Автореферат (Анализ и оптимизация вентильного электродвигателя для высокодинамичного электропривода), страница 4

Сравнение(Таблица №8) показало преимущества ГА над МНП при 7 критериях(рассматриваемый случай), поэтому данный метод был выбран для оптимизацииВДПТ. Используя данный метод, был получен оптимизированный вариант ВДПТ.Таблица №8Сравнение ГА и МНПКоличествокритериев456789Значение интегральной функции цели прииспользовании ГА9,6*10-70,0003550,0001030,0000700,0000490,000014Значение интегральной функции цели прииспользовании МНП5,4*10-110,0006990,0000040,0002060,0000500,000001В третьей главеПроведено имитационное моделирование ВДПТ в составе СП.Допущения при использовании динамической модели- токи в обмотке статора, индукция в воздушном зазоре, потокосцепления фаз несинусоидальные;- микроконтроллер – реализует лишь логику работы без учета задержек,необходимых на вычисления;- полупроводниковые ключи – биполярные транзисторы с изолированным затвором;их показатели характеризуются только падением напряжения;- индуктивности постоянные.На рис.10 изображена имитационная модель всего СП.Имитационная модель основана насистеме уравнений ВДПТ.2ФФФСгдеРис.

10. Имитационная модель СП– коэффициент ЭДС,– коэффициент момента,Оценены динамические показатели ВДПТ разных конструкций двумяметодами. С помощью косвенных динамических параметров (Таблица №9) и спомощью имитационного моделирования (Таблица №10).Таблица №9Основные размеры и показатели выбранных вариантов ВДПТНоминальные параметры электродвигателя в установившемся режиме1Вариант ВДПТМетод расчетаКоличество полюсов 2рНоминальное напряжение сети питания, ВСреднеквадратичное значение номинального тока, А15  2ЭД1Синтез4547,43ЭД2Анализ8548,0Окончание таблицы №91Номинальный нагрузочный момент на валу электродвигателя, Н*мНоминальная частота вращения электродвигателя, об/минНоминальная мощность на валу электродвигателя, ВтКоэффициент полезного действия, %Косвенные динамические параметры ЭДСобственный момент инерции ротора электродвигателя, ×10 кг*м2Момент пусковой (в скобках с учетом ограничения по току) электродвигателя,Н*мПусковой ток электродвигателя (в скобках ограничение по току), АЧастота вращения на ХХ, об/минЭлектромеханическая постояннная Тэм, сЭлектромагнитная постоянная Тм, сКрутизна мощности, Н2/кгУгловое ускорение, м/с2Параметры обмотки статораПлотность тока в обмотке статора, А/мм2Активное сопротивление фазы статора, ОмИндуктивность фазы обмотки статора, ГнГабаритные размеры и масса активных материаловНаружный диаметр статора, ммДлина статора активная, ммМасса активных материалов, кг20,31390003187930,5605000300692,903,3(1,82)5,383,5(2,50)79 (35)110161,84×10-34,35×10-41,14×1066,27×10554 (35)69401,56*10-33,14*10-41,16*1064,65*105110,320,000270210,430,00027044300,2840290,22Как видно из таблицы 3.29 ЭД2 превосходит ЭД1 по пусковому моменту как сучетом ограничения по пусковому току, так и без учета, имеет меньшую частотувращения на ХХ, меньшую электромагнитную постоянную, однако уступает ЭД1 покрутизне мощности, моменту инерции и угловому ускорению.

По энергетическимпоказателям ЭД1 и ЭД2 удовлетворяют ТЗ, при этом ЭД1 имеет меньшийпотребляемый ток, несколько большую отдаваемую мощность, а значит и КПД,большую частоту вращения и меньший электромагнитный момент, чем ЭД2.В таблице 10 показано сравнение ЭД1 и ЭД2 по запаздыванию по фазе приотработке входного гармонического сигнала при моделировании их в составе СП.Сравнение динамических показателей ЭП с разными конструкциями ЭДТаблица №10Сравнение динамических показателей ЭД1 и ЭД2Частота входного сигнала, Гц12040Запаздывание по фазе (расчетное с ограничением по току), градЭД1ЭД20035565592Моделирование отработки входного единичного ступенчатого сигналаНа рис.

11, 12 представлены расчетные данные отработки единичногоступенчатого сигнала, полученные при имитационном моделировании СП (сэлектродвигателем ЭД1) на основе динамической модели, в состав которого входитисследуемый ВДПТ.Рис.11.Отработкаединичного Рис.12.Отработкаединичногоступенчатого сигнала +10 Вступенчатого сигнала -10 В16  Моделирование реальных динамических параметровВ таблице №11 представлены расчетные данные отработки АФЧХ,полученные при имитационном моделировании СП (с электродвигателем ЭД1) наоснове динамической модели, в состав которого входит исследуемый ВДПТ.

Какпоказывают расчеты, спроектированный ВДПТ обеспечивает заданные по ТЗдинамические показатели.Таблица №11Имитационное моделирование СП (расчетные данные)Коэффициент усиления в контуре по положениюНоминальныйДвойнойЧастота входного сигнала 1 Гц, амплитуда 10 ВЧастота входного сигнала 1 Гц, амплитуда 10 ВЧастота входного сигнала 6 Гц, амплитуда 3 ВЧастота входного сигнала 6 Гц, амплитуда 3 ВЧастота входного сигнала 20 Гц, амплитуда 0,45 ВЧастота входного сигнала 20 Гц, амплитуда 0,45 ВЧастота входного сигнала 40 Гц, амплитуда 0,2 ВЧастота входного сигнала 40 Гц, амплитуда 0,2 ВКак показывают расчеты, спроектированный ВДПТ обеспечивает заданные поТЗ динамические показатели.

Для проверки правильности расчетов был изготовленмакетный образец СП и были сняты его показатели.В четвертой главе представлены результаты экспериментальныхисследований опытного образца ВДПТ ДБУ44 и результаты расчетов. На рис. 13представлен СП, в состав которого входит ДБУ44, рассматриваемый в даннойдиссертации. Для проверки результатов расчета на ОАО «ЛЕПСЕ»был изготовлен макет ДБУ44 и проведены егоиспытания, в ходе которых снимались естественныехарактеристики ЭД в установившемся режиме. Дляподтверждения расчетных данных, были проведеныисследования макета ВДПТ ДБУ44, разработанного сиспользованиемметодикоптимальногопроектирования.

Для этого были сняты динамическиепоказатели ВДПТ в составе СП (Таблица №12).Рис. 13. Вентильный СП17  Таблица №12Динамические показатели СП с ДБУ44 (Опыт)Входной сигналчастота,амплитуГцда,В2040Выходные параметрыИзмеряемый параметрЗапаздывание по фазе,не болееАмплитуда, дБЗапаздывание по фазе,не более0,2Амплитуда, дБСоответствие параметрам0,45Без токоограниченияС токоограничением 35 А28°36°-1,70,472°125°-1,3соответствует-1,2соответствуетВ таблице №13 представлены в сравнении расчетные и опытные данные приотработке единичного ступенчатого сигнала.Таблица №13Сравнение результатов расчета и моделирования времени перемещения штока искорости перемещения штока при отработке ступенчатого входного сигналаСигналуправления, В+10-10+10-10Проверяемый параметрВремя перемещения штока, [c]Скорость перемещения штока,[м/с]Результатмоделирования0,0990,0990,1920,192Результатиспытания0,0950,0980,1870,192Процентошибки, %4130Как показывают исследования, расчетные и опытные данные совпадают свысокой точностью.

В таблице №14 представлены расчетные данные при различныхспособах моделирования в сравнении с опытными данными для ДБУ44, а такжепогрешность расчетов.Таблица №14Сравнение опытных и расчетных данныхРабочие характеристики в установившемся режимеЭкспериментРасчет0,3380,6250,8060,338Потребляемый ток, А7,507,4514,0018,00Частота вращения, об/мин9410900078007100Динамические показатели (переходные процессы) без ограничения по токуВходной сигнал, ГцЭкспериментРасчет120401Запаздывание по фазе, град002872-0,62512,707717-0,80615,907012Процентошибки, %0,69,311,64,31,01,22020-403302854Нагрузочный момент, Н*мТочность при расчетах ЭД в установившемся режиме составляет от 5 до 12процентов, т.е. расчетная модель на данных этапах приближается к реальномуобъекту.

На этапе моделирования электропривода расчетные данные на большихчастотах входных сигналов несколько не совпадают с экспериментом. Этообъясняется неучтенной постоянной времени в микроконтроллерной системеуправления. Для приближения расчетной модели к реальному объекту, на данномэтапе необходимо найти звено с неучтенной постоянной времени.

Работы в данномнаправлении продолжатся. При всем при этом, полученные результатыэкспериментальных исследований достаточно хорошо согласуются с результатами18  расчетов по математическим моделям. В установившемся режиме можно говорить охорошей сходимости расчетных данных с данными эксперимента, при расчетепереходных процессов можно говорить о том, что представленная имитационнаямодель позволяет правильно определять направление при настройках и отладке ЭП.В приложениях представлены результаты оптимизационных расчетов, вариантыконструкций МС роторов, значения магнитных индукций в ВДПТ разработки ОАО«ЛЕПСЕ», патент на полезную модель.ЗАКЛЮЧЕНИЕПо результатам проведенных в диссертационной работа исследований можносделать следующие выводы:1.На основании требований технического задания проведен анализ конструктивныхисполнений и обоснован выбор конструкции вентильного двигателя, датчикаположения ротора. Обоснован выбор электротехнических и магнитных материалов.Основной результат первой главы заключается в разработке алгоритма анализа иоптимального проектирования конкретного вентильного электродвигателя дляспециального электропривода с заданными характеристиками, основанный накомплексном подходе к процессу проектирования, включающий в себя этап анализапо схеме замещения, этап оптимизации с помощью генетического алгоритма, этапанализа вентильного двигателя с помощью метода конечных элементов путеммоделирования электромагнитного поля, этап имитационного моделированиявентильного двигателя в составе специального электропривода, этап тепловогорасчета и этап механического расчета.

Основным практическим результатомявилось внедрение данного алгоритма в процесс проектирования электродвигателейи электроприводов на ОАО «ЛЕПСЕ».2.На основании требований технического задания к электродвигателю иэлектроприводу создана математическая модель для оптимизации, которая содержитвходные параметры, ограничители, независимые переменные, выходные параметры.3.Проведен анализ возможных путей оптимизации вентильного двигателя,позволяющий повысить энергетические и массогабаритные показатели, наосновании проведенного анализа выбраны независимые переменные. Одним изрезультатов исследования возможных путей оптимизации явилось получениепатента на полезную модель, который в дальнейшем был внедрен в процесспроизводства вентильных электродвигателей для данного класса электроприводов.4.Для реализации алгоритма было выбрано лицензионное программное обеспечениеANSYS, позволяющее выполнять все виды расчетов электродвигателя иэлектропривода.7.В результате анализа методов оптимизации для рассмотрения выбраны два методаоптимизации генетический алгоритм и методы нелинейного программирования(градиентный и динамического программирования).8.Выработаны рекомендации по настройке генетического алгоритма для критериевоптимальности заданных для вентильного двигателя, рассматриваемого в даннойдиссертационной работе.9.Проведено сравнение генетического алгоритма и методов нелинейногопрограммирования с точки зрения получения минимального значения интегральнойфункции цели при различном количестве критериев оптимальности.