Покращення характеристик безредукторних приводів на основі синхронного двигуна з постійними магнітами та електронним комутатором

Abstract

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.