Високоефективний електропривод на базі синхронного двигуна з постійними магнітами

Abstract

Дисертація присвячена питанням підвищення енергетичних показників та точності керування електропривода на базі СДПМ при заданих технологічних та економічних обмеженнях через удосконалення конструкції електромеханічного перетворювача енергії та використання спеціальних законів енергозбереження та компенсації пульсацій моменту. В роботі обґрунтовано доцільність використання електропривода на базі СДПМ як найбільш дієвого заходу енергозбереження засобами електропривода, виконано аналіз існуючих конструкцій даного типу електричних двигунів та систем керування ними. Запропоновані технічні рішення, які дозволяють забезпечити необхідні показники СДПМ при мінімальній собівартості його виготовлення. Розроблено систему керування електроприводом на базі СДПМ з вбудованими магнітами, яка підвищує ККД та зменшує пульсації моменту. На відміну від існуючих систем керування, новий розроблений закон компенсації пульсацій моменту дозволяє одночасно використовувати закон енергетично-ефективного керування ММРА та компенсувати пульсації реактивного моменту. Проведена експериментальна перевірка розробленого електропривода на базі СДПМ. Розроблені технічні рішення та система керування пройшли промислову апробацію та були впроваджені у виробництво компанії Bauer Gear Motor GmbH, ФРН.

Диссертация посвящена вопросам повышения энергетических показателей и точности управления электропривода на базе СДПМ при заданных технологических и экономических ограничениях при помощи усовершенствования конструкции электромеханического преобразователя энергии и использования специальных законов энергосбережения и компенсации пульсаций момента. В работе обоснована целесообразность использования электропривода на базе СДПМ как наиболее действенного мероприятия энергосбережения средствами электропривода. Выполнен анализ существующих конструкций данного типа электродвигателей и систем управления ими. Особое внимание уделено анализу существующих алгоритмов компенсации пульсаций момента СДПМ. В диссертации предложены технические решения, позволяющие обеспечить необходимые показатели СДПМ при минимальной себестоимости его изготовления. Для этого необходимо создавать СДПМ на базе серийных АДКР, а ротор выполнять с горизонтально расположенными встроенными магнитами. По результатам моделирования установлено, что для типоразмера IEC112 рациональная относительная масса постоянных магнитов при заданных ограничениях составляет 4-5%. Также исследованы методы уменьшения пульсаций момента при помощи усовершенствования конструкции СДПМ. Разработана система управления электроприводом на базе СДПМ со встроенными магнитами, которая повышает КПД и уменьшает пульсации момента. Применение закона энергетически эффективного управления ММРА позволяет развить необходимый момент при меньшем токе статора за счет использования реактивного момента, который характерен для данного типа СДПМ. Разработан новый закон компенсации пульсаций момента, который, в отличии от существующих, позволяет одновременно использовать закон ММРА и компенсировать пульсации реактивного момента. Проведена экспериментальная проверка разработанного электропривода на базе СДПМ и выполнено технико-экономическое обоснование его применения. При номинальной мощности кВт и в режиме работы S1 возможно ежегодно экономить 1713,84 грн. в сравнении с электроприводом на базе АДКР. При этом разница капитальных затрат на его приобретение компенсируется за 14 месяцев работы. Разработанные технические решения и система управления прошли промышленную апробацию и были внедрены в производство компании Bauer Gear Motor GmbH, Германия.

The thesis deals with permanent magnet synchronous motors, their energetic performances under given cost-benefit constraints. Approaches for construction optimization are given, special control algorithms for torque pulsation minimization are proposed. Energy-saving control principles are considered. The expediency of PMSM-based electric drive is proven in terms of energy efficiency. The analysis of conventional synchronous motors design schemes is carried out. Existing control systems’ performances are examined. New solutions providing required energetical and dynamical performances under minimal production costs are proposed. The control system for PMSM-based drive with internal magnets for high efficiency and low ripple pulsations is proposed. Unlike known principles, the new control algorithm provides simultaneous operation of MMPA control principle with reactive torque damping. The solutions developed and the control algorithms were tested in industrial environment and are being applied in current production in Bauer Gear Motor GmbH, Germany.