ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ "ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА"

Ткачук Василь Іванович

УДК 621.313.132.12

ЯВНОПОЛЮСНІ ВЕНТИЛЬНІ РЕАКТИВНІ ДВИГУНИ З БУФЕРАМИ ЕНЕРГІЇ

Спеціальність: 05.09.01 - електричні машини та апарати

А в т о р е ф е р а т

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Л ь в і в 1 9 9 9

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі "Електричні машини та апарати"

Державного університету "Львівська політехніка".

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Повстень Віктор Олександрович, Київський міжнародний університет цивільної авіації Міністерства освіти України, завідувач кафедри електромеханіки;

доктор технічних наук, доцент Шинкаренко Василь Федорович, Національний технічний університет "Київський політехнічний інститут" Міністерства освіти України, в. о. завідувача кафедри електромеханіки;

доктор технічних наук, професор Плахтина Омелян Григорович, Державний університет "Львівська політехніка" Міністерства освіти України, професор кафедри електроприводу та автоматизації промислових установок.

Провідна установа - Інститут електродинаміки НАН України, відділ електромеханічних систем.

Захист відбудеться "_26_" листопада 1999 р. о 11 годині

на засіданні спеціалізованої вченої ради № Д35.052.02

у Державному університеті "Львівська політехніка"

за адресою: 290013, Львів, вул. Ст. Бандери, 12, ауд. 114 г.к.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Державного університету "Львівська політехніка".

Автореферат розісланий "_19_" жовтня 1999 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

канд. техн. наук, доц. В.І.Коруд

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Економне і раціональне використання матері-альних та трудових ресурсів у галузі електромашино-буду-вання тісно пов'я-зано з подальшим під-ви-щенням ефективності розробок електричних машин, покращенням їх якості, під-ви-щенням технологічності виготовлення та довго-вічності, зниженням собівар-тості. Одним з перспективних шляхів вирішення таких проблем є застосування вентильних машин постійного струму.

Найбільше розповсюдження отримали вентильні двигуни (ВД) малої потужності з транзисторними комутаторами зі збудженням від постійних маг-нітів (ПМ) і дава-ча-ми положення ротора (ДПР) різноманітного типу. Це зумовлено тим, що застосу-вання транзисторів дозволяє найпростіше вирішу-вати цілий ряд склад-них задач керування за заданим законом зміни напруги, струму, моменту, частоти обертання і забезпечує високу комута-ційну стій-кість. Досвід виробництва й експлу-а--тації двигунів цього типу підтвердив їх високі споживчі власти-вості, а в умовах масового виробництва довів еконо-мічну доцільність викори-стання в малопотужних приводах широкого вжитку. Проте, ВД з ПМ на обертовій частині машини властиві такі недоліки, як складність конструкції й технології виготовлення, підвищена вартість.

Одним з найпростiших за конструк-цiєю, технологiчним i надiй-ним є електроме-ха-нічний перетворювач (ЕМП) з явнополюсним статором, зосередже-ними ко-туш-ками його обмотки та зуб-частим пасивним ротором. Та-кий ЕМП є простiшим, дешев-шим i технологiчнiшим нiж найпростiшi з елек-трич-них машин - асинхроннi, а ВД на його основi за регулювальними власти-востями не поступаються колекторним двигунам постiйного струму.

Однак використання таких ЕМП разом з відомими схемами електронних комутаторів (ЕК) стримує їх розвиток через низькі енергетичні показники, внаслідок того, що енергія, яка нагромаджується в магнітному полі обмотки якоря, на кожному періоді комутації розсіюється на елементах захисту силових ключів ЕК і не приймає участі в електромеханічному перетворенні.

Значно покращити використання ВД з пасивним ротором (вентильного реактив-ного двигуна - ВРД) можна, якщо енергію магнітного поля при вимиканні секції нагромаджувати в реактив-ному елементі, наприклад, в конденсаторі (буфері енергії), а потім використа-ти її для форсованного вмикання наступної секції. Це забезпечує економічні показники ВРД на рівні показників ВД зі збудженням від ПМ. При цьому значно зменшуються динамічні втрати на перемикання тран-зисторних силових ключів і підвищуються динамічні властивості двигуна.

Нові конструкції енергетичної та інформаційної частин ВРД, нові принципові електричні схеми ЕК з буфера-ми (ємнісними нагро-маджувачами) енергії забезпе-чують конкурентно-здат-ність ВД постійного струму з пасивним ротором з іншими ти-пами електри-чних машин малої потужності. При цьому перед розробни-ками повстає ряд науково-технічних проблем, таких як: розроблення інженерної методики опти--мального проектування ВД з пасивним ротором і буфером енергії, ство-рення мате-ма-тичних моделей ВРД, які давали б змогу досліджувати динаміч-ні та квазіусталені режими роботи, вибирати опти-мальні параметри комутації і елементи силових клю-чів ЕК, досліджувати способи керування ВД; розроб-лення і вибір принципової елек-тричної схеми ЕК, яка підвищує енергетичні показники ВД; вибір конструктивної схеми ЕМП, яка б забезпечувала най-більш сприятливий режим роботи ЕК з буфера-ми енергії, зниження матері-ало-ємності та покращення технологіч-ності; констру-ювання первинного дава-ча положення ротора на базі матеріалів, які застосовані для побудови ЕМП, що покращує технологію виготовлення ВД в цілому й здешевлює його; розроблення електронної схеми формування керувальних сигналів ДПР.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота безпо-се-редньо пов'язана з виконанням держбюджетних програм за № 193 та № 005866 Держ-комітету України з науки і техніки та госпдоговірних робіт з устано-вами та під-при-ємствами України: Львівським науково-дослідним радіо-технічним інститутом - договір № 5320 "Електропривід позиціонера антени сателітарного теле-бачення" (автор - відповідальний виконавець); Львівським заводом "Біофізприлад" - договір № 5633 "Електропривід ротора лабораторної рефрижераторної центрифуги крові" (нау-ковий керівник); КБ "Південне" (м. Дніпро-петровськ) - договір № 5875 "Розроблення вентильних двигунів і системи керування для приводу мотор-коліс міні-комплекса "Майстер-А" (науковий керівник); Науково-виробничим акціонерним това-рист-вом "Плесо" (м. Дрогобич) - "Розроблення вентильного двигуна для при-воду вентилятора опалювальної установки" (науковий керівник); Науково-виробничим об'єднанням "Укрполімед" (м. Київ) - договір № 17/1538/6502A "Розроблення вентильного двигуна для приводу настільної центрифуги крові" (науковий керівник).

Мета і задачі дослідження. Актуальність тематики зумовлює головну мету роботи - розвиток і узагальнення теорії електромеха-нічного перетво-рення енергії у вентильному двигуні з пасивним ротором, явнополюсним статором та буферами енергії для створення методології їх проектування та математичного дослідження. З практичної точки зору метою роботи є удоско-налення існуючих та створення нових конструкцій електромеханічних пере-тво-рю-вачів ВД з пасивним ротором, первинних давачів положення ротора та принципових електричних схем силових комутаторів і формувачів керувальних сигналів.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати такі задачі:

створити теоретичну базу та методологію проектування ВРД з буфера-ми енергії; побудувати алгоритми й створити підсистему автоматизованого інтерак-тив-ного проектування таких двигунів; створити математичну модель ВРД з буферами енергії для дослідження усталених режимів роботи електропривода та розрахунку статичних характеристик;

створити теоретичну базу для побудови та побудувати нелінійні математичні моделі ВРД з буферами енергії для дослідження динамічних та квазіусталених режимів роботи, побудувати алгоритми й створити підсистему автоматизованого дослідження електроприво-да на їх базі;

розробити нові конструктивні схеми електромеханічних перетво-рювачів ВД з пасивними роторами і явнополюсними стато-рами, які б забезпечували магнітну ізоляцію секцій для підвищення надійності роботи комутатора та точності позиціювання в старт-стопному режимі роботи, а також нові конструкції первинного ДПР з малим аксіальним розміром і з використання матеріалів, які застосовуються для виготовлення силової енергетичної частини вентильного двигуна;

розробити нові принципові електричні схеми використання запасеної в магніт-ному полі ВРД енергії для форсування струму при вмиканні секцій, захисту силових клю-чів ЕК від перенапруг та зменшення динамічних втрат на їх перемикання, а також нову принципову електричну схему формування дискретних сигналів ДПР з високими кратністю та крутизною;

провести математичне дослідження режимів роботи та характеристик ВРД з буферами енергії та виробити рекомен-да-ції для вибору оптимальних значень пара-мет-рів комутації, геометричних спів--відношень ЕМП, величини ємності нагромаджу-вального конденсатора тощо.

Наукова новизна одержаних результатів:

створена теоретична база для розрахунку електромагнітного момента й статичних характеристик ВРД з буферами енергії, на основі якої доказана його конкурентноздатність з іншими типами електричних машин в сенсі створення електромагнітного моменту на одиницю об'єму активних частин;

створена теоретична база для побудови та побудовані нелінійні математичні моделі ВРД з буферами енергії для розрахунків динамічних та квазіусталених режимів роботи електропривода на базі цих двигунів;

створена методологія проектування ВРД постійного струму з буферами енергії;

розв'язана задача обчислення й вибору величини ємності нагромаджувального конденсатора;

створена математична модель для розрахунку статичних характеристик вентильного реактивного двигуна з буферами енергії;

створені й реалізовані на персональному комп'ютері математичні моделі венти-льних реактивних двигунів з послідовними й паралельними буферами енергії для дослідження динамічних й квазіусталених режимів роботи електропривода на їх базі;

класифіковані технічні рішення, які удосконалюють конструктив-ні схеми електромеханічного перетворювача ВД з пасивним ротором;

запропоновані нові конструкції первинного давача положення ротора, в тому числі і з малим аксіальним розміром, з використання матеріалів, з яких виготовляється силова частина ВД;

запропонований новий широтно-фазовий спосіб регулювання частоти обертання вентильного двигуна;

в результаті математичних досліджень електроприводу на базі ВРД вироблені рекомендації для проектування ВД, налагодження параметрів комутації, вибору елементів електронного комутатора;

доведена на макетних взірцях адекватність створених математичних моделей ВД.

Практичне значення отриманих результатів:

запропоновані нові, захищені авторськими свідоцтвами, конструктивні схеми явнополюсних ЕМП ВД, які забезпечують магнітну ізоляцію секцій якірної обмотки статора, що підвищує надійність роботи ЕК та точність позиціювання в старт-стопному режимі роботи;

розроблені нові, також захищені авторськими свідоцтвами, ЕК з бу-фе-рами енергії, використання яких підвищує енергетичні показники ВД з па-сив-ними роторами до рівня показників колекторних двигунів постійного струму;

створений новий ДПР з малим аксіальним розміром й використанням таких же матеріалів, з яких виготовляється силова (енергетична) частина ВРД, з великими крутизною й кратністю керувальних сигналів, захищений патентом України;

реалізований новий простий спосіб регулювання частоти обертання ВД, який дозволяє отримувати жорсткіші штучні механічні характеристики, порівняно з природньою, без застосування додаткових силових напівпровідникових елементів;

розроблений і реалізований на персональному комп’ютері пакет програм автоматизованої підсистеми інтерактивного проектування вентильних двигунів постійного струму з пасивними роторами й ємнісними нагромаджувачами енергії;

розроблений і реалізований на персональному комп’ютері пакет програм авто-ма-ти-зованої підсистеми дослідження електроприводів на базі ВРД з буферами енер-гії в динамічних та квазіусталених режимах роботи з отриманням миттєвих значень стру-мів, електромагнітного моменту, частоти обертання, напруг на конденсаторах й силових транзисторах тощо;

вироблені рекомендації для вибору параметрів комутації, величини ємності буфера, елементів ЕК, законів зміни керувальних впливів для формування заданих режимів роботи електроприводу.

Основна практична цінність одержаних результатів полягає в тому, що створено новий дешевий тип системи електропривода малої й середньої потужності з широким діапазоном частоти обертання й електромагнітного моменту , який може застосовуватись в системах автоматики, робототехніки, легкового електро-транспорту, в електропобутовій техніці.

Результати досліджень впроваджені у Львівському науково-дослідному радіо-технічному інституті в розробці ВД для привода позиціонера антени сателітарного телебачення (1990 р.); на Львівському заводі "Біофізприлад" у розробці ВД для при-вода ротора лабораторної рефрижераторної центрифуги крові (1992 р.); в КБ "Південне" у розробці ВД для привода мотор-коліс мінікомплексу "Майстер-А" (1994 р.); у науково-виробничому акціонерному товаристві "Плесо" у розробці вен-тиль-ного двигуна для привода вентилятора опалювальної установки (1995 р.); в науково-дослідному конструктор-ському інституті електронно-вимірювальної та інформаційної техніки (НДКІ ЕЛВІТ) Державного університету "Львівська полі-техніка" у розробці ВД для привода ротора настільної центрифуги крові (1998 р.).

Результати досліджень використовуються автором при читанні лекцій та проведенні лабораторних робіт на кафедрі "Електричні машини та апарати" Державного університету "Львівська політехніка" з нового навчального предмету "Механотроніка".

Особистий внесок здобувача. В дисертаційну роботу включені теоретичні положення й результати, отримані автором особисто. В працях, опуб-лі-кованих у спіавторстві, дисертантові належать: в [5] - проведення роз-ра--хунків і аналіз резуль-та-тів; в [7] - експериментальна перевірка результатів та їх аналіз; в [8, 16] - поста-новка задачі та виведення основних спів-відно-шень; в [9] - висунення ідеї та практич-на реалізація застосування буферів енер-гії в схемах ЕК; в [12, 26, 36, 38, 39] - поста-нов-ка задачі, виведення основ--них співвідношень, розробка алгоритмів та створення комп'ютерних програм; в [23] - виведення формул, проведення розрахунків і аналіз от-ри-ма-них результатів; в [24] - розробка алгоритмів і методів рішення задач, ство-рення комп'ютерних програм, проведення математичних експери-ментів і аналіз отри-маних результатів; в [28, 29] - проведення розрахунків, розробка струк-турних схем та їх практична реалізація; в [31] - запропонував схемні рішення для передачі енергії магнітного поля в секції ВД, які вмикаються; в - [32, 34, 35] - запропонував поєднати ротори енергетичної та інформаційної частин ВРД; в [33] - запропонував шихтувати магнітопровід вздовж машини, що забезпечує зменшення пульсацій момента.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались, обговорювались та отримали позитивний відгук на нас-тупних націо-нальних та міжнародних конференціях та симпозіумах: 1-а Все-союзна НТК з елек-тро-механотроніки, м. Ленін-град, 1987 р.; 5-а Всесоюзна НТК "Динамічні режими роботи електричних машин", м. Каунас, 1988 р.; Всесоюзна науково-технічна нарада "Проблеми керування промис-ло-вими системами", м.Ульянівськ, 1989 р.; Всесоюзний науково-технічний семінар з електроме-ханотроніки, м. Ленін-град, 1989 р.; Всесоюзна -НТК "Сучасні проблеми електромеханіки", м. Москва, 1989 р.; 5-а Всесоюзна НТК "Проблеми перетворю-вальної техніки", м. Чернігів, 1991 р.; 15-ий семінар з основ електротехніки і теорії кіл (SPETO'92), Gliwice-Wislа 1992 р., Польща; Міжнародна наукова конференція "150 років від дня народження Івана Пулюя", м. Львів, 1995 р.; 1-а та 2-а Міжнародні НТК "Математичне моделю-вання в електротехніці й електроенер-ге-тиці", м. Львів, 1995 р. і 1997 р.; 2-а, 3-я, 4-а та 5-а Українські НТК "Автоматика - 95, - 96, - 97, - 98" відповідно м. Львів - 1995 р., м. Севастополь - 1996 р., м. Черкаси - 1997 р., м. Київ - 1998 р.; НТК з міжна-родною участю присв'ячена 100-річчю від дня народження Т. Губенка "Електромеханіка. Теорія і практика", м. Львів, 1996 р.; 3-я НТК "Застосування обчи-слю-вальної техніки в наукових дослідженнях", м. Львів, 1996 р.; НТК "Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія і практика", м. Алушта, 1997 р. та 1998 р.; TCSET'98, Міжнародна НТК "Сучасні проблеми засобів телекомунікацій, комп'ютерної інженерії та підготовки спеціалістів", м. Львів, 1998 р.; 5-а Міжнародна НТК "Дос-від розробки і застосування САПР в мікроелектроніці", с.Славськ, 1999 р.

Окрім цього окремі фрагменти дисертаційної роботи були обговорені на щорічних наукових конференціях професорсько-викладацького складу Львів-ської політехніки в 1987-1999 роках та на семінарах "Моделі та методи ком-п'ютерного аналізу електричних кіл та електромеханічних систем" Наукової Ради НАНУ з комплексних проблем "Наукові основи електроенергетики” в 1998 та 1999 роках.

Публікації. Основний зміст дисертації відображено в 56 публікаціях, із них 18 статей в наукових фахових виданнях, 16 статей та 15 тез доповідей в матеріалах Міжнародних, Всесоюзних та Державних конференцій та семіна-рів, 3 авторські свідоцтва СРСР та 2 патенти України на винаходи, 2 депоно-вані статті. З загальної кількості публікацій написано без співавторів - 24.

Структура й обсяг роботи. Дисертацію викладено на 395 сторінках, з них 279 сторінок основного тексту. Вона складається зі вступу, семи розділів, висновків, списку використаних джерел (199 найменувань), включає 135 рисунків, 12 таблиць, 6 додатків на 121 сторінці.

СТРУКТУРА Й ОГЛЯД ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обгрунтована необхідність проведення досліджень, сформульовані мета і задачі досліджень, дана анотація наукових результатів, отриманих автором, наведені дані про практичне значення результатів роботи, апробацію і публікації.

В першому розділі наведено огляд наукових публікацій, основних етапів розвит-ку наукової думки в напрямку створення нового типу електричних машин - ВД, а також методів розрахунку квазіусталених процесів в електротехнічних пристроях та їх придатність для ВРД, та сучасний стан розвитку вентильних двигунів.

Інтенсивне впровадження вентильних двигунів у сучасні регульовані електро-приводи зумовлене сукупністю таких їх позитивних властивостей, як безконтакт-ність, керованість, швидкодія. Наслідком цього є висока надійність та великий термін служби, відсутність необхідності в періодичному обслуговуванні, задовільні питомі показники, здатність забезпечувати складні закони регулювання у широкому діапазоні частот обертання, адаптованість до сучасних електронних схем керування.

Найчастіше ВД застосовують в авiацiї, побутi, хімiчнiй i автомобiльнiй промисло-востях, електротягових установках, тобто там, де застосування колекторних двигунiв або ускладнене, або взагалi немож-ли-ве i разом з тим необхiднi високоякiснi регулювальнi характеристики.

Вентильний двигун - це не лише електромеханічний перетворювач окремо взя-тий, а ціла механотронна система, і тому вивчення й вдосконалення тільки ЕМП ВД не може в повній мірі вирішити задачу створення якісного і економічного електро-приводу. Отже, наступним кроком після розгляду питання ЕМП ВД має бути вибір й удосконалення ЕК, причому у комплексі з ЕМП.

Невід'ємною складовою частиною ВД є давач положення ротора. У вентильних двигунах з пасивним ротором бажано застосовувати такі типи ДПР, які б не збільшували габаритних розмірів ВД, були дешевими, мали задовільні експлуатаційні характеристики. Від успішного вирішення цих питань в значній мірі залежить конкурентна здатність ВД.

Вартість ДПР та якість їх характеристик в цілому залежать не тільки від первин-ного елемента, але й від блока формування сигналів, тому створення таких принци-по-вих електричних схем обробки сигналів первинного ДПР, які були б максимально адаптовані до останнього, забезпечували максимальну кратність та крутизну сигналу, мали невисоку вартість, є складовою комплексної задачі удосконалення ВД.

Сигнали дискретного ДПР можуть служити не тільки для орга-нізації позиційного зворотнього зв'язку, а й для отримання інформації про частоту обертання ротора. Ці сигнали можна використовувати для організації зворотнього зв'язку за швидкістю, а також і для побудови безконтактного реле швидкості.

Явнополюсний вентильний реактивний двигун з буфером енергії, завдяки своїй простоті, технологічності й надійності може зайняти чільне місце серед інших відомих типів електричних машин малої й середньої потужності при застосуванні нових конструктивних схем ЕМП й ДПР, принципово нових схем транзисторних комутаторів з ємнісним нагромаджувачем енергії, які суттєво покращують енергетичні показники таких двигунів.

У другому розділі запропоновані нові конструкції електромеханічних перетворювачів вентильних реактивних двигунів, первинних давачів поло-же-н-ня ротора, нові принципові електричні схеми ЕК з буферами енер-гії, блоків обробки сигналів первинних давачів положення ротора, безконтактне електронне реле швидкості, новий ши-ротно-фазовий спосіб регулювання частоти обертання ВД.

Електромеханічний перетворювач вентильного двигуна з пасивним ротором та явнополюсним статором. Закладену уже принципом роботи складність вен-тильного двигуна варто використати для виконання не тільки функцій простого при-ведення в рух ви-конавчого механізму, але й для пози-цій-ного, моментного тощо приводів. Наяв-ність повністю керованого електро-н-ного інвертора (силового транзис-тор-ного комутатора) та первинного давача позиційного зворотнього зв'язку (да-ва-ча положення ротора) дозволяє із залученням тільки малопотужних (не силових) додаткових схем формування керувальних сигналів організовувати ці режими роботи і, для забезпечення точності позиці-ювання та підвищення стійкості роботи електронних компонентів, в ЕМП таких ВД необхідно застосо-вувати конструкції статорів, які забезпечують відсутність електромагнітних зв'язків між секціями.

В роботі запропоновано явнополюсні конструкції статора з Т-подібними (рис. 1а), С-подібними, U-подібними (рис. 1б) елементами та псевдо-U-подібну (рис. 1в)

Кожна з цих конструкцій забезпечує магнітну ізоляцію секцій, має свої переваги й недоліки і в залежності від умов застосування й експлуатації знаходять свою нішу використання.

Транзисторні комутатори з буферами енергії. Широке розповсю-дження венти-ль-них реактивних двигунів стримується їх невисокими енерге-тич-ними показниками, що зумовлено необхідністю розсіювання запасеної в електромагнітному полі енергії при комутації струму в секціях транзистор-ними ключами з метою захисту їх від перенапруг. Найяскравіше це проявля-ється у вентильних двигунах з одно-пів-періодним комутатором зі стабілітрон-ним приймачем енергії магнітного поля.

Задача створення вентильного двигуна на базі простої, дешевої і технологічної індукторної машини в значній мірі зводиться до необхідності ство-рення нових схемних рішень, які дозволять використати енергію, нагромадже-ну в магнітному полі секції обмотки якоря, для виконання корисної роботи.

При вирішенні цієї задачі були розроблені структурні та принципові схеми ЕК з послідовними та паралельними буферами енергії, які мають підвищену надійність і забезпечують рекуперацію енергії магнітного поля секцій, які комутують.

На рис. 2 наведено одну з цих схем з послідовним буфером й спільним колом форсування струму, а також діаграми й графіки, які пояснюють її роботу.

Проведеними теоретичними і експериментальними дослідженнями ЕМП з пасивним ротором різних конструктивних виконань (для обертових, лінійних і модульних конструкцій) встановлено, що коефіцієнт віддачі ВРД з керуванням від ЕК з буферами енергії підвищується в 1,6 - 1,8 разів порівняно з керуванням цих же двигунів від традиційних ЕК з елементами розсіяння енергії, яка нагромаджується в магнітному полі статора. Спеціально спроектовані ЕМП з запропонованими ЕК забезпечують енергетичні показники на рівні колекторних машин постійного струму і можуть застосовуватись в регульованих електроприводах малої потужності. Відчут-ні переваги такі ВД мають в області низьких частот обертання (до 100 - 600 об/хв).

Давачі положення ротора. Відомі конструкції індуктивних ДПР або містять ПМ для підмагнічення їх осердя , або мають значний аксіальний розмір. Тому виникає необхідність в розроблені нових конструкцій ДПР для ВД з пасивним ротором.

У вентильному двигуні з пасивним ротором електромаг-нітний момент створю-ється за рахунок зміни магнітної провідності повітря-ного проміжку. Це ж фізичне явище використовується і в трансформаторних ДПР, тому можна сумістити енерге-тичні та інформаційні функції в одному магнітопроводі ЕМП ВД. На рис. 3 наведена запропонована конструктивна схема чотирисекційного ВД з суміщеним ДПР та схема сполучення його обмоток, де ОЗ - обмотка збудження ДПР; СО1, СО2 - сигнальні обмотки ДПР; ОЯ1-ОЯ4 - обмотки якоря ВРД.

Мозаїчна структура U-подібного статора ВД дає змогу вбудувати елементи давача положення ротора в межах його активної аксіальної довжини. На рис. 4 наведений фрагмент U-подібного статора ВД з вбудованими П-подібними осердями з електротехнічної сталі, на яких розміщені по дві обмотки (збудження та сигнальна) давача положення ротора. Як видно з рисунка, основний силовий магнітний потік осердя 1 замикається в площині рисунка, а інформаційний магнітний потік осердя 3 ДПР замикається в площині перпендикулярній до площини рисунка. Значить, ці два магнітні потоки є взаємно перпендикулярні і не взаємодіють один з одним. Тобто силове поле машини не впливає на магнітне поле ДПР, чим забезпечується його працездатність та завадостійкість.

В наведених конструкціях ВД з вбудованим в межах активної аксіальної довжини давачами положення ротора, сигнальним елементом якого є сам ротор ВД, немає можливості довільно задавати величину сектора сигнального елемента, що не дозволяє вибирати необхідний оптимальний інтервал комутації секції ВД. В розділі запропонована конструкція ДПР, який може бути прилаштований до вентильного двигуна на його валі в будь-якому необхідному місці і який може мати як власний ротор, так і використовувати ротор ЕМП ВД. Малий аксіальний розмір ДПР, який не перевищує 5-7 мм, застосування для його виготовлення матеріалів, ідентичних до матеріалів силової частини ЕМП забезпечує йому добру конкурентну здатність серед інших типів давачів положення ротора.

В усіх запропонованих в роботі первинних давачах вихідні сигнали модульовані високою частотою, і для утворення задовільного дискретного сигналу необхідно виділити обвідну лінію, потім перетворивши її в сигнал прямокутної форми.

На рис. 5 наведено схему перетворення сигналів ДПР на базі первинних давачів, принцип дії яких аналогічний принципу дії давачів диференційно-трансфор-маторного типу.

Генератор імпульсів ГІ виробляє змінну напругу Uзб, якою живляться обмотки збудження ДПР Wз1 - Wзn. Одночасно ГІ запускає формувачі тактових імпульсів ТІ+ і ТІ-, які формують вузькі імпульси для опитування D-тригерів; причому один з них синхронізований з напругою одної полярності, а інший - з другою.

На виході каналу ДПР W11-W12 буде напруга Uc1, величина і фаза якої залежатиме від положення ротора. Ця напруга подається на тригер Шмідта ТШ, який перетворює її в прямокутні імпульси D1 і подає на вхід D тригера Т. На вхід С тригера Т поступають імпульси ТІ+, і, якщо з приходом чергового імпульсу, на вході D буде сигнал, то на виході Вих.11 появиться вихідний сигнал, який не буде змінюватись до тих пір, поки з приходом імпульсу ТІ+ на вході D сигнал буде відсутний. Аналогічно працюють і інші канали ДПР.

Таким чином запропонована схема формує систему сигналів для керування електронним комутатором ВД з високою крутизною фронтів та кратністю зміни.

Широтно-фазовий спосіб регулювання частоти обертання ВД. Наявність повністю керованих силових електронних елементів в колі статорних обмоток ВД дозволяє використати їх і для регулювання частоти обертання. В роботі пропонується широтно-фазовий спосіб регулювання частоти обертання ВД, який дозволяє отримувати достатньо жорсткі механіч-ні характеристики без організації додаткової системи авторегулювання. Суть способу полягає в тому, що примусовий інтервал комутації секції ВД фор-мується шляхом логічного множення сигналів ДПР і сигналів формувача регульованої часової затримки (ФЧЗ). Цим досягається зміна середнього значення напруги, яка підводиться до секції ВД при зміні величини часової затримки за допомогою напруги керування .

На рис. 6 наведено принципову електричну схему широтно-фазового регулювання (ШФР) частоти обертання ВД та діаграму імпульсів, а на рис. 7 - механічні характеристики, які відповідають ШФР.

Застосування ШФР ВД дозволяє досить простим способом отримувати регулювальні характеристики за рахунок зміни за величиною і фазою відносного значення примусового інтервалу комутації секції. При цьому існує функціональний зв'язок, який еквівалентний за дією від'ємному зворотньому зв'язку за швидкістю, що підвищує жорсткість механічних характеристик.

Якість дискретного сигналу ДПР (крутизна та кратність) ініціювала створення електронного реле швидкості, принципову електричну схему та діаграму імпульсів якого наведено у роботі.

Запропоновані в розділі технічні рішення з точки зору надійності, простоти конструкції, технологічності виготовлення та енергетичних характеристик є новими, достатньо ефективними, а тому потребують розроблення теорії для подальшого синтезу та аналізу таких механотронних перетворювачів.

У третьому розділі розроблена теоретична база та методологія проекту-вання вентильних реактивних двигунів з буферами енергії.

З використа-нням методу аналізу магнітної енергії і коенергії показано, що елек-тро-магнітний момент збудженої магнітоізольованої секції ЕМП з пасивним ротором можна обчислювати за виразом:

. (1)

Як показують експериментальні та математичні дослідження ВРД з буферами енергії, струм живлення, а значить і середнє значення струму секції, при сталому моменті на валі, зі зміною частоти обертання, не змінюються. Ця обставина дозволяє визначати електромагнітний момент ВРД в усталеному режимі роботи за середнім на інтервалі перемикання значенням струму секції.

Рис. 8 ілюструє основні допущення, які прийняті при побудові математичної моделі ВРД з буферами енергії для середніх значень:

а ) - коефіцієнт насичення ; б) - зміна індуктивності секції - косину-соїдна, - коефіцієнт амплітуди першої гармоніки індуктивності секцій; в) - на куті комутації секції реальне значення струму секції замінюємо середнім значенням , а на інтервалі спадання струму - прямою.

З урахуванням цих та інших загальноприйнятих допущень отримано вираз для середнього значення електромагнітного моменту:

(2)

в який входять геометричні розміри , обмоткові дані , коефіцієнти , що дає можливість аналізувати його значення за конструкційними параметрами.

Вираз (2) дозволяє провести порівняння ВРД з іншими видами електричних ма-шин за створюваним на одиницю об'єму електромагнітним моментом, створити ма-те--ма-тичну модель ВД з пасивним ротором для середніх значень, проектувати їх тощо. Оцінка ефективності ВРД за створюваним електромагнітним моментом показала, що при однакових діаметрах та довжинах якорів вентильний двигун з пасивним ротором створює такий же електромагнітний момент, як і колекторний двигун постійного струму.

Математична модель ВРД для середніх значень. З використанням балансу середніх значень потужностей на інтервалі перемикань секцій

, (3)

де - середні значення напруги та споживаного від мережі струму; - середні значення частоти обертання та моменту навантаження на валі; - потужності втрат в міді, в сталі та в комутаторі відповідно, отримано формулу для обчислення механічної та робочих характеристик.

, (4)

де

; ; ;

;

- активний опір секції; - коефіцієнт збільшення втрат в міді, зумовлених фор-мою струму; - спад напруги на відкритому силовому ключі комутатора;- від-нос-не значення інтервалу комутації; - питомі втрати в сталі при індукції 1 Т і ча-с-то-ті ; - коефіцієнт додаткових втрат в сталі від вищих гармонік індукції; - розрахункова маса сталі, намагніченість якої змінюється при збудженні секції.

На рис. 26 наведено приклад розрахункових статичних характеристик, які отримані з використанням запропонованої математичної моделі (4) ВРД.

Розрахунок перехідних процесів комутації струму секції та напруги на нагро-ма-джувальному конденсаторі. Нагромаджувальний конденсатор у ВД з буфером енергії відіграє вирішальну роль: служить бу-фе-ром обміну енергії, захищає силові транзисторні ключі ЕК від пере-напруги, зменшує динамічні втрати при закриванні ключів, то-му розрахунок і на його основі раціональний вибір величини ємності кон-денсатора є надзвичайно важливими при проектуванні ВД з буферами енергії.

При найчастіше застосовуваній для індукторних машин прямокутній або трапецевидній геометрії зубцевої зони залежність індуктивності секції від кута повороту ротора має вигляд, близький до наведеного на рис. 9а. З метою більш повного використання ЕМП при однопівперіодній комутації кут вмикання секції b, який відраховується від осі паза ротора і кут комутації секції g вибирають такими, щоб забезпечити протікання струму в секції протягом кута, який не перевищує величини півперіоду, тобто p. А це, як видно з рис. 9а приводить до того, що комутація струму секції відбувається практично при постійній індуктивності.

З урахуванням наведеного, отримано вирази для обчислення струму вимикання секції (5), часу вимикання (6), напруги заряду конденсатора (7 і 8), а також струму вмикання секції, часу вмикання та напруги розряду конденсатора:

; (5)

; (6)

; (7)

. (8)

Отримані вирази придатні для аналізу процесу комутації струму секції ВРД, тобто при відомих параметрах електричної схеми ЕК досліджувати характер зміни струму секції і напруги на конденсаторі, а значить, і на силових транзисторах. На рис. 9б наведено приклад розрахунку перехідних процесів увімкнення та вимкнення секції ВРД з послідовним буфером енергії.

Однак, для синтезу ЕК необхідно за заданими умовами пе-рехідного процесу визначати параметри елементів ЕК, наприклад, об-чи-слити ємність конденсатора, при якій час спадання струму секції від за-даного рівня до нуля не перевищував би заданого значення. Для цьо-го необхідно розв'язати рівняння (6) відносно , а потім визначити C:

. (9)

Таким чином, запропонований підхід і отримані вирази дають можливість дослі-джувати комутацію струму в магнітоізольованій секції ВРД з буфером енергії, за за-да-ни-ми значеннями струму секції і часу форсованого вимкнення цього струму визна-ча-ти необхідну ємність нагромаджувального конденсатора та необхідну допустиму величину напруги колектор-емітерного переходу силових транзисторних ключів ЕК.

Методика проектування явнополюсних вентильних реактивних двигунів з буферами енергії. Як правило, методики проектування відомих типів електричних ма-шин базуються на виборі величин електромагнітних навантажень (індукції в по-віт-ря-ному проміжку і окремих частинах магнітопровода, лінійного навантаження, гус-тини струму тощо), виходячи з практики проектування машин загальнопро-ми-сло-вого призначення. Для ВРД через відсутність такої практики вказані величини вимагають відповідного уточнення. Тому, використовуючи теорію електромеханіч-ного перетворення енергії у ВРД з буферами енергії, а також порівняльний аналіз електромагнітного моменту і електромагнітних навантажень вентильних реактив-них двигунів з буферами енергії з такими добре вивченими, з достатнім досвідом про-ек-тування, як колекторні двигуни постійного струму, обгрунтовано реко-мен-дації, які лягли в основу проектування явнополюсних ВРД.

Для псевдо-U-подібної конструкції статора ЕМП ВРД (рис. 1в) виникає питання вибору співвід-но-шень геометричних розмірів зубцевого шара в області розточки статора. З однієї сторони бажано забез-печити крок між паралельними зубцями статора рівний крокові зубців ротора і ширину зубця статора, яка відповідала б мак-си-мальному використанню актив-них матеріалів і об'єму машини, а з іншої сторони - можли-вість уклад-ки котушок обмотки якоря каркас--ного виконання з умовою якнайкращого запов-нення паза між паралельними зубцями.

На рис.10 наведено фрагмент статора псевдо-U-подібної конструкції. Позначив-ши: - ширина зубця статора; - ширина півпаза між паралельними зубцями статора; - кількість полюсів статора; m - кількість секцій статора; позначення кутів - зрозуміле з рис. 10; отримаємо:

, (10)

звідки обчислюють j і порівнюють його з оптимальним значенням .

Таким чином, задача зводиться до творчого процесу пошуку компромісу між величиною кроку паралельних зубців статора і відносною їх шири-ною. Для цього конструктор озброєний запропоно-ваним виразом, який включений в автоматизовану підсистему проектування явнополюсних ВРД.

Обчислення магнітної провідності повітряного проміжку з двобічною зубча-тістю. В механізмі ство-рення моменту у ВД з пасивним ротором найваж-ливішу роль відіграють зубці. В більшості інших двигунах зубці не є абсолютно необхідними для створення моменту, а тільки, як правило, використо-вуються для мінімізації повітряного проміжку між ротором і статором, а утворені ними пази використовують для укладання обмотки. Однак у ВД з пасивним ротором зубці як ротора, так і статора служать для створення електромагнітного моменту, тому розрахунок магнітної провідності повітряного проміжку є вкрай важливим.

Серед різноманітних способів і методів обчислення магнітної провідності найбільш загальним, простим і, в той же час, який дає достатньо точні результати є метод, запропоно-ва-ний Р.Полем, який зводиться до наступного.

Для даного положення ротора ділимо проміжок в межах зубцевої поділки статора на ділянки з однорідними коефіцієнтами провідності елементарних трубок. Коефіцієнт провідності ділянки визначається додаванням коефіцієнтів провідності елементарних трубок ділянки

, (11)

де b - ширина ділянки; d - величина повітряного проміжка.

На рис. 11 наведено результати розрахунку магнітної провідності повітряного проміжку з двобічною зубчатістю при різних комбінаціях і для трисекційного ВРД, а на рис. 12 наведено порівняння резуль-татів розрахунків магнітної провідності по-вітряного проміжку з двобічною зуб-чатістю методами: 1 - точний розраху-нок методом кінцевих різниць; 2 - метод гармонічних провідностей; 3 - метод апроксимації точного розв'язку при однобічній зубчатості; 4 - запро-понова-ний метод.

В цілому запропонована методика дає краще співпадіння з результатами точного розрахунку, ніж метод гармонічних провідностей. Майже точне співпадіння з методами кінцевих різниць і апроксимації має місце для положення "зубець-зубець". Найбільше відхилення спостерігається при положенні "зубець-паз", яке досягає 13.5% порівняно з точним методом.

Таким чином, запропонована методика, яка базується на методі Р.Поля, забезпечує достатню точність розрахунків і може бути використана для врахування двобічної зубчатості в явнополюсних електромеханічних перетворювачах з пасивними зубчастими роторами.

Автоматизована підсистема проектування (АСП) явнополюсних вентильних реактивних двигунів з буферами енергії. Вимоги технічного завдання на проектування конкретного ВД можуть бути настільки різноплановими, що недоцільно намагатись створити універсальну АСП. Тому пропонуємо таку АСП ВРД, в якій задаються тільки основні параметри, як то напруга живлення, механічна потужність або момент на валі і частота обертання валу. Решта незалежні параметри задаються в діалоговому режимі в залежності від інших основних вимог ТЗ.

На рис. 13 наведена структурна схема підсистеми проектування й перевіркових розрахунків ВД з пасивним ротором.

Підсистема - це комплекс програмних модулів, кожний з яких виконує закінчений етап розрахунку. Інформаційне забезпечення підсистеми складається з бази даних, яка містить характеристики намагнічення електротехнічних сталей різних марок, а також довідникової інформації, яку підсистема надає користувачу в інтерактивному діалоговому режимі роботи.

Підсистема може здійснювати проектування вентильного двигуна або розрахунок характеристик двигуна з заданими геометричними розмірами активної частини і обмотковими даними (або розрахувати необхідні обмоткові дані для заданих геометричних розмірів магнітопровода статора і очікуваних характеристик).

Підсистема автоматизованого проектування здійснює розрахунок та графічну побудову робочих характеристик вентильного двигуна, що дає змогу проектуваль-нику приймати негайні рішення щодо внесення змін в хід про-ектування, або про успішне завершення проектування. Створені підпрограми візуалізації поперечних перетинів класичної та псевдо-U-подібної конструк-цій електромеханічного перетво-рю-вача ВД значно полегшує проектувальнику задачу прийняття рішення про опти-мальність співвідношень геометричних розмірів та оперативно виявляти можливі помилки. Оперативне виведення необхідних в процесі проектування графіків на екран дисплея забезпечує комфортність роботи користувача й можливість прийняття миттєвих рішень щодо необхідності внесення змін в процес проектування.

В четвертому розділі наведено теоретичну базу для побудови та побудовані нелінійні математичні моделі ВРД з буферами енергії. Для обчислення електромагнітного моменту використаний енер-гетичний метод, за допомогою якого допустимi за точнiстю результати можна отримати тiльки в тих випадках, коли прирiст енергії або коенергiї в нелiнiйнiй магнiтнiй системi вираженi аналiтично.

Коенергiю магнiтного поля ЕМП з пасивним ротором можна обчислити як

. (12)

Отже, для обчислення електромагнiтного моменту ЕМП з пасивним ро-то-ром необхідний аналiтичний вираз потокозчеплення магнiтоiзольованої секції у функцiї струму i взаємного положення зубцiв статора i ротора.

Потокозчеплення секції обмотки якоря ЕМП з пасивним ротором є однозначною нелiнiйною функцiєю, яка може бути апроксимована аналiтич-ним виразом. При цьо-му необхiдно, щоб спосiб апроксимацiї забезпечував най-точ-нiше спiвпадiння ре-аль-них та апроксимованих залежностей як у фун-кцiї кута взаємного положення ротора i статора, так i у функцiї струму, можли-вiсть iнтегрування та диференці-юва-н-ня в аналiтичнiй формi, не вимагав складних i громiздких обчислень коефiцiєнтiв.

В роботі запропоновано наступний вираз для такої апроксимацiї:

, (13)

де q - електричний кут мiж вiссю паза ротора i вiссю зубця статора; i - струм збудження фази; - коефiцiєнти.

На рис. 14а наведені розрахункові