Исследование динамических параметров электропривода на базе двигателя с катящимся ротором

Анализируются динамические параметры электропривода на базе двигателя с катящимся ротором. Точность позиционирования такого мехатронного модуля обеспечивается в результате исследования факторов, определяющих электромеханическую и электромагнитную постоянные времени. Экспериментальная оценка времени...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2016
Hauptverfasser:	Кулинченко, Г.В., Масленников, А.М., Багута, В.А.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України 2016
Schriftenreihe:	Електротехніка і електромеханіка
Schlagworte:	Електричні машини та апарати
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/147269
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Исследование динамических параметров электропривода на базе двигателя с катящимся ротором / Г.В. Кулинченко, А.М. Масленников, В.А. Багута // Електротехніка і електромеханіка. — 2016. — № 6. — С. 9-14. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-147269
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1472692019-02-14T01:26:52Z Исследование динамических параметров электропривода на базе двигателя с катящимся ротором Кулинченко, Г.В. Масленников, А.М. Багута, В.А. Електричні машини та апарати Анализируются динамические параметры электропривода на базе двигателя с катящимся ротором. Точность позиционирования такого мехатронного модуля обеспечивается в результате исследования факторов, определяющих электромеханическую и электромагнитную постоянные времени. Экспериментальная оценка времени переходного процесса при управлении позиционированием модуля позволяет исследовать влияние различных параметров электропривода на его динамику Аналізуються динамічні параметри електроприводу на базі двигуна з ротором, що котиться. Точність позиціонування такого мехатронного модуля забезпечуються в результаті дослідження факторів, що визначають електромеханічну та електромагнітну сталі часу. Експериментальна оцінка часу перехідного процесу при керуванні позиціонуванням модуля дозволяє досліджувати вплив різних параметрів електроприводу на його динаміку. Purpose. Development and investigation of a dynamic model of electric drive on the base of the rolling rotor motor (RRM) which reflects the positioning of the actuator of the locking and regulating equipment in time. Methodology. Analytical description of electromagnetic and mechanical processes in the electric drive during the RRM shaft movement by using a system of differential equations. Numerical imitation modeling with the processes visualization in the Matlab environment of the RRM rotor displacement with mechanical load in time. Results. It is shown that the degree of influence of the value of the load inertia on the dynamics of the object obtained by the waveform changes the rotation angle of the rotor and motor speed in time. The degree of influence of the value of the electromagnetic time constant of the dynamics of the positioning of the actuator, and the nature of transients during acceleration and fixing position of the rotor with a predetermined moment of inertia for different values of inductance. The effect of the ratio of electromechanical and electromagnetic time constants of the nature of the transition processes accompanying jog mode angular displacement of the drive shaft on the base of RRM. Originality. The lack of technical means to ensure acceptable accuracy time measurement of angular displacement shaft of the actuator in jog mode offset by using a laser meter which gives the opportunity to assess the adequacy of the dynamic model of the RRM. Practical value. The results of investigations allow to create a tool for optimization of structural, technical and hardware and software solutions for the improvement and modernization of the projected electric locking and regulating equipment. The direction for improving the dynamics of the drive on the basis of RRM is indicated providing for an increase in its torque characteristics of the motor by reducing the influence of the parameters of transients 2016 Article Исследование динамических параметров электропривода на базе двигателя с катящимся ротором / Г.В. Кулинченко, А.М. Масленников, В.А. Багута // Електротехніка і електромеханіка. — 2016. — № 6. — С. 9-14. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 2074-272X DOI: https://doi.org/10.20998/2074-272X.2016.6.02 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/147269 621.255.2001.24 ru Електротехніка і електромеханіка Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Електричні машини та апарати Електричні машини та апарати
spellingShingle	Електричні машини та апарати Електричні машини та апарати Кулинченко, Г.В. Масленников, А.М. Багута, В.А. Исследование динамических параметров электропривода на базе двигателя с катящимся ротором Електротехніка і електромеханіка
description	Анализируются динамические параметры электропривода на базе двигателя с катящимся ротором. Точность позиционирования такого мехатронного модуля обеспечивается в результате исследования факторов, определяющих электромеханическую и электромагнитную постоянные времени. Экспериментальная оценка времени переходного процесса при управлении позиционированием модуля позволяет исследовать влияние различных параметров электропривода на его динамику
format	Article
author	Кулинченко, Г.В. Масленников, А.М. Багута, В.А.
author_facet	Кулинченко, Г.В. Масленников, А.М. Багута, В.А.
author_sort	Кулинченко, Г.В.
title	Исследование динамических параметров электропривода на базе двигателя с катящимся ротором
title_short	Исследование динамических параметров электропривода на базе двигателя с катящимся ротором
title_full	Исследование динамических параметров электропривода на базе двигателя с катящимся ротором
title_fullStr	Исследование динамических параметров электропривода на базе двигателя с катящимся ротором
title_full_unstemmed	Исследование динамических параметров электропривода на базе двигателя с катящимся ротором
title_sort	исследование динамических параметров электропривода на базе двигателя с катящимся ротором
publisher	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
publishDate	2016
topic_facet	Електричні машини та апарати
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/147269
citation_txt	Исследование динамических параметров электропривода на базе двигателя с катящимся ротором / Г.В. Кулинченко, А.М. Масленников, В.А. Багута // Електротехніка і електромеханіка. — 2016. — № 6. — С. 9-14. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
series	Електротехніка і електромеханіка
work_keys_str_mv	AT kulinčenkogv issledovaniedinamičeskihparametrovélektroprivodanabazedvigatelâskatâŝimsârotorom AT maslennikovam issledovaniedinamičeskihparametrovélektroprivodanabazedvigatelâskatâŝimsârotorom AT bagutava issledovaniedinamičeskihparametrovélektroprivodanabazedvigatelâskatâŝimsârotorom
first_indexed	2025-07-11T01:44:47Z
last_indexed	2025-07-11T01:44:47Z
_version_	1837313090623897600
fulltext	Електричні машини та апарати ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №6 9 © Г.В. Кулинченко, А.М. Масленников, В.А. Багута УДК 621.255.2001.24 doi: 10.20998/2074-272X.2016.6.02 Г.В. Кулинченко, А.М. Масленников, В.А. Багута ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА БАЗЕ ДВИГАТЕЛЯ С КАТЯЩИМСЯ РОТОРОМ Аналізуються динамічні параметри електроприводу на базі двигуна з ротором, що котиться. Точність позиціонуван- ня такого мехатронного модуля забезпечуються в результаті дослідження факторів, що визначають електромехані- чну та електромагнітну сталі часу. Експериментальна оцінка часу перехідного процесу при керуванні позиціонуван- ням модуля дозволяє досліджувати вплив різних параметрів електроприводу на його динаміку. Бібл. 10, рис. 9. Ключові слова: двигун з ротором, що котиться, стала часу, контроль позиціонування, динаміка. Анализируются динамические параметры электропривода на базе двигателя с катящимся ротором. Точность пози- ционирования такого мехатронного модуля обеспечивается в результате исследования факторов, определяющих электромеханическую и электромагнитную постоянные времени. Экспериментальная оценка времени переходного процесса при управлении позиционированием модуля позволяет исследовать влияние различных параметров электро- привода на его динамику. Библ. 10, рис. 9. Ключевые слова: двигатель с катящимся ротором, постоянная времени, контроля позиционирования, динамика. Введение. Определенный сегмент электропри- вода запорно-регулирующей арматуры (ЗРА) пред- ставляет собой мехатронный модуль, объединяющий в себе систему управления и исполнительный элек- трический механизм однооборотный (МЭО), который состоит из асинхронного двигателя и редуктора. Зада- чи улучшения технико-экономических показателей таких модулей предполагают поиск альтернативных исполнительных устройств, например, двигателей с катящимся ротором (ДКР). Кроме возможности со- вмещать функции электродвигателя и редуктора, что значительно улучшает эксплуатационные характери- стики модуля, дополнительным преимуществом ДКР является достижение заданных пусковых моментов при относительно небольшом пусковом токе. Основной тенденцией развития ДКР является наращивание мощности этих двигателей, поскольку их энергетические показатели работы улучшаются по мере увеличения мощности двигателей. Исходя из задач совершенствования параметров ДКР, используемых в ЗРА, определяющую роль в исследовательских работах играют возможности по- лучения крутящего момента, при котором исключает- ся нарушение синхронного вращения и проскальзы- вания ротора относительно статора. Постановка задачи. Определяя аспекты исследо- ваний динамических параметров ДКР, отметим, что ме- тоды и технологии моделирования определяются спе- цификой объекта моделирования. Специфичным для ДКР, который работает в приводе ЗРА, является универ- сальный динамический показатель, который характери- зует быстродействие – его приемистость П [1]: rr JM 2 , (1) где Мr – вращающий момент ДКР; Jr – момент инер- ции ротора ДКР. Оценка динамических характеристик электропри- вода может производиться по времени разгона и оста- новки двигателя в заданной позиции, учитывая момент сопротивления и момент инерции нагрузки на валу ДКР. Такая постановка задачи является типичной для шаговых [2], асинхронных [3] и двигателей постоян- ного тока, используемых в мехатронных системах [4]. Особенности формирования вращающего мо- мента ДКР [1] – малые угловые перемещения вала двигателя при заданных управляющих воздействиях, не позволяют использовать упомянутые подходы для оценки динамических параметров электропривода на базе ДКР в старт-стопных режимах. Актуальность исследований вытекает из воз- можностей увеличения вращающего момента ДКР до значений, которые реализуются в МЭО с использова- нием редуктора. Такое определение актуальности ра- бот обусловлено преимуществом эксплуатационных параметров ДКР над параметрами МЭО. Процесс аде- кватного сравнения данных по динамике старт- стопных режимов тормозится несовершенством мето- дик оценки динамических параметров электроприво- да, особенно при случайном характере позициониро- вания ЗРА (регулирование положения задвижки). Ре- зультаты моделирования режимов функционирования ЗРА дают возможности получить данные, которые необходимы, как для совершенствования алгоритмов управления электроприводом на базе ДКР, так и оп- тимизации его конструкции. Известные математические модели ДКР [5], бази- рующиеся на уравнениях, описывающих электромаг- нитные процессы электрической машины [6], позволяют совершенствовать конструкцию ДКР по результатам анализа углового перемещения ротора на высоких и низких частотах вращения в стационарных режимах. При исследовании влияния режимов коммутации катушек обмотки статора ДКР на его вращающий мо- мент показано, что в условиях изменяющейся нагрузки [7] именно его динамические характеристики опреде- ляют эксплуатационные возможности преобразователя в различных сферах. Посредством выбора параметров режимов коммутации, для заданной конструкции ДКР, получают требуемую частоту вращения при разных моментах сопротивления на валу двигателя. Более эффективной для оценки динамических параметров ДКР представляется имитационная мо- дель [8], в которой в результате решения уравнения iR dt diФ dt di i iФ tU           ),(),( )( , (2) где U(t) – питающее напряжение; i – ток в обмотке; Ф – магнитный поток, созданный обмоткой статора; R – активное сопротивление обмотки; υ – угол пово- 10 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №6 рота ротора, можно получить значения электромаг- нитного момента Ме в зависимости от угла поворота:        dii iM i e 0 ),(Ф ),( . (3) Позиция ротора, определяемая значением угла поворота υ, вычисляется в результате решения урав- нения равновесия вращающих моментов на валу дви- гателя, членами которого являются момент сопротив- ления движению ротора, динамический момент со- противления, зависящий от момента инерции ротора и нагрузки. Получаемый статический электромагнит- ный момент этой модели не отражает характер пере- ходных процессов, которые сопровождают старт- стопные режимы перемещений ротора и зависят от электромеханических параметров электропривода. Цель работы заключается в разработке и иссле- довании динамической модели электропривода на базе ДКР, которая отражает позиционирование ис- полнительного механизма ЗРА во времени. Кроме того, по результатам работы предусмат- ривается формирование требований к аппаратной и программной составляющим системы управления электроприводом на базе ДКР, которые являются ин- струментом оптимизации параметров ЗРА. Переход ДКР из синхронного в асинхронный ре- жим зависит от соотношения значений силы трения и составляющей силы одностороннего магнитного при- тяжения (СОМП), создающей движение ротора по расточке статора. При переходе ДКР в асинхронный режим, сопровождающийся проскальзыванием рото- ра, ставится задача удержания исполнительного меха- низма ЗРА в заданном положении при действии мо- мента сопротивления на валу привода. В этом случае задачей исследований является оценка возможностей реализации необходимых значений электромагнитно- го момента ДКР. Влияние свойств материалов магнитной систе- мы ДКР на его динамику. Поскольку перемещение вала ДКР осуществляется в результате воздействия маг- нитного поля статора на ротор, то необходимо произве- сти оценку влияния электромеханических параметров на динамические характеристики ДКР на его математиче- ской модели. Такой подход обусловлен тем, что отсут- ствие механической нагрузки на двигатель соответству- ет режиму холостого хода, при котором режим про- скальзывания практически не наблюдается. Повышение вращающего момента ДКР, как не- обходимое условие улучшения его динамических па- раметров, ориентируется на достижении оптимальных соотношений электромагнитных показателей, кото- рые характеризуют режимы функционирования ДКР. Вращающий момент двигателя зависит от угло- вой координаты ротора относительно поля статора и соответствующего этому углу значения магнитной индукции в воздушном зазоре ДКР [9]: )(ch 2 )( 0     n F B    , (4) где Fδ – МДС воздушного зазора в радиальном на- правлении; δ – воздушный зазор; φ – угловая коорди- ната, определяющая радиальное значение длины воз- душного зазора; ch – гиперболический косинус; n – число, зависящее от конструкции двигателя. Анализ диапазона изменения значения магнит- ной индукции в воздушном зазоре при изменении угла поворота ротора показывает, что при вращении ротора изменения индукции Bδ составляют 6 %. Соот- ветственно, принимая во внимание нелинейный ха- рактер зависимости СОМП от угла поворота ротора, можно оценить диапазон ее изменение для двух край- них значений угла поворота. Воспользовавшись кривой намагничивания стального ротора (кривая 3, рис. 1), можно рассчитать значение магнитной индукции в воздушном зазоре между статором и ротором в зависимости от напря- женности магнитного поля для минимального (0,001 мм) и максимального (0,08 мм) воздушного зазора, которые на рис. 1 отображаются прямыми 1 и 2. Рис. 1. Зависимость магнитного потока от напряженности магнитного поля Двум значениям напряженности магнитного по- ля (точки р1 и р2) соответствуют значения магнитного потока Ф1 = 0,015 мВб; Ф2= 0,0155 мВб и индукции В1 = 1,515 Тл; В2 = 1,565 Тл. Это обстоятельство, с достаточной для практики точностью, дает возможность аппроксимировать функцию магнитную индукцию в воздушном зазоре статора и ротора линейной зависимостью от угла по- ворота ротора. Значение магнитодвижущей силы (МДС) Fδ об- мотки статора, которая обуславливает значения маг- нитной индукции в воздушном зазоре, зависит от зна- чения тока статора I, протекающего по виткам N ка- тушек обмотки статора. Поскольку ток обмотки при подаче импульса напряжения изменяется по закону: )1( /t N p e R U I  , (5) где UP – напряжение на зажимах обмотки с активным сопротивлением RN; τ =L/RN – постоянная времени; L – индуктивность катушки. По этому закону ско- рость нарастания МДС в воздушном зазоре, измене- ние магнитного потока и магнитной индукции будут определяться постоянной времени, зависящей от па- раметров обмотки статора. Таким образом, стремление повысить вращаю- щий момент ДКР за счет увеличения МДС ограничи- вается не только конструктивными соображениями, но и увеличением индуктивности обмотки, которая вместе с сопротивлением обмотки определяет посто- янную времени, а значит и динамику ДКР. ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №6 11 В работе [9] показано, что время переходного процесса в обмотке статора намного больше времени перекатывания ротора, поэтому влиянием электроме- ханической постоянной времени на динамику процес- са можно пренебречь. Тем не менее, по мере увеличе- ния массы ротора, соответственно, его момента инер- ции Jr, которые становятся существенными в мощных двигателях, пренебрежение электромеханической по- стоянной времени приводит к ошибкам в оценках ди- намических характеристик ДКР. Выделяя факторы, влияющие на режимы работы ДКР, следует обратить внимание на соотношение элек- трической и электромеханической постоянных времени, с временем коммутации обмоток, поскольку эти пара- метры, совместно с коэффициентом трения ротора рег- ламентируют смену режимов работы ДКР от синхрон- ного до асинхронного или режима проскальзывания. Формализация описания математической мо- дели ДКР. Формулируя задачи моделирования ДКР, которые определяют структуру модели, примем во внимание то, что исследуемый объект используется в составе мехатронного модуля дросселирования газа. Это означает, что кроме требований к величине вра- щающего момента и момента удержания позиции дросселя трубопровода, реальный двигатель в составе модуля должен обеспечить необходимое быстродей- ствие и точность позиционирования, то есть соответ- ствующую приемистость управляющего воздействия. Соответственно и модель ДКР должна отражать связь упомянутых параметров с каналами управления. Специфика функционирования модуля дроссели- рования заключается в изменении во времени характера и направления действия механических нагрузок. Поэто- му разрабатываемая модель должна отражать скорост- ные и механические характеристики в различных режи- мах функционирования электропривода на базе ДКР. Поскольку процессы, происходящие в любом электродвигателе, влияют друг на друга, то для ис- следования динамических режимов мехатронного модуля необходимо рассмотреть связь уравнений энергетического баланса и электромагнитного момен- та с уравнениями движения составных частей модуля. В результате решения этих уравнений численными методами получают временные зависимости, отра- жающие динамику процесса функционирования мо- дуля с ДКР. Применение численных методов модели- рования обусловлено нелинейным характером урав- нений, описывающих состояние ДКР. Структуру модели мехатронного модуля на базе ДКР представим схемой, состоящей из 4-х блоков:  блока эмуляции перемещения вектора магнитно- го поля статора (БЭПС);  блока логики (ЛБ);  блока эмуляции магнитной индукции Bδ в воз- душном зазоре статора и ротора (БЭМИ);  механического блока (МБ). Механический блок модели, в соответствии со сло- жившимися подходами к описанию перемещений, мо- жет быть представлен следующими уравнениями: );( 1 fe m r TT Jdt d  (6) ,rdt d   (7) где ωr – угловая скорость вращения ротора; Jm – сум- марный приведенный момент инерции ротора и на- грузки; Te, Tf – электромагнитный момент и момент сопротивления вращению; φ – угол положения катя- щегося ротора относительно поля статора. Уравнениям (7) в среде MATLAB Simulink соот- ветствует структурная схема моделирования, приве- денная на рис. 2. Рис. 2. Структурная схема моделирования МБ Особенностью моделирования МБ ДКР является отражение фиксации позиции ротора в результате отключения импульса напряжения, поданного на ка- тушку обмотки статора. В момент времени, когда электромагнитный момент Te = 0, но продолжает дей- ствовать момент сопротивления Tf, начинает снижать- ся скорость перемещения катящегося ротора. После того, как скорость ротора достигает нулевого значе- ния, в схеме модели МБ с помощью элемента Switch отключается момент сопротивления. Как видно из рис. 2, в МБ с помощью коэффици- ента демпфирования учитывается зависимость мо- мента сопротивления от скорости вращения ротора. Блок эмуляции магнитной индукции Bδ отражает изменение значения магнитной индукции в воздуш- ном зазоре статора и катящегося ротора. Эти измене- ния описываются соотношением (4). Работа БЭМИ синхронизируется коммутирую- щими импульсами генератора схемы управления движением ДКР. В результате подачи импульсов на- пряжения в катушки обмотки статора ДКР, ток, фор- мирующий МДС и магнитную индукцию в воздуш- ном зазоре, изменяется по экспоненциальному закону (5). Модель изменений можно представить апериоди- ческим звеном с постоянной времени обмотки τ. Соб- ственно, именно эта постоянная соответствует элек- тромагнитной постоянной времени ДКР. Для получения изменяющихся во времени значе- ний магнитной индукции, необходимо учитывать влияние величины воздушно зазора, который также периодически изменяется в результате движения рото- ра. Вычисления зазора δ осуществляются в результате линейной интерполяции зависимости δ от угла нагруз- ки Θ, который связан с углом поворота ротора φ. Схема моделирования БЭМИ приведена на рис.3. Рис. 3. Схема БЭМИ 12 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №6 Блок эмуляции перемещения вектора магнитного поля статора отображает дискретные изменения угла поворота вектора магнитного поля в соответствии с частотой, задаваемой внешним генератором импуль- сов коммутации. В соответствии с правилами коммутации 8-ми катушечного статора ДКР угол перемещения вектора магнитного поля статора составляет α= π/4. Для вра- щения ротора в том или ином направлении генератор импульсов коммутации (рис. 3, 4) формирует сигна- лы, воздействие которых обеспечивает дискретное перемещения вектора индукции на угол α = π/4. На- рушение равновесия сил, действующих на ротор, вы- званное коммутацией катушек обмотки статора, при- водит его в движение, в результате чего изменяется угол текущего положения ротора φ, при этом изменя- ется и угол нагрузки Θ = (α – φ). Электромагнитный момент динамической модели ДКР в результате перемещения вектора магнитной ин- дукции, связанного с углом нагрузки Θ, вычисляется [1]:     sin 2 )( 0 2    r e dSB T , (8) где S – площадь поверхности, через которую прохо- дит основной магнитный поток; dr – диаметр ротора. В результате можно составить схему моделиро- вания электромагнитного момента ДКР, представлен- ную на рис. 4. Рис. 4. Схема моделирования электромагнитного момента ДКР Поскольку задачей моделирования является ис- следование параметров динамики ДКР, то результаты моделирования должны отображать взаимодействие процессов разгона и торможения ротора во времени. Характерным для этих процессов является изменение значений скорости и ускорений ротора не только во времени, но и по направлению. Логика взаимосвязей параметров и диапазоны ограничений реализуются в блоке логики (ЛБ). ЛБ модели позволяет отразить пере- ключение направление вращения ротор ДКР и исклю- чить значения параметров модели, которые противоре- чат физическому смыслу функционирования двигате- ля. Эти задачи решаются с помощью комбинации ло- гических функций моделирующей среды Matlab. Взаимодействие ЛБ с другими блоками модели отражается на общей структурной схеме динамиче- ской модели ДКР, изображенной на рис. 5. Входные параметры модели задаются характери- стиками ДКР и параметрами мехатронного модуля ЗРА. Результаты моделирования получаем в виде из- меняющихся во времени выходных параметров дина- мической модели – вращающего момента, скорости вращения и угла перемещения ротора ДКР. Рис. 5. Структурная схема динамической модели ДКР Эти изменения выходных параметров визуализи- руются с помощью интерфейса пользователя среды Matlab. Характер возмущений параметров объекта мо- делирования задается исходя из задач моделирования. Результаты моделирования. Исследуя степень влияния значения динамического момента инерции объекта, получены осциллограммы изменений угла поворота и скорости ротора ДКР во времени при раз- ных значениях момента инерции Jm (рис. 6). Рис. 6. Осциллограммы изменений угловой скорости и угла поворота ротора при коммутации обмоток На рис. 7,а показаны изменения угла поворота управляющего вектора индукции, на 7,б – колебания электромагнитного момента Те, 7,в – изменения угло- вой скорости, 7,г – угла поворота ротора для разных значений величины момента нагрузки. Из приведенных данных следует, что при увели- чении постоянных времени модуля за счет момента нагрузки на валу до определенных значений, прихо- дится ограничивать частоту коммутации обмоток. На рис. 7,в,г видно, что при определенных нагрузках на валу ДКР управление перемещением ротора теряет смысл, поскольку отсутствует фиксация ротора в пре- дыдущей позиции. Чтобы оценить степень влияния значения элек- тромагнитной постоянной времени на динамику по- зиционирования ДКР, рассмотрим характер переход- ных процессов при разгоне и фиксации положения ротора с заданным моментом инерции для разных значений индуктивности обмотки (рис. 8). В относительных единицах на рис. 8,а, представ- лено изменение электромагнитного момента во вре- мени; б – результирующего момента, в – изменения угловой скорости, г – угла поворота ротора для посто- янной времени обмотки τ=5мс и τ =50мс. ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №6 13 Рис. 7. Осциллограммы изменений момента, угловой скорости ротора и угла поворота Рис. 8. Осциллограммы изменений электромагнитного момента, угловой скорости ротора и угла поворота ротора При этом кривые 1, 2 на осциллограмме 8,г соответ- ствуют изменению угла поворота для значения момента инерции Jm1, а кривые 3, 4 – для момента инерции Jm2. Значения угловой скорости для момента инерции Jm1 (кривая 1) и Jm2 (кривая 2) на рис. 8,в заметно от- личаются, в то время, как различия сигналов вследст- вие изменения значения индуктивности обмотки на порядок (τ = 5 мс, τ = 50 мс) малозаметны. Следует отметить, что увеличение индуктивности обмотки ДКР более 500 мГн, (в котором пока нет прак- тической необходимости) также ухудшает динамику двигателя, особенно в момент трогания / торможения. Из анализа полученных реализаций переходных процессов видно, что устройства управления пози- ционированием ЗРА, в которых используются ДКР, должны разрабатываться с учетом соотношения элек- тромеханической и электромагнитных электромеха- нической постоянных времени электропривода ЗРА. Несмотря на то, что величина индуктивности обмотки статора, входящая в уравнение электрического со- стояния, существенно влияет на процесс формирова- ния МДС обмоткистатора ДКР, по мере увеличения электромеханической постоянной в результате воз- растания механической нагрузки, увеличивается вре- мя переходного процесса привода, вплоть до потери точности позиционирования вала. Для оценки адекватности динамической модели ДКР использовалась экспериментальная установка, схема которой приведена на рис. 9. Рис. 9. Схема изменения времени перемещения вала ДКР на заданный угол На валу ДКР 1 монтируется лазерный излучатель 2, перемещение луча которого воспринимается лазер- ными фотоприемниками 3. При перемещении луча лазера, фиксирующего положение вала ДКР, через фотоприемники излучения изменяется состояние триггера 4. С помощью измерителя временных интер- валов 5, в качестве которого служит запоминающий осциллограф RIGOL SDS 1022DL, оценивается время перемещения вала ДКР из одной позиции в другую. Это время однозначно зависит от времени пере- ходного процесса смены позиций ротора. Значения угловых перемещений определяются коэффициентом редукции ДКР, соответственно, особенностями кон- струкции ДКР. Необходимость использования лазер- ного измерителя связана с трудностями измерения малых значений угловых перемещений вала ДКР при подаче единичного коммутирующего импульса. С помощью описанной установки (рис. 9) произ- водилась оценка влияния разных режимов коммута- ции обмоток ДКР на характер переходных процессов электропривода [10]. Результаты коррекции времени переходного процесса, которая учитывает соотноше- ние электрической и электромеханической постоян- ных времени, свидетельствуют о возможностях улучшения динамических параметров электропривода и увеличения его вращающего момента. Дальнейшее использование результатов моделирования динамики старт-стопных режимов электропривода на базе ДКР открывает возможности использования энергосбере- гающих алгоритмов управления. Выводы. Разработана динамическая модель электропривода на базе ДКР, отражающая позицио- нирование вала привода во времени, с учетом влияния параметров ЗРА на параметры переходных процессов. Данные, полученные в результате моделирова- ния, дают возможность сформулировать требования к аппаратной и программной составляющим системы управления электроприводом на базе ДКР. Экспериментальная оценка времени переходных процессов при управлении позиционированием моду- лей ЗРА позволяют констатировать, что совершенст- вование динамики электропривода на базе ДКР, на- правленное на увеличение его вращающего момента, целесообразно проводить на основе аппаратно- 14 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №6 программных комплексов, которые обеспечивают уменьшение влияния характеристик ДКР на парамет- ры переходных процессов. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Наний В.В, Мирошниченко А.Г., Юхимчук В.Д., Дунев А.А., Масленников А.М., Егоров А.В., Потоцкий Д.В. Ас- пекты проектирования и испытаний двигателей с катящим- ся ротором // Вісник НТУ «ХПІ». Серія Проблеми удоско- налення електричних машин і апаратів. Теорія і практика. – 2010. – №55. – С. 83-87. 2. Соколов А.В. Динамические модели шаговых электро- двигателей // Вестник Южно-Уральского государственного университета. – 2012. – №16. – С. 116-119. 3. Palpankar P.M., Ghanmare R.U., Makade N. A generalized dynamic model of induction motor using Simulink // ITSI Transactions on Electrical and Electronics Engineering. – 2013. – Vol.1. – Iss.5. – pp. 118-122. 4. Farhan A. Salem. Dynamic modeling, simulation and con- trol of electric machines for mechatronics applications // Inter- national journal of control, automation and systems. – 2013. – Vol.1. – №2. – pp. 30-42. 5. Eyhab E.-K. Design and analysis of rolled rotor switched reluc- tance motor // Journal of Electrical Engineering & Technology. – 2006. – Vol.1. – No.4. – pp. 472-481. doi: 10.5370/jeet.2006.1.4.472. 6. Bock U. A novel approach of modeling SR motor systems // ICEM 2002. 15th International Conference on Electrical Ma- chines. – Bruges, Belgium. – 2002. – p. 338. 7. Ungureanu C., Rata M., Graur A. PLC control of an elec- tromechanical converter with rolling rotor and axial air-gap // ACTA Electrotehnica. – 2015. – Vol.56. – No.4. – pp. 137-142. 8. Arkkio A., Biernat A., Bucki B., Kaminski G., Smak A., Staszewski P. Simulation model and laboratory test of switched reluctance motor with rolling rotor // Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej. – 2008. – №28. – pp. 52-57. 9. Наний В.В., Лыках В.А., Масленников А.М. Движение ротора в электродвигателе с катящимся ротором // Вісник Кременчуцького державного університету імені Михайла Остроградського. – 2014 . – №3(86). – С. 9-13. 10. Кулинченко Г.В., Масленников А.М., Багута В.А., Ду- нев А.А. Обеспечение динамических показателей электро- привода на основе двигателя с катящимся ротором // Вісник НТУ «ХПІ». Серія Проблеми удосконалення електричних машин і апаратів. Теорія і практика. – 2015. – №42(1151). – C. 34-38. REFERENCES 1. Nanij V.V., Miroshnichenko A.G., Juhimchuk V.D. Egorov A.V., Dunev A.A., Maslennikov A.M., Pototskiy D.V. Aspects of the design and testing of engines with a rolling rotor. Bulletin of NTU «KhPI». Series: Problems of electrical machines and apparatus perfection. The theory and practice, 2010, no.55, pp. 84-88. (Rus). 2. Sokolov A.V. Dynamic models of stepper motors. Bulletin of the South Ural State University, 2012, no.16, pp. 116-119. (Rus). 3. Palpankar P.M., Ghanmare R.U., Makade N. A generalized dynamic model of induction motor using Simulink. ITSI Trans- actions on Electrical and Electronics Engineering, 2013, Vol.1, Iss.5, pp. 118-122. 4. Farhan A. Salem. Dynamic modeling, simulation and con- trol of electric machines for mechatronics applications. Interna- tional journal of control, automation and systems, 2013, Vol.1, no.2, pp. 30-42. 5. Eyhab E.-K. Design and analysis of rolled rotor switched reluc- tance motor. Journal of Electrical Engineering & Technology, 2006, Vol.1, No.4, pp. 472-481. doi: 10.5370/jeet.2006.1.4.472. 6. Bock U. A novel approach of modeling SR motor systems. ICEM 2002. 15th International Conference on Electrical Ma- chines. Bruges, Belgium. 2002. p. 338. 7. Ungureanu C., Rata M., Graur A. PLC control of an elec- tromechanical converter with rolling rotor and axial air-gap. ACTA Electrotehnica, 2015, Vol.56, No.4, pp. 137-142. 8. Arkkio A., Biernat A., Bucki B., Kaminski G., Smak A., Staszewski P. Simulation model and laboratory test of switched reluctance motor with rolling rotor. Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, 2008, no.28, pp. 52-57. 9. Nanii V.V., Lykah V.A., Masliennikov A.M. Rotor motion in the rolling-rotor electrical machine. Transactions of Kremen- chuk Mykhailo Ostrohradskyi National University, 2014, no.3(86), pp. 9-13. (Rus). 10. Baguta V. A., Kulinchenko G. V. Evaluation of characteris- tics of mechatronic module based on a stepper motor. Bulletin of NTU «KhPI». Series: Problems of electrical machines and ap- paratus perfection. The theory and practice, 2013, no.51(1024), pp.43-53. (Rus). Поступила (received) 10.09.2016 Кулинченко Георгий Васильевич1, к.т.н., доц., Масленников Андрей Михайлович2, к.т.н., доц., Багута Виктор Анатольевич1, инженер-исследователь, 1 Сумский государственный университет, 40007, Сумы, ул. Римского-Корсакова, 2, e-mail: heorhy@yandex.ua, viktrbaguta@gmail.com 2 Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», 61002, Харьков, ул. Кирпичева, 21, e-mail: x-maslennikov@yandex.ua G.V. Kulinchenko1, A.M. Maslennikov2, V.A. Baguta1 1 Sumy State University, 2, Rymskogo-Korsakova Str., Sumy, 40007, Ukraine. 2 National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», 21, Kyrpychova Str., Kharkiv, 61002, Ukraine. Research of dynamic parameters of the electric drive on the basis of rolling rotor motor. Purpose. Development and investigation of a dynamic model of electric drive on the base of the rolling rotor motor (RRM) which reflects the positioning of the actuator of the locking and regulating equipment in time. Methodology. Analytical descrip- tion of electromagnetic and mechanical processes in the electric drive during the RRM shaft movement by using a system of differen- tial equations. Numerical imitation modeling with the processes visualization in the Matlab environment of the RRM rotor displace- ment with mechanical load in time. Results. It is shown that the degree of influence of the value of the load inertia on the dynamics of the object obtained by the waveform changes the rotation angle of the rotor and motor speed in time. The degree of influence of the value of the electromagnetic time constant of the dynamics of the positioning of the actuator, and the nature of transients during acceleration and fixing position of the rotor with a predetermined moment of inertia for different values of inductance. The effect of the ratio of electromechanical and electromagnetic time constants of the nature of the transition processes accompanying jog mode angular displacement of the drive shaft on the base of RRM. Originality. The lack of technical means to ensure acceptable accuracy time measurement of angular displacement shaft of the actuator in jog mode offset by using a laser meter which gives the opportunity to assess the adequacy of the dynamic model of the RRM. Practical value. The results of investigations allow to create a tool for optimization of structural, technical and hardware and software solutions for the improvement and modernization of the projected electric locking and regulating equipment. The direction for improving the dynamics of the drive on the basis of RRM is indicated providing for an increase in its torque characteristics of the motor by reducing the influence of the parameters of transients. References 10, figures 9. Key words: rolling rotor motor, time constant, positioning control, dynamics.

Исследование динамических параметров электропривода на базе двигателя с катящимся ротором

Institution

Ähnliche Einträge