Явнополюсні вентильні реактивні двигуни з буферами енергії

На величину пульсацій момента ВРД найбільш впливає кількість секцій обмотки статора. На рис. 20 наведено графічне представлення розрахункових значень електромагнітних моментів та струмів секцій для двох крайніх значень кількості секцій - 3 і 6 вентильних реактивних двигунів з послідовними буферами енергії, які спроектовані за допомогою автоматизованої підсистеми проектування на однакові номінальні значення основних параметрів.

Зі збільшення кількості секцій обмотки якоря не тільки зменшуються пульсації електромагнітного момента за амплітудою, а й зростає їх частота, а значить, полегшується задача згладжування пульсацій частоти обертання.

Впливати на величину пульсацій електромагнітного момента вентильного реактивного двигуна можна і за допомогою зміни кута вмикання секцій. Діапазон його зміни залежить від величини інтервала комутації секції та від того, чи призначений двигун для реверсивного режиму роботи. На рис. 21 представлено результати розрахунків електромагнітного моментів для трисекційного ВРД з послідовними буферами енергії в кожній секції зі сталим значенням інтервала комутації й різними значеннями кута вмикання.

Результати розрахунків показують, що величина кута вмикання, хоч не в такій мірі як кількість секцій, але все таки впливає на пульсації електромагнітного момента: його збільшення приводить до збільшення амплітуди пульсацій момента.

Форсування вмикання струму на початку інтервала комутації зумовлене способом керування підживлювальними ключами і є причиною швидкого наростання електромагнітного момента в цей час й великого рівня його пульсації. У вентильному реактивному двигуні з послідовним буфером енергії з малою кількістю секцій якірної обмотки ліквідувати повністю пульсації, які викликані форсованим наростанням струму вибором відповідних значень параметрів комутації та величини ємності нагромаджувального конденсатора не вдається. Проте зменшити ці пульсації можна, вибираючи кут вмикання, інтервал комутації та величину ємності конденсатора.

Дослідження регулювання частоти обертання ВРД шляхом зміни величини підведеної напруги показує, що з енергетичної точки зору воно є досить ефективним. Збільшення напруги живлення приводить до зростання швидкості обертання, коефіцієнт віддачі при цьому також зростає. Швидко зростають втрати в сталі, втрати в міді зростають повільно. Коефіцієнт віддачі приймає максимальне значення, коли втрати в міді дорівнюють втратам в сталі. Регулювальна характеристика ВРД з буферами енергії лінійна в широкому діапазоні регулювання. Дослідженнях широтно-фазового способу регулювання методами комп'ютерного симулювання показало, що жорсткість штучної механічної характеристики значно більша за жорсткість природньої характеристики, середнє значення струму живлення пропорційне моменту навантаження, при цьому максимальне значення струму транзисторного ключа залишається майже сталим.

Мінімальне значення пускового момента напряму пов'язане з величиною пульсацій електромагнітного момента. Тому найгірші умови пуску можуть мати місце в двигуні з малою кількістю секцій. Також погіршуються умови пуску при зменшенні інтервала комутації та кута вмикання секцій.

У сьомому розділі здійснено експериментальні дослідження ВРД з буферами енергії, які виконані на фізичних моделях та дослідних взірцях.

Для перевірки ефективності запропонованих схем комутаторів вентильного реактивного двигуна з точки зору покращення енергетичних показників та використання його електромеханічного перетворювача зняті робочі характеристики експериментальних взірців ВРД. На рис. 25 наведено експериментальні статичні характеристики ВРД при напрузі живлення 30 В: 1 - з комутатором з послідовними ємнісними накопичувачами в кожній секції (С=20 мкФ); 2 - з напівмостовим комутатором.

Порівняння наведених характеристик показує, що застосування буферів енергії забезпечує зростання коефіцієнта віддачі до 20% і використання ЕМП до 70% (наприклад, при значенні момента навантаження 0,6 Нм).

Перевірка степеня адекватності математичної моделі ВРД за середніми значеннями здійснювалась шляхом порівняння експериментальних статичних характеристик дослідних взірців з розрахунковими, які були отримані за допомогою автоматизованої підсистеми проектування ВРД в режимі перевіркового розрахунку. Всі проведені порівняння підтверджують справедливість прийнятих при теоретичному обгрунтуванні математичної моделі допущень і показують, що розходження результатів не перевищують (5 - 7)%. На рис. 26 наведено порівняння розрахункових (1) та експериментальних (2) механічної характеристики та залежності коефіцієнта віддачі для експериментального взірця, яке свідчить про достатньо високий степінь адекватності математичної моделі ВРД за середніми значеннями.

Збільшення відхилень між експериментальними та розрахунковими даними при зменшенні навантаження пояснюється тим, що реальний коефіцієнт насичення сталі магнітопровода ВРД при цьому прямує до одиниці, в той час як, згідно з прийнятими допущеннями, в моделі він залишається сталим.

Точніше розраховувати статичні характеристики ВРД з буферами енергії дозволяє математична модель для миттєвих значень, де розходження між експериментальними та розрахунковими значеннями залежить, переважно, від точності розрахунку коефіцієнтів апроксимації кривих намагнічення магнітопровода ЕМП та опору, який еквівалентує втрати в сталі, і в кожному окремому випадку може знаходитись в межах (2 - 4)%.

Експериментально доказана працездатність всіх запропонованих схем комутаторів з буферами енергії. Найвищі енергетичні показники має комутатор з послідовними ємнісними буферами енергії, дещо нижчі - комутатор з паралельним буфером й спільним колом підживлення.

Достатньо висока збіжність розрахункових й експериментальних кривих струмів і напруг ВРД свідчить про правомірність прийнятих при побудові математичних моделей для миттєвих значень допущень та про їх адекватність до фізичних взірців.

Висновки

1. В дисертації на основі відомих, в тому числі й отриманих автором результатів досліджень явнополюсних вентильних реактивних двигунів з буферами енергії, методів математичних описів електромеханічних та електронних об'єктів, числових методів розв'язування диференціальних рівнянь, нових підходів в алгоритмізації і з врахуванням можливостей сучасних комп'ютерних засобів створено новий тип механотронних перетворювачів, які вирізняються простотою конструкції, технологічністю виготовлення, невибагливістю до застосування матеріалів і задовільними енергетичними та якісними показниками.

2. На вперше запропонованій теоретичній базі створена методика проектування явнополюсних вентильних реактивних двигунів з буферами енергії та математична модель для дослідження усталених режимів роботи електроприводу на базі ВРД та розрахунку статичних характеристик. Доведено, що при однаковому об'ємі активних частин вентильний реактивний двигун з буферами енергії може створювати такий же електромагнітний момент як і колекторний двигун постійного струму.

3. На основі енергетичного методу розрахунку електромагнітного момента у вентильному реактивному двигуні з буферами енергії з застосуванням запропонованого аналітичного виразу для обчислення потокозчеплення у функції кута взаємного положення зубців ротора та статора й струму збудження магнітоізольованої секції створені нелінійні повні математичні моделі ВРД з комутаторами всіх п'яти запропонованих в роботі схем з паралельним та послідовним сполученнями буферів енергії, де використані прості і, в той же час, адекватні до фізичних взірців математичні моделі насиченого транзисторного ключа, напівпровідникового силового діода та струмів Фуко в магнітопроводі ЕМП. Моделі дозволяють здійснювати дослідження як динамічних, так і квазіусталених режимів роботи ВРД, отримувати миттєві значення струмів в секціях, струмів Фуко в магнітопроводі, електромагнітного момента, напруги на нагромаджувальних конденсаторах тощо.

4. Створено нові прості та технологічні конструктивні схеми енергетичної та інформаційної частин явнополюсних вентильних реактивних двигунів постійного струму, які забезпечують магнітну ізоляцію секцій якірної обмотки та повну сумісність відносно використаних матеріалів та технологічних прийомів виготовлення.

5. Створено нові електричні принципові схеми електронних силових комутаторів вентильних реактивних двигунів з буферами енергії, які забезпечують використання запасеної в магнітному полі секцій якірної обмотки енергії для форсування струму при вмиканні секцій, що зумовлює значне підвищення енергетичних показників двигуна, а також забезпечує захист силових транзисторних ключів комутатора від перенапруг та зменшення динамічних втрат на їх перемикання.

6. Вперше створено нові електричні принципові схеми оброблення сигналів первинних давачів положення ротора, які простими засобами забезпечують високу кратність та крутизну вихідних дискретних сигналів керування силовими транзисторними ключами комутатора.

7. Розроблено новий широтно-фазовий спосіб керування вентильним двигуном, який дозволяє простими схемними рішеннями отримувати механічні характеристики підвищеної жорсткості електроприводу на базі вентильного двигуна.

8. На основі використання сучасних методів алгоритмізації та можливостей комп'ютерної техніки побудовані алгоритми й створена автоматизована підсистема інтерактивного проектування вентильних реактивних двигунів на базі запропонованих в роботі конструктивних та схемних рішень, з використанням створеної методики розрахунку й вибору ємнісного буфера енергії. Підсистема має відкриту структуру й легко може бути розширена або модернізована при розвитку задач проектування та дослідження таких вентильних двигунів.

9. Запропоновано спосіб представлення дискретності схеми сполучень магнітоізольованих секцій ВРД, який разом з методом інвертування диференціальних рівнянь дозволив без застосування складних процедур припасовування та багатокрокових ітерацій побудувати алгоритми й створити, використовуючи запропоновані математичні моделі, автоматизовану підсистему дослідження вентильних реактивних двигунів з буферами енергії. Підсистема дає можливість досліджувати час і характер розгону двигуна, перехідні процеси при накиданні та скиданні навантаження, вплив параметрів ЕМП та електронного комутатора на величину пульсацій електромагнітного момента, визначати оптимальні значення кута вмикання секцій і інтервалу комутації та вплив їх розкиду на характеристики приводу, уточнювати вибір величини ємності нагромаджувального конденсатора, порівнювати енергетичні та якісні показники ВРД з різними схемами комутатора тощо.

10. Розроблені програмні засоби комп'ютерного симулювання електромеханічних процесів у явнополюсному три - (чотири-, п'яти-, шести-) секційному вентильному реактивному двигуні з послідовними або паралельними буферами енергії дозволяють вивчати усталені й динамічні процеси, оптимізувати параметри електромеханічного перетворювача та електронного комутатора, виявляти вплив окремих параметрів на процеси в двигуні й оцінювати взаємні впливи електромеханічного перетворювача і комутатора.

11. Експериментальні дослідження на дослідних взірцях підтвердили теоретичні прогнози щодо покращення енергетичних характеристик вентильних реактивних двигунів застосуванням буферів енергії в схемах їх комутаторів. Так ВРД з послідовними буферами енергії мають в (1.2 -1.3) рази вищий коефіцієнт віддачі і в (1.6 - 1.7) рази краще використання активного об'єму порівняно зі схемою півмостового комутатора. Експериментально доказана працездатність всіх запропонованих схем комутаторів з буферами енергії. Найвищі енергетичні показники має комутатор з послідовними ємнісними буферами енергії, найнижчі - комутатор з паралельним буфером й спільним колом підживлення.

12. Порівняння результатів експериментальних досліджень та розрахунків з допомогою математичної моделі для середніх значень статичних характеристик вентильного реактивного двигуна з буферами енергії показало, що відхилення лежать в межах (5 - 7)% і свідчать про достатньо високий степінь адекватності моделі до фізичного взірця. Ще точніше розраховувати статичні характеристики ВРД з буферами енергії дозволяють математичні моделі для миттєвих значень, де відхилення між експериментальними та розрахунковими значеннями залежать, переважно, від точності розрахунку коефіцієнтів апроксимації кривих намагнічення магнітопровода ЕМП та опору, який еквівалентує втрати в сталі, і в кожному окремому випадку може знаходитись в межах (2 - 4)%. Експериментальні дослідження підтвердили правильність вихідних положень, узагальнень, адекватність математичних моделей і теоретичних висновків.

13. Вентильний реактивний двигун з паралельним буфером енергії при відповідному виборі величини ємності нагромаджувального конденсатора забезпечує відсутність пульсацій струму живлення, що дозволяє застосовувати їх в пристроях разом з радіоелектронною апаратурою.

14. Проведеними за допомогою комп'ютерного симулювання дослідженнями установлено, що вентильний реактивний двигун з буферами енергії створює електромагнітний момент зі значним рівнем пульсацій, які найбільше залежать від кількості секцій якірної обмотки, а також від кута вмикання та інтервала їх комутації. Аналіз впливу довжини повітряного проміжку на характеристики ВРД зі сталими геометричними розмірами та обмотковими даними показує, що збільшення довжини повітряного проміжку зумовлює незначне збільшення втрат в міді і в комутаторі та замітне зменшення втрат в сталі. Збільшення кута вмикання секцій ? приводить до зменшення коефіцієнта віддачі ВРД з буферами енергії. Також погіршуються всі інші показники, за винятком, хіба що максимальних значень струму секції та напруги на конденсаторі при пуску. Інтервал комутації секції ??не значно впливає на енергетичні показники вентильного реактивного двигуна. Нагромаджувальний конденсатор в пропонованих вентильних реактивних двигунах відіграє потрійну роль: служить буфером енергії, яка нагромаджується в магнітному полі ЕМП, обмежує перенапругу на силових ключах комутатора до рівня допустимої при їх вимиканні та зменшує динамічні втрати на перемикання транзисторних ключів.

15. Дослідження регулювання частоти обертання ВРД шляхом зміни величини підведеної напруги показує, що з енергетичної точки зору воно є ефективним. Збільшення напруги живлення приводить до зростання швидкості обертання, коефіцієнт віддачі при цьому також зростає. Швидко зростають втрати в сталі, втрати в міді зростають повільно. Коефіцієнт віддачі приймає максимальне значення, коли втрати в міді дорівнюють втратам в сталі. Регулювальна характеристика ВРД з буферами енергії лінійна в широкому діапазоні регулювання.

16. Дослідженнях широтно-фазового способу регулювання методами комп'ютерного симулювання показало, що жорсткість штучної механічної характеристики значно більша від жорсткості природньої характеристики, середнє значення струму живлення пропорційне моменту навантаження, при цьому максимальне значення струму транзисторного ключа залишається майже сталим.

17. Автоматизована підсистема дослідження вентильних реактивних двигунів з буферами енергії дозволяє проводити різносторонні дослідження конкретних ВРД з метою удосконалення їх конструкції, вибору оптимальних параметрів комутації струму в секціях двигуна для отримання необхідних характеристик електропривода.

18. Розроблені в дисертації науково-обгрунтовані технічні рішення реалізовані в конструкторських розробках двигунів для приводу позиціонера антени сателітарного телебачення, вентилятора опалювальної установки, мотор-коліс господарського мінікомплекса «Майстер-А», роторів медичних центрифуг тощо й впроваджені на підприємствах України.

Публікації за темою дисертації

1. Ткачук В. Підсистема автоматизованого дослідження вентильних реактивних двигунів // Технічна електродинаміка. Спец. випуск. Київ, 1998. - С. 180 - 187.

2. Ткачук В.І. Вентильний реактивний двигун з ємнісним накопичувачем енергії // Електромашинобудування та електрообладнання. №52. Київ, 1999. - С. 82 - 88.

3. Ткачук В.І. Вентильний реактивний двигун та його математична модель // Теоретична електротехніка. №54. Львів, 1998. - С. 121 - 127.

4. Ткачук В.І. Електропривод на базі вентильного реактивного двигуна з ємнісним накопичувачем енергії // Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика. Вестник ХГПУ. Спец. выпуск. - Харьков. - 1997. - С. 209 - 210.

5. Осідач Ю.В., Ткачук В.І. Порівняльний аналіз електромагнітного момента колекторного і вентильного реактивного двигунів постійного струму // Електромеханіка. Теорія і практика. Праці НТК, присвяченої 100-річчю від дня народження Тихона Губенка. Львів-Славськ, 1996. С. 140 - 142.

6. Ткачук В.І. Ємнісний накопичувач енергії у вентильному реактивному двигуні // Електроенергетичні та електромеханічні системи. Вісник ДУ «Львівська політехніка». №334. Львів, 1997. - с. 125 - 131.

7. Осідач Ю.В., Ткачук В.І., Макарчук О.В. Особливості роботи й основні характеристики вентильного двигуна з зосередженими обмотками якоря // Електроенергетичні та електромеханічні системи. Вісник ДУ «Львівська політехніка». №347. - Львів, 1998. - С. 124 - 130.

8. Осідач Ю.В., Ткачук В.І. Основи проектування вентильних реактивних двигунів // Електромеханіка. Теорія і практика. Праці НТК, присвяченої 100-річчю від дня народження Т. Губенка. Львів-Славськ, 1996. - С. 143 - 145.

9. Ткачук В.І., Осідач Ю.В. Транзисторні комутатори з ємнісними накопичувачами енергії // Електроенергетичні та електромеханічні системи. Вісник ДУ «Львівська політехніка». №301. Львів, 1996. - С. 115 - 122.

10. Ткачук В.І. Широтно-фазовий спосіб регулювання частоти обертання електроприводів на базі вентильних двигунів // Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика. Вестник ХГПУ, спец. выпуск. Харків, 1998. - С. 185-186.

11. В. Ткачук. Теорія створення електромагнітного моменту у вентильному реактивному двигуні // Електромеханіка. Теорія і практика: Праці НТК, присвяченої 100-річчю від дня народження Т. Губенка. Львів, 1996. - С. 173 -176.

12. В.І. Ткачук, Ю.В. Осідач. Математичне моделювання електромеханічних процесів в електроприводі з вентильним реактивним двигуном // Електроенергетичні та електромеханічні системи. Вісник ДУ «Львівська політехніка».. №288. Львів, 1995. - С. 83 - 90.

13. Ткачук В.І. Математична модель вентильного реактивного двигуна для середніх значень // Електроенергетичні та електромеханічні системи. Вісник ДУ «Львівська політехніка». №301. Львів, 1997. - С. 106 - 115.

14. Ткачук В.І. Моделювання електромеханічних процесів у вентильному реактивному двигуні // Праці 4-ої Української конференції з автоматичного керування «Автоматика - 97». - Черкаси: Інженерно-технічний ін-т. - 1997. - С. 51.

15. Ткачук В.И. Расчет статических характеристик вентильного реактивного двигателя // Електромашинобудування та електрообладнання. №51. Київ, 1998. - С. 63-67.

16. Ткачук В., Осідач Ю. Статор електромеханічного перетворювача вентильного мотора // Електроенергетичні та електромеханічні системи. Вісник ДУ «Львівська політехніка».. №288. Львів, 1997. - С. 131 - 134.

17. Ткачук В. Обчислення магнітної провідності повітряного зазору електромеханічного перетворювача з пасивним вторинним елементом // Електроенергетичні та електромеханічні системи. Вісник ДУ «Львівська політехніка».. №288. Львів, 1997. С. 125 - 130.

18. Ткачук В. Підсистема комп'ютерного діалогового проектування вентильних реактивних двигунів // Електроенергетичні та електромеханічні системи. Вісник ДУ «Львівська політехніка». №340. Львів, 1997. - С. 112 - 121.

19. В. Ткачук. Статичний момент електромеханічних перетворювачів з пасивними роторами // Електромеханіка. Теорія і практика: Праці НТК, присвяченої 100-річчю від дня Т. Губенка. Львів, 1996. 177-180 с.

20. Ткачук В. Комп'ютерне симулювання електромеханічних процесів у вентильному реактивному двигуні // Праці 3-ої Української конференції з автоматичного керування «Автоматика - 96». - Севастополь: СевДТУ. - 1996. - С. 115 - 116.

21. Ткачук В.І. Математичне моделювання електромеханічних процесів в електроприводах на базі вентильного реактивного двигуна // Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика. Вестник ХГПУ. Спец. выпуск. - Харьков. - 1997. - С. 137 - 138.

22. Ткачук В.І. Вентильний двигун з пасивним ротором та його математична модель // Праці 5-ої Української конференції з автоматичного керування «Автоматика - 98». Ч. 3. Вісник КПІ. Спец. випуск. - Київ: НУ «КПІ». - 1998. - С. 304 - 309.

23. Осидач Ю.В., Ткачук В.И. Электромагнитный момент реактивного двигателя при однополярном возбуждении обмоток с учетом насыщения // Электромашиностроение и электрооборудование. №40. Київ, 1986. - С. 91 - 95.

24. Осидач Ю.В., Ткачук В.И. Численная модель ВРД с ЕНЭ для исследования установившихся и динамических режимов работы электроприводов // Труды 1-ой Всесоюзной НТК по электромеханотронике. - Л.: Изд-во электротехнического ин-та, 1987. - С. 89 - 90.

25. Ткачук В. Комп'ютерне симулювання електромеханічних процесів у вентильному реактивному двигуні // Праці 3-ої Української конференції з автоматичного керування «Автоматика - 96». - Севастополь: СевДТУ. - 1996. - С. 115 - 116.

26. Ткачук В.І., Осідач Ю.В. Математичне моделювання електромеханічних процесів в електроприводі з вентильним реактивним двигуном // Електроенергетичні та електромеханічні системи. Вісник ДУ «Львівська політехніка». №288. Львів, 1997. - С. 83 - 90.

27. Ткачук В.И. Математическая модель вентильного реактивного двигателя // Електромашинобудування та електрообладнання. №50. Київ, 1998. - С. 77 - 82.

28. Ткачук В.І., Осідач Ю.В. Автоматизований електропривод центрифуги крові на базі вентильного двигуна // Праці 3-ої Української конференції з автоматичного керування «Автоматика - 96». - Севастополь: СевДТУ. - 1996. - С. 113 - 114.

29. Ткачук В.І., Осідач Ю.В. Вентильний електропривод мотор-коліс // Праці 4-ої Української конференції з автоматичного керування «Автоматика - 97». - Черкаси: Інженерно-технічний ін-т. - 1997. - С. 52.

30. Ткачук В. Автоматизована система проектування та дослідження вентильних реактивних електричних моторів // Праці 2-ої Української конференції з автоматичного керування «Автоматика - 95». - Том 3. - Львів: НТЦ «ІТІС». - 1995. - С. 124.

31. А. с. 1569934 СССР, МКИ Н 02 К 29/00. Вентильный электродвигатель / Осидач Ю.В., Ткачук В.И. (CCCP). - №4394814/24-07; Заявлено 21.03.88. Опубл. 07.06.90. Бюл. №21. - 3 с.

32. А. с. 1810940 СССР, МКИ Н 01 Q 3/04. Механизм ориентирования антенны / Чайковский Р.И., Тимощук Э.З., Литинский З.М., Осидач Ю.В., Ткачук В.И., Параил В.И., Землянский В.Ф. (CCCP). - №4946495/09; Заявлено 17.06.91. Опубл. 23.04.93. Бюл. №15. - 7 с.

33. А. с. 1561162 СССР, МКИ Н 02 К 29/00. Вентильный m-фазный электродвигатель / Осидач Ю.В., Ткачук В.И. (CCCP). - №4394816/24-07; Заявлено 21.03.88. Опубл. 30.04.90. Бюл. №16. - 3 с.

34. Пат. 18440 Україна, МКІ Н 02 К 29/06. Датчик положення ротора вентильного двигуна / Літинський З.М., Ткачук В.І., Осідач Ю.В., Чайковський Р.І. (Україна). - №95321145; Заявл. 29.10.93. Опубл. 25.12.97. Бюл. №6. - 3 с.

35. Пат. 19828 Україна, МКІ Н 01 Q 3/04. Механізм орієнтування антени / Чайковський Р.І., Тимощук Е.З., Літинський З.М., Осідач Ю.В., Ткачук В.І., Параїл В.І., Землянський В.Ф. (Україна). - №95321146; Заявл. 29.10.93. Опубл. 25.12.97. Бюл. №6. - 7 с.

36. Ткачук В., Осідач Ю. Математична модель вентильного реактивного двигуна з послідовним ємнісним нагромаджувачем // Тези доповідей Міжнародної НТК «Математичне моделювання в електротехніці й електроенергетиці». Львів. 1995. - С. 121.

37. Ткачук В. Апроксимація характеристик намагнічення при моделюванні електромеханічних процесів у вентильному реактивному двигуні // Тези доповідей Міжнародної наукової конференції присвяченої 150-річчю від дня народження видатного українського фізика і електротехніка Івана Пулюя. - Львів. - 1995. - С. 275 - 276.

38. Осидач Ю.В., Ткачук В.И. Ускорение переходных процессов в синхронном реактивном двигателе // Тезисы докладов 5-ой Всесоюзной НТК «Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов». - Ч. 2 - Каунас: Изд-во Каунасского политехн. ин-та, 1988. - С. 56 - 57.

Размещено на Allbest.ru