УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬ МАГНИТНОГО ПОТОКА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОДШИПНИКА

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.
1
0
2
2
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 L, а влияние вихревых токов учтено включением параллельно с цепью намагничивания с индуктивностью L цепи, содержащей активное сопротивление R и индуктивность L, включенные последовательно. В результате структуру универсального ВМП можно описать системой уравнений следующего вида:
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;
1
I - общий ток в вычислителе;
0
I - ток намагничивания;
2
I - ток, обусловленный вихревыми токами в магнитопроводе;
Е - ЭДС, соответствующая потокосцеплению;
ΔI - разница токов вычислителя и в обмотке электромагнита;
в
K - коэффициент коррекции ВМП;
а
р
X' - относительное отклонение ротора (, где  - зазор между статором и ротором при центральном положении ротора Х=0);
0
L - индуктивность, соответствующая потокосцеплению при центральном положении ротора.
2
0
1
2
1
2
2
Структура данной системы уравнений (1) показывает, что по заданным входным величинам U, I и X' при известных параметрах электромагнита R, R, L, L, L можно вычислить сигнал потокосцепления ψ. Причем, по сравнению с прототипом, здесь включены дополнительные параметры L, L и R 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.
0
1
1
2
1
1
0
2
Функциональные звенья и их соединения, выполняющие следующие математические преобразования сигналов: перемножитель 5 сигналов X' и ψ, позволяющий учесть путем коррекции сигнала намагничивающего тока I на выходе сумматора 6 в соответствии с исходными уравнениями (1); сумматор 7, предназначенный для сравнения тока I в обмотке и общего тока I 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 I в активном и индуктивном сопротивлении рассеяния обмотки; интегратор 9, позволяющий на выходе получить сигнал ψ; апериодическое звено первого порядка 10, позволяющее вычислить составляющую тока I, 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 I; сумматор 12, определяющий на выходе величину сигнала общего тока I по его составляющим I и I.
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».
2
2
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 R и индуктивностью L, 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:
2
2
2
где Т=L/R - постоянная времени цепи вихревых токов,
s - оператор дифференцирования.
11
1
В многополюсных магнитных системах ЭМП возникает необходимость учитывать влияние потоков рассеяния. Для этой цели в ВМП включено звено 11. Передаточная функция W для этого звена при вычислении падения напряжения ΔU от общего тока I имеет следующий вид:
1
1
где T=L/R - постоянная времени, соответствующая потокам рассеяния.
1
0
2
Поскольку общий ток I представлен в виде двух составляющих I и I, 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.