CC BY
27
УДК 621.313.282
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛИНЕЙНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПРИВОДА
© 2014 г. В.В. Медведев, Д.В. Батищев, А.А. Гуммель
Медведев Виктор Владимирович - ст. преподаватель, кафедра «Электромеханика и электрические аппараты», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. Тел. (86352) 55-113. E-mail: victor_medvedev@mail.ru
Батищев Денис Владимирович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Электромеханика и электрические аппараты», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. Тел. (86352) 55-113. E-mail: skifden@mail.ru
Гуммель Андрей Артурович - инженер, кафедра «Электромеханика и электрические аппараты», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. Тел. (86352) 55-113. E-mail: gum-mel@rambler.ru
Medvedev Victor Vladimirovich - senior lector, department «Electromechanics and Electric Devices», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI). Ph. (86352) 55-113. E-mail: victor_medvedev@mail.ru
Batichev Denis Vladimirovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Electromechanics and Electric Devices», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI). Ph. (86352) 55-113. E-mail: skifden@mail.ru
Gummel Andrey Arturovich - Engineer, department «Electro-mechanics and Electric Devices», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI). Ph. (86352) 55-113. E-mail: gummel@rambler.ru
Рассматриваются вопросы экспериментального определения интегральных характеристик цилиндрического линейного вентильно-индукторного привода. Приводится обзор методов определения интегральных характеристик с последующим выбором одного из них. Произведено экспериментальное определение характеристик с помощью стенда, составной частью которого является виртуальный прибор.
Ключевые слова: цилиндрический линейный вентильно-индукторный привод; методы определения интегральных характеристик; экспериментальный стенд; виртуальный прибор.
In article are considered questions of design cylindrical linear switched reluctance drive. Survey of methods of definition of integrated characteristics with the subsequent sampling of one of them is resulted. Experimental definition of characteristics by means of the test stand which component is the virtual instrument is made.
Keywords: cylindrical linear switched reluctance drive; methods of definition of integrated characteristics; test stand; virtual instrument.
Основными характеристиками линейных электромагнитных приводов, подлежащих теоретическому или экспериментальному определению, являются зависимости потокосцепления и электромагнитного усилия (момента) в функции от тока обмоток и/или перемещения подвижной части привода. Данные характеристики могут быть использованы для определения момента переключения обмоток при бездатчико-вом управлении двигателем и тягового усилия линейного привода [1]. Кроме этого, данные зависимости могут использоваться при моделировании линейного двигателя совместно с системой управления в различных прикладных программах.
В работе производилось определение экспериментальных характеристик для опытного образца цилиндрического линейного привода, созданного на базе вентильно-индукторной машины. Ход подвижного элемента равен 48 мм, минимальный шаг перемещения составляет 6 мм. Исследуемый привод имеет четыре фазы, номинальное питающее напряжение 280 В. На рис. 1 представлены внешний вид исследуемого привода и его сечение с указанием основных элементов.
Все методы, применяемые для экспериментального определения потокосцепления применительно к вентильно-индукторным двигателям, могут быть разделены на методы прямого и косвенного измерения [2]. В случае прямого измерения [3] используются датчики магнитного поля (например, на базе элемента Холла), устанавливаемые на зубцах подвижной части (для двигателя вращения - на роторе). Прямое измерение требует установки в двигатель дополнительных датчиков, что усложняет и удорожает конструкцию, поэтому такое измерение используется редко.
Большее распространение получили косвенные методы, так как они являются более простыми и менее дорогостоящими по сравнению с прямыми. Данные методы основаны на интегрировании сигналов с обмоток управления согласно выражению: t
) = (/) - /■(/Щ) dt.
о
В результате интегрирования получается зависимость потокосцепления от тока для каждого момента времени t. В работе [4] такой метод получил название импульсного.
Кольца (магнитопровод)
Катушка
Плунжер (якорь)
б
Рис. 1. Внешний вид исследуемого привода (а)
и его сечение с указанием основных элементов (б)
Для ряда конструкций машин, в частности двигателей с бифилярными обмотками, возможно использовать одну из обмоток управления в качестве измерительной. В [5] приведена схема измерения потокос-цепления для двигателей вращения с обмотками такого типа.
Для получения зависимости ¥(/) необходимо проводить несколько измерений потокосцепления для разных величин питающего напряжения (и, соответственно, разных значений установившегося тока). Существуют различные схемные решения для подачи питания на обмотку управления. Так, в качестве источника питания используется аккумулятор [1, 6], программируемый источник напряжения [5, 7], предварительно заряженный конденсатор [4], а также комбинация автотрансформатора и тиристорного коммутатора [8]. Каждое решение имеет свои достоинства и недостатки. Принимая во внимание тот факт, что исследуемый привод обладает большой мощностью управления, в качестве источника питания используем источник напряжения с возможностью изменения значения выходного сигнала.
Определение величины электромагнитного усилия, как и потокосцепления, можно производить с помощью прямых и косвенных измерений. В отличие
от потокосцепления, наиболее распространенным является прямое измерение, что вызвано наличием большого числа различных датчиков усилия, а также возможностью несложного механического сопряжения таких датчиков с подвижной частью привода. Часто для измерения усилия используют специализированные стенды. В работах [9, 10] описаны стенды для измерения силовых характеристик различных электромеханических устройств - электромагнитов и линейных двигателей. В качестве датчика усилия использовались динамометр, тензодатчик и S-образный датчик усилия. В состав стендов входил также датчик положения и датчик тока.
Косвенное определение электромагнитного усилия производится в том случае, когда по какой-либо причине нет возможности использовать датчики усилия. В основу методов косвенного определения положена возможность расчетного определения величины усилия путем математической обработки ранее полученных магнитных величин (индукции и потокосцепления).
Примером метода косвенного определения является метод виртуальной работы [11]. С его использованием в работе [12] были определены усилия для электромагнитов, которые затем сравнили с экспериментальными данными. Сравнение результатов показало хорошее соответствие значений, полученных расчетным и экспериментальным методами.
С учетом того что потокосцепление и усилие зависят от одних и тех же переменных, становится возможным определять данные величины с помощью одного специализированного стенда. В табл. 1 приведены данные датчиков, необходимых для получения усилия и потокосцепления.
Сопротивление обмотки, необходимое для определения потокосцепления, согласно ГОСТ 11828-86. Значение сопротивления определялось для двух тепловых состояний - практически холодного состояния и состояния теплового равновесия. Обмотка управления считалась находящейся в состоянии теплового равновесия, если ее температура в течение часа оставалась неизменной. Контроль изменения температуры осуществлялся с помощью теплового датчика, результаты измерения представлены в табл. 2. Основные параметры обмотки управления приведены в табл. 3.
Электромагнитное усилие определяется с использованием описанного выше тензорезистивного датчика. Положение подвижной части находили посредством связанного с ней датчика перемещения.
Одновременно с определением усилия производился сбор данных для последующего расчета пото-косцепления. Сигналы с датчиков тока и напряжения оцифровывались и передавались в память компьютера с помощью многофункционального устройства сбора данных NI USB 6009. Данное оборудование позволяет снимать показания по четырем каналам одновременно, поэтому помимо сигналов тока и напряжения будут оцифровываться также информация с датчиков усилия и перемещения.
а
Таблица 1
Параметры датчиков
Наименование Диапазон измеряемых величин Точность измерения, %
Тензорезистивный датчик усилия Тензо-М 0...7 т ±3,0
Датчик температуры МН1020 -70 °С +600 °С 0,5
Датчик напряжения ДНХ 0.400 В 1,0
Датчик тока ACS712ELCTR-05B-T -20...+20 А ±1,5
Датчик перемещения резистивный FWA075T 0.75 мм ±0,2
Таблица 2
Результаты измерения температуры обмотки управления
t, мин 0 10 20 30 40 50 60 70
T, оС 22 39 48 55 59 63 67 70
t, мин 80 90 100 110 120 130 140 150
T, °С 72 75 77 80 83 84 86 88
t, мин 160 170 180 190 200 210 220 230
T, °С 90 91 93 95 96 97 97 97
t, мин 240 250 260 270 280 290 300 310
T, °С 97 97 97 97 97 97 97 97
Рис. 2. Лицевая панель виртуального прибора
Таблица 3
Основные параметры обмотки управления
Наименование параметра Значение
Число витков провода 276
Тип провода ПЭТВ-2
Диаметр провода, мм 0,67
Сопротивление обмотки в практически холодном состоянии, Ом 14,2
Сопротивления обмотки в состоянии практически теплового равновесия, Ом 20,0
Для облегчения визуализации полученной информации, а также для интегрирования сигналов тока и напряжения при определении потокосцепления был создан виртуальный прибор, построенный с помощью программного продукта NI LabVIEW компании National Instruments. Выбор данного программного продукта был обусловлен его совместимостью с многофункциональным устройством сбора данных NI USB 6009, а также широким спектром возможностей, которые представляет данный продукт при создании виртуальных приборов. Лицевая панель созданного виртуального прибора показана на рис. 2.
С помощью стенда, в состав которого входили описанные выше виртуальный прибор, оснастка и оборудование, были сняты зависимости напряжения на зажимах обмотки и тока через нее.
Для уменьшения влияния случайных погрешностей производились многократные (не менее 20 раз) измерения вышеупомянутых зависимостей. Для каждой из них определялись средние значения установившегося тока и напряжения. Разброс данных величин был мал. Например, для среднего значения тока 10 А диапазон изменения установившегося значения составлял от 9,93 до 10,07 А.
По результатам интегрирования определялось среднее значение потокосцепления, соответствующее вычисленному ранее среднему значению установившегося тока. Таким образом, получалась выборка значений потокосцеплений и установишихся значений токов для предварительно заданного положения подвижной части, из которой впоследствии удалялись результаты, являющиеся грубыми ошибками. Схожая методика применялась для определения выборки значений электромагнитного усилия. Проведенная оценка различных видов погрешностей показала, что суммарная погрешность измерений не превышает 7 %.
Зависимости потокосцепления от тока для согласованного и рассогласованного положения зубцов представлены на рис. 3, тяговая характеристика - на рис. 4. Для графика тяговой характеристики нулевое значение перемещения соответствует рассогласованному положению зубцов, максимальное значение перемещения - согласованному положению зубцов.
Определение интегральных характеристик линейных двигателей (потокосцепления и усилия) дает возможность строить системы управления данными устройствами без использования датчика положения.
vp вб г-*—1—1——1—1—1——1—1—1——1—1—г 4 : ^^
3
2 4 6 8 I, А
Рис. 3. Зависимости потокосцепления от тока:
------для рассогласованного;--для согласованного
положения зубцов
Р, H I I I I I I I I I I I I I I ....... ' ' ' I
1400 г ----
1200 1 / 1000 г /
800 600 400 200
0 —^—^^
2 4 6 8 10 х, мм Рис. 4. Тяговая характеристика привода
Для нахождения потокосцепления предпочтительно применение косвенных методов измерения, для усилия - прямых методов измерения. Косвенные методы измерения предполагают проведение двух этапов - снятие необходимых зависимостей и последующую их обработку. На первом этапе поставленная задача решалась путем создания и использования программно-аппаратного стенда, имеющего в своем составе необходимый набор датчиков и специализированное программное обеспечение для устройства сбора данных. Работа на втором этапе предполагала использование пакета программ, имеющего в своем составе средства, необходимые для обработки результатов экспериментов. Вследствие применения в составе стенда устройства сбора информации компании National Instruments в качестве специализированного программного обеспечения была взята среда NI LabVIEW. В состав данной среды входят также средства для обработки результатов измерений, что позволило использовать ее и на втором этапе. Многократное проведение измерений позволило уменьшить случайную погрешность. Таким образом, погрешность полученных результатов определялась, в основном, погрешностями средств измерения и не превышала семи процентов.
Поступила в редакцию
Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение 14.В37.21.1546 от 05.10.2012г. «Электромеханический привод для управления элеронами беспилотного летательного аппарата» в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы и проекта №7.1604.2011 «Теория создания и исследования ресурсо- и энергосберегающих электромеханических устройств, систем и комплексов», выполняемого в рамках гос. задания на 2013 г. и на плановый период 2014 и 2015 годы
Литература
1. Sharma V.K., Murthy S.S., Singh B. An improved method for the determination of saturation characteristics of switched reluctance motors // IEEE Trans. Instrum. Meas. 1999, Vol. 48, № 5, P. 995 - 1000.
2. Shi Wei Zhao. Robust and Sensorless Control of Linear Switched Reluctance Motors / Ph.D. Thesis, Dept. of Electrical Engineering, The Hong Kong Polytechnic University. 2008. 182 p.
3. Шатков А.П. Экспериментальное исследование асинхронного электропривода с релейно-векторным принципом управления при непосредственном измерении параметров магнитного поля // Вестн. ИГЭУ. 2013. № 1. С. 1 - 6.
4. Порайко А.С. Экспериментальная оценка адекватности полевых математических моделей вентильно-реактивных двигателей // Електромашинобудування та електрооблад-нання: Респ. мiжвiд. наук.-техн. зб. 2004. Вип. 63. С. 77 - 81.
5. Asgharmemon A., Hussain I., Daudpoto J. Modeling of Static Characteristics of Switched Reluctance Motor // Me-hran University Research Journal of Engineering & Technology. 2013. Vol. 32, № 1. P. 141 - 146.
6. Saxena R., Singh B., Pahariya Y. Measurement of Flux Linkage and Inductance Profile of SRM // Intern. J. of Computer and Electrical Engineering. 2010. Vol. 2. № 2. P.389 - 393.
7. Dragu C.S., Belmans R. Measurement of magnetic characteristics of switched reluctance motors // IEEE 10th Conf. Power Electr. Appli., Sep 2003, on CD.
8. Cebolla F. J. P., Martínez A., Vicuña J., Martín B., Laloya E. On line magnetic characterization of a switched reluctance motor based on a Dspace data acquisition board // 11 Conferencia Hispano Lusa de Ingeniería Eléctrica(11 CHLIE). 2011. URL: http://www.aedie.org/11chlie-papers/RESUMEN/ 252- Perez-summary.pdf (дата обращения 20.08.2013).
9. Cazacu D., Stanescu C. Performance analysis of a solenoidal electromagnet // The Scientific Bulletin of Electrical Engineering Faculty. (ISSN 1843-6188). 2011. № 2 (16). P. 5 - 10.
10. Hunter I., Lafontaine S. Analysis of a Highly Nonlinear Lorentz Force Linear Motion Electromagnetic Actuator Using EMS, Massachusetts, USA, Nucleolus Scientific, URL: http://www.emworks.com/media/pdfs/testimonials/Analysis LorentzForceLinearActuator.pdf
11. DOLAN Alin-Iulian. Contributions to modeling of the fields and of the transient regimes in electrical equipments: Abstract of PhD. Thesis. URL: http://cis01.central.ucv.ro/ upload/lucrari_dr/273_rez-en.pdf
12. Ковалев О.Ф. Комбинированные методы моделирования магнитных полей в электромагнитных устройствах. Ростов н/Д., 2001. 220 с.
26 августа 2013 г.
