішення, що дозволяє підтримувати потрібний рівень напруги на конденсаторі і забезпечити надійний пуск і роботу електродвигуна в будь-яких режимах комутації фаз.

висновки

1. Розроблено комплекс коло-польових математичних моделей ВРД, які враховують схему силового інвертора та реальну структуру системи керування і відрізняються різним ступенем деталізації при вирішенні проектних задач. Моделі дозволяють досліджувати електромагнітні процеси та характеристики ВРД у квазістатичних та динамічних режимах його роботи без урахування та з урахуванням взаємного впливу фаз.

2. Експериментальні дослідження ВРД виявили додаткові імпульси струму фаз при роботі електродвигуна на «природній» механічній характеристиці з силовим інвертором Міллера. Додаткові імпульси струму фаз є наслідком дії ЕРС взаємоіндукції між фазами, величина якої залежить від частоти обертання ротора та величини струму у активній фазі ВРД. Визначено умови виникнення додаткових імпульсів струму та проаналізовано їх вплив на характеристики ВРД. Показано, що при роботі ВРД з регулюванням частоти обертання за допомогою широтно-імпульсної модуляції додаткові імпульси струму не виникають.

3. Зсув зони комутації у бік випередження ввімкнення фази дозволяє збільшити ККД ВРД та зменшити рівень пульсацій електромагнітного моменту. Залежність коефіцієнту пульсацій електромагнітного моменту від величини зсуву зони комутації має мінімум, який визначається частотою обертання ротора та навантаженням ВРД. Введення зсуву зони комутації на 4 градуси дозволяє підвищити ККД ВРД на 12% при роботі електродвигуна на «природній» механічній характеристиці та на 10% при його роботі з регулюванням частоти обертання.

4. Аналіз впливу зсуву зони комутації на параметри ВРД дозволив сформувати залежність для отримання максимального значення ККД ВРД та мінімуму пульсацій електромагнітного моменту. Реалізація запропонованої залежності в силовому інверторі ВРД дозволила зменшити витрати енергії при розгоні електродвигуна і, таким чином, збільшити час роботи АШВЛ від акумуляторної батареї. Окрім цього, введення зсуву зони комутації дозволило покращити динамічні показники ВРД за рахунок зменшення часу розгону, що є важливим для забезпечення роботи АШВЛ з високою частотою дихання у пацієнта.

5. Введення затримки часу на спад струму фази в режимі «Р1» дозволяє зменшити пульсації електромагнітного моменту, але призводить до зменшення ККД ВРД на всьому діапазоні частот обертання і навантажень. Введення мінімального значення затримки часу на спад струму фази в режимі «Р1» призвело до незначного зменшення ККД ВРД, але дозволило значно знизити рівень акустичного шуму при роботі електродвигуна у складі АШВЛ.

6. Запропоновано і реалізовано комбінований спосіб гальмування, який дозволяє зменшити амплітуду гальмового струму на 22 % і зменшити споживання енергії на 28 % при повторно-короткочасному режимі роботи електродвигуна. Введення комбінованого способу гальмування дозволило знизити температуру поверхні ВРД на 17 ⁰С при його роботі з максимальною частотою пусків у хвилину - 200, що дозволило зменшити ймовірність перегрівання внутрішніх частин АШВЛ і підвищити безпеку використання апарату. Отримані переваги дозволили використовувати ВРД у апаратах для вентиляції легенів немовлят.

7. Запропоновано і реалізовано схемотехнічне рішення для підвищення надійності комутації транзисторів силового інвертора ВРД, що дозволило забезпечити надійний пуск та роботу електродвигуна на малих швидкостях, які, здебільшого, використовуються при роботі АШВЛ з немовлятами віком до 1 року.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Влияние параметров коммутации на характеристики вентильно-реактивного электропривода / И. Н. Радимов, В. В. Рымша, З. П. Процина, М. В. Гулый // Електромашинобудування і електрообладнання. 2006. № 67. С. 82 - 87.

2. Влияние смещения зоны коммутации на характеристики вентильно-реактивного электропривода / М. В. Гулый, З. П. Процина, И. Н. Радимов, В. В. Рымша // Сборник научных трудов Днепродзержинского государственного технического университета (технические науки). Тематический выпуск «Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика». 2007. С. 94 - 96.

3. Гулый М. В. Модернизация вентильно-реактивного электропривода антенны радиолокационной станции / М. В. Гулый // Вісник Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут». Тематичний випуск: Проблеми удосконалення електричних машин і апаратів. Теорія і практика. 2006. №35. С. 47 - 54.

4. Гулый М. В. Особенности работы вентильно-реактивного электродви-гателя с силовым мостом Миллера / М. В. Гулый // Вісник Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» Тематичний випуск: Проблеми удосконалення електричних машин і апаратів. Теорія і практика. 2008. №45. С. 59 - 65.

5. Гулый М. В. Повышение надежности работы вентильно-реактивного электропривода / М. В. Гулый // Проблемы повышения эффективности электромеханических преобразователей в электроэнергетических системах: Материалы науч.-техн. конф., г. Севастополь 24-28 cентября 2007 г. Севастополь, 2007. С. 15 - 16.

6. Радимов И. Н. Вентильно-реактивный электропривод аппарата искус-ственной вентиляции легких / И. Н. Радимов, В. В. Рымша, М. В. Гулый // Електромашинобудування і електрообладнання. 2006. № 66. С. 188 - 189.

7. Тормозной режим вентильно-реактивного электродвигателя / М. В. Гулый, И. Н. Радимов, В. В. Рымша, З. П. Процина // Електромашинобудування і електрообладнання. 2009. № 73. С. 59 - 62.

8. Свідоцтво про реєстрацію авторського права на твір № 30929. Комп'ютерна програма «Система автоматизованого аналізу та синтезу вен-тильно-реактивних двигунів SRM-CAD» / Гулий М. В., Мальований О. Є., Процина З. П., Радимов І. М., Римша В. В. Україна, м. Київ: Міністерство освіти і науки України, Державний департамент інтелектуальної власності, 10.11.2009 р.

АНОТАЦІЯ

Гулий М.В. Вентильно-реактивний електродвигун для апаратів штучної вентиляції легенів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01 - Електричні машини і апарати. Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2010.

Дисертація присвячена розробці та дослідженню вентильно-реактивного двигуна (ВРД) для апаратів штучної вентиляції легенів (АШВЛ). Для досягнення цієї мети розраховано геометричні розміри електромеханічного перетворювача (ЕМП) ВРД, створена польова математична модель в двомірній постановці задачі, що дозволяє проводити розрахунки магнітного поля електродвигуна з урахуванням нелінійності його магнітної системи. Запропонована і реалізована коло-польова математична модель для розрахунку динамічних та квазістатичних режимів роботи ВРД, яка дозволяє урахувати особливості системи керування, а також моделювати режим роботи S5 електродвигуна у складі АШВЛ. Встановлено, що потоки взаємоіндукції, які перетинають неактивні фази ЕМП, наводять в них імпульси ЕРС. При роботі ВРД на «природній» механічній характеристиці з силовим інвертором Міллера виникають умови для замикання імпульсів ЕРС взаємоіндукції та появи додаткових імпульсів струму. Додаткові імпульси струму призводять до зниження ККД ВРД на 1,4% при його роботі на «природній» механічній характеристиці з силовим інвертором Міллера. Запропонована і реалізована коло-польова математична модель ВРД високого ступеня деталізації, що дозволяє проводити розрахунок магнітного поля ВРД на кожному кроці інтегрування, що дозволило підвищити точність моделювання і розглядати ЕМП без прийняття допущень про магнітну ізольованість фаз.

Обґрунтовано рекомендації щодо вибору параметрів комутації фаз ЕМП для підвищення ефективності роботи електродвигуна. Запропоновано і реалізовано комбінований спосіб гальмування ВРД, який дозволяє зменшити споживання енергії на 28 % при роботі електродвигуна в режимі S5 з частотою пусків (200 у хвилину).

Ключові слова: вентильно-реактивний електродвигун, електромеханічний перетворювач, математична модель, магнітне поле, електромагнітний момент, силовий інвертор, параметри комутації.

АННОТАЦИЯ

Гулый М.В. Вентильно-реактивный электродвигатель для аппаратов искусственной вентиляции легких. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.01 - Электрические машины и аппараты. - Одесский национальный политехнический университет, Одесса, 2010.

Диссертация посвящена разработке и исследованию вентильно-реактивного двигателя (ВРД) для аппаратов искусственной вентиляции легких (АИВЛ). Для достижения этой цели рассчитаны геометрические размеры электромеханического преобразователя (ЭМП) ВРД, создана полевая математическая модель в двумерной постановке задачи, позволяющая производить расчеты магнитного поля электродвигателя с учетом нелинейностей его магнитной системы. Предложена и реализована цепно-полевая математическая модель для расчета динамических и квазиустановившихся режимов работы ВРД, которая позволяет учесть особенности системы управления, параметры коммутации фаз ЭМП, а также моделировать режим работы S5 электродвигателя в составе АИВЛ. Установлено, что потоки взаимоиндукции, пересекающие неактивные фазы ЭМП, наводят в них импульсы ЭДС. При работе ВРД на естественной механической характеристике с силовым инвертором Миллера создаются условия для замыкания ЭДС взаимоиндукции и появления дополнительных импульсов тока. Проведенные исследования показали, что дополнительные импульсы тока приводят к уменьшению КПД ВРД на 1,4% при его работе с номинальной нагрузкой. При регулировании тока фазы ВРД с помощью широтно-импульсной модуляции дополнительные импульсы тока не возникают, что позволяет использовать инвертор Миллера для ВРД АИВЛ. Получила дальнейшее развитие цепно-полевая математическая модель ВРД, позволяющая учитывать взаимное влияние фаз ЭМП за счет использования предварительно рассчитанных значений потокосцеплений фаз. Предложена и реализована цепно-полевая математическая модель ВРД высокой степени детализации, позволяющая производить расчет магнитной системы ЭМП на каждом шаге интегрирования, что позволило повысить точность моделирования и рассматривать ЭМП без допущения о магнитной изолированности фаз друг от друга.

Анализ влияния параметров коммутации на характеристики исследуемого ВРД позволил обосновать рекомендации по их выбору для улучшения энергетических и динамических параметров электродвигателя. Исследование режимов торможения ВРД позволило предложить комбинированный способ торможения ВРД, позволяющий уменьшить потребление энергии на 28 % при работе электродвигателя в режиме S5 с максимальной частотой пусков (200 в минуту). Реализация комбинированного способа торможения позволила снизить установившуюся температуру ВРД при его работе в повторно кратковременно режиме S5. Предложено и реализовано схемотехническое решение для повышения надежности коммутации транзисторов силового инвертора ВРД, что позволило обеспечить пуск и надежную работу электродвигателя на малых частотах вращения.

Ключевые слова: вентильно-реактивный электродвигатель, электромеханический преобразователь, математическая модель, магнитное поле, электромагнитный момент, силовой инвертор, параметры коммутации.

SUMMARY

Gulyy M.V. Switched reluctance motor for artificial pulmonary ventilation apparatus. - Manuscript.

The dissertation on competition of the scientific degree of the candidate of technical Sciences by a speciality 05.09.01 - Electrical machines and apparatus. - Odessa national polytechnic university, Odessa, 2010.

The dissertation is dedicated to development and research of switched reluctance motor (SRM) for medical ventilation apparatus (MVA). The field mathematical model in bidimentional target setting that allowed to calculate of a magnetic field of the electric motor consideration nonlinearity of the magnetic system was created. The chain-field mathematical model for calculation dynamic and quasisteady mode of SRM was offered and realized. Magnetic fluxes of mutual induction, crossing inactive phases SRM, induce in them pulses of electromotive force. The conditions for shorting electromotive force of mutual induction and occurrences of additional pulses of a current were created. Additional pulses of a current result in reduction of efficiency SRM by 1,4 % during his working on the natural mechanical characteristic with Miller's power inverter. The chain-field mathematical model of SRM that allowed taking into account mutual influence of phases of SRM at the expense of use of preliminary designed values of flux linkage was developed. The Chain-field mathematical model of SRM a high degree of the detailed elaboration was developed. That has allowed to calculating magnetic field of SRM on each step of integration and increase accuracy of modeling.

The recommendations to choice of commutation parameters to increase the efficiency of the SRM were offered. The combined braking mode of SRM, which allowing reducing consumption of energy by 28 % at work of the electric motor in mode S5 with the maximal frequency of start-up 200 in one minute was suggested and realized.

Key words: switched reluctance motor, electromechanical converter, mathematic model, magnetic field, electromagnetic torque, power inverter, commutation parameters.

Размещено на Allbest.ru