RU181861U1 - Универсальный вычислитель магнитного потока электромагнитного подшипника - Google Patents

Универсальный вычислитель магнитного потока электромагнитного подшипника Download PDF

Info

Publication number
RU181861U1
RU181861U1 RU2017142388U RU2017142388U RU181861U1 RU 181861 U1 RU181861 U1 RU 181861U1 RU 2017142388 U RU2017142388 U RU 2017142388U RU 2017142388 U RU2017142388 U RU 2017142388U RU 181861 U1 RU181861 U1 RU 181861U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
input
adder
output
signal
magnetic flux
Prior art date
Application number
RU2017142388U
Other languages
English (en)
Inventor
Азим Седрединович Абдурагимов
Владимир Петрович Верещагин
Ирина Валерьевна Гурова
Александр Валерьевич Рогоза
Алексей Петрович Сарычев
Original Assignee
Акционерное общество "Научно-производственная корпорация "Космические системы мониторинга, информационно-управляющие и электромеханические комплексы" имени А.Г. Иосифьяна" (АО "Корпорация "ВНИИЭМ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Научно-производственная корпорация "Космические системы мониторинга, информационно-управляющие и электромеханические комплексы" имени А.Г. Иосифьяна" (АО "Корпорация "ВНИИЭМ") filed Critical Акционерное общество "Научно-производственная корпорация "Космические системы мониторинга, информационно-управляющие и электромеханические комплексы" имени А.Г. Иосифьяна" (АО "Корпорация "ВНИИЭМ")
Priority to RU2017142388U priority Critical patent/RU181861U1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU181861U1 publication Critical patent/RU181861U1/ru

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406—Magnetic bearings
    • F16C32/044—Active magnetic bearings
    • F16C32/0444—Details of devices to control the actuation of the electromagnets
    • F16C32/0451—Details of controllers, i.e. the units determining the power to be supplied, e.g. comparing elements, feedback arrangements with P.I.D. control
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C39/00—Relieving load on bearings
    • F16C39/06—Relieving load on bearings using magnetic means
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06G—ANALOGUE COMPUTERS
    • G06G7/00—Devices in which the computing operation is performed by varying electric or magnetic quantities

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)

Abstract

Полезная модель универсального вычислителя магнитного потока электромагнита относится к вычислительной технике, предназначенной для получения сигнала магнитного потока, используемого в управлении системой электромагнитных подшипников с массивными магнитными системами или увеличенным рассеянием, и состоит из трех входов: вход 1 служит для приема сигнала относительного перемещения ротора X', вход 2 - сигнала тока I, протекающего в обмотке электромагнита, вход 3 - сигнала напряжения U на обмотке; из выхода 4, на который поступает вычисленный сигнал ψ магнитного потока, а также из соединенных между собой звеньев, выполняющих следующие вычислительные операции: перемножитель 5, вычисляющий произведение сигналов относительного отклонения ротора X' и магнитного потока ψ; на сумматоре 6 выходной сигнал перемножителя 5 складывается с сигналом магнитного потока ψ и в результате на выходе получается сигнал эквивалентного намагничивающего тока I; сумматор 7, позволяющий путем сравнения входного сигнала тока I и общего тока Iвычислителя получить на выходе разницу токов ΔI; общий сумматор 8, формирующий на выходе сигнал Е, эквивалентный ЭДС в обмотке и вычисленный по входным сигналам U, ΔI и ΔU; интегратор 9, позволяющий определить в результате выходной сигнал магнитного потока ψ; отличающаяся тем, что в вычислитель включены дополнительные звенья, выполняющие следующие операции: апериодическое звено первого порядка 10, вычисляющее сигнал выходного тока I, обусловленного потерями в массивном магнитопроводе; пропорционально-дифференцирующее звено 11, позволяющее определить величину падения напряжения ΔU от общего тока I в активном и индуктивном сопротивлении рассеяния обмотки; сумматор 12, вычисляющий выходной сигнал общего тока Iпо его составляющим Iи I; функции управления, которые решают указанные дополнительные звенья, позволяют повысить точность вычисления выходного сигнала магнитного потока, улучшить качество управления и повысить жесткость системы электромагнитных подшипников.

Description

Предлагаемая полезная модель, универсальный вычислитель магнитного потока (ВМП) электромагнитного подшипника (ЭМП), относится к вычислительной технике, обеспечивающей управление ЭМП путем математического преобразования входных сигналов, характеризующих состояние электромагнита, в выходной сигнал магнитного потока, применяемый в управлении для повышения качества регулирования тягового усилия электромагнитов различного типа.
В ряде известных типов систем ЭМП (Патент USA №4.308.490 от 29.12.1981.) для регулирования тягового усилия вместе с традиционной отрицательной обратной связью по току в обмотке электромагнита используется сигнал магнитного потока. Этот сигнал получается путем интегрирования напряжения, индуцированного в измерительной катушке, расположенной параллельно с обмоткой возбуждения электромагнита.
Такой способ получения сигнала магнитного потока имеет ряд недостатков, которые ограничивают возможность его практического применения. Во-первых, это сопряжено с установкой дополнительной измерительной катушки в электромагните и с последующей передачей сигнала в аппаратуру управления. Во-вторых, величина напряжения измерительной катушки пропорциональна частоте изменения сигнала магнитного потока, что усложняет возможное практическое применение этого способа на частотах ниже 10 Гц.
Для устранения отмеченных выше недостатков в последующих разработках, как например, в прототипе ВМП, при вычислении сигнала магнитного потока не требуется измерительной катушки (Патент РФ № 146835 от 16.06.2014 опубл. 20.10.2014 Бюл. 29). Вычисление сигнала магнитного потока осуществляется путем математического преобразования в модели входных значений сигналов напряжения питания, тока обмотки электромагнита и перемещения ротора, которые в аппаратуре системы управления ЭМП уже имеются. Однако в полезной модели прототипа не учитывается влияние потоков рассеяния обмотки статора и вихревых токов магнитопровода электромагнита. Это может существенно повлиять на качество и устойчивость управления системы ЭМП, что ограничивает применение полезной модели прототипа при управлении электромагнитами, имеющими массивные магнитопроводы. В частности, при управлении осевыми ЭМП в выпускаемых АО "Корпорация "ВНИИЭМ" компрессорах газоперекачивающих агрегатов вихревые токи могут достигать при частоте 50 Гц более 50% от общего тока в обмотке. Результаты математического моделирования показывают, что применение ВМП прототипа не снижает негативного влияния вихревых токов, возникающих в массивном магнитопроводе осевых ЭМП. Кроме того, в некоторых перспективных разработках ЭМП возникает необходимость применения многополюсных магнитных систем, у которых относительная величина магнитного потока рассеяния обмотки может достигать 20%. Поскольку в ВМП прототипа влияние потоков рассеяния не учтено, то возникает потребность в доработке этой полезной модели.
Целью предлагаемой полезной модели является устранение отмеченных недостатков прототипа путем включения дополнительных звеньев, учитывающих влияние магнитных потоков рассеяния обмотки статора и вихревых токов, возникающих в массивном магнитопроводе электромагнита.
При рассмотрении электромагнитных процессов, возникающих в ЭМП, с учетом потоков рассеяния и вихревых токов с достаточной для практических целей точностью можно воспользоваться схемой замещения электромагнита (см. Управление электромагнитными подшипниками с обратной связью по магнитному потоку / В.П. Верещагин, В.А. Клабуков, А.В. Рогоза // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. - 2012 №6, т. 131 с 3-10), в которой потокам рассеяния соответствует индуктивность L1, а влияние вихревых токов учтено включением параллельно с цепью намагничивания с индуктивностью L0 цепи, содержащей активное сопротивление R2 и индуктивность L2, включенные последовательно. В результате структуру универсального ВМП можно описать системой уравнений следующего вида:
Figure 00000001
где ψ - потокосцепление, соответствующее магнитному потоку в зазоре между статором и ротором;
d/dt - оператор дифференцирования;
U - напряжение питания обмотки электромагнита;
I - ток в обмотке электромагнита;
R - активное сопротивление обмотки;
I1 - общий ток в вычислителе;
I0 - ток намагничивания;
I2 - ток, обусловленный вихревыми токами в магнитопроводе;
Е - ЭДС, соответствующая потокосцеплению;
ΔI - разница токов вычислителя и в обмотке электромагнита;
Kв - коэффициент коррекции ВМП;
X' - относительное отклонение ротора (
Figure 00000002
, где а - зазор между статором и ротором при центральном положении ротора Хр=0);
L0 - индуктивность, соответствующая потокосцеплению при центральном положении ротора.
Структура данной системы уравнений (1) показывает, что по заданным входным величинам U, I и X' при известных параметрах электромагнита R, R2, L0, L1, L2 можно вычислить сигнал потокосцепления ψ. Причем, по сравнению с прототипом, здесь включены дополнительные параметры L1, L2 и R2 и связи, которые отражают влияние потоков рассеяния обмотки и вихревых токов магнитопровода. Это придает универсальность исходным уравнениям (1). Если исключить указанные дополнительные параметры и связи, то фактически возвращаемся к прототипу. Незначительные усложнения программного обеспечения и аппаратуры универсального ВМП обычно окупаются за счет использования в управлении ЭМП одинаковых устройств для различных типов электромагнитов.
Задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель универсального ВМП, состоит в повышении устойчивости и качества управления ЭМП, имеющими электромагниты с массивными магнитопроводами или с увеличенными потоками рассеяния в статорах, путем математических преобразований трех входных сигналов в выходной сигнал магнитного потока.
Техническим результатом данной полезной модели является аппаратная реализация ВМП для ЭМП с большими вихревыми токами или потоками рассеяния в виде комбинации стандартных звеньев, позволяющих получить на выходе сигнал магнитного потока, который с высокой степенью точности соответствует значению в реальном объекте управления. Это достигается за счет цифровой обработки сигналов, введения новых звеньев и связей по сравнению с прототипом.
При аппаратной реализации полезной модели используется показанная на рисунке схема универсального ВМП электромагнита, содержащая три входа: вход 1 - для приема сигнала относительного перемещения X' ротора; вход 2 - сигнала тока I в обмотке электромагнита; вход 3 - напряжения U на обмотке электромагнита; а также выход 4, на который поступает вычисленный сигнал ψ магнитного потока.
Функциональные звенья и их соединения, выполняющие следующие математические преобразования сигналов: перемножитель 5 сигналов X' и ψ, позволяющий учесть путем коррекции сигнала намагничивающего тока I0 на выходе сумматора 6 в соответствии с исходными уравнениями (1); сумматор 7, предназначенный для сравнения тока I в обмотке и общего тока I1 вычислителя для определения разницы токов ΔI; сумматор 8, формирующий на выходе сигнал Е, эквивалентный ЭДС в обмотке электромагнита, путем учета падения напряжения от общего тока I1 в активном и индуктивном сопротивлении рассеяния обмотки; интегратор 9, позволяющий на выходе получить сигнал ψ; апериодическое звено первого порядка 10, позволяющее вычислить составляющую тока I2, обусловленную потерями в массивном магнитопроводе; пропорционально-дифференцирующее (ПД) звено 11, вычисляющее сигнал падения напряжения в активном и индуктивном сопротивлении рассеяния обмотки по сигналу общего тока I1; сумматор 12, определяющий на выходе величину сигнала общего тока I1 по его составляющим I0 и I2.
Таким образом, в структуре предлагаемой полезной модели универсального ВМП электромагнита по сравнению с прототипом включены дополнительные звенья 10, 11 и 12. Функции управления, которые решают указанные звенья, позволяют улучшить качество управления и, следовательно, повысить жесткость ЭМП. Это подтверждено результатами математического моделирования динамических процессов управления ОМП для газоперекачивающих агрегатов, разработанных в АО «Корпорация «ВНИИЭМ».
Учет влияния вихревых токов в массивном магнитопроводе ОМП осуществляется путем включения в состав ВМП звена 10. Это звено в соответствии с уравнениями (1) характеризуется активным сопротивлением R2 и индуктивностью L2, величина которых меняется с частотой напряжения питания. Однако в ВМП эти величины приняты неизменными для рассматриваемого частотного диапазона. Это допущение несколько снижает точность, но позволяет придать звену 10 стандартную форму с передаточной функцией (2) вида:
Figure 00000003
где Т2=L2/R2 - постоянная времени цепи вихревых токов,
s - оператор дифференцирования.
В многополюсных магнитных системах ЭМП возникает необходимость учитывать влияние потоков рассеяния. Для этой цели в ВМП включено звено 11. Передаточная функция W11 для этого звена при вычислении падения напряжения ΔU от общего тока I1 имеет следующий вид:
Figure 00000004
где T1=L1/R - постоянная времени, соответствующая потокам рассеяния.
Поскольку общий ток I1 представлен в виде двух составляющих I0 и I2, то функции определения его величины выполняет звено 12.
Эффективность включения указанных звеньев в ВМП оценивалась при сравнении частотных характеристик систем управления ЭМП с предлагаемой полезной моделью универсального ВМП и с ВМП прототипа. В результате установлено, что частота среза в системе при управлении с предлагаемым ВМП повысилась с 10 до 70 Гц, т.е. в 7 раз. Это свидетельствует о значительном улучшении динамических свойств системы ЭМП при использовании в управлении предлагаемого универсального ВМП.
При аппаратной реализации данной полезной модели универсального ВМП предпочтительными являются цифровые способы выполнения вычислений. Вопросы выбора типа микроконтроллера и иных вычислительных средств решаются комплексно. В частности, для управления ЭМП в АО «Корпорация «ВНИИЭМ» предусмотрено применение ВМП, выполненных с использованием ПЛИС серии Cyclone фирмы Altera. Выбор ПЛИС в качестве вычислительного средства позволяет, во-первых, минимизировать временные задержки на цифровые преобразования в ВМП, что положительно влияет на итоговые запасы устойчивости и качество управления системы ЭМП, во-вторых, унифицировать ВМП для дальнейшего его встраивания в цифровой регулятор ЭМП.
Таким образом, предлагаемая полезная модель универсального ВМП электромагнита, которая использована для управления ЭМП с учетом вихревых токов в магнитопроводе и потоков рассеяния и может быть аппаратно реализована на существующей цифровой элементной базе, позволяет повысить качество управления и устойчивость системы ЭМП.

Claims (3)

1. Универсальный вычислитель магнитного потока для управления электромагнитными подшипниками с массивными магнитопроводами и/или с увеличенным рассеянием, содержащий три входа: вход 1 - для приема сигнала относительного перемещения X' ротора; вход 2 - сигнала тока I в обмотке электромагнита; вход 3 - напряжения U на обмотке электромагнита; а также выход 4, на который поступает вычисленный сигнал ψ магнитного потока, при этом выход 4 соединен с выходом интегратора 9; перемножитель 5 сигналов X' и ψ, при этом первый вход перемножителя 5 соединен с входом 1, второй вход перемножителя 5 соединен с выходом интегратора 9; сумматор 6, при этом первый вход сумматора 6 соединен с выходом перемножителя 5, второй вход сумматора 6 соединен с выходом интегратора 9; сумматор 7, предназначенный для сравнения тока I в обмотке и общего тока I1 вычислителя для определения разницы токов ΔI, при этом первый вход сумматора 7 соединен с входом 2, второй вход сумматора 7 соединен с выходом сумматора 12; сумматор 8, формирующий на выходе сигнал Е, эквивалентный ЭДС в обмотке электромагнита, путем учета падения напряжения от общего тока I1 в активном и индуктивном сопротивлении рассеяния обмотки, при этом первый вход сумматора 8 соединен с входом 3, второй вход сумматора 8 соединен с выходом сумматора 7, третий вход сумматора 8 соединен с выходом пропорционально-дифференцирующего (ПД) звена 11; интегратор 9, позволяющий на выходе получить сигнал ψ, при этом вход интегратора 9 соединен с выходом сумматора 8; апериодическое звено первого порядка 10, позволяющее вычислить составляющую тока I2, обусловленную потерями в массивном магнитопроводе, при этом вход апериодического звена первого порядка 10 соединен с выходом сумматора 8; пропорционально-дифференцирующее (ПД) звено 11, вычисляющее сигнал падения напряжения в активном и индуктивном сопротивлении рассеяния обмотки по сигналу общего тока I1, при этом вход пропорционально-дифференцирующего (ПД) звена 11 соединен с выходом сумматора 12; сумматор 12, определяющий на выходе величину сигнала общего тока I1 по его составляющим I0 и I2, при этом первый вход сумматора 12 соединен с выходом сумматора 6, второй вход сумматора 12 соединен с выходом апериодического звена первого порядка 10.
2. Универсальный вычислитель магнитного потока по п. 1, отличающийся тем, что влияние вихревых токов в магнитопроводе, представлено апериодическим звеном первого порядка.
3. Универсальный вычислитель магнитного потока по п. 1, отличающийся тем, что падение напряжения от потоков рассеяния, представлено пропорционально-дифференцирующим звеном.
RU2017142388U 2017-12-05 2017-12-05 Универсальный вычислитель магнитного потока электромагнитного подшипника RU181861U1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017142388U RU181861U1 (ru) 2017-12-05 2017-12-05 Универсальный вычислитель магнитного потока электромагнитного подшипника

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017142388U RU181861U1 (ru) 2017-12-05 2017-12-05 Универсальный вычислитель магнитного потока электромагнитного подшипника

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU181861U1 true RU181861U1 (ru) 2018-07-26

Family

ID=62981836

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017142388U RU181861U1 (ru) 2017-12-05 2017-12-05 Универсальный вычислитель магнитного потока электромагнитного подшипника

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU181861U1 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4308490A (en) * 1978-02-20 1981-12-29 Societe Europeenne De Propulsion Device for compensating the gain of a servo-controlled circuit by negative current feedback
US5471106A (en) * 1993-03-08 1995-11-28 Noise Cancellation Technologies, Inc. Methods and apparatus for closed-loop control of magnetic bearings
RU146835U1 (ru) * 2014-06-16 2014-10-20 Общество с ограниченной ответственностью "Эльмаш (УЭТМ)" Вычислитель магнитного потока
US20150002000A1 (en) * 2013-06-28 2015-01-01 Skf Magnetic Mechatronics Active magnetic bearings control system

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4308490A (en) * 1978-02-20 1981-12-29 Societe Europeenne De Propulsion Device for compensating the gain of a servo-controlled circuit by negative current feedback
US5471106A (en) * 1993-03-08 1995-11-28 Noise Cancellation Technologies, Inc. Methods and apparatus for closed-loop control of magnetic bearings
US20150002000A1 (en) * 2013-06-28 2015-01-01 Skf Magnetic Mechatronics Active magnetic bearings control system
RU146835U1 (ru) * 2014-06-16 2014-10-20 Общество с ограниченной ответственностью "Эльмаш (УЭТМ)" Вычислитель магнитного потока

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105850015B (zh) 用于控制电气转换器的控制器和方法以及转换器系统
Li et al. Hysteresis modeling for electrical steel sheets using improved vector Jiles-Atherton hysteresis model
Wu et al. Direct digital control of single-phase grid-connected inverters with LCL filter based on inductance estimation model
Agcal et al. Wireless power transfer by using magnetically coupled resonators
Cho et al. Torque ripple-minimizing control of IPMSM with optimized current trajectory
CN102545156A (zh) 一种直流偏磁时励磁电流仿真计算方法及其装置
CN112364490A (zh) 一种铁磁材料磁滞特性的模型参数辨识方法
Li et al. Analytical calculation of the phase inductance profile of switched reluctance machines
Li et al. An enhanced analytical calculation of the phase inductance of switched reluctance machines
Aschemann et al. Sliding mode control and observer-based disturbance compensation for a permanent magnet linear motor
RU181861U1 (ru) Универсальный вычислитель магнитного потока электромагнитного подшипника
Fu et al. Reduction of computing time for steady-state solutions of magnetic field and circuit coupled problems using time-domain finite-element method
Stuikys et al. A refined approach exploiting tubes of flux for analysis of linear switched reluctance motors
Qiao et al. Analysis of magnetic properties of AlNiCo and magnetization state estimation in variable-flux PMSMs
Bjelić et al. Computer simulation of theoretical model of electromagnetic transient processes in power transformers
Özüpak Performing Structural Design and Modeling of Transformers Using ANSYSMaxwell
Boucheta et al. Adaptive backstepping controller for linear induction motor position control
Cherno Control of resonant electromagnetic vibrational drive using a digital filtering algorithm based on discrete Fourier transform
CN113255285B (zh) 基于ja模型与对偶原理的单相四柱式变压器的建模方法
Yan et al. Dynamic circuit model considering core losses and phase interaction for switched reluctance machines
Pokharel et al. A gapless ferromagnetic Core reactor-magnetic equivalent circuit and inductance
Seifert et al. Consideration of Hysteresis, Saturation, Fringing and Leakage Fluxes in the Frequency-Dependent Analytical Model of Nonlaminated Cylindrical Actuators
Connaughton et al. Fast estimation of best achievable inductor power density in circuit simulation (with dc-bias effects)
Korol et al. Method for determining the magnetic characteristics of high-coercive permanent magnets
Makarovic et al. An intermediate finite element tool for static analysis and design of linear actuators