WWW.MASH.DOBROTA.BIZ
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - онлайн публикации
 

«КУЛЬМУХАМЕТОВА Александра Ссриковна ЭЛЕКТРОПРИВОД НА ОСНОВЕ ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ АППАРАТА ИСКУССТВЕННОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ ЛЁГКИХ ...»

На правах рукописи

КУЛЬМУХАМЕТОВА Александра Ссриковна

ЭЛЕКТРОПРИВОД НА ОСНОВЕ ВЕНТИЛЬНОГО

ДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ АППАРАТА ИСКУССТВЕННОЙ

ВЕНТИЛЯЦИИ ЛЁГКИХ

Специальность:

05.09.03 — «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

-6МАР2014

Челябинск - 2013

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования ЮжноУральском государственном университете на кафедре электромеханики и электромеханических систем доктор технических наук, профессор

Научный руководитель:

Воронин Сергей Григорьевич доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Мугалимов Риф Гарифович ФГБОУ ВПО «Магаитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», профессор кафедры электротех1шки и электротехнических систем кандидат технических наук, доцент Хакимьяпов Марат Ильгизович ФГБОУ ВПО "Уфимский государственный нефтяной технический университет", доцент кафедры электротехники и электрооборудовшшя предприятий Федеральное государственное бюджетное



Ведущая организация:

образователыюе учреждение высшего профессионального образования «Ившювский государственш1Й энергетаческий университет имеш! В.И. Ленина»

Защита диссертации состоится «25» апреля 2014 г. в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д-212.288.02 при ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» по адресу:

450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12 .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет»

Автореферат разослан «20» февраля 2014 года .

Ученый секретарь диссертационного совета, А.В. Месропян доктор технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Акт5'альность работы определяется необходимостью организации производства и оснащения медицинских учреждений страны отечественной высокоэффективной медицинской техникой, в частности, аппаратурой искусственной вентиляции лёгких (АИВ Л) .

Аппараты искусственной вентиляции лёгких используются, чаще всего, в критических ситуациях, связанных с угрозой жизни пациента. Поэтому эффективность и надёжность их действия напрямую влияют на решение вопроса сохранения его жизни. Более 80% потребностей отечественной медицины в АИВЛ покрывается за счет покупки аппаратов иностранного производства. В России на текущий момент производством АИВЛ з а т м а е т с я целый ряд предприятий например ОАО «Уральский приборостроительный завод», г. Екатеринбург, фирма «Тритон-Электронике», г. Екатеринбург, ООО «ФакторМедТехника», г. Москва, НПК «Оптима», г. Санкт-ГТетербург. Однако, в своих разработках эти предприятия используют электроприводы преимущественно зарубежного производства, которые, наряду с очевидными достоинствами, имеют и определенные недостатки, такие как, например, ременные передачи, наличие которых значительно снижает ресурс и надежность электропривода. Учитывая солидные затраты зарубежных производителей на рекламу (маркетинг), отечественным предприятиям, при использовании тех же самых (импортных) электроприводов, пока удается охватить не более 15—20% отечествешюго рынка .



При этом, современное состояние науки и техники в России позволяет разрабатывать и изготавливать электроприводы АИВЛ, которые не уступают зарубежным аналогам по основным характеристикам, а по некоторым и превосходят их, обеспечивая конкурентное преимущество как на отечественном, так и на зарубежном рынках .

В последнее время в электроприводах АИВЛ нашли применение вентильные электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов, имеюище высокие удельные показатели и отличную управляемость. При этом в поршневых компрессорах чаще всего использовались приводы с высокоскоростными двигателями и понижаюшими скорость вращения механизмами. Это существетпю сокращало ресурс работы привода, понижало его надёжность и повышало стоимость. Кафедра ЭМЭМС ЮУрГУ одна из первых предложила использовать безредукторный привод. С одной стороны это позволило существенно уменьшить скорость вращения двигателя и исключить узел понижения скорости, соответственно повысив ресурс его работы и уменьшив стоимость. С другой стороны поставило ряд вопросов, возникающих при создании безредукторного привода. К ним следует отнести обеспечение равномерности вращения, сокращение числа информационных датчиков, диагностики состояния, снижение энергопотребления и др .

Исследованием низкооборотных приводов с ВД, в том числе и для медищшской техники, занимались С.А. Петрищев, А.Ф. Шевченко, Д.В. Коробатов, В.А. Лифанов, С.Г. Воронин, Г. Б. Вяльцев и целый ряда других авторов. Однако в работах указанных авторов практически не рассмотрены вопросы векторного управления ВД, слабо освещеиы вопросы обеспечения заданных динамических свойств, равномерности в р а щ е т м двигателя, минимизации электрических потерь, диагностики его состояния. Между тем, при создании электропривода АИВЛ эти вопросы выступают на первый план. Например, равномерность вращения двигателя напрямую влияет на равномерность воздупшого потока, поступающего в лёгкие и строго регламентируется. Без их решения, как показала практика, невозможно создание удовлетворяющего спещ1фическим требованиям, конкурентноспособного электропривода АИВЛ .

На основании изложенного целью работы является развитие теории безредукторных электроприводов с вентильными двигателями для аппаратов искусственной вентиляции лёгких

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Анализ и систематизация требований, предъявляемых к электроприводам АИВЛ, обоснование выбранного типа и разработка электропривода, максимально удовлетворяющего предъявляемым требованиям на основе исследований способов коммутации и описания динамических процессов .

2. Определение алгоритмов коммутации вентильного двигателя, обеспеЧ1геающих максимальное значение электромагнитного к.п.д. двигателя





3. Разработка алгоритмов управления электроприводом аппарата искусственной вентиляции легких на основе исследований динамических режимов в управляемом синхронном режиме и методов демпфирования колебаний ротора .

4. Разработка методов непрерывной диагностики состояния электропривода в процессе его эксплуатации, обеспечивающих получение информации, необходимой для прогнозирования отказов .

5. Уточнение математических моделей динамических процессов электропривода в составе АИВЛ .

6. Внедрение разработанных электроприводов для аппаратов искусственной вентиляции легких .

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались теоретические и эмпирические методы исследования, базирующихся на фундаментальных положениях теории электромеханического преобразования энергии, теории автоматического управления, а также методы математического моделирования с использованием стандартных компьютерных программ .

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждается следующим:

- при математическом описании и моделировании электромеханических преобразователей использовапы общепринятые в электромеханике и теоретической электротехнике, проверенные практическими разработками допущения;

- адекватность используемых математических моделей, результаты моделирования и теоретических исследований подтверждены экспериментальными данными, полученными автором;

— основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях различного уровня и опубликованы в печати, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК .

Научное значение работы:

— теоретически обоснованы условия, в виде соотношения электромагнитной и электромеханической постоянных, при которых динамическая модель ВД с возбуждением от постоянных магнитов с достаточной степенью точности соответствует динамической модели классического коллекторного двигателя постоянного тока;

— установлено, что при определённом соотношении параметров электродвигателя дискретная 120-фадусная коммутация по энергетическим показателям не проифывает векторному управлению и с этой точки зрения может оказаться даже более предпочтительной;

— установлено, что при векторном управлении за счет регулирования угла коммутации ВД при изменении скорости вращения появляется возможность не только решать вопросы минимизации энергопотребления двигателя, по и существенно изменять его механические характеристики;

— разработан упрощенный алгоритм векторного управления ВД в управляемом синхронном режиме, обеспечивающий высокую равномерность вращения двигателя при стабильной нагрузке на валу;

— предложен новый метод оценки электромагнитного момента двигателя по измеряемым электрическим координатам, которая одновременно осуществляет диагностику механической части ИВ Л и управление электроприводом .

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

— аналитические соотношения электромагнитной и электромеханической постоянных, при которых динамические процессы в ВД могут рассматриваться в виде линейных дифференциальных уравнений, либо в виде нелинейной модели с перекрестными связями;

— )Т1рощенный алгоритм векторного управления ВД в управляемом синхронном режиме;

— метод оценки электромагнитного момента двигателя по измеряемым электрическим координатам;

Научная новизна работы заключается в следующем:

— впервые определены условия, ограничивающие область существования упрощенной и полной моделей ВД;

— теоретически показана возможность оптимизации энергетических показателей двигателя и качественного изменения вида его механической характеристики путем регулирования угла коммутации в функции от скорости вращения ротора;

— разработан метод определения электромагнитного м о м е т а по измеряемым электрическим координатам, позволяющий одновременно решать вопросы диагностики состояния двигателя и управления им в рабочем режиме — дано теоретическое обоснование и разработана практическая схема реализации управляемого синхронного режима ВД, отличающегося значительным сокращением требуемого вычислительного ресурса при реализации векторного управления по сравнению с другими известными методами .

Практическое значение работы заключается в следующем:

-обосновано, что в больпшнстве случаев для АИВЛ компрессорного типа предпочтительно применение электропривода, построенного на основе вентильньк электродвигателей (ВД) с векторным управлением;

- определены соотношения параметров электродвигателя, при которых дискретная 120-градусная коммутация по энергетическим показателям не проигрывает векторному управлению;

- разработан упрощенный, с точки зрения объёма используемого вычислительного ресурса, алгоритм векторного управления ВД обеспечивающий высокую равномерность вращения двигателя при стабильной нагрузке на валу;

- внедрены в производство разработанные электроприводы, по техническим характеристикам и эксплуатационным свойствам не уступающие лучшим современным отечественным и зарубежным образцам

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на конференциях:

- на ХХХХГ Всероссийском симпозиуме по механике и процессам управления «Механика и процессы управления» (г. Миасс, 2011 г.);

- на IV международной научно-практической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (ТГУ, Тольятти, 2012 г.);

- на международной научно-практической конференции «РЬмерения: состояние, перспективы развития» (ЮУрГУ, Челябинск, 2012 г.);

- на международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (ИГЭУ, Иваново, 2013 г.);

- на II научной конференции аспирантов и докторантов (ЮУрГУ, Челябинск, 2010 г.);

- на научно технических конференциях Южно-Уральского государственного университета (2008-2013 гг.) .

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ, из них 4 работы опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ .

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав основного текста объемом 113 страниц, заключения, списка литературы из 112 наименований, трех приложений. Общий объем диссертации 145 страниц, включая 37 рисунков и 3 таблиц .

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована акиуальность темы, определены цели, методы исследования, научная новизна и практическая значимость, сформулированы основные положения, выносимые на занщту .

Первая глава посвящена анализу состояния и перспектив развития АИВЛ на ближайшее время .

Приводится класслфикация аппаратов ИВЛ и медико-технические требований к ним. Обобщаются принципы построения аппаратов ИВЛ, представлена структурная схема современных АИВЛ. Показаны существующие типы приводов, используемые в аппаратах искусственной вентиляции легких. Отмечено, что электропривод является наиболее универсальным исполнительным элементов аппарата ИВЛ, обладающим преимуществом по сравнению с другими типами приводов. С помощью него относительно просто могут быть решены вопросы повышения ресурса, снижешм электропотребления и расширения функциональных возможностей аппарата ИВЛ .

Определены вопросы, которые необходимо решить для эффективного использования электропривода в составе ИВЛ, а именно:

- систематизация требований к электроприводу в соответствии с назначением аппаратов и их конструкцией;

- сравнительная оценка и обоснованный выбор наиболее рационального типа исполнительного электродвигателя привода и его конструкции;

- разработка методов и практических схем диагностики состояния в рабочем режиме;

- математическое описание и модели электропривода в составе аппарата ИВЛ;

- решение вопросов обеспечения заданного быстродействия электропривода;

- поиск алгоритмов управления, обеспечивающих заданное качество переходных процессов и минимизацию энергопотребления привода в динамических режимах .

Во второй главе определены требования к электроприводу по глубине регулирования, по равномерности частоты вращения, по надежности, по требуемой частоте вращения, к динамическим режимам, к способу питания, энергопотреблению и к сигналам управления .

Проведен сравнительный анализ применяемых электроприводов, сделан вывод о преимуществах применения вентильного двигателя (ВД) с возбуждением от постоянных магнитов, которые в зарубежной литературе рассматриваются как синхронные двигатели с постоянными магнитами (СДИМ) управляемый от инвертора напряжения (PMSM - permanent magnet synchronous motor) .

На основании общих принципов построения вентильных приводов предложена функциональная схема электропривода. Исследованы и определены условия, при которых динамические процессы в ВД могут рассматриваться либо как в эквивалентном коллекторном двигателе, то есть в виде линейных дифференциальных уравнений, либо как в синхронном двигателе с фиксированным углом нагрузки 6, т.е. в виде нелинейной модели с перекрестными связями .

Сделан вывод, что при приближенном выполнении условиях где т, е электромагнитная постоянная времени обмотки якоря в относительных единицах, Б - относительная скорость двигателя, статорпая цепь ВД может рассматриваться как апериодическое звено первого порядка. Во всех других случаях необходимо ее рассматривать как колебательное звено .

Если выполняется условие где т„ - механическая постоянная времени, то без ограничения динамическая модель ВД может быть представлена эквивалентной моделью коллекторного двигателя. Если данное условие не выполняется, то представление ВД эквивалентной моделью коллекторного двигателя возможно только при выполнении вышеуказанного условия.

В противном случае для описания динамических процессов необходимо использовать уравнения:

; - |,Гп1 - - + Тз(р)) + т Ы т. е в ш е +. (1) = (2) где ц, ц - относительное значение тока по поперечной оси и электромагнитного момента соответственно, р — оператор дифференцирования, ц^. - относительное значение момента сопротивления на валу двигателя, у-управляющий сигнал регулирования напряжения .

При вьтолнении условия Ют, динамическая модель ВД без ограничений приближенно может быть представлена передаточной функцией Проведена сравнительная оценка различных способов коммутации ВД {120-ти градусная коммутация, 180-ти градусная коммутация и векторное управление) при одинаковом значении параметра относительной инд^тстивности обмотки и относительной скорости вращения двигателя (4 и е ), были рассчитаны электромагнитная мощность и электромагнитный к.п.д. двигателя .

Сделаны следующие выводы;

1. Для двигателей с относительно малой индуктивностью обмотки 1) наибольший к.п.д. получаем при 120-градусной коммутации, немного уступает векторное управление. .

2. При 4 1 у ВД с векторным управлением и со 180-градусной коммутацией зависимости Т1(0) и Рэ(0) практически совпадают и имеют максимум по электромагнитной мощности и к.п.д .

3. При 120-градусной коммутации для рассматриваемых значений параметров при изменении угла коммутации от О до я/2 величина электромагнитной мощности и К. П. Д. с увеличением 9 падает. Таким образом, для этого способа коммутации, как по электромагнитной мощности, так и по к.п.д. оптимальным является значение угла 0 = 0 .

Поскольку для векторного управления и 18(-градусной коммутации бьши выявлены максимумы по злектромапгатной мощности и к.п.д., были определены углы коммутации, которым соответствуют указанные максимумы, построено семейство аппроксимирующих зависимостей позволяющее выбрать оптимальный угол коммутации во всем диапазоне скоростей вращения ротора ВД заданной конструкции (параметру = по критерию максимума электромагаитного к.п.д., в случаях использования 180-градусной коммутации или векгорпого управления .

При векторном управлении за счет регулирова1тя угла коммутации ВД при изменении скорости вращения показана возможность не только решать вопросы минимизации энергопотребления двигателя, но и существенно изменять его механические характеристики от присущих двигателю постошшого тока независимого возбуждения до аналогичных двигателям последовательного возбуждения .

В третьей главе представлена сравнительная оценка бездатчиковьк способов управления ВД. Обоснована сложность использования рассмотренных методов, особенно с точки зрения оценки начального положения ротора либо использования вычислительной мощности .

Предложен достаточно простой алгоритм векторного управления с использованием синхронного режима работы. ВД, обеспечивающий существенное уменьшение количества используемых вычислительных ресурсов по сравнению с другими алгоритмами векторного управления и заданную равномерность частоты вращения привода при стабильной нагрузке на валу двигателя .

Для повышения энергоэффективности ВД в синхронном режиме, согласно предложенному алгоритму, производится регулирование величины вектора поля статора. Для этого введен контур регулирования тока статора, который поддерживает такой тока в обмотке статора, который бы обеспечивал среднее значение угла нагрузки равным 90 эл.град, при этом мгновенное значение, может существенно колебаться. Начальное положение вектора поля статора 0о, может бьггь сформировано в соответствии с известными законами позиционной коммутации .

Согласно предлагаемому алгоритму, изменение модуля вектора статора происходит при выполнении одного из двух условий: либо переключился датчик Холла, либо вектор поля статора переместился на середину текущего контрольного интервала (сектор между углами я/2-бкр и л/2+0^ от момента переключения предыдущего МКИ) .

Например, датчик Холла переключился, но при этом угол нагрузи меньше чем л/2, то согласно алгоритму, произойдет уменьшение модуля вектора поля статора. А если вектор поля статора пересек середину контрольного интервала, а датчик Холла не переключился, вектор поля статора будет увеличен .

Если ротор ВД вращается со скоростью, отличающейся от синхронной (переходный режим), или вообще не вращается (пусковой режим), для классического синхронного привода такой режим соответствует выходу из синхронизма и потере работоспособности. В предлагаемом алгоритме эта проблема решается переходом в ре?ким, близкий к позиционной коммутации, которьш может быть назван режимом синхронизации .

В том случае, когда скорость ротора меньше синхронной, и увеличение тока статора не привело к синхронизации, с течением времени угол нагрузки будет увеличиваться и при достижении критическом значении угла нагрузки 0кр. (выход за границу контрольного интервала), возможен выход из синхронизма. Тогда происходит значительно увеличение тока статора и принудительно устанавливается начальное значение угла нагрузки .

В случае, когда скорость ротора больше синхрогаюй, т.е. датчик Холла переключился раньше, чем вектор поля статора достиг контрольного интервала, происходит уменьшение тока статора, вплоть до О, т.е. переход в режим динамического торможения .

Таким образом, даже отсутствие переключения датчиков Холла позволяет получить информацию, необходимую для управления, и, соответственно, поддерживать синхронный режим двигателя .

Основным недостатком работы Б Д в управляемом синхронном режиме является достаточно высокая колебательность ротора, присущая всем синхронным двигателям и приводящая к неравномерности вращения ротора. Поэтому в диссертахрш большое внимание уделено исследованию динамики управляемого синхронного режима и методов демпфирования колебаний ротора, т.е. коррекции системы управления. Для описания динамических режимов используется полученная в гл. 2 упрощенная структурная схема БД, в которой в связи с особегаостями синхронного режима принято 9о= уаг. В результате структурная схема получит вид (рис. 1), где к1(0,ео), кгСбо) - коэффициенты, определяемые точкой установившегося режима .

–  –  –

= Ы р ) - скалярные передаточные функции, имеюище третий порягде и/р) док. Каждая из передаточных функций в этой матрице устанавливает связь между одной парой воздействий или координат системы. Приведём только одну из них, остальные будут отличаться только числителем .

(6) У(Р)' 1+ + Т^Р ) + Р + Г(8т е - СцХ^ созв) Анализ линеаризованной математической модели ВД (рис. 1) и передаточных функций по различным каналам управления позволяет сформулировать различ1п1е стратегии управления вентильным приводом для всех режимов его работы .

В синхронном режиме работы ВД для повышения точности подцержания скорости при колебаниях нагрузки введём в закон управления составляющую, зависящую от вариации электромагнитного момента. Такая дополнительная обратная связь в зависимости от поддерживаемого скоростного режима и величины нагрузки должна корректировать либо амплитуду (у), либо фазу (9(,) напряжения питания ВД .

При цифровой реализации последнего варианта зависимость сдвига фазы напряжения питания ВД от величины возмущающего момента сводится к передаточной функции ^, где коэффициент к определяется в зависимости от скорости 8о и вариации момента Дд. Результаты моделирования и экспериментальных исследований привода подтвердили эффективность такой достаточно просто реализуемой коррекции .



Описанный алгоритм внедрен в электроприводе компрессора аппарата искусственной вентиляции легктс (ИВЛ). Его применение обеспечивает относительные пульсации менее 1,5 % в диапазоне частот от 10 об/мин до 1000 об/мин. Следует особо отметить, что применение данного алгоритма позволило удовлетворить жесткие требования по стабилизации частоты вращения и энергопотреблению (электропривод ИВЛ питается от автоношюго источника), недостижимые с другими алгоритмами, без какой-либо доработки аппаратной части, рассчиташюй лишь на позиционную коммутацию обмоток статора ВД. Более того, из электропривода удалось исключить энкодер, используемый ранее как датчик обратной связи по частоте вращения в контуре стабилизации .

В четвертой главе рассмотрены методы непрерывного контроля состояния изоляции, показано, что для оценки величины сопротивления между фазными обмотками и корпусом двигателя эффективно использование измерения величины его ёмкостной составляющей. При этом удаётся определить не только состояние изоляции на момент контроля, но оценить тенденции её изменения и предотвратить возникновение аварийного режима Рассмотрены задачи регламентирования или ограш1чения электромагнитного момента двигателя, а также определения величины момента сопротивления на его валу, при отсутствии возможности установки дополнительных датчиков момента по конструктивным соображениям. Предложен метод идентификации указанных координат по другим, наблюдаемым коордршатам и параметрам, в случае, когда напряжение на фазных обмотках, изменяется по синусоидальному закону, на основании которого появилась возможность диагностировать состояние АИВЛ, как механической части, так и электрической, т.к .

любая неисправность ведет к изменению момента сопротивления. Указанный метод позволяет одновременно осуществлять диагностику механической части ИВЛ и решать вопросы управления электроприводом с обеспечением заданных статических характеристик динамических свойств .

При решении этой задачи было принято допущение о том, что в п-фазном двигателе имеем ротор с неявно выраженными полюсами в виде постоянных маппггов, поэтому можно считать, что индуктивности по продольной и попереч1юй осям статорной обмотки одинаковы Одновременно принято предположение о равенстве активных сопротивлений, индуктивностей и э.д.с .

фазных обмоток, а также, что фазные э.д.с. синусоидальны и сдвинуты на 120 эл. градусов .

Полученное решеш1е для определения электромагнитного момента выглядит следующим образом:

–  –  –

или ТдЕ « 1. В этом случае мнимая часть комплексно-сопряжённых корней характеристического уравнения системы пренебрежимо мала по сравнению с их действительной частью, колгалексно-сопряжённые корни превращаются в два кратных действительных корня и колебательной составляющей переходного процесса можно пренебречь. Тогда изображение электромагнитного момента будет иметь вид

–  –  –

(14) где Х„ - корень наблюдателя, V - вспомогательная переменная, ц - наблюдаемый момент .

Таким образом, реализация наблюдателя момента сопротивления чрезвычайно проста - на одном интеграторе. Так же, как и для наблюдателя электромагнитного момента двигателя, можно легко получить дискретную модель наблюдателя. Особенность наблюдателя момента сопротивления в том, что он работает совместно с наблюдателем электромагнитного момента. Синтез двух наблюдателей был проведен автономно, независимо друг от друга. Такой порядок синтеза предпочтительнее, чем синтез полноразмерного наблюдателя всех неизмеряемых координат объекта. Для подтверждения результатов было проведено компьютерное моделирование, качество оценивания в обоих случаях высокое, относительная ошибка не превышает 2% .

В пятой главе представлены результаты экспериментальных исследований и практические результаты работы .

С использованием предложенных методов и алгоритмов разработан и изготовлен турбинный медицинский компрессор КВМ-1 и проведена модернизация электроприводов АИВЛ Фаза-7 (ОАО «Уральский приборостроительный завод») и МУ 200 г15ипе (ООО фирма "Тритон-ЭлектроникС") .

Одна из отличительных особенностей компрессора КВМ-1 заключена в применении ВД с гладким якорем и «плоской» обмоткой, которая вставлена в воздушный зазор между статором и ротором, что значительно ут1рощает технологию изготовления электродвигателя. Другая, что разработанное устройство управления электродвигателем и компрессором (управляющий контроллер) выполнено с малыми габаритами (печатная плата диаметром 38 мм и высотой 5 мм) и встроено непосредственно в корпус кo^шpeccopa. Указанные особенности позволили снизить стоимость изделия при одновременном увеличении функционала. В аналогичном устройстве М1сго]аттег фирмы Ап1е1ек, с которым сравнивался разработанный компрессора, внутренний контроллер отсутствует и приобретается как внешнее устройство. При испытании у КВМ-1 был отключен встроенный режим стабилизации скорости, так как он отсутствует у Ате1ек. Проведенные испытания показали высокую энергетическую эффективность предложенных методов управления. При открытом выходном отверстии компрессора потребляемый устройством ток составил 2,5 А для КВМ-1 и 2,6 А для Ате1ек. Испытания в других режимах также показали преимущество разработанного компрессора .

Модернизация электроприводов АИВЛ Фаза-7 и МУ 200 г18Ьше заключалась в замене ВД производства Махоп (Швеция) и ременной передачи от двигателя к компрессору электродвигателем ДБ-70, разработанным ОАО «Миассэлектроаппарат», с прямым приводом на вал компрессора, и разработке нового управляющего контроллера для ВД. Исключение ременной передачи позволило значительно увеличить межремонтный интервал для электропривода и повысить его надежность. В процессе экспериментальных исследований проверялись пульсации потока, создаваемого компрессором АИВЛ, при минимальной частоте вращения ВД (10 мин"'), сравнивались токи, потребляемые приводом до и после модернизации, а также исследовались динамические возможности модернизированного привода при изменении частоты вращения ВД .

В результате исследований установлено, что с использованием разработанных алгоритмов управления пульсации частоты вращения ВД, обусловленные технологическими разбросами и наличием реактивного момента, при минимальной частоте вращения составляют не более 0,1 с"', что обеспечивает заданный уровень пульсаций потока компрессора не более 1 л/мин. Сравнение потребляемых токов показало, что модернизированный электропривод потребляет, в среднем, на 5,3 % меньше энергии, чем исходный. Проверка динамических возможностей модернизированного привода позволила определить время разгона и торможения ВД при изменении частоты вращения от 10 до 1000 мин', которое составило не более 38 мс, что полностью удовлетворяет требованиям (время разгона и торможения не более 50 мс), предъявляемым к электроприводу АИВЛ .

Таким образом, результаты экспериментальных исследований подтверждают теоретические положения, сформулированные в данной работе. Использование предложен11ых алгоритмов управления позволило без усложнения аппаратной части АИВЛ обеспечить за счет изменения программной части выполнение требований, предъявляемых к электропривод'. Более того, применение разработанных алгоритмов позволило исключить из конструкции электроприводов АИВЛ Фаза-7, МУ 200 21зЬте инкрементальный датчик положения ротора ВД (энкодер), снизив, стоимость привода и повысив его надежность .

На рис.2 представлен высокоскоростной турбинный компрессор для АИВЛ, а на рис.3, 4 показаны его составные элементы. На рис. 5 представлен поршневой низкоскоростной компрессор, а на рис.6 плата управления для него .

- 1,1 «. "

–  –  –

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертационной работе заложены теоретические основы и предпосылки для создания общих методов проектирования электроприводов для аппаратов искусственной вентиляции лёгких (ИВЛ). При этом решены вопросы обеспечения заданного быстродействия и равномерности вращения электропривода, непрерывной диагностики в рабочем режиме и повышения энергетических показателей привода .

Конкретные научные и практические результаты работы выражаются в следующем .

1. В результате анализа требований к электроприводу дано обоснование, что в большинстве случаев наиболее предпочтительным для аппаратов ИВЛ компрессорного типа оказывается применение электропривода, построенного на основе вентильных электродвигателей (ВД) с векторным управлением .

2. Методом математического моделирования, определены условия, в виде соотношения электромагнитной и электромеханической постоянных, при которых динамическая модель ВД с возбуждением от постоянных магнитов с достаточной степенью точности соответствует дш1амической модели классического коллекторного двигателя постоянного тока .

3. Путём анализа физических процессов и математического моделирования установлено, что при определённом соотношении параметров электродвигателя дискретная 120-градусная коммутация по энергетическим показателям не проигрывает векторному управлению и с этой точки зрения может оказаться даже более предпочтительной, при этом угол коммутации, соответствующий максимальному к.п.д. равен О эл.град .

4. На основе исследований динамических процессов двигателя в управляемом синхронном режиме разработан упрощенный, с точки зрения объёма используемого вычислительного ресурса, алгоритм векторного управления ВД, обеспечивающий неравномерность частоты вращения не более 5% при низкой частоте вращения, равной 10% от номинальной, при стабильной нагрузке .

5. Теоретически обосновано, что для оценки величины сопротивления между фазными обмотками и корпусом двигателя эффективно использование измерения величины его ёмкостной составляющей. При этом удаётся определить не только состояние изоляции на момент контроля, но оценить тенденции её изменения и предотвратить возникновение аварийного режима .

6. Представлен новый метод оценки электромагнитного момента двигателя по измеряемым электрическим координатам, который позволяет одновременно осуществлять диагностику механической части ИВЛ и решать вопросы управления электроприводом с обеспечением заданных статических характеристик динамических свойств .

7. Разработаны и внедрены в производство электроприводы, по техническим характеристикам и эксплуатационным свойствам не уступаюнще лучшим современным отечественным и зарубежным образцам и превосходящие их по энергетическим показателям на 5,3%, и ниже по стоимости в 1,5—2 раза .

–  –  –

В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Электромагнитный момент и момент сопротивления на валу синхронного электродвигателя с возбуждением от постоянных магнитов / С.Г. Воронин, Д.А. Курносов, Д.В, Коробатов, П.О. Шабуров, A.C. Кульмухаметова // Электротехника. - М: Знак, 2012. 2. - С.2-5 .

2. Кульмухаметова, A.C. Оперативная диагностика вентильного двигателя / A.C. Кульмухаметова // Вестник ЮУрГУ. серия «Энергетика». - 2012. вып. № 37(296). - С. 129-131 .

3. Воронш!, С.Г. Сравнительная оценка различных способов управления коммутацией вентильных двигателей по энергетическим показателям и регулировочным свойствам / С.Г. Вороюш, Д.А. Курносов, A.C. Кульмухаметова // Вестник ЮУрГУ. Серия Энергетика. - 2013 - т. 13, № 1. - С. 96-103 .

4. Воронин, С.Г. Векторное управление синхронными двигателями с возбуждением от постоянных магнитов / С.Г. Воронин, Д.А. Курносов, A.C. Кульмухаметова // Электротехника. - М: Знак, 2013. - № 10. - С. 50-54 .

В других изданиях:

5. Ддшамические модели вентильного двигателя при различных сочетаниях параметров / С.Г. Воронин, Д.В. Коробатов, Р.Т. Киякпаев, A.C. Кульмухаметова // Известие Академии электротехнических наук. - 2011. - С. 5 8-63

6. Метод контроля параметров изоляции электрооборудования в рабочих режимах / Н.В. Клиначев, Д.В. Коробатов, А.И. Согрин, A.C. Кульмухаметова И Сборхгак научных трудов «Механика и процессы управления» по материалам XXXXI Всероссийского симпозиума по механике и процессам управления. М:РАН. - 2011 - Т. 2. - С. 201-207 .

7. Система контроля параметров изоляции электрооборудования в рабочих режимах / Д.В. Коробатов, Н.В. Ютиначев, А.И. Согрин, A.C. Кульмухаметова // Межвузовский научный сборник «Электромеханика, электромеханические комплексы и системы». - Уфа: Редакционно-издательский комплекс УГАТУ. е. 63-68 .

8. Electromagnetic and resistance torque on a synchronous motor shaft with permanent magnet excitation / S.G. Voronin, D.A. Kumosov, D.V. Korobatov, P.O .

Shaburov, A.S. Kul'mukhametova // Russian Electrical Engineering. - 2012. - V. 83 .

- I s s u e 2. - P. 61-63 .

9. Коробатов, Д.В. Динамические модели и определение электромагаитного момента вентильного двигателя / Д.В. Коробатов, А.С. Кульмухаметова // «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии»: сборник трудов IV международной научно-практической конференции в 2 ч. - Тольятти:

Издательство ТГУ. - 2012. - Ч. 1.- С. 58-63 .

10. Оперативная диагностика электропривода запорной арматуры / С.Г. Воронин, Д.А. Курносой, Д.В. Коробатов, П.О. Шабуров, А.С. Кульмухаметова // «Измерения: состояние, перспективы развития»: тезисы докладов Международной научно-практической конференции. - Челябинск, Издательский центр Ю У р Г У. - 2 0 1 2. - Т. 1. - С. 70-72 .

11. Коробатов, Д.В. Управляемый синхронный режим в аппарате искусственной вентиляции легких / Д.В. Коробатов, А.С. Ку.льмухаметова, А.А. Шевченко // «Электротехнические комплексы и системы»: сборник научных трудов .

- 2 0 1 2. - № 2 0. - С. 79-82 .

12. Математическая модель динамических процессов в электроприводе запорной арматуры / С.Г. Воронин, Д.А. Курносов, П.О. Шабуров, А.С. Кульмухаметова // Электротехнические комплексы и системы»: сборник научных трудов. - 2012.- № 20.- С. 132-140 .

13.Кульмухаметова, А.С. Реализация векторного управления и синхронный режим вентильного электродвигателя / А.С. Кульмухаметова, Д.В. Коробатов // сборник трудов конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии»: материалы международной научно-технический конференции в 3 т. Иваново, ИГЭУ им. В.И. Ленина. - 2013 г. - Т. 3. - С. 111-113 .

14. Коробатов, Д.В. Программа диагностики параметров вентильного электродвигателя в рабочем режиме / Д.В. Коробатов, А.С. Кульмухаметова // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013616934 от 26.07.2013 г .

15. Voronin, S.G. Vector control of permanent-magnet synchronous motors / S.G .

Voronin, D.A, Kumosov, A.S. Kul'mukhametova H Russian Electrical Engineering .

- 2 0 1 3. - V. 8 4. - I s s u e 1 0. - p p. 581-585 .

–  –  –

ЭЛЕКТРОПРИВОД НА ОСНОВЕ ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ

ДЛЯ АППАРАТА ИСКУССТВЕННОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ ЛЁГКИХ

Специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»




Похожие работы:

«0412008 ООО БериллиУМ BerylliUM 115191, г. Москва, ул. Серпуховский вал, д.25/31 Тел./факс: 8 (095) 775-20-75(76), 8 (095) 955-05-04 E-mail: beryllium@co.ru, www.beryllium.ru Бериллиевые бронзы при литье металлов Бериллиевые бронзы для оснастки и литьевых форм для литья металлов в последнее время применяются все шире. Мног...»

«Газоанализатор многокомпонентный АНГОР-С РУКОВОДСТВО ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ Тел./Факс: 8-800-333-0496 (Звонок Бесплатный) E-Mail: info@analitpribory.ru WEB: www.analitpribory.ru Адрес: 214020, г. Смоленск, ул. Шевченко, д. 86 Поста...»

«eurocol – the strong connection Eurosafe Tack 523 EL Токопроводящий клей для ПВХ-покрытий Свойства: высокая начальная клеящая способность легко наносится нейтральный запах светлый цвет не содержит растворителей удельное сопротивление 3 х 10 (DIN EN 13415) пригоден под мебель на роликах пригоден д...»

«ТРИНИТИ программно-аппаратный комплекс ПРЕИМУЩЕСТВА ТЕРМИНАЛЬНОГО ДОСТУПА Дмитрий Огородников Заместитель генерального директора d_ogorodnikov@setec.ru Ключевые особенности терминального доступа...»

«Антистрессовый водорастворимый препарат нового поколения!!! Уникальный по составу и разработанный в Великобритании на основе длительных научных экспериментов по выяснению молекулярных механизмов развития стрессов и путей их предотвращения, включая регуляцию генов и нутригеномику. Из че...»

«серия ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ 97 5. Наладка средств автоматизации и автоматических систем регулирования: Справочное пособие. Под ред. А.С. Клюева.-М.: Энергоатомиздат.6. Техника чтения схем автоматического управления и технологического контроля. Под ред. А.С. Клюева. -М: Энергоатомизд...»

«ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ СТЭНЛИ ОКП 421281 ДАТЧИКИ (ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ) ДАВЛЕНИЯ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО КОРУНД-ДИГ-001М (ГИДРОСТАТИЧЕСКИЕ УРОВНЕМЕРЫ) РУКОВОДСТВО ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ КТЖЛ. 406233.002.02 РЭ 2011 г КТЖЛ.406233.002 РЭ 1. Введение... 3 2. Назначение...»

«МОДУЛИ ЛИНЕЙНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ СЕРИИ QCTF, QCTB ПАСПОРТ ПАСПОРТ Стр. 2 из 15 1 ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИЗДЕЛИЯХ Пневмоцилиндры поршневые (далее – цилиндры) предназначены для преобразования энергии сжатого воздуха в возвратно-поступательное движение поршня и штока...»




 
2019 www.mash.dobrota.biz - «Бесплатная электронная библиотека - онлайн публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.