СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИНДУКТОРНЫМ РЕАКТИВНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ С МАКСИМАЛЬНОЙ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬЮ Российский патент 2023 года по МПК H02P8/12 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способам управления вентильно-индукторным реактивным двигателем (ВИРД), имеющим зубчатый безобмоточный ротор и зубчатый статор, на котором расположены катушечные фазные обмотки, каждая из которых по сигналам датчика положения ротора (ДПР) запитывается однополярными импульсами тока от полумостового инвертора напряжения (ИН), и может быть использовано при повышенных требованиях к энергоэффективности и энергосбережению в регулируемых электроприводах насосов и вентиляторов в жилищно-коммунальном хозяйстве и различных областях промышленности.

Целью предлагаемого изобретения является повышение коэффициента полезного действия (КПД) уже изготовленных и работающих ВИРД с помощью оптимизации их управления.

Основным режимом работы ВИРД регулируемых электроприводов насосов и вентиляторов в рабочем диапазоне частот вращения является одноимпульсный с фазовым управлением (напряжение на шине постоянного тока неизменное в пределах допусков). В этом случае на его фазную обмотку от ИН подается прямоугольный импульс напряжения, фазовые параметры которого (угол включения α_вкл, длительность импульса напряжения α_имп и длительность паузы напряжения α_п) регулируются микропроцессорной системой управления. На фиг. 1 показаны графики зависимостей фазных индуктивности L, напряжения u и тока i в функции углового положения ротора относительно статора α и параметры фазового управления ВИРД.

Для определения положения зубцов ротора относительно зубцов статора используется ДПР, по сигналам которого на фазные обмотки подаются импульсы напряжения. Угол α может быть представлен в электрических радианах или в электрических градусах , где Z₂ - число зубцов ротора; n - частота вращения ротора, мин^-1.

Известен способ бездатчикового управления вентильно-индукторным электрическим двигателем (Полющенко И.С.Способ управления вентильно-индукторным двигателем. Патент RU 2716129 С1, 2020 г., опубликовано Бюл. №7 от 06.03.2020), включающий при каждом цикле управления измерение питающего напряжения, коррекцию частоты дискретизации токов фаз в зависимости от измеренной величины питающего напряжения, включение очередной фазы в зависимости от определенного ранее момента времени, измерение и задание тока в ней, накопление дискретной по времени выборки тока этой фазы при его нарастании на измеряемом интервале, формирование в этой фазе тока в зависимости от его заданного и измеренного значений по релейному закону, отключение этой фазы в зависимости от определенного ранее момента времени. При этом выборку тока очередной включенной фазы последовательно группируют с выборкой тока предшествующей включенной фазы, далее определяют гармонический состав сгруппированной выборки, определяют нормированное рассогласование положения зубцов статора и ротора в момент включения фазы, корректируют нормированное рассогласование, далее определяют момент времени для последующего включения очередной фазы и момент времени для отключения этой фазы.

Причем момент времени для включения фазы определяют таким образом, чтобы он соответствовал рассогласованному положению зубцов статора и ротора для этой фазы, момент времени для отключения фазы определяют таким образом, чтобы он имел упреждение по отношению к переходу фазы в генераторный режим, а зависимость между гармоническим составом сгруппированных выборок токов очередной включенной фазы и предшествующей включенной фазы и нормированным рассогласованием положения зубцов статора и ротора вентильно-индукторного электрического двигателя устанавливают заранее.

Недостатком этого способа является сложность системы бездатчикового управления и то, что вентильно-индукторный двигатель работает не с максимальным коэффициентом полезного действия (КПД).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ управления ВИРД (см. Крайнов Д.В. Вентильно-индукторный электропривод. Алгоритмы и микропроцессорные системы управления. Дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук. - Новочеркасск, 2001. -154 с.), в котором управление ключами ИН осуществляется по сигналам ДПР, а параметры фазового управления выбираются такими, чтобы на разных частотах вращения достигался максимум вращающего момента.

Недостатком такого способа является то, что вентильно-индукторный двигатель работает по траектории максимального момента с увеличенным током в фазах и как следствие с повышенными потерями, т.е. не с максимальным КПД. Также недостатком является то, что варьируются все три параметра управления. Это существенно усложняет выбор их оптимальных значений.

Предлагаемый способ управления ВИРД направлен на повышение энергоэффективности уже изготовленных и работающих в заданном диапазоне частот вращения регулируемых ВИРП за счет оптимизации и упрощения алгоритма управления.

Согласно заявляемого технического решения поставленная цель достигается путем сокращения при управлении электроприводом варьируемых параметров фазового управления с трех независимых переменных (α_вкл, α_имп и α_п) до одной за счет определения такого их сочетания, которое обеспечивает максимум КПД в заданном диапазоне частот вращения и моментов нагрузки.

Предлагаемый способ управления вентильно-индукторным реактивным двигателем, имеющим зубчатый безобмоточный ротор и зубчатый статор, на котором расположены катушечные фазные обмотки, каждую из которых запитывают по сигналам датчика положения ротора однополярными импульсами тока от полумостового инвертора напряжения, заключается в том, что для изготовленного двигателя сначала экспериментально снимают двухмерные зависимости вращающего момента от частоты вращения и параметров фазового управления: угла включения α_вкл и длительности импульса напряжения α_имп, затем по этим зависимостям рассчитывают аналогичные зависимости коэффициента полезного действия η и определяют оптимальную тройку взаимосвязанных значений параметров управления α_{вкл_ηmax}, α_{имп_ηmax}, и α_{п_ηmax}, при которых функция η (α_вкл, α_имп) достигает максимального значения, при этом длительность паузы импульса напряжения определяется по формуле =180 - α_{имп_ηmax}.

Способ управления, характеризующийся тем, что для изготовленного двигателя с помощью экспериментально снятых двухмерных зависимостей вращающего момента М(α_вкл,n) и М(α_имп,n) и найденных оптимальных пар параметров управления α_{вкл_ηmax} и , при которых достигается максимум КПД, определяют для разных частот вращения соответствующие траектории изменения момента, а затем формируются двухмерные зависимости оптимальных параметров фазового управления от момента и частоты вращения и , обеспечивающие индивидуальное управление изготовленным индукторным двигателем с максимальной энергоэффективностью.

В дальнейшем реализацию предлагаемого изобретения и суть способа управления иллюстрируют фиг. 1-7, на которых изображено:

фиг. 1 - зависимость фазных индуктивности L, напряжения u и тока i в функции углового положения ротора относительно статора α;

фиг. 2 - зависимость момента от угла включения и длительности импульса n=n_ном,

фиг. 3 - зависимость момента от угла включения и длительности импульса n=0.6n_ном;

фиг. 4 - зависимость КПД от угла включения и длительности импульса при n=n_ном;

фиг. 5- зависимость КПД от угла включения и длительности импульса при n=0.6 n_ном;

фиг. 6 - зависимость оптимальных значений угла включения от момента и частоты вращения в заданном диапазоне;

фиг. 7 - зависимость оптимальных значений длительности импульса от момента и частоты вращения в заданном диапазоне.

Способ реализуется следующим образом: на изготовленном вентильно-индукторным реактивным двигателе, имеющем зубчатый безобмоточный ротор и зубчатый статор, на котором расположены катушечные фазные обмотки, каждая из которых по сигналам датчика положения ротора запитывается однополярными импульсами тока от полумостового инвертора напряжения (см. фиг. 1) экспериментально с использованием датчика момента снимают зависимости вращающего момента в функции параметров управления и частоты вращения из заданного диапазона. На фиг. 2 и 3 приведены эти зависимости для выбранных крайних из рабочего диапазона частот вращения n=n_ном и n=0,6n_ном. По этим зависимостям рассчитывают зависимости КПД от параметров фазового управления для разных частот вращения из заданного диапазона. На фиг. 4 и 5 приведены зависимости КПД для выбранных крайних из рабочего диапазона частот вращения n=n_ном и n=0,6n_ном (точками отмечены максимальные значения КПД). Затем по найденным оптимальным парам параметров управления α_{вкл_ηmax}, α_{имп_ηmax}, которые соответствуют максимальным значениям КПД, находят соответствующие траектории изменения момента (на фиг. 2 и 3 отмечены точками). Данные получают при следующих ограничениях:

- для независимой переменной частоты вращения n:

0,6n_ном ≤ n ≤ n_ном - типовое ограничение для насосов и вентиляторов;

- для параметров фазового управления:

0 ≤ α_вкл ≤ -90 эл. град.; 0 ≤ α_имп ≤ 180 эл. град.

Напряжение на шине постоянного тока - величина постоянная в пределах допуска. Соотношения между значениями длительности импульса α_имп1<α_имп2<α_имп3<α_имп4<α_имп5<α_имп6<α_имп7<α_имп8.

Аналогичные зависимости определяются для других значений частоты вращения из заданного диапазона. Полученную информацию затем представляют в графическом виде (фиг.6 и 7) или в виде таблиц параметров фазового управления α_{вкл_ηmax}(М, n) и α_{имп_ηmax}(М,n) и используют в алгоритмах управления ВИРД с максимальной энергоэффективностью.

Соотношение между частотами вращения n₁=n_ном>n₂>n₃>n₄.

Таким способом достигается регулирование вращающего момента с максимальной энергоэффективностью при использовании взаимосвязанных оптимальных параметров фазового управления α_{вкл_ηmax}, α_{имп_ηmax} и α_{п_ηmax}. т.е. функция вращающего момента является одномерной относительно тройки оптимальных значений управляющих параметров.

Рекомендуемой областью применения являются регулируемые электропривода с нагрузкой, имеющей «вентиляторную» характеристику, у которой при уменьшении частоты вращения снижается момент нагрузки, - это насосы, вентиляторы и дымососы, которые в зависимости от назначения могут работать круглосуточно. В этом случае энергоэффективность их работы является приоритетной задачей.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способам управления вентильно-индукторным реактивным двигателем (ВИРД). Рекомендуется для увеличения энергоэффективности индукторных двигателей за счет оптимизации управления при повышенных требованиях к энергосбережению в регулируемых вентильно-индукторных реактивных электроприводах насосов и вентиляторов в жилищно-коммунальном хозяйстве и различных областях промышленности. Техническим результатом данного изобретения является повышение коэффициента полезного действия (КПД) уже изготовленных ВИРД с помощью оптимизации и упрощения алгоритмов управления ими. В способе управления для сокращения количества варьируемых параметров управления α_вкл, α_имп и α_п (см. Фиг. 1) устанавливается взаимосвязь между ними, при которой обеспечивается максимум КПД двигателя, что позволяет перейти от трехмерной зависимости функции вращающего момента от переменных параметров управления к одномерной. Установление такой взаимосвязи для изготовленного двигателя может быть реализовано на основе проведения серии экспериментов с использованием датчика момента при разных нагрузке и частотах вращения. По полученным результатам затем определяют двухмерные зависимости α_{вкл_ηmax}(М, n) и α_{имп_ηmax}(М, n), которые используются для вычисления таблиц оптимальных параметров фазового управления с последующей прошивкой их значений в контроллер системы управления инвертора напряжения, питающего ВИРД (см. Фиг. 6 и 7). 1 з. п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ управления вентильно-индукторным реактивным двигателем, имеющим зубчатый безобмоточный ротор и зубчатый статор, на котором расположены катушечные фазные обмотки, каждую из которых запитывают по сигналам датчика положения ротора однополярными импульсами тока от полумостового инвертора напряжения, заключающийся в том, что для изготовленного двигателя сначала экспериментально снимают двухмерные зависимости вращающего момента от частоты вращения и параметров фазового управления: угла включения α_вкл и длительности импульса напряжения α_имп, затем по этим зависимостям рассчитывают аналогичные зависимости коэффициента полезного действия η, и определяют оптимальную тройку взаимосвязанных значений параметров управления α_{вкл_ηmax}, α_{имп_ηmax}, и α_{п_ηmax}, при которых функция η(α_вкл, α_имп) достигает максимального значения, при этом длительность паузы импульса напряжения определяется по формуле =180 - α_{имп_ηmax}.

2. Способ управления по п. 1, характеризующийся тем, что с помощью экспериментально снятых двухмерных зависимостей вращающего момента М(α_вкл, n) и М(α_имп, n) и найденных оптимальных пар параметров управления α_{вкл_ηmax} и , при которых достигается максимум КПД, определяют для разных частот вращения соответствующие траектории изменения момента, а затем формируют двухмерные зависимости оптимальных параметров фазового управления от вращающего момента и частоты вращения и обеспечивающие индивидуальное управление изготовленным индукторным двигателем с максимальной энергоэффективностью.