Заровський Руслан Владиславович. Системи точного електроприводу малої потужності на основі вентильних двигунів з постійними магнітами

Короткий опис

Заровський Руслан Владиславович. Системи точного електроприводу малої потужності на основі вентильних двигунів з постійними магнітами : Дис... канд. наук: 05.09.03 2008

Заровський Р.В. Системи точного електроприводу малої потужності на основі вентильних двигунів з постійними магнітами. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 "Електротехнічні комплекси та системи". Інститут електродинаміки НАН України, Київ, 2008.
Дисертація присвячена подальшому розвитку систем прецизійного вентильного електроприводу малої потужності на основі вентильних двигунів з постійними магнітами, розробці дослідних зразків електроприводів з покращеними динамічними характеристиками та засобів їхнього налагодження, розробці методів аналізу і мінімізації помилки регулювання в подібних системах та їх практичній реалізації на основі традиційних і нечітких регуляторів.
На основі запропонованої моделі широтно-імпульсного перетворювача "у великому" з використанням математичного апарату багатомірного Z-перетворення і рядів Вольтерра розроблено новий метод аналізу систем із глибокою широтно-імпульсною модуляцією, який характеризується підвищеною точністю та дозволяє в загальному вигляді оцінити вплив сукупності параметрів системи на якість її процесів. При цьому встановлено, що облік третього коефіцієнта апроксимуючого поліному Ермітта дозволяє отримати точність аналізу процесів в системі таку ж, як і при чисельних розрахунках.
Запропоновано загальну методику оптимізації параметрів регулятора за мінімумом сумарної помилки регулювання, яка дозволяє забезпечити високі показники точності в системі електроприводу при його налагодженні. Розроблено нові зразки точного електроприводу з високими техніко-економічними показниками.

В дисертаційній роботі вирішено важливу науково-технічну задачу підвищення точності стабілізації швидкості прецизійного вентильного електроприводу малої потужності за рахунок оптимізації режимів роботи вентильних двигунів на основі застосування нового класу нечітких регуляторів у комбінації із традиційними, розробки нового методу, що дозволяє мінімізувати помилку системи при глибокому регулюванні за рахунок оптимального настроювання регуляторів, що дозволило розробити нові зразки точного електроприводу з високими техніко-економічними показниками, а також засоби налагодження режимів їхньої роботи. Отримано нові науково обґрунтовані теоретичні й практичні результати, які є важливими для подальшого розвитку теорії і практики систем точного електроприводу, що підтверджується наступним:

На основі аналізу поточного стану систем точного електроприводу малої потужності обґрунтовано необхідність подальшого підвищення його точнісних характеристик, що продиктовано реальними потребами сучасного високотехнологічного виробництва.
Досліджено можливі режими роботи вентильних двигунів, показана ефективність їхнього використання в конкретних умовах. Зокрема встановлено, що в перехідних режимах (пуск, гальмування, реверс) доцільно використовувати режим безколекторного двигуна постійного струму, в якому забезпечується регулювання швидкості в широкому діапазоні, а переведення ВД в режим синхронної машини дозволяє отримати високостабільну швидкість.

Розроблено нову модель вентильного двигуна з врахуванням специфіки блоку датчиків положення ротора, яка дозволяє: одержати статичні та динамічні характеристики двигуна; знайти умови усталеної роботи в режимі машини постійного струму та в синхронному режимі з урахуванням комплексу збурюючих впливів; встановити ступінь впливу на динаміку електроприводу технологічних похибок, які виникають при виготовленні та розміщенні датчиків положення ротора, кутів перекриття при комутації секцій обмоток, кутів випередження комутації транзисторів комутатора.
Встановлено, що введення кута перекриття фаз комутатора в межах 15-20 електричних градусів дозволяє знизити пульсації швидкості вентильного двигуна в усталеному режимі. Надмірне збільшення величини кута перекриття через нелінійність об’єкту керування призводить до зворотнього ефекту.
Шляхом математичного моделювання та експерименту знайдено умови стійкого переведення ВД у синхронний режим. Встановлено, що задля цього необхідно забезпечити додаткові стрибки напруги живлення двигуна в момент його входження в синхронізм. Правильний вибір величини стрибка напруги сприяє зниженню часу синхронізації.
Встановлено межі усталеної роботи ВД у синхронному режимі при впливі збуруючих факторів - по живленню й по навантаженню. Досліджено їхній вплив на процес встановлення швидкості та величину фазової розбіжності, що дозволяє оцінити динамічну точність систем електроприводу.
На основі запропонованої моделі ШІП "у великому" з використанням математичного апарату багатомірного Z-перетворення і рядів Вольтерра розроблено новий метод аналізу систем із глибокою ШІМ, який характеризується підвищеною точністю та дозволяє в загальному вигляді оцінити вплив сукупності параметрів системи на якість її процесів. При цьому встановлено, що облік третього коефіцієнта апроксимуючого поліному Ермітта дозволяє отримати точність аналізу процесів в системі таку ж, як і при чисельних розрахунках.
Розроблено загальну методику оптимізації параметрів регулятора за мінімумом сумарної помилки регулювання, що дозволяє забезпечити високі показники точності в системі електроприводу при його налагодженні.
На підставі розробленої чисельно-аналітичної методики розрахунків встановлено залежність помилки регулювання "у великому" від збурень по керуванню і по навантаженню.
Побудовано фазові портрети помилки для системи стабілізації із ШІМ при впливі збурень по живленню і по навантаженню, на підставі яких виконано настроювання нечіткого регулятора.
Встановлено, що найкращий результат з погляду досяжної точності стабілізації забезпечується при використанні в контурі швидкості спільного (коригуючого) включення нечіткого та інтегрального регуляторів.
На основі теоретичних досліджень розроблено прецизійні системи стабілізації швидкості з нечіткими регуляторами (нестабільність швидкості за один оберт не вище 0,001-0,0001%), які рекомендовано для використання в розробках ВАТ "Хімтекстильмаш" м. Чернігів. Також розроблено універсальний стенд налагодження режимів роботи прецизійних електроприводів з вентильними двигунами, який впроваджено у ВАТ «НДІ електромеханічних приладів» м. Київ з очікуваним економічним ефектом 30 тис. грн.. Теоретичні і практичні результати дисертаційної роботи впроваджено в навчальний процес на кафедрі промислової електроніки Чернігівського державного технологічного університету.
Отримані в роботі результати можуть бути використані при проектуванні і створенні систем прецизійного вентильного електроприводу на наступних підприємствах: ІЕД НАНУ (м. Київ), Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона (м. Київ) НАНУ, ВАТ "Хімволокно" (м. Чернігів), ДП "НДІ ХЕМЗ" (м. Харків) Мінпромполітики України; а також в навчальних програмах кафедр промислової електроніки НТУ "КПІ", НТУ "ХПІ" МОНУ.