Развитие теории электромеханических систем с синхронным двигателем, питаемым от преобразователя с зависимым инвертором тока

• Автор: Аракелян, Александр Карапетович
• Шифр специальности: 05.09.03
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Чебоксары
• Количество страниц: 63 с. : ил.; 20х14 см

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Развитие техники электропривода за последнюю четверть XX столетия характеризуется не только увеличением единичной мощности, быстроходности и повышением степени надежности электромеханических систем, но и увеличением ЧЙСЛ£ выполняемых ими функций, усложнением функций управления, регулирования, автоматизации и расширением сфер проникновения. Создание таких систем электропривода, в свою очередь, стимулирует совершенствование и дальнейшее развитие электромеханического преобразования энергии и управления этим процессом на основе современной электронной техники, реализующей не только процессы управления, автоматизации, диагностики, контроля и сигнализации, но и непосредственного воздействия на потоки энергии средствами силовой электроники.
Одним из фундаментальных решений этой проблемы является использование синхронной электрической машины с электромагнитным возбуждением, с постоянными магнитами, либо с одноименно-полюсным (униполярным) ротором с вентильным коммутатором (инвертором тока или напряжения) и обратной связью по положению ротора - бесколлекторного (вентильного) двигателя постоянного тока (ВД). Большой теоретический задел и экспериментальные исследования довоенных (30-е годы) и послевоенных лет - (50-е годы) позволили, благодаря успешному развитию энергетической электроники и элементов вычислительной техники, разработать в 70-80-е годы и внедрить в промышленность и транспорт новый класс упомянутых выше электрических машин - вентильных двигателей и систем электроприводов на их основе.
Теория регулируемого электропривода с ВД находится в стадии интенсивного развития. Ее специфические особенности связаны не только, например, с возможностью существенного увеличения рабочей скорости и развиваемой мощности приводного двигателя при устранении механического коллектора со скользящим щеточным контактом, но и с необходимостью создания теории й разработки методик расчета необходимых рабочих характеристик и динамических режимов нового электромеханического преобразователя энергии с многосвязной структурой в электроприводе. В связи с этим становится весьма актуальной научно- техническая перспектива создания множества разнотипных по структуре и развиваемой мощности автоматически регулируемых электроприводов с высокими статическими и динамическими показателями рабочих характеристик по нагрузочной способности, быстродействию, качеству регулирования скорости и электромагнитного момента.
Развитие и целостное становление теории регулируемого электропривода с ВД, с одной стороны, стало возможным в последние годы, когда появились современные мощные технические и алгоритмические средства расчета при анализе и синтезе САР со сложными многосвязными электрическими, электромагнитными и механическими
единичной мощности энергетических установок и отдельных групп
i;:,.промышленных механизмов, для которых энергосберегающая технология является . рритетной и диктует использование мощных, быстроходных, экономичных и сугиосительно надежных частотно- регулируемых электроприводов на базе двухполюсных высоковольтных синхронных двигателей с электромагнитным возбуждением и полупроводниковых преобразователей частоты с зависимым С инвертором тока на тиристорах (SCR). Последние в настоящее время и в обозримом С „будущем являются основными ключевыми элементами в преобразователях с естественной (сетевой или машинной) коммутацией большой мощности. Особый
- .динамическими структурами. С другой стороны, этому обстоятельству способствовал

интерес представляют проблемы управления электроприводами с вентильными двигателями средней и малой мощности, питаемыми от низковольтных преобразовательных устройств на базе запираемых тиристоров (GTO), биполярных (.IGBT) и полевых (MOS FET) транзисторов с изолированными затворами.
Содержание защищаемых работ автора сострит из результатов научных исследований в области автоматизированного электропривода с вентильным двигателем - различных электромеханических систем на базе синхронного двигателя с электромагнитным возбуждением и полупроводникового преобразователя частоты на тиристорах с зависимым инвертором тока, охватывающих все функциональные возможности бесколлекторного двигателя постоянного тока в однодвигательной, двухдвигательной, каскадной с асинхронным двигателем системах электропривода. Кроме того, в защищаемых работах приводятся результаты практической реализации разработанных на основе теоретических исследований технических проектов электроприводов мощных насосных агрегатов.
Актуальность выполненных автором работ подтверждается также тем, что необходимость теоретических исследований; разработок нетрадиционных систем электроприводов; методик расчета их статистических, динамических и энергетических характеристик была вызвана требованиями научно-технического прогресса в области электромашиностроения, полупроводниковой и вычислительной техники и , в целом, автоматизированного электропривода на базе нового поколения бесконтактных высоковольтных (с электромагнитным возбуждением) и низковольтных (с постоянными магнитами) приводных двигателей для механизмов с вентиляторной характеристикой; станков с ЧПУ, промышленных роботов, современной бытовой техники и т.п. Все работы выполнялись под научным руководством и при непосредственном участии автора в Чувашском государственном университете им. И.Н.Ульянова в рамках целевых программ: АН СССР и ГКНТ СССР; директивных материалов Тлавтехуправления, ГлавНИИпроекта и Главцентроэнерго Минэнерго СССР; договоров о научно-техническом содружестве и хозяйственных договоров со множеством НИИ, проектных организаций и промышленных предприятий Москвы, Санкт-Петербурга, Риги, Баку, Казани, Чебоксар
Методы исследования. В теоретических исследованиях использованы методы аналитической теории синхронной машины; методы анализа режимов насыщенных электрических машин; методы теории вентильных преобразователей в сочетании с методами и концепциями теории многосвязных САР, оптимизируемых на основе инвариантного по заданной координате либо подчиненного с последовательной коррекцией принципов регулирования. В свою очередь, теория многосвязных САР с подчиненным регулированием развита с использованием методов общей теории многосвязных САР; методы функционального анализа; теория матриц; теория устойчивое™ движения, основанная на методах Зубова построения функции Ляпунова; теория оптимального регулирования; теория чувствительности управления; методы вариационного исчисления при исследовании задач оптимизации управления; метод Айнса - Стретта при исследовании вибрационных процессов в электромеханических системах; теория рядов; методики прикладной гидрогазодинамики и др. Для реализации этих методов автор опирался на фундаментальные труды ведущих отечественных и зарубежных ученых в области математики, механики, теории управления электрических машин и промышленной электроники.
Целью представленного доклада является краткое изложение основных научных, теоретических и практических результатов работы автора по вопросам статики,

где [f ] = Со1оп<й(р),®(.Р), mc - ColonMc(p),Mc(p),0,0,0; (p)j = —' штРиЧа передаточной функции ВД
для входных (управляющих) воздействий; Q.ijj - определитель системы исходных уравнений [3, 32]; [<2у (р) - транспонированная матрица; Qyip) - алгебраическое
дополнение определителя |(2(/?)|; Ау - операторные коэффициенты,
Решениями (3-1) с учетом Q{p) являются:
Аф(д)=<(r)&ujp)+ К(р)Щ(рЬ {(р)шМ А0(р)-wujp) v K(p)Mir(j>)+wl{p)mc{p),
A/yOl) f WU)+W)AUf{p)+W/MMM , (3.2)
A(p) = <(p)A>)+K(j,)AUf(r)+ W&{p)AMc (p):
МкМ = °,(р)АГ/п(р)+<{p)Wfip)+yvb [р)Шс (p),
где JT°(p),' Ж/ - передаточные функции ВД соответственно по управляющим и возмущающим воздействиям, i ?= 1
Выражения по (3.2) позволяют определить передаточные функции и вычислить
необходимые частотные характеристики ВД при любом характере
воздействия на САР. Результаты анализа передаточных функций по (3.2) для ВД с (/, = const являются
приемлимыми также для случая ) . нагруженного двигателя, структурно представленного на рис. 3.2 с ф, — const.
Рис.3.2 ; Анализ передаточных функций
также, что коэффициенты
показывает
характеристического уравнения при использовании инверторов тока (со сравнительно большой индуктивностью во входной цепи) могут иметь различные знаки, что при отсутствии регуляторов возбуждения или напряжения (или о того и другого), обусловит неустойчивую работу [61].
3.2. Частотные характеристики вентильного двигателя.
Преобразование Лапласа для передаточной функции любой из выходных координат получается на основе исходной системы (3.2), представленной матричным уравнением (3,41,42]: