CC BY
43
закрепленных за российскими научными организациями, позволит занять России занять свое место в международных научных проектах.
Литература
1. Баша Н. В., Лобанов О. С., Макарчук Т. А. Научно-исследовательская деятельность: затраты, публикации научных результатов
// Международный научно-исследовательский журнал = Research Journal of International Studies. - 2014. - № 7-1 (26). - С.31-33 .
2. Шиянова А. А., Баша Н. В., Лобанов О. С. Импортозамещение на российском ИТ рынке // Международный научноисследовательский журнал = Research Journal of International Studies. - 2014. - № 7-1 (26). - С.61-62.
3. Лобанова Ж. А., Баша Н. В., Лобанов О. С. Методика оценки эффективности использования информационных ресурсов // Международный научно-исследовательский журнал = Research Journal of International Studies. - 2014. - № 7-2 (26). - С. 29-20.
4. Баша Н. В., Лобанов О. С., Макарчук Т. А. Зависимость публикационной активности от государственного финансирования научно-исследовательских организаций // Международный научно-исследовательский журнал = Research Journal of International Studies. - 2014. - № 7-2 (26). - С. 5-6.
5. Баша Н. В., Горнов П. А., Шпякина А. С. Формирование портфеля инновационных проектов при управлении научноисследовательскими организациями // Международный научно-исследовательский журнал = Research Journal of International Studies. - 2014. - № 5-2 (24). - С. 11-13.
6. Горнов П. А., Томша П. П., Баша Н. В. Оценка адаптивности доработки типовых автоматизированных систем управления в организациях // Международный научно-исследовательский журнал = Research Journal of International Studies. - 2014. - № 5-2 (24). - С. 17-18.
7. Бабаев Э. О., Баша Н. В., Томша П. П. Понятие «Big Data». Показатель готовности перехода компании на новые технологии работы с большим объемом данных // Международный научно-исследовательский журнал = Research Journal of International Studies. - 2014. - № 5-1 (24). - С. 45-46.
8. Баша Н. В., Томша П. П., Лобанов О. С. Классификация показателей эффективности НИОКР по уровням управления научной деятельностью // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - № 3. - С. 338.
9. Лобанов О. С., Баша Н. В., Томша П. П. Трансформация информационного пространства исполнительных органов государственной власти Санкт-Петербурга как системный процесс // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - № 3. -С. 328.
10. Баша Н. В. Экономическая эффективность научно-исследовательских организаций // Международный научноисследовательский журнал = Research Journal of International Studies. - 2014. - № 6-2 (25). - С. 12-13.
Однокопылов Г.И1., Брагин А.Д.2, Розаев И.А. 3
1 Кандидат технических наук, 2Магистрант, 3Магистрант, Национальный исследовательский Томский политехнический
университет
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ В НЕПОЛНОФАЗНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ
Аннотация
В статье рассмотрена математическая модель трехфазного вентильного двигателя для исследования характеристик электропривода на его основе в аварийных, неполнофазных режимах работы и разработки отказоустойчивых алгоритмов восстановления работоспособности, показана адекватность разработанной модели на сравнительном анализе результатов моделирования аварийного отключения фазы двигателя для схемы с независимым протеканием фазных токов и результатов эксперимента на испытательном стенде.
Ключевые слова: математическая модель, вентильный двигатель, неполнофазный режим работы, отказоустойчивость.
Odnokopylov G.I. 3, Bragin A.D., 2Rozayev I.A. 3
1 Ph. D in technical science, 2Master degree student, 3Master degree student, National research Tomsk polytechnic university MODELING BRUSHLESS DC MOTOR IN PHASE LOSS MODE
Abstract
A mathematical model of a three-phase brushless DC motor was developed for studying of the phase loss mode and the developing of fault-tolerant algorithms. Adequacy of the developed model is shown on a comparative analysis of simulation results of phase loss of the motor and the experimental results on the test bench with the functioning of the recovery algorithm.
Keywords: mathematical model, brushless DC motor, open phase mode, phase loss, fault tolerance.
Исследование аварийных состояний вентильного двигателя в составе исполнительных электроприводов опасных производственных объектов предполагает рассмотрение его работы в неполнофазных режимах работы. Для обеспечения отказоустойчивого управления вентильным двигателем необходима разработка алгоритмов восстановления работоспособности с круговым вращающимся полем на основе математической модели двигателя с проверкой ее адекватности, что является целью данной работы.
Вентильный двигатель представляет собой сложное электромеханическое устройство, поведение которого описывается совокупностью электромагнитных и электромеханических процессов. Существует два подхода к моделированию ВД: рассмотрение ВД как обращённой машины постоянного тока [1] и как синхронного двигателя с обратной связью по положению ротора [2]. При разработке модели был принят второй подход, так как целью исследования являются процессы в вентильном двигателе при неполнофазном питании, что практически невозможно реализовать и исследовать при первом подходе. Синхронный двигатель описывается дифференциальными уравнениями в той или иной системе координат. Наиболее часто для его описания используют систему координат d, q, связанную с ротором [3]. Однако эти уравнения применимы при условии полной симметрии фаз питающего напряжения, что не выполняется в случае двухфазного питания трехфазной электрической машины.
При разработке модели вентильного двигателя были приняты следующие допущения: магнитная цепь двигателя принималась ненасыщенной; потери в стали и механические потери пренебрежимо малы; высшие гармоники отсутствуют; воздушный зазор равномерен; механические связи нагрузки и двигателя абсолютно жёсткие.
Для описания процессов в системе использованы уравнения, связанные с обмотками статора [4] (система неподвижных координат a, b, c):
иА = Rs • i UB = Rs • i
d У а
dt . d У в ’
dt ;
48
d ¥
Uc = Rs • ic + —C dt ;
Или в матричной форме:
1 1 0 i О 1 С* 1 d + — dt 1 1
UB = 0 Rs 0 iB 1 в
1 1 О 0 1 1 1 L C J
Потокосцепления фаз статора имеют следующий вид:
а
^ 2П
^ a = Lsia + LmiB + Lmic CEwcosa;
^ B = LS^B + Lm^A + Lm^C CEfflCOS
a
^ C = LS^C + Lm^A + Lm^A CEWCOS
a+
3
2n ^
\
/
Представив выражения для потокосцепления в матричной форме:
1 1 1 Lm L 1 т ~lA "
¥ 1 B = L т Ls L m h - CEm
¥ L с _ L т Lm Ls _ jc _
cos а
cos
а
2п
\
V
Г
cos
а +
2П
и подставив их в уравнения равновесия напряжения,
V “'Л
запишем итоговые выражения:
1 l " Rs 0 0" " lA " 1 L m L 1 m d dt " lA "
UB = 0 Rs 0 iB + L m Ls L m iв - CEm
1 0 0 Rs _ Jc _ L m L m Ls _ jc _
cos а
cos
а
2п
л
V
(
cos
а +
2П
J
Электромагнитный момент f
M
создаваемый двигателем, определяется по следующему выражению:
M = CM sin в
IA sin a + IB sin
f 2П
a---
3
+ IC sin
f 2n
a+ —
V 3
\Л
V
0 - угол нагрузки вентильного двигателя.
Уравнение движения электропривода:
dm
M - Mc = Jv-----------.
c dt
Тогда выражение для модели вентильного двигателя можно записать в следующем виде:
^ = [L]-' • {[U] -[R]. [i] + CE»[cos]}, dt
где [i] - матрица неизвестных (токи статора); [U] - матрица напряжений; [R] - матрица сопротивлений; [L]" матрица индуктивностей статора, [cos] -матрица косинусов:
обратная
[i]
_iA " ' UA" rR s 0 0 " ' Ls Lm Lm
[ U ] = Ub [R ] = 0 Rs 0 [L] = Lm Ls Lm
_ iC _ _ Uc _ 0 0 R s _ Lm Lm Ls
[cos]=
cos а
cos
а--
2 п
cos
а + -
J у 2п ^
/
49
Для имитации обрыва фазы статора необходимо в исходное выражение ввести матрицу отказов, позволяющую переходить в аварийный двухфазный режим работы:
[Mo ]
a
b
c
При этом единичному состоянию битов отказов а, b, c будет соответствовать номинальный трехфазный режим работы, а нулевому - обрыв соответствующей фазы обмотки статора. Тогда выражение для матрицы активных сопротивлений примет следующий вид:
[Rm ] =(1 + kобр • sign[M]) • [R]
где ko6p- коэффициент, имитирующий введение высокоомного сопротивления в цепь статора ВД. Окончательные выражения соответственно:
= [L]-' {[О] - [RM ] [.] + CEco[cos]}
dt
Токи статора [I] в электроприводе с ВД могут быть заданы в виде алгоритма отказоустойчивого управления [5], формирующего круговое вращающееся поле в аварийном двухфазном режиме работы, включающего биты а, Ь, с матрицы отказов Мп.
Расчет модели проводился в среде Matlab Simulink. Адекватность предложенной математической модели была проверена путем сравнения расчетных и экспериментальных данных полученных при помощи автоматизированного испытательного стенда [6]. Результаты сравнения переходных процессов, рассчитанных на модели и полученных экспериментально, приведены на рис.1.
Переходные процессы при обрыве фазы статора двигателя, Переходные процессы при обрыве фазы статора двигателя,
полученные экспериментально полученные с помощью математической модели
Рис. 1 - Переходные процессы при обрыве фазы статора двигателя, полученные: а - экспериментально; б - при помощи
математической модели
Разница между значениями частоты вращения двигателя и амплитуды тока, полученными экспериментально и на математической модели, в трехфазном установившемся режиме работы составляет 1.9% и 5.9% соответственно. В аварийном двухфазном режиме работы эта разница составляет 0.2% для частоты вращения и 13.6% для тока для установившихся значений. Отклонения в переходных режимах работы вызваны принятыми в ходе составления математической модели допущениями. На рис. 1 видно, что увеличение амплитуды фазных токов в полтора раза позволяет скомпенсировать потерю активной мощности выбывшей из работы аварийной фазы без потери момента и частоты вращения электропривода. Обеспечение работоспособности электропривода в аварийном неполнофазном режиме сопровождается изменением характера потребляемого тока от источника питающего напряжения - появляется вторая гармоника потребляемого тока половинной амплитуды от нулевой гармоники, что позволяет скомпенсировать по активной мощности провалы эллиптического вращающегося поля в аварийном неполнофазном режиме работы и восстановить его круговым.
Таким образом, разработанная математическая модель позволяет исследовать вентильный электропривод в аварийном двухфазном режиме работы с алгоритмическим поддержанием кругового вращающегося поля для схемы электропривода, выполненной с независимым протеканием фазных токов статора.
Выводы:
1. Разработана математическая модель вентильного электропривода для исследования неполнофазных, аварийных режимов работы с использованием матрицы отказов двигателя.
2. На основе разработанной имитационной модели в среде MatlabSimulink и проведенных подтверждающих экспериментов для случая обрыва фазы статора вентильного двигателя с использованием алгоритма восстановления расхождение результатов по току составило 13.6%, по частоте вращения составило 0.2%, в трехфазном режиме работы расхождение результатов по току составило 5.9%, по частоте вращения составило 0.2%, что подтверждает адекватность разработанной математической модели.
3. Увеличение амплитуды фазных токов в полтора раза позволяет скомпенсировать потерю активной мощности выбывшей из работы аварийной фазы без потери момента и частоты вращения электропривода.
Литература
1. И. Е. Овчинников, Н. И. Лебедев. Бесконтактные двигатели постоянного тока — Л. : Наука, 1979. — 270 с..
2. Аракелян, А. К. Вентильный электропривод с синхронным двигателем и зависимым инвертором / А. К. Аракелян, А. А. Афанасьев, М. Г. Чиликин; Под ред. М. Г. Чиликина. — М. : Энергия, 1977. — 223 с. : ил.
50
3. Косулин В.Д. и др. Вентильные электродвигатели малой мощности для промышленных роботов. - Л.: Энергоатомиздат, 1988c.
4. Овчинников И. Е. Вентильные электрические двигатели и привод на их основе / И. Е. Овчинников. - СПб. : КОРОНА-Век, 2007. - 336 с
5. Патент РФ на изобретение №2311721 (RU), Н02Р 6/12, Н02Р 6/16, Н02К 29/06. Способ обеспечения живучести трёхфазного вентильного двигателя /Г.И. Однокопылов, К.В. Образцов, - № 2006128538; заявл. 04.08.2006 г.; опубл. 27.11.2007г. Бюл. №33.
6. Патент РФ на ПМ № 136184(RU), G01R 31/02 Установка для исследований аварийных режимов работы вентильного двигателя/ Г.И.Однокопылов, И.А.Розаев, А.Д.Брагин. -№2013138092; Заявл.14.08.2013; Опубл.27.12.2013 Бюл. № 36.
Володченко А. А.1, Загороднюк Л.Х.2
1Младший научный сотрудник, кандидат технических наук, 2кандидат технических наук, доцент, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
Статья подготовлена в рамках выполнения базовой части гос. задания Минобрнауки России г/б НИР N 1978 от 31.01.2014 г.
СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ В БЕЗАВТОКЛАВНЫХ СИЛИКАТНЫХ МАТЕРИАЛАХ НА ОСНОВЕ ГЛИНИСТОГО
СЫРЬЯ
Аннотация
Установлено, что песчано-глинистые породы за счет содержащихся в них глинистых минералов и тонкодисперсного кварца взаимодействует с известью в условиях пропарки с образованием цементирующих соединений. За счет этого формируется прочная кристаллизационная структура, обеспечивающая высокие физико-механические показатели безавтоклавных силикатных материалов.
Ключевые слова: известь, песчано-глинистые породы, структурообразование, безавтоклавные силикатные материалы.
Volodchenko A.A., Zagorodnjuk L.H.2
'Junior researcher, PhD of Technical Siences, 2PhD of Technical Siences Associate Professor, Belgorod State Technological University
named after V.G. Shukhov,
THE STRUCTURE FORMATION OF NON-AUTOCLAVE SILICATE MATERIALS BASED ON CLAY MATERIALS
Abstract
It has been established that the sand-clay rocks due to they contain clay minerals and finely divided silica reacts with lime under steaming with formation cementitious compounds. Thereby forming a solid crystallization structure providing high physical and mechanical non-autoclave silicate materials.
Keywords: lime, sand-clay rocks, structure formation, non-autoclave silicate materials.
В современных условиях на первый план выходят задачи увеличения производства и расширения области применения высокоэффективных стеновых строительных материалов, для изготовления которых используются промышленные отходы и местное сырье. Для решения этой задачи применительно к технологии производства силикатных материалов необходим переход от традиционного сырья к получению композиционного вяжущего с использованием алюмосиликатного сырья, которое будет способствовать целенаправленному синтезу цементирующего вещества с оптимальной микроструктурой.
На основе анализа сырьевой базы производства силикатных материалов был сделан вывод о пригодности использования для этих целей песчано-глинистых пород незавершенной стадии глинообразования, в частности, попутно извлекаемых песчаноглинистых пород региона Курской магнитной аномалии (КМА).
Глины являются продуктами заключительной фазы выветривания алюмосиликатных пород, на конечной стадии которой образуются глины преимущественно каолинитового и монтмориллонитового состава. Эти глины широко используются для производства керамических материалов, цемента, керамзита, а также на их основе можно получать новые композиционные материалы - металлокомпозиты [1-24].
Минеральный состав отложений незавершенной фазы глинообразования представлен такими термодинамически неустойчивыми соединениями как тонкодисперсный слабоокатанный кварц, смешаннослойные образования, несовершенная гидрослюда, Ca2+монтмориллонит, неупорядоченный каолинит и рентгеноаморфная фаза. Использование этих пород в качестве сырья для производства автоклавных силикатных материалов позволяет оптимизировать состав цементирующего соединения и, соответственно, улучшить физико-механические свойства силикатных изделий [25-34].
В процессе выветривания природные процессы выполнили часть работы по дезинтеграции исходных алюмосиликатных пород, за счет чего, вероятно, возможен синтез цементирующих соединений при взаимодействии породообразующих минералов с известью не только в условиях автоклавирования, но в условиях пропарки, что явилось целью данных исследований.
В качестве объектов исследования были использованы песчано-глинистые породы региона КМА, представленные супесью и суглинком. В состав пелитовой фракции пород входит монтмориллонит, гидрослюда, каолинит и смешаннослойные образованиями типа гидрослюда-монтмориллонит.
Показано, что использование в качестве сырья песчано-глинистых пород и извести позволяет получать силикатные материалы полусухого способа формования с пределом прочности при сжатии до 29 МПа. Оптимальное содержание извести составляет 10 мас. %. Для повышения долговечности силикатных материалов можно использовать вяжущее на основе извести и цемента.
Установлено, что породообразующие минералы песчано-глинистых пород активно взаимодействует с известью в условиях пропарки при температуре до 95 °C. При этом протекают химические процессы, в результате которых синтезируется комплексное вяжущее, образующее прочный каркас. Новообразования представлены преимущественно слабоокристаллизованными гидросиликатами кальция типа CSH(B). Синтез гидросиликатов кальция протекает за счет взаимодействия извести с тонкодисперсным кварцем и глинистыми минералами. В образцах также зафиксировано образование гидрогранатов состава C3ASxH6-2x. В процессе взаимодействия глинистых минералов с гидроксидом кальция в условиях пропарки ослабляются связи между кремнекислородными тетраэдрами и атомами алюминия в кристаллической решетке глинистого минерала, в результате чего глинозем и кремнезем приобретают способность вступать во взаимодействие с гидроксидом кальция с образованием гидросиликатов кальция и гидрогранатов.
Электронномикроскопические исследования показали, что в образцах формируется кристаллизационная структура (рис. 1). В структуре прослеживается сетка из новообразований, представляющие собой слабоокристаллизованныенизкоосновные гидросиликаты кальция.
51
