For the study of the swished reluctance electric motor and obtain experimental waveforms of phase currents and voltages proposed control system based on the signal controller dsPIC30F3011 firm Microchip, specially designed for solving various types of motor control and digital signal processing. In the obtained symmetric single inverter switching is implemented using direct current control phase

Буряковский, Сергей Геннадьевич

Любарский, Борис Григорьевич

Маслий, Андрей Сергеевич

Маслий, Артем Сергеевич

Library of National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"

 Проблемы автоматизированного электропривода 195 
Буряковский С.Г., Маслий Ар.С., Украина 
Маслий Ан.С., Любарский Б.Г. Харьков 
Украинская государственная академия железнодорожного транспорта 
Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт»  
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ 
ВЕНТИЛЬНО-РЕАКТИВНЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ 
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Разработка простой и эффективной системы управления (СУ) вентильно-
реактивным электродвигателем (ВРД) является актуальной задачей, поскольку в промышленности нарастают 
объемы использования двигателей этого типа, а основные негативные аспекты эксплуатации, как вибрация и 
колебания сохраняются. 
МАТЕРИАЛ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. В качестве объекта управления был выбран вентильно-
реактивный четырёхфазный электродвигатель для аппаратов искусственной вентиляции лёгких, разработанный 
«Одесским национальным политехническим университетом» под руководством д.т.н. проф. Рымши В.В. [3,4] 
Математические модели подобных двигателей были представлены ранее в статьях [1, 2]. 
 
Рисунок 1 – Функциональная схема системы управления ВРД 
Реализованная СУ для данного ВРД приведена на рисунке 1. При её разработке одной и задач было макси-
мальное упрощение схемных решений путём сведения количества компонентов к минимуму путем объедине-
ния отдельных узлов схемы. Примером может служить применение микроконтроллера dsPIC30F3011 фирмы 
Microchip, специально предназначенного для решения подобного рода задач и цифровой обработки сигнала. 
Многие элементы схемы, такие как АЦП, модуль управления ШИМ с шестью выходами (распределитель им-
пульсов), модуль квадратурного энкодера (счётчик импульсов), уже входят в состав микроконтроллера, благо-
даря чему основные программно решаемые задачи были переложены на аппаратною часть, что позволило раз-
грузить центральный процессор, отведя оставшееся время под реализацию различных методов управления, в 
том числе и с применением сложных математических вычислений. 
Формируемая микроконтроллером 
ШИМ через драйверы верхних 
(IRS21850) и нижних (IR4426S) полевых 
транзисторов типа IRF7853 передается к 
схеме коммутации (рисунок 2). 
В данном случае используется схема с 
общими для двух соседних фаз верхними 
ключами, работающими в режиме ШИМ.  
 
 
 
 
Рисунок 2 –  Схема коммутации 
 Современные системы промышленного электропривода 196 
С помощью такого преобразователя реализуется 
одиночная симметричная коммутация фаз, представ-
ленная на рисунке 3. При использовании непосредст-
венного регулирования тока в фазе его форма будет 
иметь вид, показанный на рисунке 4. 
Режимы на рисунке определяются состоянием по-
левых транзисторов, задающих путь протекания фаз-
ных токов (рисунок 5). 
В режимах К1 и К2 нижние ключи постоянно от-
крыты, а верхние работают в импульсном режиме. Ко-
гда верхний ключ открыт, ток от источника питания 
замыкается через обмотку ВРД и нарастает. При за-
крытом ключе ток замыкается через диод Шотки 
(30BQ100), установленный параллельно каждой из 
обмоток. Это называется «мягкой» коммутацией. 
При «жесткой» коммутации оба ключа закрыва-
ются (режим К3), и ток замыкается через источник 
питания. При этом время его спадания значительно 
уменьшается, что очень важно при работе ВРД на 
скоростях вращения вала свыше 10000 об/мин, когда 
ток может не успеть снизиться до нуля и будет поро-
ждать противо-ЭДС для нового импульса напряжения 
в обмотке, делая невозможным дельнейшее увеличе-
ние скорости. Для контроля положения ротора, а так-
же скорости и направления его вращения использует-
ся встроенный в конструкцию ВРД оптический ин-
крементальный датчик HEDS-4140, позволяющий по-
лучить 360 импульсов за один оборот вала, и сопря-
женный непосредственно с квадратурным энкодером 
микроконтроллера. 
 
Рисунок 5 – Движение тока в фазе при различных состояниях ключей 
Датчиками тока служат низкоомные прецизионные 
резисторы, напряжение с которых, предварительно от-
фильтрованное, измеряется АЦП. Информация о тем-
пературе обмоток ВРД снимается датчиком типа 
ТМР36. 
Внешний вид макетного образца СУ показан на ри-
сунке 6. ВРД нагружен генератором с подключённым 
реостатом, что позволяет плавно изменять нагрузку. 
Для удобства работы с макетом предусмотрено под-
ключение ЖК дисплея, с возможностью вывода раз-
личной информации, что особенно важно на этапе от-
ладки. 
С использованием полученного преобразователя на 
цифровом осциллографе типа RIGOL DS5022M были 
получены графики фазного тока и напряжения (рис. 7) 
при работе электродвигателя с регулированием тока в 
фазе (рис.7а) и на «естественной» механической харак-
теристике с номинальным моментом нагрузки (рис.7б). 
Ua
Ub
Uc
Ud
t
t
t
t
 
Рисунок 3 – Одиночная симметричная коммутация фаз 
 
Рисунок 4 –  Форма тока в фазах 
 
Рисунок 6 –  Макетный образец  
системы управления ВРД 
 Проблемы автоматизированного электропривода 197 
На полученных осциллограммах показаны ранее рас-
смотренные режимы К1, К2, и К3. Рабочий период фазы 
составляет 22,5 º, с возможностью ее включения в сторо-
ну опережения, отставания и без фазового сдвига. В дан-
ном случае включение фазы производится с опережени-
ем на угол 5º. При этом ток в момент возрастания маг-
нитной проводимости раньше успевает достигнуть необ-
ходимого значения для создания электромагнитного мо-
мента, чем в других случаях. В момент закрытия ключей 
(режим К3) через обратные диоды (рис.2) к обмотке 
прикладывается обратное напряжение, которое способ-
ствует более быстрому спаданию тока. В неактивный 
период работы фазы, когда к ней не подводится напря-
жение Ud, наведенная ЭДС имеет импульсный характер 
и после достижения максимума медленно спадает, что 
говорит о быстром изменении магнитного потока в фазе 
ВРД. 
Также с помощью макетного образца была снята ес-
тественная механическая характеристика ВРД, представ-
ленная на рис.8. 
 
Рисунок 8 – Естественная механическая 
характеристика ВРД 
 
ВЫВОДЫ. Полученные результаты показали присутствие в нерабочий период фазы наведенную ЭДС взаи-
моиндукции, которая негативно влияет на энергетические показатели ВРД. Созданная СУ позволит в дальней-
шем разработать и реализовать более эффективные способы управления ВРД. 
 
ЛИТЕРАТУРА 
1. Любарский Б.Г. Математическая модель реактивного индукторного трехобмоточного электромеханиче-
ского преобразователя / Б.Г. Любарский, А.С. Маслий, С.Г. Буряковский, Н.А. Гордеева // Вісник НТУ«ХПІ» – 
2012. – с.95-105. 
2. Буряковский С.Г. Оптимизация системы управления вентильно-индукторного двигателя для стрелочного 
перевода / С.Г. Буряковский, Ар.С. Маслий, Ан.С. Маслий, Б.Г. Любарский, А.В.Шевкунова // Вестник РГУПС 
– 2013. – с.61-67. 
3. Рымша В. В. Моделирование и синтез реактивных и индукторных электромеханических преобразователей 
: дис. д-ра техн. наук : 05.09.01 /Рымша Виталий Викторович. – Одесса, 2004. – 323 с. 
4. Гулый М.В. Вентильно-реактивный электродвигатель для аппаратов искусственной вентиляции лёгких: 
дис. к.т.н.: 05.09.01 / Гулый Михаил Викторович. Одесса, 2010. – 169 с 
 
 
Рисунок 7 – Экспериментальные осциллограммы 
тока и напряжения фазы ВРД; 
а) с регулирования тока в фазе, 
б) на «естественной» механической характеристике.  
 
Масштабы для тока: одна клетка по вертикали – 2 А 


Разработка и исследование системы управления вентильно-реактивным электродвигателем

Буряковский, Сергей Геннадиевич

eNTUKhPIIR Electronic National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"; Institutional Repository

 Проблемы автоматизированного электропривода 195 Буряковский С.Г., Маслий Ар.С., Украина Маслий Ан.С., Любарский Б.Г. Харьков Украинская государственная академия железнодорожного транспорта Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт»  РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНО-РЕАКТИВНЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Разработка простой и эффективной системы управления (СУ) вентильно-реактивным электродвигателем (ВРД) является актуальной задачей, поскольку в промышленности нарастают объемы использования двигателей этого типа, а основные негативные аспекты эксплуатации, как вибрация и колебания сохраняются. МАТЕРИАЛ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. В качестве объекта управления был выбран вентильно-реактивный четырёхфазный электродвигатель для аппаратов искусственной вентиляции лёгких, разработанный «Одесским национальным политехническим университетом» под руководством д.т.н. проф. Рымши В.В. [3,4] Математические модели подобных двигателей были представлены ранее в статьях [1, 2].  Рисунок 1 – Функциональная схема системы управления ВРД Реализованная СУ для данного ВРД приведена на рисунке 1. При её разработке одной и задач было макси-мальное упрощение схемных решений путём сведения количества компонентов к минимуму путем объедине-ния отдельных узлов схемы. Примером может служить применение микроконтроллера dsPIC30F3011 фирмы Microchip, специально предназначенного для решения подобного рода задач и цифровой обработки сигнала. Многие элементы схемы, такие как АЦП, модуль управления ШИМ с шестью выходами (распределитель им-пульсов), модуль квадратурного энкодера (счётчик импульсов), уже входят в состав микроконтроллера, благо-даря чему основные программно решаемые задачи были переложены на аппаратною часть, что позволило раз-грузить центральный процессор, отведя оставшееся время под реализацию различных методов управления, в том числе и с применением сложных математических вычислений. Формируемая микроконтроллером ШИМ через драйверы верхних (IRS21850) и нижних (IR4426S) полевых транзисторов типа IRF7853 передается к схеме коммутации (рисунок 2). В данном случае используется схема с общими для двух соседних фаз верхними ключами, работающими в режиме ШИМ.      Рисунок 2 –  Схема коммутации  Современные системы промышленного электропривода 196 С помощью такого преобразователя реализуется одиночная симметричная коммутация фаз, представ-ленная на рисунке 3. При использовании непосредст-венного регулирования тока в фазе его форма будет иметь вид, показанный на рисунке 4. Режимы на рисунке определяются состоянием по-левых транзисторов, задающих путь протекания фаз-ных токов (рисунок 5). В режимах К1 и К2 нижние ключи постоянно от-крыты, а верхние работают в импульсном режиме. Ко-гда верхний ключ открыт, ток от источника питания замыкается через обмотку ВРД и нарастает. При за-крытом ключе ток замыкается через диод Шотки (30BQ100), установленный параллельно каждой из обмоток. Это называется «мягкой» коммутацией. При «жесткой» коммутации оба ключа закрыва-ются (режим К3), и ток замыкается через источник питания. При этом время его спадания значительно уменьшается, что очень важно при работе ВРД на скоростях вращения вала свыше 10000 об/мин, когда ток может не успеть снизиться до нуля и будет поро-ждать противо-ЭДС для нового импульса напряжения в обмотке, делая невозможным дельнейшее увеличе-ние скорости. Для контроля положения ротора, а так-же скорости и направления его вращения использует-ся встроенный в конструкцию ВРД оптический ин-крементальный датчик HEDS-4140, позволяющий по-лучить 360 импульсов за один оборот вала, и сопря-женный непосредственно с квадратурным энкодером микроконтроллера.  Рисунок 5 – Движение тока в фазе при различных состояниях ключей Датчиками тока служат низкоомные прецизионные резисторы, напряжение с которых, предварительно от-фильтрованное, измеряется АЦП. Информация о тем-пературе обмоток ВРД снимается датчиком типа ТМР36. Внешний вид макетного образца СУ показан на ри-сунке 6. ВРД нагружен генератором с подключённым реостатом, что позволяет плавно изменять нагрузку. Для удобства работы с макетом предусмотрено под-ключение ЖК дисплея, с возможностью вывода раз-личной информации, что особенно важно на этапе от-ладки. С использованием полученного преобразователя на цифровом осциллографе типа RIGOL DS5022M были получены графики фазного тока и напряжения (рис. 7) при работе электродвигателя с регулированием тока в фазе (рис.7а) и на «естественной» механической харак-теристике с номинальным моментом нагрузки (рис.7б). UaUbUcUdtttt Рисунок 3 – Одиночная симметричная коммутация фаз  Рисунок 4 –  Форма тока в фазах  Рисунок 6 –  Макетный образец  системы управления ВРД  Проблемы автоматизированного электропривода 197 На полученных осциллограммах показаны ранее рас-смотренные режимы К1, К2, и К3. Рабочий период фазы составляет 22,5 º, с возможностью ее включения в сторо-ну опережения, отставания и без фазового сдвига. В дан-ном случае включение фазы производится с опережени-ем на угол 5º. При этом ток в момент возрастания маг-нитной проводимости раньше успевает достигнуть необ-ходимого значения для создания электромагнитного мо-мента, чем в других случаях. В момент закрытия ключей (режим К3) через обратные диоды (рис.2) к обмотке прикладывается обратное напряжение, которое способ-ствует более быстрому спаданию тока. В неактивный период работы фазы, когда к ней не подводится напря-жение Ud, наведенная ЭДС имеет импульсный характер и после достижения максимума медленно спадает, что говорит о быстром изменении магнитного потока в фазе ВРД. Также с помощью макетного образца была снята ес-тественная механическая характеристика ВРД, представ-ленная на рис.8.  Рисунок 8 – Естественная механическая характеристика ВРД  ВЫВОДЫ. Полученные результаты показали присутствие в нерабочий период фазы наведенную ЭДС взаи-моиндукции, которая негативно влияет на энергетические показатели ВРД. Созданная СУ позволит в дальней-шем разработать и реализовать более эффективные способы управления ВРД.  ЛИТЕРАТУРА 1. Любарский Б.Г. Математическая модель реактивного индукторного трехобмоточного электромеханиче-ского преобразователя / Б.Г. Любарский, А.С. Маслий, С.Г. Буряковский, Н.А. Гордеева // Вісник НТУ«ХПІ» – 2012. – с.95-105. 2. Буряковский С.Г. Оптимизация системы управления вентильно-индукторного двигателя для стрелочного перевода / С.Г. Буряковский, Ар.С. Маслий, Ан.С. Маслий, Б.Г. Любарский, А.В.Шевкунова // Вестник РГУПС – 2013. – с.61-67. 3. Рымша В. В. Моделирование и синтез реактивных и индукторных электромеханических преобразователей : дис. д-ра техн. наук : 05.09.01 /Рымша Виталий Викторович. – Одесса, 2004. – 323 с. 4. Гулый М.В. Вентильно-реактивный электродвигатель для аппаратов искусственной вентиляции лёгких: дис. к.т.н.: 05.09.01 / Гулый Михаил Викторович. Одесса, 2010. – 169 с   Рисунок 7 – Экспериментальные осциллограммы тока и напряжения фазы ВРД; а) с регулирования тока в фазе, б) на «естественной» механической характеристике.   Масштабы для тока: одна клетка по вертикали – 2 А 

http://repository.kpi.kharkov.ua/bitstream/KhPI-Press/4244/1/vestnik_HPI_2013_36_Buryakovskiy_Razrabotka%20i%20issledovaniye.pdf

Разработка и исследование системы управления вентильно-реактивным электродвигателем

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Library of National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"

eNTUKhPIIR Electronic National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"; Institutional Repository