Расчет и наладка коммутации машин постоянного тока на основе новых инструментальных средств моделирования и управления

Актуальность темы

Коммутационная проблема сохраняется со дня изобретения щеточно-коллекторного узла до настоящего времени, о чем свидетельствуют рассмотренные в диссертации 11 отечественных монографий [1−11]. Первые десять монографий были опубликованы в течение полувека, но рассматриваемые в них подходы к расчету и анализу коммутационных процессов не претерпевали принципиальных изменений.

Основные принципы к управлению коммутацией были предложены ранее в работах И. Б. Битюцкого [11]. Предлагаемая работа является развитием этого подхода и содержит ряд дополнений и уточнений, а также некоторые результаты экспериментальной проверки.

Качество коммутации коллекторных машин постоянного тока является одним из основных факторов, определяющим допустимые режимы работы машины, ее эксплуатационную надежность, предельную мощность в одноякорном исполнении, диапазон регулирования и ряд других характеристик. В то же время именно щеточно-коллекторный узел, несмотря на известные недостатки скользящего контакта, является весьма совершенным механическим преобразователем частоты и обеспечивает высокие регулировочные свойства генераторов и двигателей постоянного тока.

Коммутационную напряженность машин постоянного тока принято характеризовать допустимым межламельным напряжением и величиной реактивной ЭДС. Ограничения, связанные с первым фактором преодолеваются применением двухи даже трехходовых якорных обмоток [12]. При рассмотрении второго фактора озабоченность вызывает не столько величина этой ЭДС, сколько неопределенность ее методов расчета. Существующие подходы к расчету коммутации, основанные на методах теории цепей с сосредоточенными параметрами, дают либо средние значения результирующей реактивной ЭДС, либо физически нереальные ступенчатые изменения реактивного поля во времени. При таких исходных данных нельзя гарантировать правильность выбора коммутирующего поля и сорта щёток для удовлетворительной настройки коммутационного тракта, и после расчета машины требуется ее длительная наладка на испытательном стенде, не всегда приводящая к приемлемым результатам.

Бурное развитие ЭВМ не внесло в теорию и практику коммутации никаких принципиальных изменений, так как в компьютерные программы закладывались математические модели, не обеспечивающие удовлетворительной точности. В результате, математическое описание коммутационных процессов сильно отстает от современного уровня развития программного обеспечения ЭВМ.

Применение дополнительных (Г.Н. Петров) или добавочных (М.П. Костен-ко, JI. М. Пиотровский) полюсов по-прежнему является важнейшим способом улучшения коммутационных способностей крупных машин постоянного тока. Мы будем называть эти полюсы коммутирующими в полном соответствии с их назначением, как это принято в зарубежной литературе (commutating poles — англ., wendepolen — нем.).

В настоящее время традиционная система последовательного включения коммутирующих полюсов в цепь якоря, реагирующая лишь на произведение скорости вращения и тока якоря, свои возможности исчерпала. Важнейшие факторы (влияние поля главных полюсов, действие коммутационных вихревых токов, нелинейность магнитной цепи коммутирующих полюсов, трансформаторная ЭДС, связанная с изменением основного поля), возникающие при эксплуатации машин постоянного тока, давно побуждали к автоматическому регулированию потока коммутирующих полюсов для улучшения коммутации в рабочем диапазоне нагрузок. Однако, коммутирующий поток — величина интегральная. Поэтому оптимизация его уровня привязана лишь к средним значениям факторов, определяющих качество коммутации. В то же время небалансная ЭДС коммутируемых секций крупных машин даже в номинальных режимах достигает таких величин, что искрение становится неизбежным (иногда даже в режиме холостого хода [13]). В результате, накопилось большое количество схемных решений, стремящихся улучшить коммутационные способности машины, но, тем не менее, в них никак не отразилось стремительное развитие микропроцессорных систем управления [14−18].

Таким образом, принципиальное решение задачи удовлетворительной коммутации следует искать на пути минимизации небалансной ЭДС, управляя распределением коммутирующего поля по ширине коммутационной зоны, которая в крупных машинах составляет 5−7 см.

Тематика работы соответствует разделам «Компьютерное моделирование» и «Мехатронные технологии» Перечня критических технологий РФ (Приказ министерства промышленности, науки и техники РФ № 578 от 30 марта 2002 года) и научному направлению Липецкого государственного технического университета «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы».

Объектом исследования является совокупность устройств, управляющих электродинамическими процессами в коммутационной зоне коллекторных машин постоянного тока.

Целью работы является синтез коммутирующей системы на стадии проектирования крупных машин постоянного тока, обеспечивающий оптимально ускоренный закон изменения тока в короткозамкнутых секциях, при котором облегчается работа щеточно-коллекторного узла.

Это достигается применением усовершенствованных математических моделей в компьютерном проектировании коммутации, использованием новых решений формирования очертаний коммутирующих полюсов, разработкой новых эффективных алгоритмов управления и реализацией этих алгоритмов на основе микроконтроллеров.

В ходе решения поставленных задач были применены следующие методы исследования: > методы теории электрических машинметоды теории математической физики (теория электромагнитного поля, гармонический анализ и синтез, регрессионный анализ, конформные преобразования) — методы теории автоматического управленияэксперименты на физической модели — для подтверждения достоверности моделей компьютерных и эффективности разработанных алгоритмов управления.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем: усовершенствованы математические модели синтеза и расчета распределения реактивного поля по ширине коммутационной зоны на основе теории электромагнитного поля и гармонического анализа с целью достижения заданного результатаосуществлена алгоритмизация управления принципиально новой коммутирующей системой путем минимизации небалансной ЭДС методами гармонического анализа и наименьших квадратов, что позволяет ограничивать величину небалансной ЭДС короткозамкнутых секций до приемлемого уровня во всем диапазоне эксплуатационных режимовусовершенствована компьютерная реализация комплекса инструментальных средств оценки коммутационных качеств машин постоянного тока на этапе их проектированияразработана новая методика поиска рациональной геометрии наконечников коммутирующих полюсов для более эффективной компенсации суммы реактивного и основного полей по ширине коммутационной зонына физической модели системы возбуждения несимметричных коммутирующих полюсов с микропроцессорным управлением впервые экспериментально доказаны преимущества новых подходов к управлению коммутационными процессами.

Перечисленные результаты исследований выносятся на защиту.

Практическая значимость работы заключается в следующем разработаны программы для ЭВМ TCoRV2002 RCoRV2002 позволяющие рассчитывать результирующую реактивную ЭДС на этапе проектирования машины постоянного тока для тангенциального и радиального расположения проводников обмотки в пазу якоря. В этих программах предусмотрен расчет мощности потерь в якорной обмотке с учетом коммутационных вихревых токов, на основании которого при проектировании активного слоя якоря машины можно принять решение о целесообразности расслоения проводников паза по высоте. создана программа для ЭВМ CAE 2003 позволяющая проводить на этапе проектирования машин постоянного тока анализ их коммутационных качеств во всем диапазоне эксплуатационных режимоввпервые реализован вариант управления автоматической системы независимого возбуждения несимметричных коммутирующих полюсов на базе микропроцессора, который может быть усовершенствован в реальных объектах учетом ряда факторов, определяющих качество коммутации.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанное программное обеспечение внедрено: в учебный процесс кафедры «Электропривода» Липецкого государственного технического университета при курсовом и дипломном проектировании студентами специальности 180 400 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов" — в учебный процесс кафедры «Электрические машины» Санкт-Петербургского политехнического университета при курсовом и дипломном проектировании студентами специальности 180 100 «Электромеханика»;

Результаты внедрения подтверждаются соответствующими актами.

Апробация работы. Основные положения научной работы были доложены и обсуждены: на 9-й международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», г. Москва, МЭИ, 4−5 марта 2003 г. на 4-й международной научно-технической конференции «Компьютерное моделирование 2003», г. Санкт-Петербург, СПбГТУ, 24−28 июня 2003 г. на 8-й всероссийской научно-технической конференции «Современные тенденции в развитии и конструировании коллекторных и других электромеханических преобразователей энергии», г. Омск, ОмГУПС, 28−31 октября 2003 г.

Публикации. Основное содержание работы отражено в 10 печатных работах: в пяти научных статьях и в тезисах докладов на двух научных конференцияхна три компьютерные программы, предназначенные для оценки коммутационных способностей машин постоянного тока на этапе их проектирования, получены свидетельства о регистрации программ для ЭВМ (РОСПАТЕНТ). Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, библиографического списка из 88 наименований и трех приложений. Общий объем работы составляет 139 страниц. Основная часть диссертации изложена на 102 страницах компьютерного текста. Работа содержит 103 рисунка и 4 таблицы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Усовершенствованы и реализованы на компьютере (TCoRV 2002 RCoRV 2002 ®) математические модели расчета реактивной ЭДС коллекторных машин постоянного тока для различного расположения проводников обмотки в пазах якоря на основе методов теории электромагнитного поля и гармонического анализа.

2. Разработан и реализован на компьютере (CAE 2003 ®) усовершенствованный алгоритм формирования коммутирующего поля на основе методов гармонического анализа и наименьших квадратов, позволяющий минимизировать небалансную ЭДС в короткозамкнутых секциях и тем самым облегчать работу щеточно-коллекторного узла в различных эксплуатационных режимах.

3. Предложена методика поиска рациональной геометрии наконечников коммутирующих полюсов при использовании их в новой коммутирующей системе.

4. Разработана и впервые реализована экспериментальная установка для исследования возможностей микропроцессорной системы управления на базе однокристальной микроЭВМ независимым возбуждением несимметричных коммутирующих полюсов.

5. Результаты компьютерного моделирования в части способов управления коммутирующим полем подтверждены экспериментальными исследованиями, что свидетельствует об адекватности изложенных в работе теоретических положений экспериментальным данным.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Обобщив выводы, изложенные в отдельных главах, отметим в заключении основные результаты работы: