Моделювання електромеханічних процесів в керованих вентильних реактивних двигунах

Abstract

Дисертація присвячена питанням математичного моделювання та дослідження вентильних реактивних двигунів з буферами енергії та різними способами організації регулювання швидкості обертання таких двигунів. Для досягнення цієї мети отримала подальший розвиток теорія керування ВРД щодо використання широтно-фазового та широтно-імпульсного способів керування для забезпечення відповідних регулювальних характеристик, а саме запропоновано спосіб широтно-імпульсного керування ВРД з буферами енергії з використанням наявних в комутаторі силових транзисторних ключів та описано його математичну модель, що дозволяє створювати високоефективні й дешеві системи керування електроприводами на базі згаданих двигунів. В роботі вперше створено математичні моделі керованих ВРД, що забезпечують можливість аналізу роботи електроприводу на базі керованих ВРД в динамічних та квазіусталених режимах роботи. Проведеними дослідженнями встановлено, що в керованому ВРД з буферами енергії електромагнітний момент має значний рівень пульсацій, які найбільше залежать від кількості секцій якірної обмотки, а також від кута вмикання секції та інтервалу їх комутації. Експериментальні дослідження підтвердили теоретичні прогнози щодо покращення енергетичних характеристик ВРД застосуванням буферів енергії в схемах їх комутаторів. Так, ВРД з послідовними буферами енергії мають в (1.2 - 1.3) рази вищий коефіцієнт віддачі і в (1.6 - 1.7) рази краще використання активного об’єму порівняно зі схемою півмостового комутатора. Достатньо висока збіжність розрахункових й експериментальних кривих струмів ВРД свідчить про правомірність прийнятих допущень та про адекватність математичних моделей фізичним взірцям. Диссертация посвящена вопросам математического моделирования и исследования вентильных реактивных двигателей с буферами энергии и различными способами организации регулирования скорости таких двигателей. Для достижения этой цели получила дальнейшее развитие теория управления ВРД по использованию широтно-фазового и широтно-импульсного способов управления для обеспечения соответствующих регулировочных характеристик. Предложенный в работе способ ограничения пускового тока при пуске ВРД с буферами энергии за счет использования самозащищенных ключей обеспечивает защиту всех ключей электронного коммутатора (ЭК) при аварийных превышениях нагрузок. В работе предложен также способ широтно-импульсного управления ВРД с буферами энергии и способы торможения ВРД, которые позволяют использовать только имеющиеся в коммутаторе силовые транзисторы, что позволяет создавать высокоэффективные и дешевые системы управления электроприводами на базе ВРД с буферами энергии, а также исследовать и анализировать режимы их работы. Предложен и реализован новый принцип создания математической модели управляемого ВРД с буферами энергии на основе математических моделей его отдельных компонентов, что позволило рассчитывать и анализировать отдельные составляющие потерь. На основе предложенного принципа, впервые созданы нелинейные математические модели явнополюсных управляемых вентильных реактивных двигателей с емкостными буферами энергии для мгновенных значений, которые с высокой степенью адекватности отражают все электрические и электромеханические процессы, протекающие в таких двигателях. Модели позволяют проводить исследования как динамических, так и квазиустановившихся режимов работы ВРД, получать мгновенные значения токов в секциях, токов Фуко в магнитопроводе, электромагнитного момента, напряжения на конденсаторе. Проведенными в четвертом разделе с помощью компьютерного симулирования исследованиями установлено, что в управляемом вентильном реактивном двигателе с буферами энергии электромагнитный момент имеет значительный уровень пульсаций, которые зависят от количества секций якорной обмотки, а также от угла включения секции и интервала их коммутации. Экспериментальные исследования подтвердили также теоретические предсказания относительно улучшения энергетических характеристик ВРД применением буферов энергии в схемах их ЭК. Так, ВРД с последовательными БЭ имеют в (1.2 - 1.3) раза выше коэффициент отдачи и в (1.6 - 1.7) раза лучше использования активного объема по сравнению с полумостовой схемой коммутатора. Достаточно высокое соответствие расчетных и экспериментальных кривых токов и напряжений ВРД свидетельствует о правомерности принятых допущений и о адекватности математических моделей физическим образцам. To mathematical modeling and researches in switched reluctance motors with power buffers and different speed’s regulating methods is devoted this thesis. To achieve this, further developed the theory of SRM’s control use pulse-phase and pulse-width regulations for relevant characteristics; new structure scheme of self-protecting transistor switch and its mathematical model are proposed. This scheme allows to limit value of currents and explores start and overload modes. The method of pulse-width control by SRM with capacity storages, which would using power transistor switches and its mathematical model, that allows you to create highly effective and cheap electronic control system on the basis of SRM are given in this paper. Such model allows investigate and analyze different SRM’s operation modes. Mathematical models of controlled SRM, which provide analysis in controlled electric drive based on the SRM by high adequacy in dynamic and queasy-steady modes, are first created in this thesis. Conducted by computer simulation results found that in controlled SRM with energy buffers electromagnetic moment currently has a ripples, which are most dependent on the section number and, also, on the value of switching angle and switching range. Investigation results confirmed the theoretical predictions to energy performance improve in SRM when energy buffers using. Thus, SRM with series energy buffers have in (1.2 - 1.3) times higher efficiency and (1.6 - 1.7) times more active usage compared with the half-bridge electrical scheme. High coincidence of the calculated and experimental currents and voltages curves of SRM evidence of legality assumptions, which adopted in mathematical model’s constructing process and their adequacy.