Browsing by Author "Кузнєцов, Олексій Олександрович"

Filter results by typing the first few letters
Now showing 1 - 2 of 2
  • Thumbnail Image
    Item
    Покращення характеристик безредукторних приводів на основі синхронного двигуна з постійними магнітами та електронним комутатором
    (Національний університет "Львівська політехніка", 2020) Козій, Володимир Богданович; Щур, Ігор Зенонович; Національний університет "Львівська політехніка"; Толочко, Ольга Іванівна; Кузнєцов, Олексій Олександрович
    Дисертація спрямована на вирішення важливого науково-практичного завдання – дослідження особливостей безредукторних електроприводів (БЕП) та розроб-лення нових ефективних систем електронної комутації обмоток якоря багатополюс-них електричних двигунів з постійними магнітами (ПМ) в БЕП. Проведені теоретич-ні дослідження закономірностей електромагнітної редукції в синхронній машині з ПМ (СМПМ) дали можливість встановити та пояснити тенденції зміни параметрів та показників системи електроприводу при збільшенні кількості пар полюсів СМПМ для побудови БЕП. Це дало змогу розробити нові, більш придатні для БЕП способи дискретної та неперервної електронної комутації обмоток якоря за допомогою тран-зисторних інверторів напруги. Показано, що дискретну комутацію в електричних машинах з ПМ і трапецевидною формою ЕРС найефективніше здійснювати з про-відністю транзисторів протягом 1200 ел., а для машин із синусоїдальною формою ЕРС – протягом 1800. З метою зниження пульсацій струмів якоря у двигунах з ПМ у БЕП, для поширених систем дискретної комутації обмоток якоря запропоновано способи ШІМ, які дають змогу знизити пульсації моменту приблизно на 40%. Запро-поновано та розроблено метод квазісинусоїдної (КС) комутації обмоток якоря дви-гунів у БЕП, який дає змогу знижувати пульсації електромагнітного моменту в зале-жності від поставлених вимог шляхом збільшення точок дискретної фіксації поло-ження ротора. Застосування способу полярного керування вектором напруги якоря за КС-комутації дає можливість забезпечувати максимальні енергетичні показники приводу в залежності від умов роботи. Розроблено алгоритм цифрової обробки вихі-дних напруг інформаційних обмоток синхронного тихохідного тахогенератора та оцінено його чутливість до можливих систематичних та випадкових кутових, амплі-тудних і гармонічних відхилень цих напруг. Проведені експериментальні досліджен ня підтвердили працездатність та ефективність запропонованих рішень, низка з яких знайшли практичне застосування в реальних розробках. Gearless or direct drive (DD) is a promising area of modern electromechanics, which is rapidly expanding. The advantages of DDs over traditional gear drives are increased reli-ability and energy efficiency, higher speed and accuracy of torque and velocity control, easier implementation, no noise. In this case, the mechanical reduction of speed and the corresponding increase of torque is replaced by electromagnetic reduction due to the in-crease in the number of pairs of poles of the machine and, accordingly, its size. Electric machines with permanent magnets (PM) on the rotor are the most suitable for the imple-mentation in DDs, because they provide high-energy performance for a relatively large air gap. Brushless implementation of the electric drive system based on such machines is achieved by means of a power semiconductor converter, often built by transistors, which controls the currents in the machine armature windings according to the angular position of the rotor. A number of features of a multipole electric machine with PMs determine the re-vision of traditional methods of positional electronic switching of its armature windings in order to reduce the electromagnetic torque ripple and ensure high energy performance. The thesis is directed on the decision of this actual scientific and technical problem. A theoretical study of changes in the main electrical and electromagnetic parameters of a synchronous machine with PMs (PMSM), as well as energy, dynamic and mass-dimension indicators of the drive with increasing number of pole pairs of the machine is conducted. Herewith, all expressions are obtained for a multipole PMSM with an arbitrary number of poles in p. u. relatively to the bipolar machine at the same values of the input electrical and output mechanical parameters of the drive. According to the obtained results, new requirements to the construction of electronic switching systems for PMSM and the formation of its electromagnetic torque in DD are formed. For three-phase machines with PMs and trapezoidal and sinusoidal back EMF of ro-tation, which are switched by a 6-transistor bridge voltage inverter, the basic indicators of three ways of switching with the transistor`s conductivity during the armature voltage peri-od of 120o, 150o and 180o el. were investigated on computer models. To reduce current rip-ple, PWM methods have been developed that eliminate the flow of reactive currents through the DC link and thus provide a 30-40% reduction in the ripple of the electromagnetic torque. For a machine with a trapezoidal EMF shape, the best indicators in terms of torque ripple and energy efficiency were shown by the 120° switching method, and for a machine with a sinusoidal EMF shape – by the 180° switching method. In order to further reduction of the electromagnetic torque ripple, a new method of low-point discrete switching, called quasi-sinusoidal (QS) switching, was proposed and in-vestigated. Its essence is a discrete change according to the sinusoidal law of the duty cy-cles of the PWM of the phase voltages in accordance with the discrete signals of the point rotor position sensors (RPS). The number of signal points on the section can be set to achieve a given level of pulsations of the electromagnetic torque. The point sensors them-selves, e.g. Hall sensors, can be placed in different sections of the armature winding. With the help of the proposed QS-switching by changing the ratio of the PWM duty cycles in different phases, you can also change the angle of the generalized armature voltage vector, and by the same change of the duty cycles of all phases – the amplitude of this vector. Thus, it is possible to carry out the so-called polar voltage control of PMSM in order to en-sure maximum energy efficiency of the machine depending on its load. To ensure the smoothness of the electromagnetic torque in the DD, the sinusoidal PMSM must be controlled by the sinusoidal armature currents, which must be formed by the signals of the continuous RPS. To do this, it is proposed to use a special signal three-phase armature winding and developed an algorithm for processing its three-phase EMFs, which provides current information about the angular position of the rotor, the angular ve-locity of the rotor and the direction of its rotation. The influence of different asymmetry (angular, amplitude) and harmonic deviations from the sinusoidality of the signal armature winding on the accuracy of the obtained integrated sensor is investigated. To eliminate regular significant emissions in the calculated values of the angular velocity, it is proposed to use the technique of cutting them in each of the three calculation channels within a cer-tain angle. The subsequent reduction of the angular velocity error is achieved by applying the method of averaging between its obtained values in three or two channels depending on the cutting angle. Computer simulation taking into account the discrete operation of the digital processing system showed the efficiency of the proposed integrated sensor with the developed algorithm. For the experimental study of QS-switching, a DD based on a 44-pole PMSM, a transistor voltage inverter, and an absolute 12-bit encoder was created. The microcontroller implements an encoder code processing algorithm and simulation of five variants of dis-crete RPS placement with 3, 4, 6, 9 and 12 points per armature winding section. In the ex-periments, waveforms of phase current, phase voltage and calculated values of the angular position and the angular velocity of the rotor were obtained. The results demonstrated the efficiency of DD with QS-switching of the armature windings and the improvement of the current shape while reducing of the RPS discreteness. In this way, a number of develop-ments were implemented with the participation of the author.
  • Thumbnail Image
    Item
    Процеси і характеристики асинхронного електроприводу зі збудженням енергією конденсатора, яка зумовлена ковзанням
    (Національний університет "Львівська політехніка", 2010) Кузнєцов, Олексій Олександрович
    The work is devoted to solution of scientific and applied problem constructing a new induction electric drive systems, in which induction machine excitation is produced with slip caused capacitor energy, that provides cos ϕ = 1 in stator. Analytical equations obtained that describe electromechanical energy conversion process in induction machine with compensated stator winding magnetic field with slip caused capacitor energy excitation made possible to prove the possibility of induction machine with capacitor caused by slip excitation. Wound rotor induction machine control scheme that realizes such task has been offered. Control system for such electric drive that makes possible to form immediately the mechanical characteristics of such system without necessity to estimate the electromagnetic torque has been proposed. The experimental installation has been created in order to confirm the possibility of technical realization of the electric drive system offered. Mathematic and digital models of electric drive with the use of middle step voltages method has been developed with the use of which the processes in the scheme has been analyzed. The complex of researches of electromechanical and electromagnetic processes in developed system of induction drive with the use of mathematical and physical models.The work is devoted to solution of scientific and applied problem constructing a new induction electric drive systems, in which induction machine excitation is produced with slip caused capacitor energy, that provides cos ϕ = 1 in stator. Analytical equations obtained that describe electromechanical energy conversion process in induction machine with compensated stator winding magnetic field with slip caused capacitor energy excitation made possible to prove the possibility of induction machine with capacitor caused by slip excitation. Wound rotor induction machine control scheme that realizes such task has been offered. Control system for such electric drive that makes possible to form immediately the mechanical characteristics of such system without necessity to estimate the electromagnetic torque has been proposed. The experimental installation has been created in order to confirm the possibility of technical realization of the electric drive system offered. Mathematic and digital models of electric drive with the use of middle step voltages method has been developed with the use of which the processes in the scheme has been analyzed. The complex of researches of electromechanical and electromagnetic processes in developed system of induction drive with the use of mathematical and physical models. Диссертация посвящена решению научно-прикладной проблемы создания новых систем АЭП, в которых возбуждение АМ производится энергией конденсатора, которая обусловлена скольжением, что дает возможность обеспечить коэффициент мощности в статоре cos ϕ = 1 при регулировании скорости выше и ниже синхронной. В первом разделе рассмотрено системы векторного управления асинхронной машиной с фазным ротором и сформулировано задание исследования – создание системы с такой машиной, которая использует для работы мощность скольжения. Во втором разделе описано использованный способ векторного управления асинхронной машиной с фазным ротором, аналитически показана возможность возбуждения асинхронной машины энергией конденсатора, которая обусловлена скольжением. Предложено схему электропривода, который обеспечивает такую возможность. Предложено систему управления таким электроприводом, который позволяет непосредственно формировать необходимые механические характеристики системы без использования расчета электромагнитного момента. В третьем разделе описано экспериментальную установку – физическую модель такого электропривода, рассмотрено техническую реализацию системы управления, а также описано алгоритм и программу управления. Приведено результаты исследований на экспериментальной установке, которые подтвердили теоретические обоснования, приведенные во втором разделе, а также подтвердили возможность технической реализации предложенной системы электропривода. В четвертом разделе описан метод средних шаговых напряжений, который был использован для создания математических моделей элементов электропривода – асинхронной машины с фазным ротором, вентильных преобразователей, других элементов силовой схемы, а также модели системы в целом. Проведено сравнение результатов расчета пуска асинхронной машины с использованием метода Рунге-Кутта и метода средних шаговых напряжений, которые позволили сделать вывод о более высоком быстродействии и точности метода средних шаговых напряжений. В пятом разделе описано результаты исследований электромеханических и электромагнитных процессов в предложенной системе электропривода, проведенных методом математического моделирования. В выводах отмечено, что научные исследования предложенной системы электропривода, проведенные путем математического моделирования и физического эксперимента, подтвердили основные научные положения диссертации. В приложениях приведено программную реализацию алгоритма управления вентилями инвертора напряжения, описание методов, которые относятся к расчету по методу средних шаговых напряжений 2-го порядка, а также текст основной программы программного комплекса.Дисертація присвячена розв’язанню науково-прикладної проблеми створення нових систем АЕП, в яких збудження АМ здійснюється енергією конденсатора, яка зумовлена ковзанням, що дає змогу забезпечити коефіцієнт потужності cos ϕ = 1 у статорі при регулювання швидкості вище і нижче синхронної. Одержані аналітичні вирази, які описують процес електромеханічного перетворення енергії в АМ з компенсованим магнітним полем обмотки статора і збудженням енергією конденсатора, яка зумовлена ковзанням, дали можливість обґрунтувати можливість збудження асинхронної машини від енергії конденсатора, яка зумовлена ковзанням. Запропоновано схему керування асинхронною машиною з фазним ротором, що дозволяє реалізувати таку задачу. Запропоновано систему керування таким електроприводом, що дозволяє безпосередньо формувати механічні характеристики такої системи без необхідності визначення електромагнітного моменту. Створено експериментальну установку, за допомогою якої підтверджено можливість технічної реалізації запропонованої системи електроприводу. Розроблено математичну та цифрову моделі електроприводу з використанням методу середньокрокових напруг, за допомогою яких проаналізовано процеси в даній схемі. Виконано комплекс досліджень електромеханічних та електромагнітних процесів в розробленій системі асинхронного електроприводу з використанням математичної та фізичної моделей.