.

Явнополюсні вентильні реактивні двигуни з буферами енергії: Автореф. дис… д-ра техн. наук / В.І. Ткачук, Держ. ун-т ‘Львів. політехніка’. — Л., 1999

Язык: украинский
Формат: реферат
Тип документа: Word Doc
0 7486
Скачать документ

ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

Ткачук Василь Іванович

УДК 621.313.132.12

ЯВНОПОЛЮСНІ ВЕНТИЛЬНІ РЕАКТИВНІ ДВИГУНИ З БУФЕРАМИ ЕНЕРГІЇ

Спеціальність: 05.09.01 – електричні машини та апарати

А в т о р е ф е р а т
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук

Л ь в і в 1 9 9 9

Дисертацією є рукопис.
Роботу виконано на кафедрі “Електричні машини та апарати”
Державного університету “Львівська політехніка”.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Повстень Віктор Олександрович, Київський міжнародний університет цивільної авіації Міністерства освіти України, завідувач кафедри електромеханіки;

доктор технічних наук, доцент Шинкаренко Василь Федорович, Національний технічний університет “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти України, в. о. завідувача кафедри електромеханіки;

доктор технічних наук, професор Плахтина Омелян Григорович, Державний університет “Львівська політехніка” Міністерства освіти України, професор кафедри електроприводу та автоматизації промислових установок.

Провідна установа – Інститут електродинаміки НАН України, відділ електромеханічних систем.

Захист відбудеться “_26_” листопада 1999 р. о 11 годині
на засіданні спеціалізованої вченої ради № Д35.052.02
у Державному університеті “Львівська політехніка”
за адресою: 290013, Львів, вул. Ст. Бандери, 12, ауд. 114 г.к.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Державного університету “Львівська політехніка”.

Автореферат розісланий “_19_” жовтня 1999 р.

Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради
канд. техн. наук, доц. В.І.Коруд

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Економне і раціональне використання матері¬альних та трудових ресурсів у галузі електромашино¬буду¬вання тісно пов’я¬зано з подальшим під¬ви¬щенням ефективності розробок електричних машин, покращенням їх якості, під¬ви¬щенням технологічності виготовлення та довго¬вічності, зниженням собівар¬тості. Одним з перспективних шляхів вирішення таких проблем є застосування вентильних машин постійного струму.
Найбільше розповсюдження отримали вентильні двигуни (ВД) малої потужності з транзисторними комутаторами зі збудженням від постійних маг¬нітів (ПМ) і дава¬ча¬ми положення ротора (ДПР) різноманітного типу. Це зумовлено тим, що застосу¬вання транзисторів дозволяє найпростіше вирішу¬вати цілий ряд склад¬них задач керування за заданим законом зміни напруги, струму, моменту, частоти обертання і забезпечує високу комута¬ційну стій¬кість. Досвід виробництва й експлу¬а¬¬тації двигунів цього типу підтвердив їх високі споживчі власти¬вості, а в умовах масового виробництва довів еконо-мічну доцільність викори¬стання в малопотужних приводах широкого вжитку. Проте, ВД з ПМ на обертовій частині машини властиві такі недоліки, як складність конструкції й технології виготовлення, підвищена вартість.
Одним з найпростiших за конструк¬цiєю, технологiчним i надiй¬ним є електроме¬ха-нічний перетворювач (ЕМП) з явнополюсним статором, зосередже¬ними ко¬туш¬ками його обмотки та зуб¬частим пасивним ротором. Та¬кий ЕМП є простiшим, дешев¬шим i технологiчнiшим нiж найпростiшi з елек¬трич¬них машин – асинхроннi, а ВД на його основi за регулювальними власти¬востями не поступаються колекторним двигунам постiйного струму.
Однак використання таких ЕМП разом з відомими схемами електронних комутаторів (ЕК) стримує їх розвиток через низькі енергетичні показники, внаслідок того, що енергія, яка нагромаджується в магнітному полі обмотки якоря, на кожному періоді комутації розсіюється на елементах захисту силових ключів ЕК і не приймає участі в електромеханічному перетворенні.
Значно покращити використання ВД з пасивним ротором (вентильного реактив¬ного двигуна – ВРД) можна, якщо енергію магнітного поля при вимиканні секції нагромаджувати в реактив¬ному елементі, наприклад, в конденсаторі (буфері енергії), а потім використа¬ти її для форсованного вмикання наступної секції. Це забезпечує економічні показники ВРД на рівні показників ВД зі збудженням від ПМ. При цьому значно зменшуються динамічні втрати на перемикання тран¬зисторних силових ключів і підвищуються динамічні властивості двигуна.
Нові конструкції енергетичної та інформаційної частин ВРД, нові принципові електричні схеми ЕК з буфера¬ми (ємнісними нагро¬маджувачами) енергії забезпе¬чують конкурентно¬здат¬ність ВД постійного струму з пасивним ротором з іншими ти¬пами електри¬чних машин малої потужності. При цьому перед розробни¬ками повстає ряд науково-технічних проблем, таких як: розроблення інженерної методики опт謬мального проектування ВД з пасивним ротором і буфером енергії, ство¬рення мате¬ма¬тичних моделей ВРД, які давали б змогу досліджувати динаміч¬ні та квазіусталені режими роботи, вибирати опти¬мальні параметри комутації і елементи силових клю¬чів ЕК, досліджувати способи керування ВД; розроб¬лення і вибір принципової елек¬тричної схеми ЕК, яка підвищує енергетичні показники ВД; вибір конструктивної схеми ЕМП, яка б забезпечувала най¬більш сприятливий режим роботи ЕК з буфера¬ми енергії, зниження матері¬ало¬ємності та покращення технологіч¬ності; констру¬ювання первинного дава¬ча положення ротора на базі матеріалів, які застосовані для побудови ЕМП, що покращує технологію виготовлення ВД в цілому й здешевлює його; розроблення електронної схеми формування керувальних сигналів ДПР.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота безпо¬се¬редньо пов’язана з виконанням держбюджетних програм за № 193 та № 005866 Держ¬комітету України з науки і техніки та госпдоговірних робіт з устано¬вами та під¬при¬ємствами України: Львівським науково-дослідним радіо¬технічним інститутом – договір № 5320 “Електропривід позиціонера антени сателітарного теле¬бачення” (автор – відповідальний виконавець); Львівським заводом “Біофізприлад” – договір № 5633 “Електропривід ротора лабораторної рефрижераторної центрифуги крові” (нау¬ковий керівник); КБ “Південне” (м. Дніпро¬петровськ) – договір № 5875 “Розроблення вентильних двигунів і системи керування для приводу мотор-коліс міні¬комплекса “Майстер-А” (науковий керівник); Науково-виробничим акціонерним това¬рист¬вом “Плесо” (м. Дрогобич) – “Розроблення вентильного двигуна для при¬воду вентилятора опалювальної установки” (науковий керівник); Науково-виробничим об’єднанням “Укрполімед” (м. Київ) – договір № 17/1538/6502A “Розроблення вентильного двигуна для приводу настільної центрифуги крові” (науковий керівник).
Мета і задачі дослідження. Актуальність тематики зумовлює головну мету роботи – розвиток і узагальнення теорії електромеха¬нічного перетво¬рення енергії у вентильному двигуні з пасивним ротором, явнополюсним статором та буферами енергії для створення методології їх проектування та математичного дослідження. З практичної точки зору метою роботи є удоско¬налення існуючих та створення нових конструкцій електромеханічних пере¬тво¬рю¬вачів ВД з пасивним ротором, первинних давачів положення ротора та принципових електричних схем силових комутаторів і формувачів керувальних сигналів.
Для досягнення поставленої мети необхідно розв’язати такі задачі:
* створити теоретичну базу та методологію проектування ВРД з буфера¬ми енергії; побудувати алгоритми й створити підсистему автоматизованого інтерак¬тив¬ного проектування таких двигунів; створити математичну модель ВРД з буферами енергії для дослідження усталених режимів роботи електропривода та розрахунку статичних характеристик;
* створити теоретичну базу для побудови та побудувати нелінійні математичні моделі ВРД з буферами енергії для дослідження динамічних та квазіусталених режимів роботи, побудувати алгоритми й створити підсистему автоматизованого дослідження електроприво¬да на їх базі;
* розробити нові конструктивні схеми електромеханічних перетво¬рювачів ВД з пасивними роторами і явнополюсними стато¬рами, які б забезпечували магнітну ізоляцію секцій для підвищення надійності роботи комутатора та точності позиціювання в старт-стопному режимі роботи, а також нові конструкції первинного ДПР з малим аксіальним розміром і з використання матеріалів, які застосовуються для виготовлення силової енергетичної частини вентильного двигуна;
* розробити нові принципові електричні схеми використання запасеної в магніт-ному полі ВРД енергії для форсування струму при вмиканні секцій, захисту силових клю-чів ЕК від перенапруг та зменшення динамічних втрат на їх перемикання, а також нову принципову електричну схему формування дискретних сигналів ДПР з високими кратністю та крутизною;
* провести математичне дослідження режимів роботи та характеристик ВРД з буферами енергії та виробити рекомен¬да¬ції для вибору оптимальних значень пара¬мет¬рів комутації, геометричних спів¬¬відношень ЕМП, величини ємності нагромаджу¬вального конденсатора тощо.
Наукова новизна одержаних результатів:
* створена теоретична база для розрахунку електромагнітного момента й статичних характеристик ВРД з буферами енергії, на основі якої доказана його конкурентноздатність з іншими типами електричних машин в сенсі створення електромагнітного моменту на одиницю об’єму активних частин;
* створена теоретична база для побудови та побудовані нелінійні математичні моделі ВРД з буферами енергії для розрахунків динамічних та квазіусталених режимів роботи електропривода на базі цих двигунів;
* створена методологія проектування ВРД постійного струму з буферами енергії;
* розв’язана задача обчислення й вибору величини ємності нагромаджувального конденсатора;
* створена математична модель для розрахунку статичних характеристик вентильного реактивного двигуна з буферами енергії;
* створені й реалізовані на персональному комп’ютері математичні моделі венти¬льних реактивних двигунів з послідовними й паралельними буферами енергії для дослідження динамічних й квазіусталених режимів роботи електропривода на їх базі;
* класифіковані технічні рішення, які удосконалюють конструктив¬ні схеми електромеханічного перетворювача ВД з пасивним ротором;
* запропоновані нові конструкції первинного давача положення ротора, в тому числі і з малим аксіальним розміром, з використання матеріалів, з яких виготовляється силова частина ВД;
* запропонований новий широтно-фазовий спосіб регулювання частоти обертання вентильного двигуна;
* в результаті математичних досліджень електроприводу на базі ВРД вироблені рекомендації для проектування ВД, налагодження параметрів комутації, вибору елементів електронного комутатора;
* доведена на макетних взірцях адекватність створених математичних моделей ВД.
Практичне значення отриманих результатів:
* запропоновані нові, захищені авторськими свідоцтвами, конструктивні схеми явнополюсних ЕМП ВД, які забезпечують магнітну ізоляцію секцій якірної обмотки статора, що підвищує надійність роботи ЕК та точність позиціювання в старт-стопному режимі роботи;
* розроблені нові, також захищені авторськими свідоцтвами, ЕК з бу¬фе¬рами енергії, використання яких підвищує енергетичні показники ВД з па¬сив¬ними роторами до рівня показників колекторних двигунів постійного струму;
* створений новий ДПР з малим аксіальним розміром й використанням таких же матеріалів, з яких виготовляється силова (енергетична) частина ВРД, з великими крутизною й кратністю керувальних сигналів, захищений патентом України;
* реалізований новий простий спосіб регулювання частоти обертання ВД, який дозволяє отримувати жорсткіші штучні механічні характеристики, порівняно з природньою, без застосування додаткових силових напівпровідникових елементів;
* розроблений і реалізований на персональному комп’ютері пакет програм автоматизованої підсистеми інтерактивного проектування вентильних двигунів постійного струму з пасивними роторами й ємнісними нагромаджувачами енергії;
* розроблений і реалізований на персональному комп’ютері пакет програм авто¬ма¬ти-зованої підсистеми дослідження електроприводів на базі ВРД з буферами енер¬гії в динамічних та квазіусталених режимах роботи з отриманням миттєвих значень стру¬мів, електромагнітного моменту, частоти обертання, напруг на конденсаторах й силових транзисторах тощо;
* вироблені рекомендації для вибору параметрів комутації, величини ємності буфера, елементів ЕК, законів зміни керувальних впливів для формування заданих режимів роботи електроприводу.
Основна практична цінність одержаних результатів полягає в тому, що створено новий дешевий тип системи електропривода малої й середньої потужності з широким діапазоном частоти обертання й електромагнітного моменту , який може застосовуватись в системах автоматики, робототехніки, легкового електро¬транспорту, в електропобутовій техніці.
Результати досліджень впроваджені у Львівському науково-дослідному радіо-технічному інституті в розробці ВД для привода позиціонера антени сателітарного телебачення (1990 р.); на Львівському заводі “Біофізприлад” у розробці ВД для при¬вода ротора лабораторної рефрижераторної центрифуги крові (1992 р.); в КБ “Південне” у розробці ВД для привода мотор-коліс мінікомплексу “Майстер-А” (1994 р.); у науково-виробничому акціонерному товаристві “Плесо” у розробці вен¬тиль¬ного двигуна для привода вентилятора опалювальної установки (1995 р.); в науково-дослідному конструктор¬ському інституті електронно-вимірювальної та інформаційної техніки (НДКІ ЕЛВІТ) Державного університету “Львівська полі¬техніка” у розробці ВД для привода ротора настільної центрифуги крові (1998 р.).
Результати досліджень використовуються автором при читанні лекцій та проведенні лабораторних робіт на кафедрі “Електричні машини та апарати” Державного університету “Львівська політехніка” з нового навчального предмету “Механотроніка”.
Особистий внесок здобувача. В дисертаційну роботу включені теоретичні положення й результати, отримані автором особисто. В працях, опуб¬лі¬кованих у спіавторстві, дисертантові належать: в [5] – проведення роз¬рବхунків і аналіз резуль¬та¬тів; в [7] – експериментальна перевірка результатів та їх аналіз; в [8, 16] – поста¬новка задачі та виведення основних спів¬відно¬шень; в [9] – висунення ідеї та практич¬на реалізація застосування буферів енер¬гії в схемах ЕК; в [12, 26, 36, 38, 39] – поста¬нов¬ка задачі, виведення осно⬬них співвідношень, розробка алгоритмів та створення комп’ютерних програм; в [23] – виведення формул, проведення розрахунків і аналіз от¬ри¬ма¬них результатів; в [24] – розробка алгоритмів і методів рішення задач, ство¬рення комп’ютерних програм, проведення математичних експери¬ментів і аналіз отри¬маних результатів; в [28, 29] – проведення розрахунків, розробка струк¬турних схем та їх практична реалізація; в [31] – запропонував схемні рішення для передачі енергії магнітного поля в секції ВД, які вмикаються; в – [32, 34, 35] – запропонував поєднати ротори енергетичної та інформаційної частин ВРД; в [33] – запропонував шихтувати магнітопровід вздовж машини, що забезпечує зменшення пульсацій момента.
Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались, обговорювались та отримали позитивний відгук на нас¬тупних націо-нальних та міжнародних конференціях та симпозіумах: 1-а Все¬союзна НТК з елек¬тро-механотроніки, м. Ленін¬град, 1987 р.; 5-а Всесоюзна НТК “Динамічні режими роботи електричних машин”, м. Каунас, 1988 р.; Всесоюзна науково-технічна нарада “Проблеми керування промис¬ло¬вими системами”, м.Ульянівськ, 1989 р.; Всесоюзний науково-технічний семінар з електроме¬ханотроніки, м. Ленін¬град, 1989 р.; Всесоюзна ¬НТК “Сучасні проблеми електромеханіки”, м. Москва, 1989 р.; 5-а Всесоюзна НТК “Проблеми перетворю¬вальної техніки”, м. Чернігів, 1991 р.; 15-ий семінар з основ електротехніки і теорії кіл (SPETO’92), Gliwice-Wislа 1992 р., Польща; Міжнародна наукова конференція “150 років від дня народження Івана Пулюя”, м. Львів, 1995 р.; 1-а та 2-а Міжнародні НТК “Математичне моделю¬вання в електротехніці й електроенер¬ге¬тиці”, м. Львів, 1995 р. і 1997 р.; 2-а, 3-я, 4-а та 5-а Українські НТК “Автоматика – 95, – 96, – 97, – 98” відповідно м. Львів – 1995 р., м. Севастополь – 1996 р., м. Черкаси – 1997 р., м. Київ – 1998 р.; НТК з міжна¬родною участю присв’ячена 100-річчю від дня народження Т. Губенка “Електромеханіка. Теорія і практика”, м. Львів, 1996 р.; 3-я НТК “Застосування обчи¬слю-вальної техніки в наукових дослідженнях”, м. Львів, 1996 р.; НТК “Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія і практика”, м. Алушта, 1997 р. та 1998 р.; TCSET’98, Міжнародна НТК “Сучасні проблеми засобів телекомунікацій, комп’ютерної інженерії та підготовки спеціалістів”, м. Львів, 1998 р.; 5-а Міжнародна НТК “Дос¬від розробки і застосування САПР в мікроелектроніці”, с.Славськ, 1999 р.
Окрім цього окремі фрагменти дисертаційної роботи були обговорені на щорічних наукових конференціях професорсько-викладацького складу Львів¬ської політехніки в 1987-1999 роках та на семінарах “Моделі та методи ком¬п’ютерного аналізу електричних кіл та електромеханічних систем” Наукової Ради НАНУ з комплексних проблем “Наукові основи електроенергетики” в 1998 та 1999 роках.
Публікації. Основний зміст дисертації відображено в 56 публікаціях, із них 18 статей в наукових фахових виданнях, 16 статей та 15 тез доповідей в матеріалах Міжнародних, Всесоюзних та Державних конференцій та семіна¬рів, 3 авторські свідоцтва СРСР та 2 патенти України на винаходи, 2 депоно¬вані статті. З загальної кількості публікацій написано без співавторів – 24.
Структура й обсяг роботи. Дисертацію викладено на 395 сторінках, з них 279 сторінок основного тексту. Вона складається зі вступу, семи розділів, висновків, списку використаних джерел (199 найменувань), включає 135 рисунків, 12 таблиць, 6 додатків на 121 сторінці.

СТРУКТУРА Й ОГЛЯД ДИСЕРТАЦІЇ
У вступі обгрунтована необхідність проведення досліджень, сформульовані мета і задачі досліджень, дана анотація наукових результатів, отриманих автором, наведені дані про практичне значення результатів роботи, апробацію і публікації.
В першому розділі наведено огляд наукових публікацій, основних етапів розвит¬ку наукової думки в напрямку створення нового типу електричних машин – ВД, а також методів розрахунку квазіусталених процесів в електротехнічних пристроях та їх придатність для ВРД, та сучасний стан розвитку вентильних двигунів.
Інтенсивне впровадження вентильних двигунів у сучасні регульовані електро-приводи зумовлене сукупністю таких їх позитивних властивостей, як безконтакт¬ність, керованість, швидкодія. Наслідком цього є висока надійність та великий термін служби, відсутність необхідності в періодичному обслуговуванні, задовільні питомі показники, здатність забезпечувати складні закони регулювання у широкому діапазоні частот обертання, адаптованість до сучасних електронних схем керування.
Найчастіше ВД застосовують в авiацiї, побутi, хімiчнiй i автомобiльнiй промисло-востях, електротягових установках, тобто там, де застосування колекторних двигунiв або ускладнене, або взагалi немож¬ли¬ве i разом з тим необхiднi високоякiснi регулювальнi характеристики.
Вентильний двигун – це не лише електромеханічний перетворювач окремо взя¬тий, а ціла механотронна система, і тому вивчення й вдосконалення тільки ЕМП ВД не може в повній мірі вирішити задачу створення якісного і економічного електро¬приводу. Отже, наступним кроком після розгляду питання ЕМП ВД має бути вибір й удосконалення ЕК, причому у комплексі з ЕМП.
Невід’ємною складовою частиною ВД є давач положення ротора. У вентильних двигунах з пасивним ротором бажано застосовувати такі типи ДПР, які б не збільшували габаритних розмірів ВД, були дешевими, мали задовільні експлуатаційні характеристики. Від успішного вирішення цих питань в значній мірі залежить конкурентна здатність ВД.
Вартість ДПР та якість їх характеристик в цілому залежать не тільки від первин¬ного елемента, але й від блока формування сигналів, тому створення таких принци¬по¬вих електричних схем обробки сигналів первинного ДПР, які були б максимально адаптовані до останнього, забезпечували максимальну кратність та крутизну сигналу, мали невисоку вартість, є складовою комплексної задачі удосконалення ВД.
Сигнали дискретного ДПР можуть служити не тільки для орга¬нізації позиційного зворотнього зв’язку, а й для отримання інформації про частоту обертання ротора. Ці сигнали можна використовувати для організації зворотнього зв’язку за швидкістю, а також і для побудови безконтактного реле швидкості.
Явнополюсний вентильний реактивний двигун з буфером енергії, завдяки своїй простоті, технологічності й надійності може зайняти чільне місце серед інших відомих типів електричних машин малої й середньої потужності при застосуванні нових конструктивних схем ЕМП й ДПР, принципово нових схем транзисторних комутаторів з ємнісним нагромаджувачем енергії, які суттєво покращують енергетичні показники таких двигунів.
У другому розділі запропоновані нові конструкції електромеханічних перетворювачів вентильних реактивних двигунів, первинних давачів поло¬же¬н¬ня ротора, нові принципові електричні схеми ЕК з буферами енер¬гії, блоків обробки сигналів первинних давачів положення ротора, безконтактне електронне реле швидкості, новий ши¬ротно-фазовий спосіб регулювання частоти обертання ВД.
Електромеханічний перетворювач вентильного двигуна з пасивним ротором та явнополюсним статором. Закладену уже принципом роботи складність вен¬тильного двигуна варто використати для виконання не тільки функцій простого при¬ведення в рух ви¬конавчого механізму, але й для пози¬цій¬ного, моментного тощо приводів. Наяв¬ність повністю керованого електро¬н¬ного інвертора (силового транзис¬тор¬ного комутатора) та первинного давача позиційного зворотнього зв’язку (да¬ва¬ча положення ротора) дозволяє із залученням тільки малопотужних (не силових) додаткових схем формування керувальних сигналів організовувати ці режими роботи і, для забезпечення точності позиці¬ювання та підвищення стійкості роботи електронних компонентів, в ЕМП таких ВД необхідно застосо¬вувати конструкції статорів, які забезпечують відсутність електромагнітних зв’язків між секціями.
В роботі запропоновано явнополюсні конструкції статора з Т-подібними (рис. 1а), С-подібними, U-подібними (рис. 1б) елементами та псевдо-U-подібну (рис. 1в)
Кожна з цих конструкцій забезпечує магнітну ізоляцію секцій, має свої переваги й недоліки і в залежності від умов застосування й експлуатації знаходять свою нішу використання.
Транзисторні комутатори з буферами енергії. Широке розповсю¬дження венти¬ль-них реактивних двигунів стримується їх невисокими енерге¬тич¬ними показниками, що зумовлено необхідністю розсіювання запасеної в електромагнітному полі енергії при комутації струму в секціях транзистор¬ними ключами з метою захисту їх від перенапруг. Найяскравіше це проявля¬ється у вентильних двигунах з одно¬пів¬періодним комутатором зі стабілітрон¬ним приймачем енергії магнітного поля.
Задача створення вентильного двигуна на базі простої, дешевої і технологічної індукторної машини в значній мірі зводиться до необхідності ство¬рення нових схемних рішень, які дозволять використати енергію, нагромадже¬ну в магнітному полі секції обмотки якоря, для виконання корисної роботи.
При вирішенні цієї задачі були розроблені структурні та принципові схеми ЕК з послідовними та паралельними буферами енергії, які мають підвищену надійність і забезпечують рекуперацію енергії магнітного поля секцій, які комутують.
На рис. 2 наведено одну з цих схем з послідовним буфером й спільним колом форсування струму, а також діаграми й графіки, які пояснюють її роботу.
Проведеними теоретичними і експериментальними дослідженнями ЕМП з пасивним ротором різних конструктивних виконань (для обертових, лінійних і модульних конструкцій) встановлено, що коефіцієнт віддачі ВРД з керуванням від ЕК з буферами енергії підвищується в 1,6 – 1,8 разів порівняно з керуванням цих же двигунів від традиційних ЕК з елементами розсіяння енергії, яка нагромаджується в магнітному полі статора. Спеціально спроектовані ЕМП з запропонованими ЕК забезпечують енергетичні показники на рівні колекторних машин постійного струму і можуть застосовуватись в регульованих електроприводах малої потужності. Відчут¬ні переваги такі ВД мають в області низьких частот обертання (до 100 – 600 об/хв).
Давачі положення ротора. Відомі конструкції індуктивних ДПР або містять ПМ для підмагнічення їх осердя , або мають значний аксіальний розмір. Тому виникає необхідність в розроблені нових конструкцій ДПР для ВД з пасивним ротором.
У вентильному двигуні з пасивним ротором електромаг¬нітний момент створю¬ється за рахунок зміни магнітної провідності повітря¬ного проміжку. Це ж фізичне явище використовується і в трансформаторних ДПР, тому можна сумістити енерге¬тичні та інформаційні функції в одному магнітопроводі ЕМП ВД. На рис. 3 наведена запропонована конструктивна схема чотирисекційного ВД з суміщеним ДПР та схема сполучення його обмоток, де ОЗ – обмотка збудження ДПР; СО1, СО2 – сигнальні обмотки ДПР; ОЯ1-ОЯ4 – обмотки якоря ВРД.
Мозаїчна структура U-подібного статора ВД дає змогу вбудувати елементи давача положення ротора в межах його активної аксіальної довжини. На рис. 4 наведений фрагмент U-подібного статора ВД з вбудованими П-подібними осердями з електротехнічної сталі, на яких розміщені по дві обмотки (збудження та сигнальна) давача положення ротора. Як видно з рисунка, основний силовий магнітний потік осердя 1 замикається в площині рисунка, а інформаційний магнітний потік осердя 3 ДПР замикається в площині перпендикулярній до площини рисунка. Значить, ці два магнітні потоки є взаємно перпендикулярні і не взаємодіють один з одним. Тобто силове поле машини не впливає на магнітне поле ДПР, чим забезпечується його працездатність та завадостійкість.
В наведених конструкціях ВД з вбудованим в межах активної аксіальної довжини давачами положення ротора, сигнальним елементом якого є сам ротор ВД, немає можливості довільно задавати величину сектора сигнального елемента, що не дозволяє вибирати необхідний оптимальний інтервал комутації секції ВД. В розділі запропонована конструкція ДПР, який може бути прилаштований до вентильного двигуна на його валі в будь-якому необхідному місці і який може мати як власний ротор, так і використовувати ротор ЕМП ВД. Малий аксіальний розмір ДПР, який не перевищує 5-7 мм, застосування для його виготовлення матеріалів, ідентичних до матеріалів силової частини ЕМП забезпечує йому добру конкурентну здатність серед інших типів давачів положення ротора.
В усіх запропонованих в роботі первинних давачах вихідні сигнали модульовані високою частотою, і для утворення задовільного дискретного сигналу необхідно виділити обвідну лінію, потім перетворивши її в сигнал прямокутної форми.
На рис. 5 наведено схему перетворення сигналів ДПР на базі первинних давачів, принцип дії яких аналогічний принципу дії давачів диференційно-трансфор¬маторного типу.
Генератор імпульсів ГІ виробляє змінну напругу Uзб, якою живляться обмотки збудження ДПР Wз1 – Wзn. Одночасно ГІ запускає формувачі тактових імпульсів ТІ+ і ТІ-, які формують вузькі імпульси для опитування D-тригерів; причому один з них синхронізований з напругою одної полярності, а інший – з другою.
На виході каналу ДПР W11-W12 буде напруга Uc1, величина і фаза якої залежатиме від положення ротора. Ця напруга подається на тригер Шмідта ТШ, який перетворює її в прямокутні імпульси D1 і подає на вхід D тригера Т. На вхід С тригера Т поступають імпульси ТІ+, і, якщо з приходом чергового імпульсу, на вході D буде сигнал, то на виході Вих.11 появиться вихідний сигнал, який не буде змінюватись до тих пір, поки з приходом імпульсу ТІ+ на вході D сигнал буде відсутний. Аналогічно працюють і інші канали ДПР.
Таким чином запропонована схема формує систему сигналів для керування електронним комутатором ВД з високою крутизною фронтів та кратністю зміни.
Широтно-фазовий спосіб регулювання частоти обертання ВД. Наявність повністю керованих силових електронних елементів в колі статорних обмоток ВД дозволяє використати їх і для регулювання частоти обертання. В роботі пропонується широтно-фазовий спосіб регулювання частоти обертання ВД, який дозволяє отримувати достатньо жорсткі механіч¬ні характеристики без організації додаткової системи авторегулювання. Суть способу полягає в тому, що примусовий інтервал комутації секції ВД фор¬мується шляхом логічного множення сигналів ДПР і сигналів формувача регульованої часової затримки (ФЧЗ). Цим досягається зміна середнього значення напруги, яка підводиться до секції ВД при зміні величини часової затримки за допомогою напруги керування .
На рис. 6 наведено принципову електричну схему широтно-фазового регулювання (ШФР) частоти обертання ВД та діаграму імпульсів, а на рис. 7 – механічні характеристики, які відповідають ШФР.
Застосування ШФР ВД дозволяє досить простим способом отримувати регулювальні характеристики за рахунок зміни за величиною і фазою відносного значення примусового інтервалу комутації секції. При цьому існує функціональний зв’язок, який еквівалентний за дією від’ємному зворотньому зв’язку за швидкістю, що підвищує жорсткість механічних характеристик.
Якість дискретного сигналу ДПР (крутизна та кратність) ініціювала створення електронного реле швидкості, принципову електричну схему та діаграму імпульсів якого наведено у роботі.
Запропоновані в розділі технічні рішення з точки зору надійності, простоти конструкції, технологічності виготовлення та енергетичних характеристик є новими, достатньо ефективними, а тому потребують розроблення теорії для подальшого синтезу та аналізу таких механотронних перетворювачів.
У третьому розділі розроблена теоретична база та методологія проекту¬вання вентильних реактивних двигунів з буферами енергії.
З використа¬нням методу аналізу магнітної енергії і коенергії показано, що елек¬тро-магнітний момент збудженої магнітоізольованої секції ЕМП з пасивним ротором можна обчислювати за виразом:
. (1)
Як показують експериментальні та математичні дослідження ВРД з буферами енергії, струм живлення, а значить і середнє значення струму секції, при сталому моменті на валі, зі зміною частоти обертання, не змінюються. Ця обставина дозволяє визначати електромагнітний момент ВРД в усталеному режимі роботи за середнім на інтервалі перемикання значенням струму секції.
Рис. 8 ілюструє основні допущення, які прийняті при побудові математичної моделі ВРД з буферами енергії для середніх значень:
а ) – коефіцієнт насичення ; б) – зміна індуктивності секції – косину-соїдна, – коефіцієнт амплітуди першої гармоніки індуктивності секцій; в) – на куті комутації секції реальне значення струму секції замінюємо середнім значенням , а на інтервалі спадання струму – прямою.
З урахуванням цих та інших загальноприйнятих допущень отримано вираз для середнього значення електромагнітного моменту:
(2)
в який входять геометричні розміри , обмоткові дані , коефіцієнти , що дає можливість аналізувати його значення за конструкційними параметрами.
Вираз (2) дозволяє провести порівняння ВРД з іншими видами електричних ма¬шин за створюваним на одиницю об’єму електромагнітним моментом, створити ма¬т嬬ма¬тичну модель ВД з пасивним ротором для середніх значень, проектувати їх тощо. Оцінка ефективності ВРД за створюваним електромагнітним моментом показала, що при однакових діаметрах та довжинах якорів вентильний двигун з пасивним ротором створює такий же електромагнітний момент, як і колекторний двигун постійного струму.
Математична модель ВРД для середніх значень. З використанням балансу середніх значень потужностей на інтервалі перемикань секцій
, (3)
де – середні значення напруги та споживаного від мережі струму; – середні значення частоти обертання та моменту навантаження на валі; – потужності втрат в міді, в сталі та в комутаторі відповідно, отримано формулу для обчислення механічної та робочих характеристик.
, (4)
де
; ; ;
;
– активний опір секції; – коефіцієнт збільшення втрат в міді, зумовлених фор¬мою струму; – спад напруги на відкритому силовому ключі комутатора; – від¬нос¬не значення інтервалу комутації; – питомі втрати в сталі при індукції 1 Т і ча¬с¬то¬ті ; – коефіцієнт додаткових втрат в сталі від вищих гармонік індукції; – розрахункова маса сталі, намагніченість якої змінюється при збудженні секції.
На рис. 26 наведено приклад розрахункових статичних характеристик, які отримані з використанням запропонованої математичної моделі (4) ВРД.
Розрахунок перехідних процесів комутації струму секції та напруги на нагро¬ма-джувальному конденсаторі. Нагромаджувальний конденсатор у ВД з буфером енергії відіграє вирішальну роль: служить бу¬фе¬ром обміну енергії, захищає силові транзисторні ключі ЕК від пере¬напруги, зменшує динамічні втрати при закриванні ключів, то¬му розрахунок і на його основі раціональний вибір величини ємності кон¬денсатора є надзвичайно важливими при проектуванні ВД з буферами енергії.
При найчастіше застосовуваній для індукторних машин прямокутній або трапецевидній геометрії зубцевої зони залежність індуктивності секції від кута повороту ротора має вигляд, близький до наведеного на рис. 9а. З метою більш повного використання ЕМП при однопівперіодній комутації кут вмикання секції  який відраховується від осі паза ротора і кут комутації секції вибирають такими, щоб забезпечити протікання струму в секції протягом кута, який не перевищує величини півперіоду, тобто . А це, як видно з рис. 9а приводить до того, що комутація струму секції відбувається практично при постійній індуктивності.
З урахуванням наведеного, отримано вирази для обчислення струму вимикання секції (5), часу вимикання (6), напруги заряду конденсатора (7 і 8), а також струму вмикання секції, часу вмикання та напруги розряду конденсатора:
; (5)
; (6)
; (7)
. (8)

Отримані вирази придатні для аналізу процесу комутації струму секції ВРД, тобто при відомих параметрах електричної схеми ЕК досліджувати характер зміни струму секції і напруги на конденсаторі, а значить, і на силових транзисторах. На рис. 9б наведено приклад розрахунку перехідних процесів увімкнення та вимкнення секції ВРД з послідовним буфером енергії.
Однак, для синтезу ЕК необхідно за заданими умовами пе¬рехідного процесу визначати параметри елементів ЕК, наприклад, об¬чи¬слити ємність конденсатора, при якій час спадання струму секції від за¬даного рівня до нуля не перевищував би заданого значення. Для цьо¬го необхідно розв’язати рівняння (6) відносно , а потім визначити C:
. (9)
Таким чином, запропонований підхід і отримані вирази дають можливість дослі-джувати комутацію струму в магнітоізольованій секції ВРД з буфером енергії, за за¬да¬ни¬ми значеннями струму секції і часу форсованого вимкнення цього струму визна¬ча¬ти необхідну ємність нагромаджувального конденсатора та необхідну допустиму величину напруги колектор-емітерного переходу силових транзисторних ключів ЕК.
Методика проектування явнополюсних вентильних реактивних двигунів з буферами енергії. Як правило, методики проектування відомих типів електричних ма-шин базуються на виборі величин електромагнітних навантажень (індукції в по¬віт¬ря-ному проміжку і окремих частинах магнітопровода, лінійного навантаження, гус¬тини струму тощо), виходячи з практики проектування машин загальнопро¬ми¬сло¬вого призначення. Для ВРД через відсутність такої практики вказані величини вимагають відповідного уточнення. Тому, використовуючи теорію електромеханіч¬ного перетворення енергії у ВРД з буферами енергії, а також порівняльний аналіз електромагнітного моменту і електромагнітних навантажень вентильних реактив¬них двигунів з буферами енергії з такими добре вивченими, з достатнім досвідом про¬ек¬тування, як колекторні двигуни постійного струму, обгрунтовано реко¬мен¬дації, які лягли в основу проектування явнополюсних ВРД.
Для псевдо-U-подібної конструкції статора ЕМП ВРД (рис. 1в) виникає питання вибору співвід¬но¬шень геометричних розмірів зубцевого шара в області розточки статора. З однієї сторони бажано забез¬печити крок між паралельними зубцями статора рівний крокові зубців ротора і ширину зубця статора, яка відповідала б мак¬си¬мальному використанню актив¬них матеріалів і об’єму машини, а з іншої сторони – можли¬вість уклад¬ки котушок обмотки якоря каркас¬¬ного виконання з умовою якнайкращого запов-нення паза між паралельними зубцями.
На рис.10 наведено фрагмент статора псевдо-U-подібної конструкції. Позначив¬ши: – ширина зубця статора; – ширина півпаза між паралельними зубцями статора; – кількість полюсів статора; m – кількість секцій статора; позначення кутів – зрозуміле з рис. 10; отримаємо:
, (10)
звідки обчислюють  і порівнюють його з оптимальним значенням .
Таким чином, задача зводиться до творчого процесу пошуку компромісу між величиною кроку паралельних зубців статора і відносною їх шири¬ною. Для цього конструктор озброєний запропоно¬ваним виразом, який включений в автоматизовану підсистему проектування явнополюсних ВРД.
Обчислення магнітної провідності повітряного проміжку з двобічною зубча¬тістю. В механізмі ство¬рення моменту у ВД з пасивним ротором найваж¬ливішу роль відіграють зубці. В більшості інших двигунах зубці не є абсолютно необхідними для створення моменту, а тільки, як правило, використо¬вуються для мінімізації повітряного проміжку між ротором і статором, а утворені ними пази використовують для укладання обмотки. Однак у ВД з пасивним ротором зубці як ротора, так і статора служать для створення електромагнітного моменту, тому розрахунок магнітної провідності повітряного проміжку є вкрай важливим.
Серед різноманітних способів і методів обчислення магнітної провідності найбільш загальним, простим і, в той же час, який дає достатньо точні результати є метод, запропоно¬ва¬ний Р.Полем, який зводиться до наступного.
Для даного положення ротора ділимо проміжок в межах зубцевої поділки статора на ділянки з однорідними коефіцієнтами провідності елементарних трубок. Коефіцієнт провідності ділянки визначається додаванням коефіцієнтів провідності елементарних трубок ділянки
, (11)
де b – ширина ділянки;  – величина повітряного проміжка.
На рис. 11 наведено результати розрахунку магнітної провідності повітряного проміжку з двобічною зубчатістю при різних комбінаціях і для трисекційного ВРД, а на рис. 12 наведено порівняння резуль¬татів розрахунків магнітної провідності по-вітряного проміжку з двобічною зуб¬чатістю методами: 1 – точний розраху¬нок методом кінцевих різниць; 2 – метод гармонічних провідностей; 3 – метод апроксимації точного розв’язку при однобічній зубчатості; 4 – запро¬понова¬ний метод.
В цілому запропонована методика дає краще співпадіння з результатами точного розрахунку, ніж метод гармонічних провідностей. Майже точне співпадіння з методами кінцевих різниць і апроксимації має місце для положення “зубець-зубець”. Найбільше відхилення спостерігається при положенні “зубець-паз”, яке досягає 13.5% порівняно з точним методом.
Таким чином, запропонована методика, яка базується на методі Р.Поля, забезпечує достатню точність розрахунків і може бути використана для врахування двобічної зубчатості в явнополюсних електромеханічних перетворювачах з пасивними зубчастими роторами.
Автоматизована підсистема проектування (АСП) явнополюсних вентильних реактивних двигунів з буферами енергії. Вимоги технічного завдання на проектування конкретного ВД можуть бути настільки різноплановими, що недоцільно намагатись створити універсальну АСП. Тому пропонуємо таку АСП ВРД, в якій задаються тільки основні параметри, як то напруга живлення, механічна потужність або момент на валі і частота обертання валу. Решта незалежні параметри задаються в діалоговому режимі в залежності від інших основних вимог ТЗ.
На рис. 13 наведена структурна схема підсистеми проектування й перевіркових розрахунків ВД з пасивним ротором.
Підсистема – це комплекс програмних модулів, кожний з яких виконує закінчений етап розрахунку. Інформаційне забезпечення підсистеми складається з бази даних, яка містить характеристики намагнічення електротехнічних сталей різних марок, а також довідникової інформації, яку підсистема надає користувачу в інтерактивному діалоговому режимі роботи.
Підсистема може здійснювати проектування вентильного двигуна або розрахунок характеристик двигуна з заданими геометричними розмірами активної частини і обмотковими даними (або розрахувати необхідні обмоткові дані для заданих геометричних розмірів магнітопровода статора і очікуваних характеристик).
Підсистема автоматизованого проектування здійснює розрахунок та графічну побудову робочих характеристик вентильного двигуна, що дає змогу проектуваль¬нику приймати негайні рішення щодо внесення змін в хід про¬ектування, або про успішне завершення проектування. Створені підпрограми візуалізації поперечних перетинів класичної та псевдо-U-подібної конструк¬цій електромеханічного перетво¬рю¬вача ВД значно полегшує проектувальнику задачу прийняття рішення про опти¬мальність співвідношень геометричних розмірів та оперативно виявляти можливі помилки. Оперативне виведення необхідних в процесі проектування графіків на екран дисплея забезпечує комфортність роботи користувача й можливість прийняття миттєвих рішень щодо необхідності внесення змін в процес проектування.
В четвертому розділі наведено теоретичну базу для побудови та побудовані нелінійні математичні моделі ВРД з буферами енергії. Для обчислення електромагнітного моменту використаний енер¬гетичний метод, за допомогою якого допустимi за точнiстю результати можна отримати тiльки в тих випадках, коли прирiст енергії або коенергiї в нелiнiйнiй магнiтнiй системi вираженi аналiтично.
Коенергiю магнiтного поля ЕМП з пасивним ротором можна обчислити як
. (12)
Отже, для обчислення електромагнiтного моменту ЕМП з пасивним ро¬то¬ром необхідний аналiтичний вираз потокозчеплення магнiтоiзольованої секції у функцiї струму i взаємного положення зубцiв статора i ротора.
Потокозчеплення секції обмотки якоря ЕМП з пасивним ротором є однозначною нелiнiйною функцiєю, яка може бути апроксимована аналiтич¬ним виразом. При цьо¬му необхiдно, щоб спосiб апроксимацiї забезпечував най¬точ¬нiше спiвпадiння ре¬аль¬них та апроксимованих залежностей як у фун¬кцiї кута взаємного положення ротора i статора, так i у функцiї струму, можли¬вiсть iнтегрування та диференці¬юва¬н¬ня в аналiтичнiй формi, не вимагав складних i громiздких обчислень коефiцiєнтiв.
В роботі запропоновано наступний вираз для такої апроксимацiї:
, (13)
де - електричний кут мiж вiссю паза ротора i вiссю зубця статора; i – струм збудження фази; – коефiцiєнти.
На рис. 14а наведені розрахункові (1) магнітні характеристики (потоко¬зчеплення секції у функції струму збудження) магнітопро¬воду електро¬механічного перетворювача з пасивним ротором для двох крайніх положень ротора: коли зубець статора знаходиться навпроти зубця ротора і коли вісь паза ротора співпадає з віссю зубця статора . Ці характеристики легко отримати, розрахувавши магнітне коло такого ЕМП, або отримати експериментальним шляхом для існуючого взірця, і за ними обчислюють коефiцiєнти апроксимацiї .
Наведене на рис. 14а порiвняння розрахованої (1) та апроксимованої (2) кривих намагнiчення, вигляд апроксимацiйного виразу (13) та спосiб визначення коефiцiєнтiв свiдчать про вдалий вибiр апроксимацiї. На рис. 14б наведено апроксимованi характеристики намагнiчення магнiтопровода ЕМП у функцiї кута положення ротора для рiзних значень струму.
Підставивши (13) в (12) отримаємо:
, (14)
звідки
. (15)
Вираз (15) дає можливiсть обчи¬слювати електромагнiтний момент у функцiї струму та кута взаємного положення ротора i статора. На рис. 15 наведено приклад розрахунку статич¬ного моменту ЕМП з пасивним рото¬ром у функцiї кута положення ротора для рiзних значень струму збудження однiєї фази.
Для побудови нелінійних матема¬тич¬них моде¬лей ВРД прийняті наступні допущення: двигун живиться від джерела напруги, внутрішній опір якого дорівнює нулю; магнітні зв’язки між секціями відсутні; силові ключі комутатора – безінерційні електронні ключі, для яких мож¬на прийняти, що, по-перше, пе¬ре¬хід¬ні процеси, а значить, і ко¬мутація секцій ЕМП ВД відбува¬ються практично мит¬тєво; по-дру¬ге, зворотній опір закритого клю¬ча до-рів¬нює без¬меж¬ності; діо¬ди в провід¬ному стані пред¬став¬лені математич¬ною модел¬лю діода, в закритому ста¬¬ні їх опір дорівнює безмежності; маг¬ніт¬на характеристика магніто¬прво¬ду магнітоізольованої сек¬ції пред¬ставлена виразом (13); пара¬ме¬т¬¬ри обмотки статора зосе-реджені.
Згідно з прийнятими допущен¬нями, кожну із секцій m-секцій¬ного ВД можемо в електричному відно¬шенні розглядати окремо, а зв’язу¬ва¬ти їх тільки через створюваний ними електромагнітний момент, який діє на ротор. Принципова електрична схема однієї магнітоізольованої сек¬ції електромеханічного пере¬тво¬рю¬вача ВД з пасивним ро¬тором й послідовним ємніс¬ним нагромад¬жувачем енергії наведена на рис. 16. На цьому ж рисунку зображено еквіва¬лентну заступну схему секції ВД, де R – актив¬ний опір секції обмотки статора, – параметри вітки, яка еквівалентує втрати в сталі; – вітка намагнічення магнітопроводу статора ; – моделі діодів та транзисторних ключів.
Враховуючи наведене вище, для m-секційного ВРД з послідовними буферами енергії в кожній секції розгорнуті диференційні рівняння після перетворень можуть бути представлені у вигляді (16).
(16)
Тут – формальні коефіцієнти, які приймають значення 1, коли відповідний силовий транзисторний ключ ЕК відкритий, або 0 – коли цей ключ закритий.
Н.с.д.р. (16) описує електромеханічні про¬цеси у вентильному двигуні з пасивним ротором й з послідовними буферами в кожній секції, яка і є математичною моделлю цього двигуна.
Для чисельного розв’язку н.с.д.р. (16) використаний метод Рунге-Кутта четвертого порядку з фіксованим кроком інтегрування за часом t. Початкові умови процесу інтегрування вважаємо попередньо розрахо¬ваними, або, що частіше робиться, розрахунок почи¬на¬є¬мо з нульових початкових умов ( ). Для точного попадання в точки зміни структури схеми ЕК використано метод інвертування н.с.д.р.
Ця математична модель дозволяє здійснювати дослідження як перехідних так і квазіусталених режимів роботи, отримувати миттєві значення струмів секцій (рис.17а), струмів Фуко в магнітопроводі, електромагнітного моменту (рис.17б), частоти обертання, напруги на нагромаджувальній ємності, а також інтегральні значення цих величин та окремих складових втрат (в міді, в сталі, на силових електронних елементах комутатора тощо).
В розділі розроблені також нелінійні математичні моделі ВРД з послідовним буфером енергії, з паралельним буфером енергії, з послідовним буфером й спільним колом форсування струму вмикання секції та паралельним буфером й таким же спільним колом.
На рис 18а наведено результати розрахунку квазіусталених значень струмів секцій, струмів, які еквівалентують втрати в сталі трисекційного ВРД з послідовним буфером енергії, а на рис. 18б – квазіусталені значення струмів секцій та напруги на буфері цього ж ВРД з паралельним буфером енергії й спільним колом форсування струму вмикання секцій.
Створено математичні моделі всіх п’яти запропонованих в даній роботі явнопо-люсних вентильних реактивних двигунів з послідовними й паралель¬ними ємнісними буферами енергії, які з високою степінню адекватності відображають всі електричні та електромеханічні процеси, що протікають в таких двигунах. Моделі дозволяють здійснювати дослідження як динамічних, так і квазіусталених режимів роботи ВРД, отримувати миттєві значення струмів в секціях, струмів Фуко в магнітопроводі, електромагнітного моменту, напруги на нагромаджуваль¬но¬му конденсаторі тощо.
В п’ятому розділі розроблена автоматизована підсистема дослідження ВРД з буферами енергії. Запропоновані вище математичні моделі явнопо¬люс¬них вентиль¬них реактивних двигунів з послідовними та паралельними ємнісними буферами енергії послужили основою для створення автоматизованої підсистеми дослідження електромеханічних процесів в них.
Підсистема реалізована у вигляді пакету програм, написаних на алгоритмічній мові ФОРТРАН з використанням транслятора Microsoft Fortran v.5.1; орієнтована на користувача-електромеханіка, який не має спеціальної підготовки в галузі програмування; надає користувачу широкі допоміжні можливості роботи із вхідними даними, результатами розрахунку, а також візуалізації “осцилограм” струмів, електромагнітного моменту, частоти обертання, напруги на накопичувальному конденсаторі тощо. З метою максимального полегшення дослідницької роботи вхідні дані для підсистеми автоматизованого дослідження ВРД готує автоматизована підсистема проектування ВРД у вигляді файлу зі значеннями коефіцієнтів апроксимації характеристик намагнічення, величини опору, який еквівалентує втрати в сталі, величини ємності накопичувального конденсатора, моменту інерції ротора тощо. Значення початкової умови інтегрування диференційних рівнянь підсистема пропонує нульові, що дозволяє досліджувати перехідній процес пуску ВРД; при необхідності користувач може задати будь-які значення початкової умови. Напругу живлення, момент навантаження та крок інтегрування в часі користувач задає в діалоговому режимі.
довідниковий матеріал, створює відповідні файли результатів розрахунку, що дозволяє використовувати відповідні програмні пакети для візуалізації графічних залежностей з метою полегшення аналізу.
В шостому розділі наведено результати дослідження ВРД з буферами енергії за допомогою автоматизованої підсистеми дослідження. Порівняння експерименталь¬них і розрахун¬ко¬вих статичних характеристик та миттєвих значень струмів й напруг дає підстави стверджувати, що запропоновані мате¬ма¬тичні моделі вентильних реак¬тивних двигунів з буферами енергії правиль¬но описують фізичні процеси електромеханічного перетворення енергії в них.
У зв’язку з тим, що вентильні реактивні двигуни з буферами енергії пропонуються для практичного застосування вперше, виникає необхідність дослідження впливу багатьох факторів на їх якість та ефективність з метою вирішення задач оптимального проектування ЕМП та ЕК.
У ВРД з буферами енергії, крім факторів впли¬ву на характеристики, які є і в інших типах електричних машин, присут¬ні і характерні тільки для них. Це такі параметри й елементи як початковий кут вмикання секції, інтервал її комутації, величина ємності нагромаджу¬валь¬ного конденсатора тощо. Дослідження впливу цих та інших факторів на ве¬л謬чи¬ну пульсацій електромагнітного моменту, частоту обертання, викори¬ста¬н¬ня активних матеріалів, енергетичні та якісні показники є важливою задачею.
Метою даного розділу є демонстрація можливостей створених автоматизо¬ваних підсистем проектування і дослідження як інструментів для всесторонніх досліджень ВРД, оптимізації проектування ЕМП та вибору необхідних елементів комутатора для забезпечення конкретного технічного завдання на проектування.
Пульсації електромагнітного моменту двигуна безпосередньо впливають на стабільність його обертання. Дослідження нерівномірності обертання вентильних двигунів має важливе практичне значення у зв’язку з широким їх застосуванням в приводах, до яких виставляються жорсткі вимоги до стабільності частоти обертання. Це можуть бути пристрої з стрічкопротяжними механізмами (звукозапис й звуковідтворення, реєстратори тощо). Коливання миттєвої швидкості відбивається на якості вихідних характеристик апаратури.
На величину пульсацій електромагнітного момента ВРД впливає багато факторів. Це, перш за все, особливість перебігу електромагнітних процесів, яка зумовлена дискретною зміною стану напівпровідникових елементів комутатора, кількість сек¬цій якірної обмотки, значення кута вмикання  й інтервалу комутації  секції, спів¬від¬ношення й конфігурація геометричних розмірів зубцевої зони ЕМП, спосіб керування підживлювальними ключами комутатора, величина ємності нагромад¬жувального конденсатора. Всі ці фактори впливають на пульсації момента з періо¬дом, який дорівнює міжкомутаційному періоду. Крім того, ще існують фактори, які зумовлюють так звані оборотні пульсації момента. Це еліптичність розточки статора й ротора, технологічні похибки при виготовлені давача положення ротора, точність установки давача положення ротора тощо.
На величину пульсацій момента ВРД найбільш впливає кількість секцій обмотки статора.. На рис. 20 наведено графічне представлення розрахунко¬вих значень електромагнітних моментів та струмів секцій для двох крайніх значень кількості секцій – 3 і 6 вентильних реактивних двигунів з послідовними буферами енергії, які спроектовані за допомогою автоматизованої підсистеми проектування на однакові номінальні значення основних параметрів.
Зі збільшення кількості секцій обмотки якоря не тільки зменшуються пульсації електромагнітного момента за амплітудою, а й зростає їх частота, а значить, полегшується задача згладжування пульсацій частоти обертання.
Впливати на величину пульсацій електромагнітного момента вентильного реактивного двигуна можна і за допомогою зміни кута вмикання секцій. Діапазон його зміни залежить від величини інтервала комутації секції та від того, чи призначений двигун для реверсивного режиму роботи. На рис. 21 представлено результати розрахунків електромагнітного моментів для трисекційного ВРД з послідовними буферами енергії в кожній секції зі сталим значенням інтервала комутації й різними значеннями кута вмикання.
Результати розрахунків показують, що величина кута вмикання, хоч не в такій мірі як кількість секцій, але все таки впливає на пульсації електромагнітного момента: його збільшення приводить до збільшення амплітуди пульсацій момента.
Форсування вмикання струму на початку інтервала комутації зумовлене способом керування підживлювальними ключами і є причиною швидкого наростання електромагнітного момента в цей час й великого рівня його пульса¬ції. У вентильному реактивному двигуні з послідовним буфером енер¬гії з малою кількістю секцій якірної обмотки ліквідувати повністю пульсації, які викликані форсованим наростанням струму вибором відповідних значень параметрів комутації та величини ємності нагромаджу-вального конденсатора не вдається. Проте зменшити ці пульсації можна, вибираючи кут вмикання, інтервал комутації та величину ємності конденсатора.
Результати досліджень, які наведені на рис. 22, стосуються ВРД для приводу позиціонера антени, ЕМП якого побудований за конструктивною схемою, наведеною на рис. 1в, і який розрахований на номінальний момент 2 Нм, частоту обертання 750 об/хв, при напрузі живлення 30 В та моменті навантаження на валі 1,5 Нм. Параметри комутації: а) =10 ел. град., =150 ел. град. С=20 мкФ; б) =0 ел. град., =145 ел. град. С=100 мкФ; в) =0 ел. град., =120 ел. град. С=100 мкФ.
Порівняння наведених графічних представленнь розрахунків електро¬ма㬬ніт¬ного моменту показує, що варіацією трьох незалежних параметрів (і С) можна суттєво зменшити пульсації електромагнітного момента навіть для ВРД з малою кількістю секцій (від 0,7 у варіанті а, до 0,4 у варіанті в).
У розділі наведено результати дослідження впливу довжини повітряного про¬міжку на головні розміри ЕМП, на характеристики ВРД, а також впливу параметрів комутації та величини ємності нагромаджувального конденсатора на основні енергетичні та якісні показники електроприводу на базі ВРД з буфером енергії.
Кут вмикання секції  та інтервал комутації  суттєво впливають на енергетичні показники ВРД з буферами енергії, а також на його характеристики. При виборі значень та  необхідно враховувати частоту комутацій струму в секціях, реверсивний чи нереверсивний привід або можливість давача положення ротора забезпечити симетрію сигналів керування в одну і в другу сторону обертання. При зміні значень та необхідно мати на увазі обмеження їх сумарного значення ( +165 ел. градусів).
На рис. 23 наведено результати досліджень ВРД при напрузі жив¬лення 36 В, моменті навантаження 1.5 Нм, величині ємності накопичувального конденсатора 95 мкФ, силових транзисторах 2Т827 та діодах 2Д213, інтервалі комутації =120 ел. градусів.
Аналіз результатів даного дослідження показує, що зі збільшенням кута вмикання секції  при сталому моменті навантаження коефіцієнт віддачі  зменшується. Також погіршуються всі інші показники, за винятком, хіба що максимальних значень струму секції та напруги на конденсаторі при пуску.
Це можна пояснити наведеним на рис. 23 порівнянням графічних представлень результатів розрахунку миттєвих значень струмів секцій, електромагнітного момента, який створюється однією секцією якірної обмотки та напруги на конденсаторі для =0 (рис. 23а) і для =40 ел. градусів (рис. 23б). У першому випадку вмикання струму секції починається при найменшому значенні індуктивності, що забезпечує його інтенсивніше форсування, вимкнення ж струму закінчується, на відміну від другого випадку, при незначному значенні гальмівного момента, який виникає в зв’язку з затримкою вимкнення струму поза кут положення ротора відносно статора, який перевищує 180 ел. град.
На рис. 24 представлено результати розрахунку струмів секцій, електромагнітного момента, який створюється однією секцією та напруги на нагромаджувальному конденсаторі при =10 ел. град., =150 ел. град. й різних значеннях величини ємності конденсатора.
З наведених результатів дослідження видно, що при вказаній величині ємності нагромаджувального конденсатора 95 мкФ вимикання струму секції затягується настільки, що створюваний цим струмом момент міняє свій знак і з рушійного стає гальмівним. Порівнюючи форми струмів, можемо зауважити, що вимикання струму секції відбувається значно швидше при меншій ємності конденсатора, але напруга на ньому зростає від 58 В при С= 95 мкф до 110 В при С= 20 мкФ. Коефіцієнт віддачі при цьому зростає незначно: від 57.1% до 58.9 %, а частота обертання зменшується з 818 об/хв до 796 об/хв.
Дослідження регулювання частоти обертання ВРД шляхом зміни величини підведеної напруги показує, що з енергетичної точки зору воно є досить ефективним. Збільшення напруги живлення приводить до зростання швидкості обертання, коефіцієнт віддачі при цьому також зростає. Швидко зростають втрати в сталі, втрати в міді зростають повільно. Коефіцієнт віддачі приймає максимальне значення, коли втрати в міді дорівнюють втратам в сталі. Регулювальна характеристика ВРД з буферами енергії лінійна в широкому діапазоні регулювання. Дослідженнях широтно-фазового способу регулювання методами комп’ютерного симулювання показало, що жорсткість штучної механічної характеристики значно більша за жорсткість природньої характеристики, середнє значення струму живлення пропорційне моменту навантаження, при цьому максимальне значення струму транзисторного ключа залишається майже сталим.
Мінімальне значення пускового момента напряму пов’язане з величиною пульсацій електромагнітного момента. Тому найгірші умови пуску можуть мати місце в двигуні з малою кількістю секцій. Також погіршуються умови пуску при зменшенні інтервала комутації та кута вмикання секцій.
У сьомому розділі здійснено експериментальні дослідження ВРД з буферами енергії, які виконані на фізичних моделях та дослідних взірцях.
Для перевірки ефективності запропонованих схем комутаторів вентильного реактивного двигуна з точки зору покращення енергетичних показників та використання його електромеханічного перетворювача зняті робочі характерис¬тики експериментальних взірців ВРД. На рис. 25 наведено експериментальні статичні характеристики ВРД при напрузі живлення 30 В: 1 – з комутатором з послідовними ємнісними накопичувачами в кожній секції (С=20 мкФ); 2 – з напівмостовим комутатором.
Порівняння наведених характеристик показує, що застосування буферів енергії забезпечує зростання коефіцієнта віддачі до 20 % і використання ЕМП до 70 % (наприклад, при значенні момента навантаження 0,6 Нм).
Перевірка степеня адекватності математичної моделі ВРД за середніми значеннями здійснювалась шляхом порівняння експериментальних статичних характеристик дослідних взірців з розрахунковими, які були отримані за допомогою автоматизованої підсистеми проектування ВРД в режимі перевіркового розрахунку. Всі проведені порів-няння підтверджують справедливість прийнятих при теоретичному обгрунтуванні математичної моделі допущень і показують, що розходження результатів не перевищують (5 – 7)%. На рис. 26 наведено порівняння розрахункових (1) та експериментальних (2) меха¬нічної характеристики та залежності коефіцієнта віддачі для експериментального взірця, яке свідчить про достатньо високий степінь адекватності математичної моделі ВРД за середніми значеннями.
Збільшення відхилень між експериментальними та розрахунковими даними при зменшенні навантаження пояснюється тим, що реальний коефіцієнт насичення сталі магнітопровода ВРД при цьому прямує до одиниці, в той час як, згідно з прийнятими допущеннями, в моделі він залишається сталим.
Точніше розраховувати статичні характеристики ВРД з буферами енергії дозволяє математична модель для миттєвих значень, де розходження між експериментальними та розрахунковими значеннями залежить, переважно, від точності розрахунку коефіцієнтів апроксимації кривих намагнічення магнітопровода ЕМП та опору, який еквівалентує втрати в сталі, і в кожному окремому випадку може знаходитись в межах (2 – 4)%.
Експериментально доказана працездатність всіх запропонованих схем комутаторів з буферами енергії. Найвищі енергетичні показники має комутатор з послідовними ємнісними буферами енергії, дещо нижчі – комутатор з паралельним буфером й спільним колом підживлення.
Достатньо висока збіжність розрахункових й експериментальних кривих струмів і напруг ВРД свідчить про правомірність прийнятих при побудові математичних моделей для миттєвих значень допущень та про їх адекватність до фізичних взірців.
ВИСНОВКИ
1. В дисертації на основі відомих, в тому числі й отриманих автором результатів досліджень явнополюсних вентильних реактивних двигунів з буферами енергії, методів математичних описів електромеханічних та електронних об’єктів, числових методів розв’язування диференціальних рівнянь, нових підходів в алгоритмізації і з врахуванням можливостей сучасних комп’ютерних засобів створено новий тип механотронних перетворювачів, які вирізняються простотою конструкції, технологічністю виготовлення, невибагливістю до застосування матеріалів і задовільними енергетичними та якісними показниками.
2. На вперше запропонованій теоретичній базі створена методика проектування явнополюсних вентильних реактивних двигунів з буферами енергії та математична модель для дослідження усталених режимів роботи електроприводу на базі ВРД та розрахунку статичних характеристик. Доведено, що при однаковому об’ємі активних частин вентильний реактивний двигун з буферами енергії може створювати такий же електромагнітний момент як і колекторний двигун постійного струму.
3. На основі енергетичного методу розрахунку електромагнітного момента у вентильному реактивному двигуні з буферами енергії з застосуванням запропоно¬ваного аналітичного виразу для обчислення потокозчеплення у функції кута взаємного положення зубців ротора та статора й струму збудження магнітоізольованої секції створені нелінійні повні математичні моделі ВРД з комутаторами всіх п’яти запропонованих в роботі схем з паралельним та послідовним сполученнями буферів енергії, де використані прості і, в той же час, адекватні до фізичних взірців математичні моделі насиченого транзисторного ключа, напівпровідникового силового діода та струмів Фуко в магнітопроводі ЕМП. Моделі дозволяють здійснювати дослідження як динамічних, так і квазіусталених режимів роботи ВРД, отримувати миттєві значення струмів в секціях, струмів Фуко в магнітопроводі, електромагнітного момента, напруги на нагромаджувальних конденсаторах тощо.
4. Створено нові прості та технологічні конструктивні схеми енергетичної та інформаційної частин явнополюсних вентильних реактивних двигунів постійного струму, які забезпечують магнітну ізоляцію секцій якірної обмотки та повну сумісність відносно використаних матеріалів та технологічних прийомів виготовлення.
5. Створено нові електричні принципові схеми електронних силових комутаторів вентильних реактивних двигунів з буферами енергії, які забезпечують використання запасеної в магнітному полі секцій якірної обмотки енергії для форсування струму при вмиканні секцій, що зумовлює значне підвищення енергетичних показників двигуна, а також забезпечує захист силових транзисторних ключів комутатора від перенапруг та зменшення динамічних втрат на їх перемикання.
6. Вперше створено нові електричні принципові схеми оброблення сигналів первинних давачів положення ротора, які простими засобами забезпечують високу кратність та крутизну вихідних дискретних сигналів керування силовими транзисторними ключами комутатора.
7. Розроблено новий широтно-фазовий спосіб керування вентильним двигуном, який дозволяє простими схемними рішеннями отримувати механічні характеристики підвищеної жорсткості електроприводу на базі вентильного двигуна.
8. На основі використання сучасних методів алгоритмізації та можливостей комп’ютерної техніки побудовані алгоритми й створена автоматизована підсистема інтерактивного проектування вентильних реактивних двигунів на базі запропонованих в роботі конструктивних та схемних рішень, з використанням створеної методики розрахунку й вибору ємнісного буфера енергії. Підсистема має відкриту структуру й легко може бути розширена або модернізована при розвитку задач проектування та дослідження таких вентильних двигунів.
9. Запропоновано спосіб представлення дискретності схеми сполучень магніто-ізольованих секцій ВРД, який разом з методом інвертування диференціальних рівнянь дозволив без застосування складних процедур припасовування та багато¬крокових ітерацій побудувати алгоритми й створити, використовуючи запропоновані математичні моделі, автоматизовану підсистему дослідження вентильних реактивних двигунів з буферами енергії. Підсистема дає можливість досліджувати час і характер розгону двигуна, перехідні процеси при накиданні та скиданні навантаження, вплив параметрів ЕМП та електронного комутатора на величину пульсацій електромагнітного момента, визначати оптимальні значення кута вмикання секцій і інтервалу комутації та вплив їх розкиду на характеристики приводу, уточнювати вибір величини ємності нагромаджувального конденсатора, порівнювати енергетичні та якісні показники ВРД з різними схемами комутатора тощо.
10. Розроблені програмні засоби комп’ютерного симулювання електро¬механічних процесів у явнополюсному три- (чотири-, п’яти-, шести-) секцій¬ному вентильному реактивному двигуні з послідовними або паралельними буферами енергії дозволяють вивчати усталені й динамічні процеси, оптимізувати параметри електромеханічного перетворювача та електронного комутатора, виявляти вплив окремих параметрів на процеси в двигуні й оцінювати взаємні впливи електромеханічного перетворювача і комутатора.
11. Експериментальні дослідження на дослідних взірцях підтвердили теоретичні прогнози щодо покращення енергетичних характеристик вентиль¬них реактивних двигунів застосуванням буферів енергії в схемах їх комута¬торів. Так ВРД з послідовними буферами енергії мають в (1.2 -1.3) рази вищий коефіцієнт віддачі і в (1.6 – 1.7) рази краще використання активного об’єму порівняно зі схемою півмостового комутатора. Експериментально дока¬за¬на працездатність всіх запропонованих схем комутаторів з буферами енергії. Найвищі енергетичні показники має комутатор з послідовними ємнісними буферами енергії, найнижчі – комутатор з паралельним буфером й спільним колом підживлення.
12. Порівняння результатів експериментальних досліджень та розрахун¬ків з допомогою математичної моделі для середніх значень статичних харак¬те¬ристик вентильного реактивного двигуна з буферами енергії показало, що відхилення лежать в межах (5 – 7)% і свідчать про достатньо високий степінь адекватності моделі до фізичного взірця. Ще точніше розраховувати статичні характеристики ВРД з буферами енергії дозволяють математичні моделі для миттєвих значень, де відхилення між експериментальними та розрахунко¬ви¬ми значеннями залежать, переважно, від точності розрахунку коефіцієнтів апрок¬си¬мації кривих намагнічення магнітопровода ЕМП та опору, який еквівалентує втрати в сталі, і в кожному окремому випадку може знаходитись в межах (2 – 4)%. Експериментальні дослідження підтвердили правильність вихідних положень, узагальнень, адекватність математичних моделей і теоретичних висновків.
13. Вентильний реактивний двигун з паралельним буфером енергії при відповідному виборі величини ємності нагромаджувального конденсатора забезпечує відсутність пульсацій струму живлення, що дозволяє застосовувати їх в пристроях разом з радіоелектронною апаратурою.
14. Проведеними за допомогою комп’ютерного симулювання дослідже¬ннями установлено, що вентильний реактивний двигун з буферами енергії створює електромагнітний момент зі значним рівнем пульсацій, які найбіль¬ше залежать від кількості секцій якірної обмотки, а також від кута вмикання та інтервала їх комутації. Аналіз впливу довжини повітряного проміжку на характеристики ВРД зі сталими геометричними розмірами та обмотковими даними показує, що збільшення довжини повітряно¬го проміжку зумовлює незначне збільшення втрат в міді і в комутаторі та замітне зменшення втрат в сталі. Збільшення кута вми¬кання секцій  приводить до зменшення коефі¬цієнта віддачі ВРД з буферами енергії. Також погіршуються всі інші показ¬ники, за винятком, хіба що максимальних значень струму секції та напруги на конденсаторі при пуску. Інтервал комутації секції не значно впливає на енергетичні показники вентильного реактивного двигуна. Нагромаджуваль¬ний конденсатор в пропо-нованих вентильних реактивних двигунах відіграє потрійну роль: служить буфером енергії, яка нагромаджується в магнітному полі ЕМП, обмежує перенапругу на силових ключах комутатора до рівня допустимої при їх вимиканні та зменшує динамічні втрати на перемикання транзисторних ключів.
15. Дослідження регулювання частоти обертання ВРД шляхом зміни вели¬чини підведеної напруги показує, що з енергетичної точки зору воно є ефективним. Збільшення напруги живлення приводить до зростання швидкості обертання, коефіцієнт віддачі при цьому також зростає. Швидко зростають втрати в сталі, втрати в міді зростають повільно. Коефіцієнт від¬дачі приймає максимальне значення, коли втрати в міді дорівнюють втратам в сталі. Регулювальна характеристика ВРД з буферами енергії лінійна в широкому діапазоні регулювання.
16. Дослідженнях широтно-фазового способу регулювання методами комп’ю¬терного симулювання показало, що жорсткість штучної механічної характеристики значно більша від жорсткості природньої характеристики, середнє значення струму живлення пропорційне моменту навантаження, при цьому максимальне значення струму транзисторного ключа залишається майже сталим.
17. Автоматизована підсистема дослідження вентильних реактивних двигунів з буферами енергії дозволяє проводити різносторонні дослідження конкретних ВРД з метою удосконалення їх конструкції, вибору оптимальних параметрів комутації струму в секціях двигуна для отримання необхідних характеристик електропривода.
18. Розроблені в дисертації науково-обгрунтовані технічні рішення реалізовані в конструкторських розробках двигунів для приводу позиціонера антени сателітарного телебачення, вентилятора опалювальної установки, мотор-коліс господарського мінікомплекса “Майстер-А”, роторів медичних центрифуг тощо й впроваджені на підприємствах України.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Ткачук В. Підсистема автоматизованого дослідження вентильних реаꬬти⬬них двигунів // Технічна електродинаміка. Спец. випуск. Київ, 1998. – С. 180 – 187.
2. Ткачук В.І. Вентильний реактивний двигун з ємнісним накопичувачем енергії // Електромашинобудування та електрообладнання. №52. Київ, 1999. – С. 82 – 88.
3. Ткачук В.І. Вентильний реактивний двигун та його математична модель // Теоретична електротехніка. № 54. Львів, 1998. – С. 121 – 127.
4. Ткачук В.І. Електропривод на базі вентильного реактивного двигуна з ємнісним накопичувачем енергії // Проблемы автоматизированного электропри¬вода. Теория и практика. Вестник ХГПУ. Спец. выпуск. – Харьков. – 1997. – С. 209 – 210.
5. Осідач Ю.В., Ткачук В.І. Порівняльний аналіз електромагнітного момента колекторного і вентильного реактивного двигунів постійного струму // Електромеханіка. Теорія і практика. Праці НТК, присвяченої 100-річчю від дня народження Тихона Губенка. Львів-Славськ, 1996. С. 140 – 142.
6. Ткачук В.І. Ємнісний накопичувач енергії у вентильному реактивному двигуні // Електроенергетичні та електромеханічні системи. Вісник ДУ “Львівська політехніка”. № 334. Львів, 1997. – с. 125 – 131.
7. Осідач Ю.В., Ткачук В.І., Макарчук О.В. Особливості роботи й основні характеристики вентильного двигуна з зосередженими обмотками якоря // Електроенергетичні та електромеханічні системи. Вісник ДУ “Львівська політехніка”. № 347. – Львів, 1998. – С. 124 – 130.
8. Осідач Ю.В., Ткачук В.І. Основи проектування вентильних реактив¬них двигунів // Електромеханіка. Теорія і практика. Праці НТК, присвя¬ченої 100-річчю від дня народження Т. Губенка. Львів-Славськ, 1996. – С. 143 – 145.
9. Ткачук В.І., Осідач Ю.В. Транзисторні комутатори з ємнісними накопичувачами енергії // Електроенергетичні та електромеханічні системи. Вісник ДУ “Львівська політехніка”. № 301. Львів, 1996. – С. 115 – 122.
10. Ткачук В.І. Широтно-фазовий спосіб регулювання частоти обертання елек¬тро-приводів на базі вентильних двигунів//Проблемы автоматизированного электро¬при¬вода. Теория и практика. Вестник ХГПУ, спец. выпуск. Харків, 1998. -С. 185-186.
11. В.Ткачук. Теорія створення електромагнітного моменту у вентильному реактивному двигуні // Електромеханіка. Теорія і практика: Праці НТК, присвяченої 100-річчю від дня народження Т. Губенка. Львів, 1996. – С.173 -176.
12. В.І.Ткачук, Ю.В.Осідач. Математичне моделювання електромеха¬нічних про¬це¬сів в електроприводі з вентильним реактивним двигуном // Електроенергетичні та електромеханічні системи. Вісник ДУ “Львівська політехніка”. .№ 288. Львів, 1995. – С. 83 – 90.
13. Ткачук В.І. Математична модель вентильного реактивного двигуна для середніх значень // Електроенергетичні та електромеханічні системи. Вісник ДУ “Львівська політехніка”. № 301. Львів, 1997. – С. 106 – 115 .
14. Ткачук В.І. Моделювання електромеханічних процесів у вентильному реактивному двигуні // Праці 4-ої Української конференції з автоматичного ке¬ру¬вання “Автоматика – 97”. – Черкаси: Інженерно-технічний ін-т. – 1997. – С. 51.
15. Ткачук В.И. Расчет статических характеристик вентильного реактив¬ного дви-гателя //Електромашинобудування та електрообладнання. № 51. Київ, 1998. -С.63-67.
16. Ткачук В., Осідач Ю. Статор електромеханічного перетворювача вен¬тильного мотора // Електроенергетичні та електромеханічні системи. Вісник ДУ “Львівська політехніка”. .№ 288. Львів, 1997. – С. 131 – 134.
17. Ткачук В. Обчислення магнітної провідності повітряного зазору електро-механічного перетворювача з пасивним вторинним елементом // Електроенерге¬тичні та електромеханічні системи. Вісник ДУ “Львівська політехніка”. .№ 288. Львів, 1997. С. 125 – 130.
18. Ткачук В. Підсистема комп’ютерного діалогового проектування вен¬тиль¬них реактивних двигунів // Електроенергетичні та електромеханічні сис¬те¬ми. Вісник ДУ “Львівська політехніка”. № 340. Львів, 1997. – С. 112 – 121.
19. В.Ткачук. Статичний момент електромеханічних перетворювачів з пасивними роторами // Електромеханіка. Теорія і практика: Праці НТК, присвяченої 100-річчю від дня Т. Губенка. Львів, 1996. 177-180 с.
20. Ткачук В. Комп’ютерне симулювання електромеханічних процесів у вентиль¬ному реактивному двигуні // Праці 3-ої Української конференції з автоматичного керування “Автоматика – 96”. – Севастополь: СевДТУ. – 1996. – С. 115 – 116.
21. Ткачук В.І. Математичне моделювання електромеханічних процесів в електроприводах на базі вентильного реактивного двигуна // Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика. Вестник ХГПУ. Спец. выпуск. – Харьков. – 1997. – С. 137 – 138.
22. Ткачук В.І. Вентильний двигун з пасивним ротором та його математична мо¬дель // Праці 5-ої Української конференції з автоматичного ке¬ру¬вання “Автоматика – 98”. Ч. 3. Вісник КПІ. Спец. випуск. – Київ: НУ “КПІ”. – 1998. – С. 304 – 309.
23. Осидач Ю.В., Ткачук В.И. Электромагнитный момент реактивного дви¬гателя при однополярном возбуждении обмоток с учетом насыщения // Электромашиностроение и электрооборудование. № 40. Київ, 1986. -С.91- 95.
24. Осидач Ю.В., Ткачук В.И. Численная модель ВРД с ЕНЭ для исследования установившихся и динамических режимов работы электроприводов // Труды 1-ой Всесоюзной НТК по электромеханотронике. – Л.: Изд-во электротехнического ин-та, 1987. – С. 89 – 90.
25. Ткачук В. Комп’ютерне симулювання електромеханічних процесів у вентиль¬ному реактивному двигуні // Праці 3-ої Української конференції з автоматичного керування “Автоматика – 96”. – Севастополь: СевДТУ. – 1996. – С. 115 – 116.
26. Ткачук В.І., Осідач Ю.В. Математичне моделювання електроме¬ханічних про¬це¬сів в електроприводі з вентильним реактивним двигуном // Електроенергетичні та елек-тромеханічні системи. Вісник ДУ “Львівська політехніка”. № 288. Львів, 1997. – С. 83 – 90.
27. Ткачук В.И. Математическая модель вентильного реактивного двигателя // Електромашинобудування та електрообладнання. №50. Київ, 1998. -С. 77 – 82.
28. Ткачук В.І., Осідач Ю.В. Автоматизований електропривод центрифуги крові на базі вентильного двигуна // Праці 3-ої Української конференції з автоматичного керування “Автоматика – 96”. – Севастополь: СевДТУ. – 1996. – С. 113 – 114.
29. Ткачук В.І., Осідач Ю.В. Вентильний електропривод мотор-коліс // Праці 4-ої Української конференції з автоматичного ке¬ру¬вання “Автоматика – 97”. – Черкаси: Інженерно-технічний ін-т. – 1997. – С. 52.
30. Ткачук В. Автоматизована система проектування та дослідження вентиль¬них реактивних електричних моторів // Праці 2-ої Української конференції з автома¬тичного керування “Автоматика – 95”. – Том 3. – Львів: НТЦ “ІТІС”. – 1995. – С. 124.
31. А. с. 1569934 СССР, МКИ Н 02 К 29/00 . Вентильный электродвигатель / Осидач Ю.В., Ткачук В.И. (CCCP). – № 4394814/24-07; Заявлено 21.03.88. Опубл. 07.06.90. Бюл. N 21. – 3 с.
32. А. с. 1810940 СССР, МКИ Н 01 Q 3/04 . Механизм ориентирования антенны / Чайковский Р.И., Тимощук Э.З., Литинский З.М., Осидач Ю.В., Ткачук В.И., Параил В.И., Землянский В.Ф. (CCCP). – № 4946495/09; Заявлено 17.06.91. Опубл. 23.04.93. Бюл. N 15. – 7 с.
33. А. с. 1561162 СССР, МКИ Н 02 К 29/00 . Вентильный m-фазный электро¬дви-гатель / Осидач Ю.В., Ткачук В.И. (CCCP). – № 4394816/24-07; Заявлено 21.03.88. Опубл. 30.04.90. Бюл. N 16. – 3 с.
34. Пат. 18440 Україна, МКІ Н 02 К 29/06. Датчик положення ротора вентиль¬ного двигуна / Літинський З.М., Ткачук В.І., Осідач Ю.В., Чайковський Р.І. (Україна). – № 95321145; Заявл. 29.10.93. Опубл. 25.12.97. Бюл. № 6. – 3 с.
35. Пат. 19828 Україна, МКІ Н 01 Q 3/04. Механізм орієнтування антени / Чайковський Р.І., Тимощук Е.З., Літинський З.М., Осідач Ю.В., Ткачук В.І., Параїл В.І., Землянський В.Ф. (Україна). – № 95321146; Заявл. 29.10.93. Опубл. 25.12.97. Бюл. № 6. – 7 с.
36. Ткачук В., Осідач Ю. Математична модель вентильного реактивного двигуна з послідовним ємнісним нагромаджувачем // Тези доповідей Міжнародної НТК “Ма¬те-матичне моделювання в електротехніці й електроенергетиці”. Львів. 1995. – С. 121.
37. Ткачук В. Апроксимація характеристик намагнічення при моделюванні елек-тромеханічних процесів у вентильному реактивному двигуні // Тези доповідей Між¬на-родної наукової конференції присвяченої 150-річчю від дня народження видатного українського фізика і електротехніка Івана Пулюя. – Львів. – 1995. – С. 275 – 276.
38. Осидач Ю.В., Ткачук В.И. Ускорение переходных процессов в синхронном реактивном двигателе // Тезисы докладов 5-ой Всесоюзной НТК “Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов”. – Ч. 2 – Каунас: Изд-во Каунасского политехн. ин-та, 1988. – С. 56 – 57.
39. Осидач Ю.В., Ткачук В.И. Моделирование электромеханических процес¬сов в ВРД с емкостным накопителем // Тезисы докладов 5-ой Всесоюзной НТК “Проблемы преобразовательной техники” – Том 3. – Киев: Институт электродинамики. – 1991. – С. 119.
Ткачук В.І. Явнополюсні вентильні реактивні двигуни з буферами енергії. Рукопис.
Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.01 -Електричні машини і апарати. Державний університет “Львівська політехніка”, Львів, 1999.
Дисертація присвячена розробці теоретичних положень побудови вен¬тильних реактивних двигунів (ВРД) з буферами енергії, електромеханічний перетворювач яких є найпростішим з відомих електричних машин і який має енергетичні і якісні показники на рівні колекторних машин постійного струму. Із позицій системного підходу здійснено науково обгрунтовані дослідження, які вирішили задачу удосконалення існуючих та створення нових конструкцій ЕМП, первинних давачів положення ротора (ДПР) та електричних схем силових комутаторів й формувачів сигналів ДПР. Запропоновано новий широтно-фазовий спосіб регулювання частоти обертання ВРД. Розроблено теоретичні бази й створені методологія проектування явнополюсних ВРД та їх математичні моделі, адекватність яких до фізичних взірців обгрунтована теоретично й підтверджена практично. Основні результати роботи знайшли застосування при створенні нових типів електроприводів з покращеними техніко-економічними показниками.
Ключові слова: вентильний реактивний двигун, буфер енергії, математичні моделі, давач положення ротора, широтно-фазове регулювання, автоматизовані підсистеми проектування й дослідження.

Ткачук В.И. Явнополюсные вентильные реактивные двигатели с буферами энергии. Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.09.01- Электрические машины и аппараты. – Государственный университет “Львивська политехника”, Львов, 1999.
Диссертационная работа посвящена разработке теоретических положе¬ний построения вентильных реактивных двигателей (ВРД) с буферами энергии, электромеханический преобразователь (ЭМП) которых является простей¬шим среди известных электрических машин. Благодаря наличию емкостного буфера энергии, ВРД обладает энергетическими и качественными показателями на уровне коллекторных двигателей постоянного тока.
С позиций системного анализа осуществлены научно обоснованные исследования, которые решили задачу усовершенствования существующих и создания новых конструкций ЭМП, первичных датчиков положения ротора (ДПР) и электрических схем силовых коммутаторов и формирователей сигналов ДПР.
Предложены новые конструктивные схемы явнополюсных ЭМП, которые обеспечивают магнитную изоляцию секций ВРД, что улучшает комутационную устойчивость коммутатора и точность позиционирования привода, новые конструктивные схемы совмещенных и встроеных первичных ДПР, а также ДПР с небольшим аксиальным размером, использующих для своего построения те же материалы, что и энергетическая часть ВРД.
Разработаны принципиальные электрические схемы силовых коммута¬торов с последовательными и параллельными буферами энергии, которые способствуют повышению коэфициента полезного действия в 1.2 – 1.25 раза по сравнению с известными полумостовыми схемами, ограничивают перенапряжение на силовых ключах до уровня допустимого, значительно уменьшают динамические потери на силовых ключах.
Предложен новый широтно-фазовый способ управления вентильными двигателями без использования дополнительных силовых полупроводниковых элементов. При этом существует функциональная связь, эквивалентная отрицательной обратной связи по скорости, что увеличивает жесткость искуственных механических характеристик.
С использованием наличных в ДПР дискретных сигналов создано электронное безконтактное реле скорости.
Разработана теоретическая база и методология проектирования явнополюсных ВРД, проведена оценка эффективности ВРД с буферами энергии по создаваемому на единицу объема активной части электромагнитному моменту, которая показала, что он создает такой же момент, как и коллекторный двигатель постоянного тока. Разработана математическая модель ВРД для средних значений. Предложены методики расчета буферов энергии и магнитной проводимости воздушного зазора с двухсторонней зубчатостю.
Создана автоматизированная подсистема проектирования явнополюсных ВРД с буферами энергии, которая может проектировать новый двигатель или осуществлять расчет характеристик двигателя с задаными геометрическими размерами и обмоточными данными (или рассчитывать необходимые обмоточные данные для заданых геометрических размеров магнитопровода статора и необходимых характеристик).
Разработана теоретическая база для построения и построены нелинейные полные математические моели ВРД с последовательными и параллельными буферами энерги, которые позволяют исследовать динамические и квазиустановившиеся режимы работы электропривода на их базе.
С использованием разработанных математических моделей создана автоматизи¬ро-ванная подсистема исследования ВРД с буферами энергии, которая позволяет получать мгновенные значения токов секций ВРД, токов Фуко в магнитопроводе, электромагнитного момента, частоты вращения ротора, угла взаимного положения зубцовых структур ротора и статора, напряжений на буферах энергии. Подсистема рассчитывает также и средние значения токов, момента и составляющих потерь на периоде изменения вектора интегральных переменных значений координат, что позволяет исследовать и статические характеристики.
Наведены результаты исследования ВРД с буферами энергии с помощью автоматизированной подсистемы исследования, которые демострируют возможности созданых подсистем проектирования и исследования как инструментов для всесторонних исследований ВРД, оптимизации их проектирования, выбора необходимых элементов коммутатора для удовлетворения конкретного технического задания на проектирование.
Экспериментально на физических моделях и опытных образцах доказана работоспособность и эффективность, с точки зрения улучшения энергетических показателей, всех предложеных схем коммутаторов с буферами энергии. Сравнением результатов расчетов и экспериментов доказана адекватность предложеных математических моделей физическим образцам.
Основные результаты работы нашли применение при создании ряда автономных электроприводов малой мощности на предприятиях Украины.
Ключевые слова: вентильный реактивный двигатель, буфер энергии, математические модели, датчик положения ротора, широтно-фазовое регулирование, автоматизированные подсистемы проектирования и исследования.

Tkachuk V.I. Salient Poles Swiched Reluctance Motors with Buffers of Energy. Manuscript.
The dissertation is for the degree of Doctor of technical sciences receiving in the specialty 05.09.01 – Electrical mashines and apparatus. – State University “Lvivska politechnica”, Lviv, 1999.
The dissertation is devoted to elaboration of the theory and design principles of switched reluctance motors (SRM) with buffers of energy, which electormechanical converters (EMC) is a simplest, more technological and cheaper then other known electrical motors. It’s energetical and qualitative characteristics is about to the similar characteristics of DC machines. The system-approach scientifically proved investigations in the resolve of the problem of existent EMC and a position sensor construction, and electric schemes of power electronical converters and electronics schemes of the position sensor improvement and creation of the new one are performed. New width-pulse & phase-pulse manner of the SRM rotation speed control is suggested. Theory base is developed, new salient poles SRM design metodology and their mathematical models which adequacy theoretically and practically proved, are created. The main results of work have been used when designing new type of electrical drive systems with improved operating characteristics.
Key words: switched reluctance motors, buffer of energy, mathematical models, position sensor, width-pulse & phase-pulse control, automatical subsystems of design and research.

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Похожие документы
Обсуждение

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о
Заказать реферат!
UkrReferat.com. Всі права захищені. 2000-2020