Автореферат (Анализ и оптимизация вентильного электродвигателя для высокодинамичного электропривода)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность. В настоящее время для электромашиностроительныхпредприятий предъявляются качественно новые высокие требования в областисоздания специальных высокодинамичных электроприводов (СП). Одним извозможных путей решения этой проблемы является разработка электродвигателей(ЭД) (и на их базе электроприводов (ЭП)), обеспечивающих широкий диапазончастоты вращения, хорошие регулировочные свойства, высокие энергетические идинамические показатели при малых габаритах и массе и высокой надежности.Коллекторные машины постоянного тока, используемые в регулируемом ЭП,достигли высокого технического уровня и обладают хорошей регулировочнойспособностью, высокими динамическими показателями, достаточно высокимзначением коэффициента полезного действия (КПД), в особенности, двигателипостоянного тока (ДПТПМ) с возбуждением от редкоземельных (РЗМ) постоянныхмагнитов (ПМ), простотой и технологичностью в изготовлении.

Благодаря этимпреимуществам, коллекторные машины до сих пор с успехом применяются вразличных электроприводах, в том числе СП. Однако целый ряд исследованийсвидетельствует о том, что коллекторные машины постоянного тока в настоящеевремя достигли своих предельных параметров. Для ЭМ общепромышленногоприменения это связано с более интенсивным износом щеток и увеличеннымзначением реактивной ЭДС на высоких частотах вращения. Для специальныхмашин тяговых или автономных ЭП - с ограничением полезной мощности, низкимимассогабаритными показателями, и что наиболее важно для высокодинамичных ЭП- высоким моментом инерции вращающихся частей.

Также возникают проблемы скоммутацией в условиях пониженного давления и высокой влажности воздуха, вособенности, в переходных режимах, что также приводит к повышенному износущеток. Поиск замены коллекторным ЭМ специального назначения (микромашинам,машинам малой и средней мощности) обусловлен следующими факторами.Во-первых, прогрессом полупроводниковой техники. В настоящее времясозданы достаточно мощные полевые транзисторы (напряжением сток-исток до1200 В и длительным током до 75 А) и биполярные транзисторы с изолированнымзатвором (напряжением до 1700 В и длительным током до 45 А).

Также в настоящеевремя созданы отечественные микроконтроллеры с достаточно высокимихарактеристиками.Применениевкачествекоммутируемыхэлементоввышеуказанных ключей позволяет значительно увеличить предельные мощности,повысить надежность и уменьшить эксплуатационные затраты, а применениевышеуказанных микроконтроллеров позволяет увеличитьдиапазон имаксимальную величину частоты вращения, а также реализовать сложныеалгоритмы управления.Во-вторых, в настоящее время развивается промышленное изготовление ПМ свысокими энергетическими показателями. Такие ПМ позволяют создавать в малыхобъемах большой магнитный поток, позволяя значительно повысить предельныемощности ЭМ.В-третьих, совершенствуется и внедряется новое ПО, которое позволяетвыполнять математическое и имитационное моделирование, расчеты ипроектирование любых электротехнических устройств, в том числе ЭМ и систем3  управления к ним с учетом взаимного влияния электромагнитных и тепловыхпроцессов, а также системы управления друг на друга.Благодаря этим трем факторам, вышеперечисленные проблемы, возникающиепри разработке специальных машин, успешно решаются путем создания ВДПТ сПМ.Начало исследований по созданию ВДПТ в нашей стране связано с именамиО.

Г. Вегнера, Б. Н Тименева. В 60-е годы в связи с успехами в областиполупроводниковой техники ВДПТ был впервые реализован как новый класс ЭД.Большой вклад в развитие теории и практики ЭП с ВДПТ внесли А. К. Аракелян,А.Д. Поздеев, А. А. Афанасьев, В. А. Нестерин, В.

А. Балагуров, А. Н. Бертинов, Д.А. Бут, Б. А. Ивоботенко, Н. Ф. Ильинский, Ю. И. Конев, И. Н. Лебедев, В. К.Лозенко, А. С. Михалев, И. Е. Овчинников, И. Л. Осин и др.Задачами оптимального проектирования ЭМ занимались А. А. Терзян, Д. А.Аветисян, В. Ф. Горягин, К. С.

Демирчан, Е. М. Лопухина, Г. А. Семенчуков. Такжестоит отметить вклад в развитие методов оптимального проектирования такихученых как Ю. Б. Казакова, Ю. В. Герасимова, А. И. Тихонова, А. И. Новикова.Методы оптимального проектирования вентильных машин с аксиальныммагнитным потоком содержатся в трудах С.

А. Ганджи.Методы математического моделирования переходных процессов ЭМ содержатся втрудах Г. А. Сипайлова, А. А. Горева, И. М. Постникова, А. И. Вольдека, В.Е.Высоцкого.В развитие методов моделирования электромагнитных полей большой вкладвнесли В. А. Апсит, Г. А.

Гринберг, Я. Б. Данилевич, В. В. Домбровский, К. С.Демирчан, А. В. Иванов-Смоленский, А. А. Терзян.Общую теорию расчета ЭМ развивают А. В. Иванов-Смоленский, С. В.Иваницкий, Н. И. Пашков, В. Я. Беспалов.А. И. Бертинов, Балагуров В.А. Поспелов Л.И. внесли большой вклад в развитиетеории электрических машин авиационного и специального исполнения.Известно большое количество зарубежных разработок в области вентильныхэлектродвигателей и электроприводов.Несмотря на большое количество работ по данной теме в последние 25 лет,необходимо отметить, что в нашей стране только в последние 10-12 лет, благодарясвоим преимуществам, ВДПТ с возбуждением от РЗМ ПМ наконец начинаютнаходить широкое применение в различных ЭП и начинают вытеснятьколлекторные машины.Специальный высокодинамичный электропривод представляет собойэлектропривод поступательного действия, который состоит из механической,электромеханической и электронной частей.

Механическая часть представляетсобой шариковинтовую пару и редуктор,электромеханическая часть представляет собойВДПТ с возбуждением от ПМ с ДПР, электроннаячасть представляет собой блок управления иконтроля. Источником питания данной системыявляется аккумуляторная батарея. На рис. 1Рис. 1. Структурная схема СПизображена структурная схема СП.4  В таблице №1 представлены характеристики СП разработанных илиразрабатываемых на ОАО «ЛЕПСЕ» согласно требованиям заказчика.Таблица №1Характеристики СПНазвание параметраЭнергетические показателиМаксимальное усилие на штоке, НСредний потребляемый ток, АМаксимальный импульсный ток, АДинамические показателиИнерционная масса органов управления, приведенная к штоку, кгСредняя скорость перемещения штока, мм/сВремя перемещения, мсМассогабаритные показателиПолная масса, кгЗначение параметраДо 6000Не более 50Не более 100До 40До 150Не более 120До 2,5 кгОсобенностью разрабатываемых СП является необходимость обеспечиватьспецифические амплитудофазочастотные характеристики (АФЧХ), т.е.

работать впереходных режимах. Требования к АФЧХ представлены в таблице №2.Таблица №2АФЧХ СПДиапазон частот входного синусоидального сигнала, ГцМаксимальное запаздывание по фазе, градМаксимальная амплитуда выходного сигнала, дБОт 1 до 40120°- 10,0 до + 0,5В СП электродвигатель является основным звеном, в значительной степениопределяющим его характеристики. Поэтому наиболее важными требованиями дляВДПТ в таких ЭП являются:- высокие динамические показатели;- высокие энергетические показатели;- малые габариты и масса.Динамические показатели СП определяются быстродействием ЭД, но приэтом зависят от момента инерции нагрузки и момента инерции вращающихся частейэлектродвигателя.

В случае приведения момента инерции нагрузки к валу ЭД,приведенный момент инерции может составлять несколько процентов от моментаинерции ротора ЭД, а может в два-три раза превышать момент инерции ротора ЭД.В таких условиях становится важным правильно выбрать передаточное отношениередуктора и частоту вращения ЭД.Повышение частоты вращения может привести как к ухудшениюдинамических показателей, так и к их улучшению, поскольку повышение частотывращения приводит к повышению передаточного отношения редуктора и, какследствие, снижению приведенного к валу ЭД момента инерции.Уменьшение габаритов и массы может быть достигнуто путем увеличениячастоты вращения, однако уменьшение габаритов приводит к ухудшениюэнергетических показателей (КПД).Таким образом, при проектировании ВДПТ для СП предъявляютсяпротиворечивые требования по динамическим энергетическим и массогабаритнымпоказателям.Как показывает анализ, одновременное выполнение всех вышеперечисленныхтребований является сложной и противоречивой задачей, для решения которойнеобходимо использовать методы оптимального проектирования, которые5  позволяют получить вариант ЭД, соответствующий всем вышеуказаннымпоказателям.Итак, исследования, проведенные на ОАО «ЛЕПСЕ» непосредственно передначалом разработки таких ЭП показывают, что в настоящее время, несмотря набольшое количество исследований по теории и проектированию ВДПТ и ЭП на ихоснове в нашей стране нет ЭП, которые обеспечивают одновременно все показатели,указанные в Таблице 1, Таблице 2.Большая часть исследований посвящена ВДПТ малой мощности, либомоментным ВДПТ и ЭП на их основе, ЭП с повышенным быстродействием, ккоторым и относится рассматриваемый ВДПТ и ЭП уделено мало внимания.Поскольку ВДПТ является основным звеном СП, в значительной степениопределяющим его характеристики, то задача его разработки для СП являетсяактуальной научно-технической проблемой.Таким образом, в качестве объекта исследования рассматривается ВДПТмалой мощности с ПМ для СП.Несмотря на многочисленные исследования в области ВДПТ в целом каккласса ЭМ и в области оптимального проектирования ВДПТ ряд аспектов осталсянеисследованным.В частности не в полной мере исследованы вопросы синтеза и анализа данногокласса ВДПТ, а в частности многокритериальная оптимизация ВДПТ поэнергетическим и массогабаритным показателям с помощью таких методов какметоды нелинейного программирования (МНП) и генетический алгоритм (ГА),настройки ГА под конкретную задачу оптимизации ЭМ, анализа работы ВДПТ всоставе ЭП в переходных режимах при отработке ступенчатого и синусоидальноговходного сигнала.Таким образом, в качестве предмета исследования выступают методы анализаи синтеза ВДПТ для рассматриваемого класса СП.Целью работы является анализ и синтез ВДПТ для рассматриваемого классаСП, разработка алгоритма оптимального проектирования, исследование методовоптимального проектирования.Подходы к решению задачи.Использование современного ПО позволяющего выполнять весь комплексрасчетов и моделирования: позволяющего выполнять аналитический расчет иоптимизацию ВДПТ, а также моделировать работу ВДПТ в составе ЭП в динамике.Применение зарекомендовавших себя методов: МКЭ, МНП, ГА,имитационного моделирования.Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:- обзор современного состояния ВДПТ;- исследование и выбор конструкции ВДПТ и ДПР;- исследование свойств электротехнических материалов и их влияния нахарактеристики ВДПТ и их выбор;- анализ требований ТЗ и расчет полезной мощности ВДПТ для СП;- аналитический расчет ВДПТ и создание его математической модели длядальнейшей оптимизации;- разработка алгоритма анализа и оптимизации ВДПТ с возбуждением от ПМ наоснове РЗМ с использованием (ПО) ANSYS;6  - обзор методов оптимизации и выбор метода;- выбор критериев оптимальности ВДПТ для СП;- исследование возможных путей оптимизации ВДПТ;- изучение настроек ГА для оптимизации ВДПТ, сравнение возможностей ГА свозможностями МНП при различном количестве критериев оптимальности;- решение многокритериальной оптимизационной задачи;- анализ электромагнитного поля ВДПТ с помощью метода конечных элементов(МКЭ);- анализ динамических показателей с помощью косвенных динамическихпараметров и выявление их влияния на АФЧХ СП;- создание имитационной модели СП и анализ по данной модели ВДПТ в составеСП для определения АФЧХ;- проведение экспериментальных исследований ВДПТ отдельно и в составе СП,определение его статических характеристик, АФЧХ СП, в состав которого входитданный ВДПТ;- сравнение результатов моделирования на имитационной модели и результатовэксперимента.Методы исследования.