На правах рукописи

Елисеев Алексей Дмитриевич

СИНТЕЗ ПАРАМЕТРОВ СТАТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛЯ

БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРИВОДОВ С

НИЗКОВОЛЬТНЫМ СИЛОВЫМ ПИТАНИЕМ

Специальность 05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали машин

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Ковров – 2012

Работа выполнена в открытом акционерном обществе «Всероссийский научно-исследовательский институт «СИГНАЛ», г. Ковров.

СЛИПЕНКО Геннадий Константинович

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент ЛЕДОВСКИЙ Анатолий Дмитриевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор СИМАКОВ Юрий Леонидович кандидат технических наук, профессор ФНТЦ ОАО «Красногорский завод им. С.А.

Ведущая организация:

Зверева», г. Красногорск-

Защита состоится: 8 февраля 2013 г. в 1700 часов на заседании диссертационного совета Д 212.090.01 при ФГБОУ ВПО «КГТА им. В.А. Дегтярева» по адресу: 601910 Владимирская обл., г. Ковров, ул. Маяковского, 19, ауд. 234л.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «КГТА им. В.А. Дегтярева».

Автореферат разослан «28» декабря 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент ПАНТЕЛЕЕВ Евгений Юрьевич

Общая характеристика работы

Актуальность задачи. Развитие современных электрических приводов автономных объектов идет по пути увеличения их удельных показателей, снижения энергопотребления. В то же время постоянно возрастают требования к точностным и динамическим характеристикам. Решать эти задачи необходимо в условиях низковольтного, ограниченного по мощности бортового источника энергии. Примерами таких объектов являются мобильные робототехнические комплексы, манипуляторы на основе пространственных механизмов платформенного типа, системы управления полетом космических аппаратов, системы наведения и стабилизации вооружения автономных подвижных объектов. Кроме того, получение высоких точностных показателей затруднено тем, что большинство подобных объектов являются многомассовыми электромеханическими системами с упругими связями.

Таким образом, очевидно противоречие между высокими требованиями к быстродействию и точности и одновременно повышению энергоэффективности электрического привода в условиях низковольтного источника энергии. Разрешению этого противоречия для электрического привода системы наведения и стабилизации многомассового инерционного объекта и посвящена диссертационная работа.

Решению поставленных задач способствует создание транзисторного статического преобразователя, удовлетворяющего критерию максимума КПД силовой части быстродействующего электропривода с низковольтным силовым питанием.

Объект исследования. Объектом исследования настоящей работы является статический преобразователь быстродействующего электропривода с низковольтным силовым питанием.

Цель работы. Целью диссертации является разработка методики построения и расчета преобразователя, удовлетворяющего критерию максимума КПД силовой части быстродействующего электропривода с низковольтным силовым питанием.

Задачи работы. Поставленная цель работы достигается решением следующих задач:

1. Определение требований к статическому преобразователю на примере анализа технических характеристик современных систем наведения и стабилизации инерционных объектов.

2. Разработка имитационных моделей электронных узлов статического преобразователя и имитационной модели привода.

3. Разработка методов повышения КПД и удельной мощности статического преобразователя, включая алгоритмы и методы управления.

4. Определение эффективности разработанных методов с использованием имитационных моделей и экспериментальных исследований.

Методы исследований:

– математическая модель привода горизонтального наведения инерционного объекта выполнена на основе уравнений теоретической механики, элементов теории автоматического управления, методов электротехники, матричного исчисления, методов пространства состояний;

– при имитационном моделировании на ЭВМ привода и электронных узлов статического преобразователя использовались численные методы решения дифференциальных уравнений, методы визуального моделирования;

– достоверность и обоснованность научных результатов работы подтверждается хорошей сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Предмет исследования. Предметом исследования настоящей работы являются технические характеристики статического преобразователя быстродействующего электрического привода с низковольтным силовым питанием.

Отечественные системы наведения и стабилизации автономных подвижных объектов создавались такими организациями как «ВНИИ «СИГНАЛ» (г.

Ковров), ФГУП «ЦНИИАГ», БГТУ «ВОЕНМЕХ» (г. С.-Петербург), НТЦ ФНПЦ ОАО «Красногорский завод» (г. Красногорск), ОАО «УКБТМ» (г. Н.

Тагил). Значительный вклад в теорию силовых приводов наведения и стабилизации внесли Тарасов В.В., Ривкин С.С., Бродский Л.Е., Кутузов В.К., Новоселов Б.В., Слипенко Г.К. и другие ученые. Значительный вклад в развитие регулируемого электрического привода внесли работы Ключева В.И., Ковчина С. А., Башарина А.В., Терехова В.М., Фираго Б.И. и др. Методы структурного и параметрического синтеза силовых транзисторных преобразователей разработаны в трудах Букреева С.С., Конева Ю.И., Мелешина В.И., Моина В.С.

Научная новизна.

1. Обоснована структура статического преобразователя быстродействующего электрического привода с низковольтным питанием.

2. Разработана математическая модель статического преобразователя как системы «обратимый источник энергии – усилитель мощности со звеном повышенного напряжения».

3. Предложены и реализованы методы повышения КПД и удельной мощности статического преобразователя, в том числе:

– способ ограничения тока заряда конденсатора звена повышенного напряжения, предназначенный для реализации оптимального по быстродействию процесса заряда (Пат. РФ № 2367081);

– способ управления симметрированием повышающего конвертора с использованием замыкания по индукции и напряженности поля в сердечнике силового трансформатора, обеспечивающий минимизацию потерь на перемагничивание (Пат. РФ № 2465711);

– алгоритм слежения напряжения звена постоянного тока за ЭДС двигателя, снижающий перегрузку двигателя при торможении и повышающий КПД рекуперации энергии;

– методы уменьшения пульсаций тока силовых транзисторов, повышающие КПД преобразования энергии, реализуемые путем оптимизации параметров силовой части и характеристик управления.

Практическая значимость.

1. Разработана имитационная модель привода со статическим преобразователем, позволяющая проводить исследования количественного влияния параметров реальной системы на характеристики привода.

2. Предложенная структура и методика настройки позволяют увеличить точность стабилизации привода горизонтального наведения на 30-50% по сравнению с серийными аналогами.

3. Разработанные структура и методы управления статическим преобразователем позволяют при равных по сравнению с серийными аналогами габаритах получить вдвое большую перебросочную скорость, увеличить время работы от аккумуляторной батареи.

4. Разработанные структура и методы управления статическим преобразователем могут быть использованы как при модернизации систем наведения и стабилизации объектов вооружения и военной техники, так и в компонентах электроприводов других автономных объектов.

На защиту выносятся:

1. Результаты анализа силовых приводов с низковольтным питанием на примере систем наведения и стабилизации специального назначения, определяющие цель и задачи диссертационной работы.

2. Математическая модель статического преобразователя как системы «обратимый источник энергии – усилитель мощности со звеном повышенного напряжения».

3. Результаты численного моделирования и экспериментальных исследований эффективности предложенных методов повышения КПД и удельной мощности статического преобразователя.

4. Анализ влияния ограничений параметров статического преобразователя на динамические характеристики привода.

Реализация результатов работы. Данная диссертация обобщает самостоятельные исследования автора, полученные в ходе работ, проводимых коллективом «ВНИИ «СИГНАЛ» под руководством главного конструктора направления д.т.н. Новоселова Б.В. по совершенствованию приводов наведения и стабилизации автономных объектов. Полученные в диссертационной работе результаты внедрены в ОАО «УКБТМ», г. Н. Тагил (ОКР «С-88», 1995-2010 гг.), в ФНПЦ ОАО «КБТМ», г. Омск (ОКР «Бурлак», 2007-2011 гг.).

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на III конференции аспирантов и молодых ученых “Вооружение. Технология. Безопасность. Управление” (Ковров, 2008), на Молодежной конференции Московского отделения Международной общественной организации “Академия навигации и управления движением” (Москва, 2011), на II Всероссийской научно-технической конференции “Мехатронные системы (теория и проектирование) ” (Тула, 2011).

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано печатных работ, получено 2 патента РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 133 наименований и 10 приложений. Основная часть работы изложена на 175 страницах, содержит иллюстраций и 15 таблиц. Общий объем работы составляет 191 страницу.

Содержание работы Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цель, задачи исследования и методы их решения, сформулированы научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе определены требования к статическому преобразователю быстродействующего электрического привода с низковольтным силовым питанием на примере анализа характеристик современных приводов наведения и стабилизации автономных наземных объектов специального назначения, построенных по типу корпус с вращающейся платформой и закрепленной на ней балкой.

Показано, что электрический привод зарубежных систем развивается с использованием преобразования напряжения низковольтной бортовой сети (28В) в напряжение 270-280В, подаваемое на двигатель, что значительно улучшает КПД привода и уменьшает его габариты (системы наведения и стабилизации инерционных объектов EPS-72 ф. EADS, EM-WTDSS ф. Textron).

Особенностью системы EPS-72 является аккумулятор повышенного напряжения (270В), который запасает рекуперативную энергию привода и расходует её в момент пиковых нагрузок. Проведенный анализ показывает, что возвращение кинетической энергии привода при торможении в бортовую сеть может быть более эффективно с точки зрения массогабаритных показателей усилителя, чем применение дорогостоящего аккумулятора повышенного напряжения. Однако для этого следует разработать повышающий конвертор с равной средней мощностью и высокой кратковременной перегрузочной способностью, а также устройство рекуперации с высоким КПД. Решение данных задач невозможно без создания адекватного математического описания статического преобразователя. Известны математические модели статических преобразователей (Шаталов, Баунин) в виде усилителя с отсечкой выходного напряжения и тока. Вместе с тем в данных моделях не отражены процессы возврата кинетической энергии привода в бортсеть, ограничения тока заряда конденсатора звена постоянного тока, симметрирования повышающего конвертора, то есть комплекс вопросов, относящихся к проектированию самого преобразователя.

Показано, что без учета многомассовых свойств рассматриваемых систем невозможно рассматривать влияние характеристик преобразователя на динамические и статические характеристики привода.

Во второй главе обосновывается структура статического преобразователя на базе двухтактного трансформаторного преобразователя в качестве повышающего конвертора (ПК) напряжения бортсети, понижающего дроссельного преобразователя в качестве устройства рекуперации (УР) энергии, мостового преобразователя в качестве выходного широтно-импульсного усилителя мощности (УМ), объединенных общим звеном постоянного тока (рис.1). Повышающий конвертор преобразует постоянное напряжение бортсети uбс в повышенное (240В) напряжение звена постоянного тока. В генераторном режиме ток двигателя заряжает конденсатор звена постоянного тока C, который разряжается с помощью устройства рекуперации.

Исходные системы дифференциальных уравнений статического преобразователя получены на основе анализа электромагнитных процессов на интервалах импульса и паузы, происходящих при импульсном преобразовании энергии. Полученная в результате матричных преобразований с использованием метода переменных состояния система уравнений линеаризованной непрерывной модели статического преобразователя имеет вид:

где знак ‘’~’’ показывает бесконечно малое изменение переменной относительно установившегося режима, в котором проводится линеаризация, индекс “0” указывает на величину переменной в установившемся режиме; uC – напряжение на конденсаторе звена постоянного тока; iL – ток дросселя УР; uбс – напряжение бортсети; L и rL – индуктивность и сопротивление дросселя УР; i0 – ток намагничивания силового трансформатора; iпк – приведенный к первичной обмотке ток нагрузки ПК; kтр, Lтр – коэффициент трансформации и индуктивность рассеяния силового трансформатора; rпк – выходное сопротивление ПК;

L – индуктивность намагничивания силового трансформатора; D1K и D2K – коэффициенты заполнения для первого и второго ключей ПК в установившемся режиме; e и iя – ток якоря и ЭДС двигателя; Lя и rя – индуктивность и сопротивление обмотки якоря двигателя.

Рис. 1 Структурная схема статического преобразователя:

Ucr – задание напряжения звена постоянного тока; uпк – выходное напряжение повышающего конвертора; uя – напряжение на якоре двигателя; ic – ток конденсатора звена постоянного тока; uу – выходное напряжение стабилизационного вычислителя; ku – коэффициент усиления в прямой цепи; UVTк, UVTу, UVTр – падение напряжения на транзисторах ПК, УМ и УР соответственно.

В операторной форме система уравнений (1), характеризующая свойства силовой части, приведена на структурной схеме преобразователя (рис.1). На схеме также показаны следующие контуры управления: обратные связи по индукции B и току намагничивания i0 сердечника трансформатора ПК, компенсирующие воздействие переменной составляющей напряжения бортсети, нелинейности и температурную нестабильность элементов, контур ограничения тока силовых ключей ПК iпк, обеспечивающий защиту ключей от перегрузки в режиме заряда конденсатора звена постоянного тока. Регулирование индукции В, тока намагничивания i0, тока ключей осуществляется с помощью широтноимпульсной модуляции приложенного к трансформатору напряжения (D1К, D2К, Dпк). Усилитель мощности замкнут обратной связью по напряжению (ku) на якоре двигателя uя, компенсирующей нестабильность напряжения звена постоянного тока uс, обратной связью по току якоря двигателя iя (kiя) обеспечивающей моментные характеристики привода. Кроме того, введены отсечки по току якоря в режиме разгона (kiум, Di) и рекуперативного торможения (kip, Di), а также ограничение тока якоря при превышении максимального тока конвертора (kuiпк). Устройство рекуперации замкнуто обратной связью по напряжению звена постоянного тока, защищающей двигатель и элементы преобразователя от повышенного напряжения (Dp), а также введено ограничение по максимальному току дросселя (Diр).

Предложенная структура статического преобразователя позволяет уточнить модель привода инерционного объекта, разработанную в трудах Королькова Ю.В, Знатнова Ю.Н., Тарасова В.В., Бродского Л.Е., Жарова Ю.С., Кутузова В.К., Слипенко Г.К., Шаталова В.А., Никитина В.Е и других авторов (рис.2). Исходя из требований, предъявляемых к приводу, рассчитаны ограничения на такие характеристики преобразователя, как максимальное выходное напряжение Uпсm, максимальный выходной ток Iяm, максимальный входной ток преобразователя Iпкm, максимальный ток рекуперативного торможения Iрm, КПД преобразователя и его удельная мощность.

Рис.2 Структурная схема электрического привода многомассового объекта со статическим преобразователем:

– угол поворота балки, – переносная угловая скорость корпуса, – угол крена, uу – выходное напряжение регулятора, Wдлу(р),Wбгт(р),Wвог(р), – передаточные функции датчиков, Mд – момент, развиваемый двигателем, Мтрб, Мтрд – моменты трения платформы и двигателя, Jб, Jд – моменты инерции платформы и двигателя, СM – коэффициент пропорциональности между током и моментом двигателя, Се – коэффициент противо-ЭДС, j – передаточное число редуктора, Сур, Суц, Суп – коэффициенты жесткости редуктора, цапф и балки, Сgр, Сgц, Сgп – коэффициенты демпфирования редуктора, цапф и балки, р – люфт редуктора, l1, l2 – расстояние от оси цапф до центра первой m1 и второй m2 масс балки, lц – расстояние от оси вращения башни до оси цапф, rя, Тя – сопротивление и постоянная времени якорной обмотки, uc, ic– напряжение и ток конденсатора звена постоянного тока, Тпк, kтр – постоянная времени и коэффициент трансформации повышающего конвертора, kз – коэффициент заполнения выходного напряжения преобразователя, uбс– напряжение бортсети В третьей главе предложены методы повышения технических характеристик привода со статическим преобразователем. Разработанная математическая модель привода (рис.2) переведена на язык визуального моделирования в среде Matlab/Simulink.

Настройка привода выполнена таким образом, чтобы удовлетворить требованиям к переходному процессу и ошибке стабилизации. Для этого на цифровую имитационную модель подается два тестовых сигнала – ступенчатый и гармонический сигнал частотой, амплитудой Мm (моментные возмущения, рис. 3). В предложенной структуре (рис. 2) используется, в отличие от серийного электромашинного привода горизонтального наведения, замкнутого по координатам балки (угол, скорость п), а также имеющего отрицательную ОС по току исполнительного двигателя, замыкание привода по дополнительным координатам (скорость платформы б и двигателя д).

Рис. 3 ЛАЧХ привода со статическим преобразователем по ошибке от моментного возмущающего воздействия амплитудой 4000 Нм:

б) предложенная структура с учетом многомассовых свойств объекта. 1 – kду=150; 2 – kду=600, kп=20; 3 – kду =600, kп=20, ki=2; 4 – kду=1200, kп =15, kб = 45; 5,6 – kду=2400, kп=50, kб = 150, kд=35, 6 – с цифровым фильтром второго порядка в сигнале скорости двигателя. ДУ – датчик угла.

Отличие методики заключается в определении весовых коэффициентов сигналов обратных связей по скорости двигателя, башни и пушки с помощью кривых переходных процессов. В результате повышается жесткость привода при высоком качестве переходного процесса. Предложенная структура привода (рис.2) с использованием цифровой фильтрации позволяет поднять жесткость системы с 2500 до 40000 Нм/мрад с сохранением устойчивости при условии, что полоса пропускания статического преобразователя составляет не менее Гц. В результате точность стабилизации может быть теоретически повышена до 0.07-0.1 мрад при удовлетворительном качестве переходного процесса. Показано, что вследствие низкого быстродействия ЭМУ реализация подобной структуры в электромашинном приводе невозможна.

Исследовалась также связь между уровнем ограничений параметров статического преобразователя и показателями переходного процесса и вклад отдельных ограничений в общую картину процесса (рис.4).

Рис. 4 Моделирование переходного процесса привода при ступенчатом входном сигнале:

Iяm, Iпкm, Iрm – ограничение соответственно выходного тока преобразователя, тока повышающего конвертора, тока рекуперативного торможения, Uпсm – ограничение выходного напряжения преобразователя.

Моделировались переходные процессы в приводе с ЭМУ и в приводе со статическим преобразователем при ступенчатом сигнале наведения по углу.

При этом имитировался переброс платформы на 180 на горизонтальной площадке и на уклоне 15 с моментом неуравновешенности, зависящим от угла поворота. Установлено, что увеличение максимальной скорости за счет повышения максимального напряжения Uпсm реализуемо только при пропорциональном увеличении уровней токовых отсечек Iяm, Iпкm, Iрm.

На стенде, имитирующем поворот платформы в горизонтальной плоскости, подтверждена возможность получения в приводе ГН со статическим преобразователем скорости объекта управления до 48 °/с, максимального углового ускорения привода до 32°/с2, времени переброса на 180°– до 5 с.

Проверка модернизированного привода горизонтального наведения (рис.

5) со статическим преобразователем на объекте показала возможность получения ошибки стабилизации по ГН при движении по типовой трассе со структурой коррекции серийного стабилизатора 2Э42 – 0.4 мрад, с предложенной коррекцией – 0.2 мрад.

КОРПУС

Рис. 5 Элементы привода горизонтального наведения системы 2Э58У В четвертой главе предлагаются способы повышения технических характеристик электронных узлов статического преобразователя в частности повышения КПД и как следствие, повышение удельной мощности и улучшение массогабаритных характеристик.

Расчет характеристик преобразователя ведется с помощью имитационных моделей электронных узлов, разработанных в среде Matlab/Simulink на основе математической модели (рис.1).

Данные аналитического обзора показывают, что зарубежные системы с низковольтным источником энергии имеют постоянно заряженные накопители повышенного напряжения, например молекулярно-ионные. Вместе с тем, системы наведения и стабилизации характеризуются двумя основными режимами работы – режим стабилизации и режим переброса на большие углы. Требуемые скорости исполнительного двигателя отличаются в этих режимах на порядок.

Энергетически выгодно использовать двухступенчатое регулирование выходного напряжения конвертора – в режиме стабилизации повышения напряжения не требуется, при перебросах орудия должен быть обеспечен быстрый заряд конденсатора, установленного на выходе повышающего конвертора. Реализация такого заряда позволяет использовать в качестве накопителя в звене постоянного тока электролитические конденсаторы, имеющие гораздо меньшие габариты. Отличием предлагаемого технического решения является ограничение зарядного тока (iнпк на рис.1) путем увеличения выходного индуктивного сопротивления конвертора и соответствующего кратковременного увеличения частоты работы на время заряда. Функционально это аналогично изменению коэффициента заполнения Dпк (рис.1). Моделирование данной схемы, в которой нарастание тока ограничивается только индуктивностью рассеяния трансформатора и происходит поочередное переключение силовых транзисторов двухтактного преобразователя, показало увеличение быстродействия в 1.5-2 раза по сравнению с алгоритмами заряда, основанными на “плавном пуске”. В результате эксперимента получено время заряда конденсатора емкостью 3760 мкФ – 26.5 мс (рис. 6).

Рис. 6 Экспериментальные осциллограммы процесса заряда конденсатора звена постоянного тока:

ic – средний ток заряда, uc – напряжение на конденсаторе С.

Целесообразность применения трансляции напряжения бортсети на выход повышающего конвертора (работа привода в режиме стабилизации) и включение режима повышенного напряжения в режиме переброс подтверждена экспериментально. Подобное ступенчатое регулирование дает повышение КПД статического преобразователя в режиме удержания на 6.5%.

С целью минимизации потерь на перемагничивание силового трансформатора повышающего конвертора в различных режимах работы предлагается управление симметрированием с замыканием по индукции и напряженности поля (рис. 1) с использованием нелинейного корректирующего устройства сигнала тока намагничивания. Результаты моделирования двухтактного преобразователя показаны на рис. 7, где по оси ординат расположено в логарифмическом масштабе отношение тока намагничивания к возмущающему воздействию F(t)=Fmsint. Согласно рис. 7 подключение каждого контура увеличивает точность симметрирования, ослабляя влияние возмущающего воздействия.

Рис. 7 ЛАЧХ устройства симметрирования по возмущающему воздействию:

1 – замыкание по индукции поля, 2 – замыкание по индукции поля и току намагничивания, 3 – замыкание по индукции поля, току намагничивания и сигналу нелинейного корректирующего устройства.

Показано, что минимальные пульсации тока повышающего конвертора и соответственно, наилучший КПД обеспечиваются при оптимальных величинах индуктивности рассеяния силового трансформатора Lтр и задержки переключения силовых ключей td. Необходимым условием минимума пульсаций является полное использование материала сердечника силового трансформатора, обеспечиваемое предложенным способом симметрирования. Экспериментально показано, что с введением дополнительной задержки переключения силовых ключей td, когда пульсации тока были увеличены с 20-30% до 100%, КПД статического преобразователя уменьшается на 13.1% (режим переброс, входная мощность около 8 кВт).

Оптимальные величины Lтр, td, рассчитанные в результате численного моделирования, позволили получить пульсации тока конвертора величиной не более 20-30 % (рис. 8). Экспериментально установлено, что данная оптимизация позволяет увеличить КПД статического преобразователя с 67.4 до 81.6% (режим удержание, входная мощность 1кВт), с 75.8 до 86.9% (режим переброс, входная мощность около 5 кВт).

Рис. 8 Экспериментальные осциллограммы тока (канал 2) силовых ключей конвертора и напряжения на силовом ключе (канал 1):

I~ – переменная составляющая тока конвертора; i1 и i2 – токи силовых ключей повышающего конвертора; u1 – напряжение на силовом ключе. Масштаб тока 200А/В.

При разработке алгоритмов управления рекуперативным торможением предложен способ управления, отличающийся тем, что напряжение звена постоянного тока uc при работе двигателя в генераторном режиме следит за величиной ЭДС двигателя (величина Ucr на рис.1). Для этого выключаются все силовые ключи мостового усилителя, и изменение тока торможения осуществляется с помощью устройства рекуперации (интервал t на рис.9).

Рис. 9 Моделирование торможения двигателя со слежением за ЭДС:

Момент инерции нагрузки – 0.0375 кгм Как показывает имитационное моделирование, КПД рекуперации энергии в предложенном алгоритме увеличивается на 10% по сравнению с известными способами, характеризующимися постоянством величины uc.

Разработанные методы повышения КПД позволяют повысить удельную мощность статического преобразователя с 202 Вт/дм3 до 416 Вт/дм3, что подтверждается испытаниями опытных образцов.

Полученные в диссертационной работе результаты позволяют предложить следующую методику расчета и построения статического преобразователя быстродействующего электропривода с низковольтным силовым питанием (рис. 10).

Определение требований к статическому преобразователю на

СТРУКТУРНЫЙ

Учет параметров трансформаторов (индуктивность рассеяния Lтр, число витков w, индукция B и напряженность H поля в сердечнике), дросселей (индуктивность L, число витков w), частоты преобразования f, конечного времени выключения силовых транзисторов toff, “мертвого времени” td.

Разработка функциональных схем компонентов преобразователя, наиболее полно

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ

СИНТЕЗ

Аналитический расчет и численное моделирование электронных узлов преобразователя. Проведение экспериментальных исследований.

Рис. 10 Методика построения и расчета преобразователя быстродействующего электрического привода с низковольтным силовым питанием.

В диссертационной работе получены следующие основные научные и практические результаты:

1. На примере анализа развития приводов наведения и стабилизации специального назначения определен комплекс требований к статическому преобразователю быстродействующего электропривода с низковольтным силовым питанием. Показана целесообразность применения при модернизации систем наведения и стабилизации с электрогидравлическими и электромашинными приводами с силовым низковольтным питанием статических преобразователей со звеном повышенного напряжения в сочетании с малоинерционным двигателем.

2. Построена математическая модель статического преобразователя как системы обратимый источник энергии – мостовой усилитель со звеном постоянного тока. В отличие от известных, модель учитывает симметрирование повышающего конвертора, ступенчатое переключение уровня выходного напряжения преобразователя, ограничение тока рекуперативного торможения и входного тока преобразователя.

3. Разработанные на базе математической модели способы управления электронными узлами преобразователя позволяют:

– повысить КПД статического преобразователя с 67.4% до 81.6% при удержании неуравновешенной нагрузки и с 75.8% до 86.9% при перебросе нагрузки;

– увеличить максимальную удельную мощность статического преобразователя с 202 Вт/дм3 (электромашинный привод) до 416 Вт/дм3.

Для получения указанных результатов в диссертационной работе:

1) Показано, что минимизация потерь на перемагничивание силового трансформатора в различных режимах работы обеспечивается применением в устройстве симметрирования повышающего конвертора обратных связей по индукции, по напряженности поля в сердечнике и по максимальному за период значению тока намагничивания (Патент РФ № 2465711).

2) Установлено, что повышение КПД преобразователя за счет двухступенчатого регулирования напряжения звена постоянного тока возможно при реализации ограничения тока нагрузки повышающего конвертора путем изменения его выходного индуктивного сопротивления, что позволяет реализовать оптимальный по быстродействию процесс заряда конденсатора звена постоянного тока (Патент РФ № 2367081).

3) Установлено, что минимальные пульсации тока повышающего конвертора обеспечиваются при одновременном задании оптимальных параметров силового трансформатора, оптимальных величин частоты преобразования и задержки переключения силовых транзисторов.

4) Разработан алгоритм управления мостовым усилителем и устройством рекуперации при торможении исполнительного двигателя, учитывающий уменьшение ЭДС двигателя при торможении и пропорционально уменьшающий напряжение звена постоянного тока, что повышает КПД рекуперации энергии.

4. Установлено, что увеличение мощности статического преобразователя в сочетании с использованием нового двигателя с повышенной максимальной частотой вращения и перегрузкой по моменту позволяет увеличить максимальную скорость объекта управления по сравнению с электромашинным приводом на 70-100%.

5. Разработка преобразователя с быстродействием на порядок большим, чем у электромашинного усилителя позволила реализовать новую структуру привода с замыканием по координатам многомассовой системы и за счет этого повысить точность привода на 30-50% по сравнению с прототипом.

6. Полученные в диссертационной работе результаты внедрены в ОАО «УКБТМ», г. Н. Тагил, в ФНПЦ ОАО «КБТМ», г. Омск, что подтверждается прилагаемыми актами внедрения. Полученные в ходе создания преобразователя научные результаты могут быть использованы как при модернизации систем наведения и стабилизации объектов вооружения и военной техники, так и в компонентах электроприводов общепромышленного назначения.

Список публикаций Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Елисеев, А.Д. Исследование быстродействующего привода горизонтального наведения стабилизатора танкового вооружения со статическим преобразователем / А.Д. Елисеев, Б.В. Новоселов // Оборонная техника.- 2011. – №8. – С.24-29 (80%).

2. Елисеев, А.Д. Математическая модель статического преобразователя стабилизатора танкового вооружения как нелинейной импульсной системы / А.Д. Елисеев, В.А. Шаталов // Вопросы оборонной техники. Серия IX. – 2012. – №6 (258) (60%).

3. Елисеев, А.Д. Повышающий конвертор напряжения электрического стабилизатора вращающейся платформы / А.Д. Елисеев, В.А. Шаталов // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. – 2013. – № 2.

(60%).

Публикации в других изданиях:

1. Шаталов, Г.К. К вопросу о построении силовой части электроприводов наведения и стабилизации инерционных объектов. Опыт комплексного подхода / В.А. Шаталов, Г.К. Слипенко, А.Д. Елисеев // Оружие победы. Штрихи истории. Взгляд в будущее: сб. науч. трудов: в 2 т.; под ред. Ю.М. Сазыкина. – Ковров: КГТА им. В.А. Дегтярева, 2005. – Т.2. – С.280-289.

2. Елисеев, А.Д. Математическое моделирование алгоритмов векторного регулирования управляющих координат синхронного вентильного электропривода / А.Д. Елисеев // Гидропневмоавтоматика и гидропривод – 2005: сб. научных трудов. Том 2 – Ковров: КГТА, 2006. – С.96-105.

3. Шаталов, В.А. Исследование процесса рекуперации энергии в электроприводе с повышающим конвертором напряжения / В.А. Шаталов, А.Д. Елисеев // Труды Десятой Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы защиты и безопасности». Том 4. – СПБ, 2007. – С.323Елисеев, А.Д. Модернизация привода горизонтального наведения стабилизатора танкового вооружения / А.Д. Елисеев // Вооружение. Технология.

Безопасность. Управление. Материалы III научно-технической конференции аспирантов и молодых ученых. В 3 ч. Часть 1. Ковров, 2008. – С.157-161.

5. Пат. № 2367081 РФ, H02 М 3/337. Двухтактный транзисторный преобразователь. Елисеев А.Д., Шаталов В.А. – 2008101339/09; Заявлено 09.01.08;

Опубл. 10.09.09. Бюл. № 25 (50%).

6. Шаталов, В.А. Устройство симметрирования двухтактного транзисторного преобразователя с замыканием по индукции и напряженности поля силового трансформатора / В.А. Шаталов, А.Д. Елисеев // Современные проблемы проектирования, производства и эксплуатации радиотехнических систем: Сб.

научных трудов. – Ульяновск: УлГТУ, 2012. – С.198-206 (60%).

7. Пат. № 2465711 РФ, H02 М 1/40. Транзисторный преобразователь напряжения. Елисеев А.Д., Шаталов В.А. – 2011133080/07; Заявлено 05.08.11;

Опубл. 27.10.12. Бюл. № 30 (50%).

Изд. лиц. № 020354 от 05.06.97 г. Подписано в печать 27.12.2012 г. Формат 60х84/16. Бумага писчая №1. Гарнитура «Таймс». Печать офсетная.

Усл.печ.л. 1,16. Уч.-изд.л. 1,21. Тираж 100 экз. Заказ № 907.

Федеральное бюджетное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ковровская государственная технологическая академия