Научной деятельности кафедры автоматизированного электропривода мэи




Скачать 366.24 Kb.
НазваниеНаучной деятельности кафедры автоматизированного электропривода мэи
страница1/2
Дата публикации09.10.2013
Размер366.24 Kb.
ТипДокументы
shkolnie.ru > География > Документы
  1   2
ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ И СОДЕРЖАНИЕ

НАУЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

КАФЕДРЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА МЭИ

Москва 2010


Научно-педагогическим коллективом кафедре автоматизированного электропривода МЭИ ведется широкий круг научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ по следующему ряду актуальных на сегодняшний день направлений:


  • Энерго- и ресурсосбережение средствами автоматизированного электропривода.

  • Системы регулирования технологических параметров промышленных установок средствами электропривода.

  • Силовые и управляющие компоненты, в т.ч. универсальные микропроцессорные контроллеры, для электропривода.

  • Вентильно-индукторный электропривод.

  • Прецизионный двухканальный электропривод на базе пьезо- и магнитострикционных двигателей.

  • Системы точного воспроизведения движения на базе многокоординатных электроприводов с вентильными двигателями.


В дальнейшем тексте коротко рассмотрены вопросы актуальности и основные результаты работ, проведенных кафедрой в этих направлениях за последние годы.



  1. ^ Энерго- и ресурсосбережение средствами автоматизированного электропривода.

Одной из главных проблем отечественного ЖКХ является его низкая энергоэффективность, обусловленная высокой степенью износа инфраструктуры и связанные с этим большие потери воды, тепловой и электрической энергии.

По статистическим данным, основанным на результатах аудита коммунальных служб, до 40% средств, уходящих на финансирование ЖКХ, не приносят отдачи, т.е. фактически тратятся впустую. В то же время, согласно прогнозам экспертов, растет спрос на энергоресурсы, причем ожидаемый среднегодовой темп прироста электропотребления в РФ на период с 2007-2030 гг. составит порядка 2,5-2,8%. Очевидно, что для компенсации возможного дефицита энергии потребуются существенные инвестиции в создание дополнительных генерирующих и передающих мощностей. А это, в свою очередь, приведет к росту стоимости энергоресурсов для потребителей и дальнейшему снижению энергоэффективности экономики страны.

Объекты ЖКХ (многочисленные районные и квартальные станции теплоснабжения, котельные, центральные тепловые пункты, водоприводные станции и т.п.) обладают значительным потенциалом энергосбережения. Так, около 30% электроэнергии, потребляемой предприятиями коммунального хозяйства, расходуется насосными установками, а также дутьевыми вентиляторами и дымососами котлов теплоснабжающих станций. Из-за несоответствия характеристик этих технологических механизмов и гидравлических сетей их напор и производительность регулируются неэкономично - путем дросселирования рабочей среды (воды, воздуха, газов), что сопровождается, особенно при переменных нагрузках, значительными потерями и снижением КПД технологических процессов. Сокращение потребления энергоресурсов и их рациональное использование возможно при внедрении на объектах ЖКХ энерго- и ресурсосберегающих технологий, благодаря которым возможно:

  • экономить энергоресурсы (электро- и теплоэнергию, газ, воду);

  • снизить износ и существенно повысить срок службы технологического электрического оборудования, трубопроводов и, как следствие, значительно уменьшить затраты на планово-предупредительные и ремонтные работы;

  • повысить уровень автоматизации, обеспечить оперативное управление и достоверный контроль хода технологических процессов.

Частотно-регулируемый асинхронный электропривод, как показывает мировая практика, является одной из наиболее эффективных энерго- и ресурсосберегающих технологий. Его применение позволяет обеспечить щадящие режимы эксплуатации насосных и вентиляторных установок за счет исключения гидродинамических ударов в трубопроводных системах. Повышение к.п.д. технологического процесса снижает потребление топлива (газа) на станциях теплоснабжения, котельных и за счет оптимизации процесса его сжигания обеспечивает экономический эффект: снижение уровня выбросов загрязняющих веществ в атмосферу до 1,5% и эмиссии С02- до 1,5 тонн на каждую сэкономленную тонну топлива.

В последние годы начаты работы по внедрению частотно-регулируемых электроприводов на объектах ЖКХ для сетевых насосов, дымососов и вентиляторов станций теплоснабжения, для насосов водопроводных станций, насосов центральных тепловых пунктов и т.п.

Коллективом кафедры автоматизированного электропривода Московского энергетического института (ТУ) при поддержке УТЭХ правительства Москвы и ОАО «МОЭК» разработано оборудование частотно-регулируемых электроприводов (преобразователи частоты, станции группового управления насосами тепло- и водоснабжения, электротехнические шкафы и т.п.) для объектов ЖКХ г. Москвы. За последние 7 лет внедрены десятки мощных частотно-регулируемых электроприводов (районные 250-1500 кВт и квартальные станции теплоснабжения, водопроводные станции). На центральных тепловых пунктах только за последние 3 года внедрены более 2000 энергосберегающих регулируемых электроприводов. При этом размещение заказов оборудования осуществляется на специально созданном производстве 000 «Центртехкомплект» в г. Пущино (Московская область), производственная мощность которого порядка 1500 единиц в год, на ОАО СЭЗ (концерн «Русэлпром») и др.
^ 2. Системы регулирования технологических параметров промышленных установок средствами электропривода

В течение последних 15 лет на кафедре автоматизированного электропривода МЭИ получило развитие самостоятельное научно-методическое и конструкторское направление по созданию современных электронных преобразователей энергии различного назначения для широкого диапазона мощностей. Все ОКР и производственные работы в этом направлении велись в тесном содружестве с малыми инновационно-технологическими предприятиями ООО НПП «ЦИКЛ ПЛЮС» и ООО НПФ «Вектор», работающими при МЭИ, а также другими компаниями. Ниже представлены достигнутые практические результаты и наиболее значимые разработки.

Автоматический регулятор для дозировочных насосов

с приводными асинхронными двигателями (АРДН-3)

Созданные преобразователи частоты «АРДН-3» — это решение актуальной задачи автоматического дозирования жидких сред. В эксплуатации находятся более 1200 приборов «АРДН-3» (Россия, Украина, Узбекистан, Сербия, Бангладеш, Ирак). Серийный выпуск начат в 1996 году. Основное применение — химводоподготовка на электрических станциях.

«Интеллектуальный» прибор, проблемно ориентированный для работы в составе АСУ или в качестве локального автомата. Программно настраивается для работы со всеми 28 типами насосов-дозаторов, выпускаемых в СНГ и странах Балтии.
Энергосберегающее комплектное оборудование в составе блоков «Универсал» и станций управления

от одного «СУ1» до шести двигателей «СГУ6»

Разработаны преобразователи частоты «Универсал» на весь DIN-ряд асинхронных двигателей и станции управления насосами. В эксплуатации около 3000 комплектов. Серийное производство начато в 1998 году. Широкое внедрение данной техники в Москве ведет ООО «Центртехкомплект» по заказу ОАО «МОЭК». В настоящее время около 2500 ЦТП в Москве оснащены данным оборудованием.


Пример энергосберегающего комплекта на шесть насосов
Специальная техника

Выполнены разработка и поставка электронных блоков управления на ряд мощностей электроприводов от 1,5 до 32,5 кВт со специальными 5- и 6-фазными вентильно-индукторными двигателями (SRD) для компрессоров, маслонасосов и т.п., а также для следящих электроприводов со специальными высокоскоростными асинхронными двигателями.
Источники питания собственных нужд транспортных средств

По заказу ООО «Яуза-Моторс» выполнена разработка источников питания для новых вагонов метро «Русич» (модель 740) с повышенной мощностью потребления на собственные нужды: ИПП-6 (6 кВт), ИПП-10 (10 кВт). Разработаны в 2008  2009 гг. и выпускаются новые приборы для метро: источники ИПП-16 (16 кВт) для вагонов «Русич», ИПП-6м (6 кВт) для вагонов старых моделей (717), ИПП-МК для питания мотор-компрессоров вагонов всех типов, регуляторы РВП2х300 для управления током возбуждения тяговых двигателей.

В стадии испытаний находятся преобразователи ПСН-24 для питания собственных нужд вновь проектируемых вагонов (760). Все приборы питаются от контактной сети, имеют «интеллектуальную» систему управления и интерфейс, программируемые. Данное оборудование производится в количестве около 20 штук в месяц (произведено около 800 штук) и устанавливается на вагоны метро, выпускаемые и ремонтируемые ЗАО «Метровагонмаш», а также ремонтируемые «ЗРЭПС». В 2006 году шесть поездов, в 2009 году два поезда, оснащенных ИПП-6, ИПП-10 и ИПП-16, отправлены на экспорт в Болгарию (г. София).
Инновационные разработки

Совместно с каф. ЭКАО МЭИ и ООО «Центртехкомплект» создан не имеющий аналогов в мире (патент на изобретение № 2277284, патенты на полезную модель № 47147 и № 53515) мощный комплектный вентильный индукторный электропривод. Опытный образец электропривода ВИП-630 мощностью 630 кВт прошел испытания и находится в эксплуатации на РТС «Коломенское» г. Москвы. На базе данной разработки выпущены: ВИП-630 — 1 шт.; ВИП-400 — 2 шт.; ВИП-315 — 3 шт. Это оборудование поставлено в 2009 году в эксплуатацию на РТС «Жулебино». Ведутся проектные работы по оснащению данными электроприводами других РТС. Заказчик ОАО «МОЭК», подрядчик и проектировщик модернизации РТС ООО «Центртехкомплект», по заказу которого продолжается разработка и проектирование ВИП-1250 (1250 кВт) и новых ВИП-315, 400, 630, 800, 1250 кВт на меньшие скорости.

Данный электропривод обеспечивает безостановочную работу сетевых насосов, дымососов и дутьевых вентиляторов РТС при отключениях электропитания по одному из двух вводов сети и отказах в любой части электронного преобразователя.


ВИП-630
Совместно с ДОО «ИРЗ-ТЭК» создан источник питания БПЭДК-24 для железнодорожного вагонного кондиционера, совместно с ООО «АВП-Технология» и ДОО «ИРЗ-ТЭК» создан регулятор напряжения БРН-32 пассажирского вагона, в котором обеспечен более высокий КПД, более низкий уровень электромагнитной эмиссии, применены сетевые технологии. Изготовлены опытные образцы данных приборов, проведены заводские и ходовые испытания пассажирского вагона, оснащенного БРН-32. Регулятор напряжения БРН-32 уже со скорости вагона несколько километров в час обеспечивает электроснабжение вагона и заряд аккумуляторной батареи в отличие от типовой системы, которая начинает работать минимум со скорости 25 км/час. В 2009 году выпущено 40 штук БРН-32 для РЖД.
^ 3. Силовые и управляющие компоненты, в т.ч. универсальные микропроцессорные контроллеры, для электропривода
Научная группа «Цифровых систем управления двигателями» была создана на кафедре АЭП МЭИ на базе части лаборатории «Дискретного электропривода» профессора Б.А. Ивоботенко в 1990 году и является приемником этой лаборатории в области мульти- и микропроцессорных распределенных систем управления приводами и технологическими комплексами.

Основное направление деятельности — разработка и организация серийного производства комплектных микропроцессорных систем управления для отечественных серий преобразователей частоты и комплектных электроприводов. Ставилась задача освоения бурно развивающейся управляющей электроники нового поколения, — специализированных микроконтроллеров и сигнальных процессоров типа Motor Control, обладающих высочайшей производительностью и развитыми функциональными возможностями, проектирования и производства на этой элементной базе модульных систем встроенного управления силовыми преобразователями и двигателями.

Так как доля интеллектуальной составляющей в стоимости комплектного электропривода (алгоритмического и программного обеспечения) с каждым годом растет и на сегодняшний день уже превышает 50%, то ставилась задача разработки и поставки вместе с аппаратной частью унифицированного модульного алгоритмического и программного обеспечения. Цель — «сборка», как из «кирпичиков», программного обеспечения для управления асинхронными, синхронными, шаговыми и вентильно-индукторными двигателями; использование унифицированных передовых технологий управления инверторами, таких как широтно-импульсная модуляция базовых векторов; методов прямой обработки сигналов датчиков, например, «квадратурного декодирования»; поддержка перспективных интерфейсов с устройствами верхнего уровня управления и стандартизованных протоколов обмена (CANopen, MODBUS RTU); интерактивных интерфейсов с человеком-оператором; методов удаленного (по сети Internet) параметрирования, конфигурирования, авто-настройки и мониторинга оборудования.

Решение такой сложной и многоплановой задачи потребовало создания Научно-производственной фирмы «ВЕКТОР», сотрудники которой работают совместно с кафедрой АЭП в рамках Инновационно-технологического центра МЭИ, реализуя, главным образом, производственную составляющую указанного выше направления.

С помощью мирового лидера в области производства сигнальных микроконтроллеров — фирмы «Texas Instruments» на кафедре был создан также Учебно-научно-консультационный центр «Texas Instruments — МЭИ». Он решает следующие задачи: быстрая адаптация разработчиков к новинкам в области микропроцессорных технологий — «все самое лучшее в мире — в разработку и далее — в производство»; обучение специалистов промышленности и работников вузов навыкам эксплуатации, проектирования и отладки современных сложных цифровых систем встроенного управления оборудованием; консультирование по вопросам цифрового управления приводами в режиме «on-line».
Контроллер МК19.1 Контроллер МК20.1
Такая комплексная организация научно-исследовательских, опытно-конструкторских и производственных работ оказывается эффективной. За время существования научной группы разработано несколько поколений (более 10) модульных систем управления приводами, в состав которых входят: собственно контроллеры, пульты оперативного управления, модули дискретного ввода/вывода, в том числе удаленные, модули расширения. Разработан широкий спектр программных модулей для управления двигателями практически любых типов.

Контроллеры одной из первых серий МК7.1-7.3 для управления синхронными приводами стержней атомных реакторов и встраивания в отечественные преобразователи частоты «Универсал» для управления асинхронными двигателями были реализованы на 16-разрядных специализированных процессорах Intel MC196 и имели производительность несколько млн.оп/с. Контроллеры двух последних серий: МК19.1, предназначенный для встраивания в системы управления мощных преобразователей частоты для сложных условий эксплуатации, и МК20.1, предназначенный для управления модифицированными ПЧ «Универс», станциями группового управления насосами СГУ и мощными вентильно-индукторными приводами, — реализованы на базе самых современных 32-разрядных сигнальных микроконтроллеров TMS320F28335 с поддержкой операций с фиксированной и плавающей точкой. Они имеют на два порядка более высокую производительность (до 300 млн.оп/с) и позволяют решать сверхсложные задачи, такие как бездатчиковое векторное управление приводами, согласованное управление несколькими тяговыми приводами с защитой от проскальзывания и юза и т.п. Комплект системы управления, состоящий из контроллера МК19.1, пульта управления ПУ19.1, дискретного ввода-вывода МДВВ19.1 с модулем расширения и модуля ввода удаленных аналоговых сигналов МАВ19.1, созданный по заказу «Ижевского радиозавода», предназначен для мощных преобразователей частоты нефтяных насосов.

Сотрудничество и кооперация с другими кафедрами МЭИ, специализирующимися на проектировании электрических машин (ЭКАО и ЭМ), и научно-производственная кооперация с производителями печатных плат и электромонтажными организациями позволили наладить серийный выпуск комплектных микропроцессорных систем управления для отечественной преобразовательной техники, а также для комплектных электроприводов с новыми типами двигателей, в частности вентильно-индукторными. Докризисный объем выпуска продукции достиг 2000 комплектов систем управления в год.

Заказчиками и партнерами в этих работах является множество предприятий и организаций. Так, совместно с фирмами «Цикл Плюс», ИБП РАН (г. Пущино), «ИРИС» (г. Новочеркасск) разработана и запущена в производство отечественная серия 5- и 6-фазных вентильно-индукторных электроприводов специального назначения мощностью от 0,5 до 32,5 кВт, реализованная на контроллерах серии МК11.3.

Совместно с фирмами «Цикл Плюс», «Центртехкомплект», «Энергосбережение» (г. Пущино) и Сафоновским электромеханическим заводом налажен серийный выпуск уникальных комплектных многосекционных вентильно-индукторных электроприводов для особенно ответственных устройств районных тепловых станций г. Москвы — сетевых насосов, вентиляторов, дымососов (315, 400, 630 и 1250 кВт). Приводы имеют повышенный уровень надежности и отказоустойчивости вследствие использования двух независимых вводов питающего напряжения, секционирования двигателя и преобразователя, применения уникальной системы бездатчикового векторного управления, обеспечивающей диапазон регулирования скорости до 75:1. Система управления построена на базе сети контроллеров МК17.1 и является «безмастерной». Функцию «мастера» выполняет один из контроллеров секций, к которому в данный момент обращается либо система верхнего уровня управления, либо оператор.

Совместно с ВНИКТИ (г. Коломна) разработан контроллер МК12.1 с волоконно-оптическими каналами связи для первых отечественных асинхронных тяговых электроприводов тепловозов мощностью 500 кВт, обеспечивающий векторное управление тяговым двигателем. Тепловоз прошел все необходимые испытания и ставится на серийное производство.

Совместно с НПО ПМ «Развитие» разработан уникальный комплектный электропривод для управления серводвигателями и шаговыми двигателями малой мощности (до 0,5 кВт). Система управления поддерживает работу с 2-, 3- и 4-фазными двигателями при любом типе коммутации (парная, одновременная, несимметричная и т.д.), работу с глубоким электрическим дроблением шага (коэффициент дробления до 256), работу в режиме частотно-токового, векторного датчикового и векторного бездатчикового управления.

Обеспечивается профилирование траектории позиционирования в реальном времени трапецеидальными или S-образными кривыми с ограничением рывка, ускорения и скорости и реализацией метода программного управления двигателем по модели. Привод реализован на базе новейших интеллектуальных силовых модулей с частотой переключения ключей до 500 кГц, коэффициентом полезного действия до 96% и прямым процессорным интерфейсом. Он имеет стандартный выход на интерфейс CANopen, программируется и управляется в реальном времени от компьютерной программы UniCON, поддерживает режим загрузки и выполнения программы движения на специализированном языке программирования, т.е. представляет собой современный «интеллектуальный электропривод», ориентированный на применение в станкостроении, робототехнике, автоматизированном сборочном производстве.
^ 4. Вентильно-индукторный электропривод
Достижения в силовой и управляющей электронике привели к созданию в конце XX века надежных статических электрических преобразователей, обеспечивающих возможность плавного регулирования выходных координат электропривода и получения требуемого по технологии режима движения. Это радикально изменило возможности традиционного массового электропривода с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором по оптимизации режимов работы, экономии электроэнергии и других ресурсов. Одновременно получила дальнейшее развитие целая гамма электроприводов с различными типами электромеханических преобразователей.

Применение полностью управляемых силовых ключей с высокими значениями номинальных напряжений и токов позволило существенно увеличить мощность быстродействующих регулируемых электроприводов, а микропроцессорные средства управления обеспечили реализацию более совершенных алгоритмов управления, что радикально улучшило точностные показатели и функциональные возможности приводов различного назначения. При этом конструкции собственно электромеханических преобразователей ― синхронных и асинхронных электрических машин не претерпели существенных изменений, поскольку на протяжении длительного периода их развития и применения уже достигли пределов своих возможностей. Исключением можно считать прецизионные безредукторные многокоординатные электроприводы, являющиеся составной частью мехатронных модулей движения. Концепция таких электроприводов, получивших наименование Direct Drive, в предельно упрощенном представлении выражается формулой: «замена механики электроникой».

В рамках этой концепции конструктивное решение активных частей электромеханических преобразователей мехатронных модулей определяется требованиями конкретного применения. Примерами могут служить линейные и планарные двигатели, гибридные конструкции с грубым и точным каналами воспроизведения движения, объединяющие разнородные по принципу действия электромеханические преобразователи. В области миниатюрных «приборных» электроприводов малой мощности в настоящее время интенсивно развиваются конструкции пьезодвигателей, обеспечивающих значительные линейные перемещения и даже непрерывное вращательное движение. Однако в большинстве случаев упомянутые выше нововведения в проектировании регулируемых электроприводов относятся к сфере относительно маломощных применений.

В начале 80-х годов прошлого века в иностранной научно-технической информации появились материалы о новом типе электрической машины ― SRM (Switched Reluctance Motor) и электрического привода на ее основе ― SRD (SR Drive), претендующего стать конкурентом традиционным регулируемым электроприводам. В отечественной литературе он получил акроним ВИП ― вентильно-индукторный привод. С тех пор до конца столетия лавинообразно нарастало количество докладов на эту тему на различных конференциях, статей в журналах, постоянно росло число институтов и фирм, участвующих в разработке различных проектов в области SRD-технологии. Показательно, что с 1998 года функционирует специальный сайт www.brivit.com, который предлагает доступ к специализированной базе данных, охватывающей практически все издаваемые за рубежом работы по SRD, включая труды конференций, статьи, диссертации, патенты и т.п. По состоянию на 05.05.2007 в базе данных было 15 848 записей, из которых 8 679 патентов. Источником данных являются более 6 500 исследований в расположенных по всему миру 1 188 фирмах и институтах.

Систематические исследования и разработки ВИП на кафедре автоматизированного электропривода МЭИ были начаты по инициативе профессора Н.Ф. Ильинского в 1995 году. Основой этому послужил выполненный в 60 ― 70-е годы под руководством профессоров М.Г. Чиликина и Б.А. Ивоботенко комплекс работ по созданию дискретного электропривода с шаговыми двигателями, применявшегося для преобразования цифры или кода в дозированные механические перемещения. Были сформулированы основные принципы его организации, критически осмыслены и обобщены многочисленные варианты конструкций, отработаны алгоритмы управления, предложены эффективные новые технические решения, построена теория дискретного электропривода. Передовая роль отечественной школы в этой области техники и большие практические успехи были отмечены двумя Государственными премиями СССР. Однако в то время не был завершен в силу ограниченности элементной базы очень важный шаг ― переход к силовой версии электропривода, построенного на шаговом принципе.

Основой ВИП является вентильно-индукторная машина (ВИМ). На первый взгляд ничего нового в принципе действия и конструкции ВИМ нет, поскольку фактически все совпадает с одним из вариантов шагового двигателя (ШД) ― реактивным (рис. 1).



ШД ВИМ

Рис. 1

Термин «новый» к вентильно-индукторному электроприводу может быть применен только условно: на самом деле это очень старый, может быть, ― самый старый тип электропривода. Он появился, когда люди поняли, что металл притягивается к электромагниту, и это явление можно использовать в практических целях (1830  1840). На рис. 2 представлены две ранние конструкции такого двигателя (1840). Первая содержит два переключаемых электромагнита на статоре и три металлических пластины на роторе, поочередно притягивающихся к активному в данный момент электромагниту. Вторая имеет четыре электромагнита и семь пластин, но принцип работы тот же.



Рис. 2

В отличие от большинства традиционных электрических машин современная конструкция этого двигателя имеет магнитную систему с явно выраженной двойной зубчатостью, причем число зубцов на статоре и роторе различно (рис. 3). Благодаря этому при протекании тока по катушкам одной фазы, находящимся на диаметрально расположенных зубцах статора, ближайшие зубцы ротора притягиваются к зубцам возбужденной фазы, и ротор поворачивается в так называемое согласованное положение. При этом зубцовые пары соседней фазы оказываются в частично рассогласованном положении, т.е. подготовлены к тому, чтобы при ее включении и отключении предыдущей повернуть ротор на угол шага, равный разности полюсных делений статора и ротора. Последовательное переключение фаз позволяет повернуть ротор на заданное число шагов.



Рис. 3

Поскольку мощность ШД невелика, то при их работе вопросы эффективности электромеханического преобразования энергии отходят на второй план, а основное внимание уделяется точности воспроизведения заданных траекторий движения. Для достижения высоких динамических показателей ШД проектируются с максимальным отношением развиваемого момента к моменту инерции, но удельные показатели мощности на единицу общего объема и массы двигателя также имеют второстепенное значение. ВИП можно считать силовой версией ШД, но он должен обеспечивать режим непрерывного вращения, а его оптимальная конструкция не может быть получена просто пропорциональным увеличением размеров ШД.

Какие же потенциальные преимущества ВИП по сравнению с ПЧ-АД привлекли внимание исследователей и разработчиков? Начнем с очевидного.

Во-первых, это предельно простая, технологичная, дешевая и надежная конструкция собственно двигателя. В нем отсутствуют существенно усложняющие технологию производства постоянные магниты, цена которых иногда составляет до половины цены всего электропривода. Отсутствует операция заливки ротора, неизбежная при производстве асинхронных двигателей. Обмотки (катушки) статора хорошо приспособлены к машинному производству, проста сборка и, что важно при массовых применениях, разборка для ремонта или утилизации. Пропитка осуществляется только собственно катушек, а не статора в целом, как у других типов машин, что также снижает долю технологических затрат.

Во-вторых, поскольку сила притяжения ферромагнитного якоря в электромагните не зависит от направления тока в катушке, фазы ВИМ питаются однополярными импульсами тока, что позволяет выбрать более надежную конфигурацию силовой схемы в сравнении с преобразователем частоты для асинхронного электропривода. Применение схемы несимметричного моста устраняет принципиальную возможность возникновения сквозных коротких замыканий в плече инвертора, не требует введения так называемого «мертвого времени» и компенсации его влияния на форму выходного напряжения, характерного для типовой трехфазной мостовой схемы инвертора, формирующего синусоидальные напряжения и токи за счет высокочастотной широтно-импульсной модуляции (ШИМ) интервалов работы силовых ключей. Питание фаз ВИМ прямоугольными импульсами напряжения устраняет необходимость в ШИМ, что уменьшает динамические потери в силовых транзисторах, улучшает условия их охлаждения, увеличивает КПД статического преобразователя.

В-третьих, по мнению ряда авторов, основанном как на теоретических расчетах, так и на сравнении конкретных образцов двигателей, ВИП по основным массогабаритным и энергетическим показателям не уступает и даже превосходит частотно-регулируемый асинхронный привод.

Большое разнообразие структур магнитной системы ВИМ (различные отношения числа зубцов ZS/ZR ― базовые варианты 6/4, 8/6, 10/8 и др., а также их мультипликация ― 12/8, 16/12 …), возможность варьирования в достаточно широких пределах соотношений главных размеров машины, размеров и формы зубцов, различные способы коммутации фаз делают этот привод хорошо применимым как в низко- (сотни об/мин), так и высокооборотных (десятки тысяч об/мин) версиях. Благоприятные функциональные особенности и регулировочные свойства ВИП ― большие моменты при низких скоростях, гибкое управление скоростью, простая реализация тормозных режимов вплоть до нулевой скорости делают этот привод весьма привлекательным для широкого класса применений.

Наконец, ВИП имеет уникальную устойчивость к отказам отдельных элементов. Ни одна из традиционных электрических машин не может работать (по крайней мере, долго) с оборванной или закороченной фазой, поскольку в них существуют сильные магнитные связи между фазами статора, а отклонения от кругового вращающегося магнитного поля вызывают резкую асимметрию и возрастание токов в работающих фазах. Отсутствие магнитной связи между фазами ВИП позволяет работать каждой фазе независимо от других. Отключение одной и даже нескольких фаз приводит только к пропорциональному снижению выходной мощности и возрастанию пульсаций момента, но сохраняет привод в рабочем состоянии. Потеря мощности частично может быть компенсирована увеличением нагрузки на оставшиеся фазы, если имеется надлежащий запас по допустимым токам фаз и силовых ключей. Выход из строя одного из силовых транзисторов в плече типового инвертора вызывает «сквозное» короткое замыкание источника питания, защитой от которого может быть только отключение привода. Поскольку в ВИП используется несимметричная мостовая схема, в плечах которой включены транзистор и диод, при отказе любого из них токовая защита по току источника может заблокировать работу неисправной фазы через отключение оставшегося работоспособным ключа, а ВИП будет продолжать работать.

Как в отечественной, так и в мировой практике в развитии ВИП прошло несколько этапов. На начальном этапе основные усилия были направлены на выявление особенностей и преимуществ этого типа электромеханического преобразователя, их теоретического обоснования и экспериментального подтверждения. Роль создателя SRD по праву принадлежит профессору П. Лоуренсону (Лидс, Великобритания), первые работы которого, демонстрирующие преимущества SRD, открыли целую волну разработок и публикаций на эту тему. Часть их удачно собрана и обобщена в монографии под редакцией Т. Миллера ], дающей достаточно полное представление о состоянии дел с этой проблемой в мире.

Среди отечественных специалистов по проектированию электрических машин появление нового типа электромеханического преобразователя было воспринято неоднозначно. Сторонники традиционных методов расчета электрических машин, не принимая во внимание существенную нелинейность магнитной системы, пытались доказать бесперспективность ВИМ, связывая это с её якобы низкими энергетическими показателями. При учете нелинейности существенно усложнялся математический аппарат описания ВИМ, требующий решения полевых задач. При этом возникала проблема численного расчета электромагнитного момента в нелинейной магнитной системе, требующего значительных вычислительных ресурсов, оценки точности получаемых результатов. Применение методов линеаризации упрощало решение, формально давало верные значения момента, но скрывало суть физических процессов электромеханического преобразования энергии в зубцовом ферромагнитном слое.

На кафедре АЭП МЭИ были разработаны и исследованы упрощенные функциональные модели ВИП, выделяющие его наиболее существенные свойства. Эти функциональные модели основаны на базе детального анализа распределения магнитного поля в зубцовом слое и выделения зон локального насыщения. В результате для моделей идеальной линейной машины (ИЛМ) и локально насыщенной машины (ЛНМ) получены простые аналитические соотношения для расчетов мгновенных значений тока и электромагнитного момента фазы ВИМ.

Анализ изменения переменных на этапах включения, работы и отключения фазы позволил сравнить эффективность преобразования энергии в различных режимах работы ВИП. Установлено, что хотя на этапе работы для ИЛМ коэффициент электромеханического преобразования в дифференциальной форме kЭМП(t) = PМЕХ/PЭЛ = 0,5, то есть только половина подводимой электрической мощности преобразуется в механическую, применением двухступенчатого способа отключения фазы значение интегрального коэффициента за цикл коммутации может быть увеличено до , то есть при отношении магнитных проводимостей большая часть электрической энергии может быть преобразована в механическую.

Для ЛНМ на этапе работы фазы , то есть при коэффициенте насыщения зубцового слоя большая часть электрической энергии преобразуется в механическую.

Анализ процесса преобразования энергии в насыщенном зубцовом слое показал, что высокие энергетические показатели достигаются при значительной степени насыщения зон перекрытия зубцов ― превышении МДС фазы в 4...5 раз МДС насыщения. Причины этого ― перераспределение запаса магнитной энергии от воздушного зазора к зонам бокового выпучивания и локального насыщения стали, увеличение этого запаса по сравнению с ненасыщенной магнитной системой, а также практически полная трансформация магнитной энергии этих зон в механическую при постоянстве потока и росте площади перекрытия зубцов (рис. 4).



а) модель ИЛМ



б) модель ЛНМ

Рис. 4
На последующем этапе развития ВИП исследовались различные способы и соответствующие структуры систем управления. В отличие от традиционных электромеханических преобразователей переменного тока, рассчитанных на работу с синусоидальными токами и напряжениями, ВИМ, питаемая прямоугольными импульсами напряжения, обладает большим набором управляющих воздействий. Примечательно, что ВИП позволяет получить для заданной частоты вращения n = const одно и то же среднее значение суммарного момента Мср = const при разных значениях управляющих воздействий: напряжении Uф, прикладываемом к фазе на рабочем этапе, углах включения вкл, работы раб и отключения откл фазы. Поэтому ВИП имеет не одну, а несколько так называемых «естественных» механических и электромеханических характеристик.

В работах кафедры АЭП рассмотрено влияние указанных управляющих воздействий на момент, выходную мощность, электромеханические и энергетические показатели цикла коммутации, исследован вид естественных и регулировочных статических и динамических механических и электромеханических характеристик.

В данных работах также детально исследованы условия получения режима постоянства выходной мощности, а также максимальной механической мощности Рмех на предельной механической характеристике ВИП, для которой основным условием является увеличение длительности импульса тока в фазе до 360 эл. град. Примером такого режима может служить осциллограмма, изображенная на рис. 5, полученная для трехфазного ВИП с ZS/ZR = 12/8. Заметим, что в предельном режиме управление предельно простое ― длительность положительного импульса напряжения раб близка к 180 эл. град. Ток в фазе протекает как на двигательном, так и на генераторном участках, создавая как движущий, так и тормозной момент, однако среднее значение момента оказывается наибольшим при заданной скорости из-за наличия участка с минимальной индуктивностью, обеспечивающего максимально быстрое нарастание тока. Кроме того, нелинейность кривых (i) приводит к тому, что при отключении фазы ток достаточно быстро спадает до Iнас, снижая тем самым тормозной момент.



Рис. 5

В современных исследованиях и разработках систем управления ВИП выявляются следующие направления:

  • управление средним значением момента при выборе оптимальной формы импульсов тока по какому-либо дополнительному критерию (например, минимума потерь, или установленной мощности инвертора, или виброакустической активности, максимума отношения момента к току и т.п.);

  • управление мгновенным значением момента и минимизация пульсаций момента;

  • управление скоростью с формированием требуемых статических и динамических характеристик в максимально широких диапазонах изменения скорости и нагрузки;

  • управление положением и траекторией движения с учетом дискретности работы фаз и обеспечением позиционирования в пределах полюсного деления ротора;

  • управление генераторным режимом работы как в статическом, так и в динамическом режимах, четырехквадрантный режим работы;

  • различные способы реализации бездатчикового управления, обеспечивающие как коммутацию фаз, так и полное восстановление текущего положения ротора;

  • управление специальными схемами силовой части электропривода;

  • применение прогрессивных методов теории автоматического управления для решения упомянутых выше задач.

Широкий спектр исследований указывает на то, что к настоящему времени не создана универсальная система управления ВИП и разработки систем управления для конкретных применений являются актуальной задачей. На кафедре АЭП МЭИ получены следующие результаты:

    • рассмотрены и экспериментально проверены рациональные структуры простейших систем управления ВИП;

    • предложен и детально исследован один из алгоритмов бездатчикового управления в таком электроприводе;

    • на базе микроконтроллеров различной производительности разработаны микропроцессорные системы управления ВИП в датчиковом и бездатчиковом варианте;

    • разработана инженерная методика проектирования вентильно-индукторных двигателей различной конфигурации и поддерживающая ее прикладная компьютерная программа;

    • на базе экспериментальных исследований опытных образцов различной конфигурации и мощности разработаны тепловые и энергетические модели ВИП;

    • разработан вариант ВИП для легких транспортных средств;

    • проведены натурные эксперименты с новым электроприводом на действующей насосной станции одного из ЦТП Москвы;

    • разработана методика экспериментального исследования вентильно-индукторных электроприводов и оценки электромеханических и энергетических показателей ВИП.

  1   2

Похожие:

Научной деятельности кафедры автоматизированного электропривода мэи iconВыдающиеся ученые кафедры автоматизированного электропривода мэи
Аэп мэи, где в 1936г защитил кандидатскую, а в 1943 г. – докторскую диссертации, стал заведующим кафедрой, затем и деканом факультета...
Научной деятельности кафедры автоматизированного электропривода мэи iconОтчета о научной деятельности мэи за 2011 год в установленные
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Научной деятельности кафедры автоматизированного электропривода мэи iconОбщий курс электропривода общие сведения основы механики электропривода...
Учебник "Общий курс электропривода", написанный совместно с В. Ф. Козаченко пользуется заслуженной популярностью при обучении студентов...
Научной деятельности кафедры автоматизированного электропривода мэи iconВ отчет включаются показатели по основной деятельности, предусмотренной Уставом вуза
...
Научной деятельности кафедры автоматизированного электропривода мэи iconОтчет о научной деятельности
Распутина Ольга Валерьевна – старший преподаватель, 0,5 ст., специалист по умр кафедры Эисгд, молодой ученый
Научной деятельности кафедры автоматизированного электропривода мэи icon6. Задачами профсоюзной организации студентов являются
Рф и нормативными правовыми актами мэи при взаимодействии с органами государственной власти, органами местного самоуправления, администрацией...
Научной деятельности кафедры автоматизированного электропривода мэи iconСовершенствование научной деятельности в регионе на примере брянской области
Рис. Формы государственной поддержки научной (А) и инновационной (Б) деятельности
Научной деятельности кафедры автоматизированного электропривода мэи iconДополнительный список некоторых работ
Козинер Д. Г., Лейтес Л. В. Типовые установки для тренировки в управлении авиационными двигателями / Научн рук. Н. М. Чумаков //...
Научной деятельности кафедры автоматизированного электропривода мэи iconПрограмма кандидатского экзамена для аспирантов и соискателей
Едством осуществления научной деятельности в иноязычной языковой среде и средством межкультурной коммуникации, специалиста, приобщенного...
Научной деятельности кафедры автоматизированного электропривода мэи icon3. Перечислите основные виды деятельности Профкома студентов мэи (хотя бы 5)

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2014
shkolnie.ru
Главная страница