АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 7
1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫХ
ДВИГАТЕЛЕЙ 10
1.1 Принцип действия вентильно-индукторных двигателей 10
1.2 Номинальные параметры и основные характеристики ВИД 18
1.3 Математическое описание индукторной машины как объекта
управления 19
2 ИМИТАЦИОННАЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВИД
КАК ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ 24
2.1 Построение имитационной электромеханической модели ВИД 24
2.2 Проверка адекватности имитационной модели ВИД 35
3 ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ВЕНТИЛЬНО¬
ИНДУКТОРНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА 68
3.1 Система управления ВИЭП 68
3.2 Синтез регулятора скорости 69
3.3 Программа расчета коэффициентов ПИД-регулятора 73
4 ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВИЭП 76
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 78
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 80
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 81
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ А Схемы и чертежи 90
Вентильно-индукторные электроприводы (ВИЭП), построенные на основе вентильно-индукторных двигателей (ВИД), являются актуальным объектом изучения, так как имеют широкие перспективы применения в промышленности. Среди основных достоинств вентильно-индукторного электропривода (ВИЭП) следует выделить в первую очередь простоту, технологичность, относительно невысокую стоимость и широкие регулировочные возможности.
Первые упоминания о новом типе электрической машины с переменным магнитным сопротивлением (в англоязычном варианте - SRM (Switched Reluctance Motor) и электрического привода на ее основе - SRD (SR Drive) появились в начале 80-х годов XX века в иностранной научно-технической литературе.
Создателем силового вентильного электропривода является профессор П. Лоуренсон (Лидс, Великобритания). Его первые работы, демонстрирующие преимущества SRD, послужили стартом для дальнейших разработок и публикаций на данную тему. Часть материалов структурирована и изложена в монографии под редакцией Т. Миллера [1-5].
Иностранные исследователи и российские специалисты считают применение автоматизированного ВИЭП эффективным решением в следующих отраслях промышленности: современное автомобилестроение, бульдозеры, экскаваторные электроприводы, медицинское оборудование, бытовая техника, робототехника, металлургия и аэрокосмическая промышленность.
В настоящее время разработкой и внедрением автоматизированных ВИЭП занимаются ведущие зарубежные электротехнические фирмы, например, Oulton (Великобритания), TRW, DANA, Emerson Electric, General Electric Corporation, (США).
В России развитие вентильно-индукторного электропривода было начато профессором Н.Ф. Ильинским в 1995 году.
В Московском энергетическом институте под руководством Н.Ф. Ильинского проводились регулярные исследования и разработки ВИЭП, соответствующие мировому опыту [6].
Серийный выпуск отечественных вентильно-индукторных электроприводов осуществляет НПП «ЭМЕТРОН» (г. Новочеркасск), ООО НПО «Резонанс» активно внедряет ВИЭП в свои проекты в Челябинске.
В.Г. Фисенко и А.Н. Поповым был предложен алгоритм эскизного проектирование вентильно-индукторного двигателя с точки зрения теории машин, предполагающий достаточно громоздкие и сложные расчеты в программе MathCad. Ю.А. Голландцевым был разработан алгоритм проектирования ВИД, не позволяющий представить двигатель в виде модели «вход -выход», что в свою очередь делает невозможным построение системы управления. М.Г. Бычковым и А.Б. Красовским были предложены имитационные модели ВИЭП, главным недостатком которых также является неспособность решать задачи анализа и синтеза [7-9].
Выявлено также, что в ранее разработанных программных комплексах проектирования автоматизированных ВИЭП в среде MATLAB нет инвариантности по отношению к числу зубцов статора и ротора двигателя, что делает их не достаточно универсальными в применении на практике. Проектирование ВИЭП в программе ANSYS Maxwell аналогично вызывает затруднения из-за отсутствия встроенных блоков управления и сравнительно низкого быстродействия.
Изучение материалов по проектированию автоматизированных ВИЭП показало, что этот вопрос не достаточно проработан и является актуальным. В качестве среды проектирования была выбрана программа solidThinking Embed (Vissim), которая отвечает требуемым критериям инвариантности, быстродействия, наглядности вычислений и возможности построения моделей «вход-выход».
Объект исследования выпускной квалификационной работы
автоматизированный вентильно-индукторный электропривод.
Цель выпускной квалификационной работы - разработка программного комплекса проектирования автоматизированных скоростных четырехфазных вентильно-индукторных электроприводов.
Задачи выпускной квалификационной работы:
• построение имитационной математической модели четырехфазного вентильно-индукторного двигателя как объекта управления с произвольным сочетанием полюсов статора и ротора в среде solidThinking Embed (Vissim) с учетом схемотехники двигателя и его свойств;
• проверка адекватности имитационной модели вентильно-индукторного двигателя с использованием программы ANSYS Maxwell;
• разработка методики синтеза регулятора скорости для системы управления автоматизированным ВИЭП;
• разработка программы расчета коэффициентов ПИД -регулятора;
• опубликование результатов работы с цитированием в наукометрической базе данных.
Результатом выполнения выпускной квалификационной работы является программный комплекс проектирования четырехфазных автоматизированных вентильно-индукторных электроприводов, разработанный в соответствии со всеми требованиями технического задания.
Программный комплекс проектирования ВИЭП включает в себя:
• математическое описание индукторной машины как объекта управления;
• имитационную модель управляемого вентильно-индукторного двигателя в среде solidThinking Embed (Vissim), прошедшую проверку адекватности;
• методику синтеза регулятора скорости СУ ВИЭП;
• программу расчета коэффициентов передаточных функций в среде solidThinking Embed (Vissim).
Имитационная модель управляемого ВИД является:
• адекватной, что позволяет использовать модель на практике;
• инвариантной по отношению к числу зубцов статора и ротора, что позволяет использовать ее для работы с двигателями любой конфигурации и с любым числом фаз;
• гибкой, что позволяет задавать требуемые параметры ВИД, в соответствии с
условиями технического задания, а именно: момент инерции, фазное
сопротивление, сопротивление источника напряжения, индуктивность катушек, момент нагрузки и напряжение источника;
• блочной, что делает модель наглядной, простой в использовании и свободно видоизменяемой.
Имитационная динамическая модель управляемого ВИД разработана с использованием структуры «вход-выход», что позволяет использовать ее для анализа и синтеза замкнутых вентильно-индукторных электроприводов.
Адекватность модели была доказана в процессе проведения сравнительного анализа полученных характеристик двигателя в программе ANSYS Maxwell.
На основе проделанной работы были опубликованы научные статьи при участии в научно-исследовательских конференциях:
• «Моделирование вентильного коммутатора вентильно-индукторного
двигателя в Vissim» в рамках VIII-ой Международной научно-практической конференции под названием «Актуальные направления научных исследований: от теории к практике» при организации Центра Научного Сотрудничества «Интерактив +» с цитированием в наукометрической базе данных РИНЦ;
• «Imitating Dynamic Input-Output Model Of Control Switched-Reluctance
Motors» IEEE Xplore, с цитированием в наукометрической базе данных Scopus, в рамках мероприятия «2018 Internetional Russian Automation Conference
(RusAutoCon)».
