RU2539690C1 - Способ бессенсорного управления положением ротора в бесконтактных подшипниках - Google Patents
Способ бессенсорного управления положением ротора в бесконтактных подшипниках Download PDFInfo
- Publication number
- RU2539690C1 RU2539690C1 RU2014102552/07A RU2014102552A RU2539690C1 RU 2539690 C1 RU2539690 C1 RU 2539690C1 RU 2014102552/07 A RU2014102552/07 A RU 2014102552/07A RU 2014102552 A RU2014102552 A RU 2014102552A RU 2539690 C1 RU2539690 C1 RU 2539690C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rotor
- control
- bearings
- phase
- control elements
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 16
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 2
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 9
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000002706 hydrostatic effect Effects 0.000 description 2
- 102220057728 rs151235720 Human genes 0.000 description 2
- 238000000418 atomic force spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области энергомашиностроения, в частности к электромеханическим преобразователям энергии на бесконтактных подшипниках. Технический результат заключается в повышении точности управления и повышении надежности электрической машины с ротором на бесконтактных подшипниках. Способ бессенсорного управления положением ротора заключается в том, что измеряют электродвижущую силу каждой фазы электрической машины и раскладывают ее на гармонические составляющие, измеряют выходное напряжение машины и представляют его в двухфазной системе координат, в которой рассчитывают эквивалентные токи, измеряют скорость вращения ротора, и по изменению первой, третьей, девятой и сорок третьей гармоники электродвижущей силы судят о пространственном положении ротора, а по изменению напряжений, частоты вращения и эквивалентных токов в двухфазной системе координат судят об угловой координате ротора. Информация об изменении пространственного положения ротора и угловой координате поступает в регулятор и силовой преобразователь, которые регулируют величину воздействия управляющих элементов. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к области энергомашиностроения, в частности к электромеханическим преобразователям энергии на бесконтактных подшипниках.
Известен механизм с магнитным подвесом ротора (а.с. СССР №1569932, H02K 7/09, 1990 г.), в котором каждый канал системы содержит датчик положения ротора, пропорционально-интегрально-дифферснциальный регулятор, силовой преобразователь и два электромагнита.
Недостатком данной конструкции является сложность ее технической реализации и невысокая надежность, вызванная тем, что в данной системе применяются датчики перемещения ротора, которые необходимо устанавливать внутри корпуса электромеханического преобразователя энергии.
Известна конструкция системы управления магнитным подшипником (патент РФ №2181922 C2, H02P 6/16, H02K 7/09, H02K 29/06, 2002.04.27), каждый канал управления которой содержит датчик положения ротора, силовой преобразователь, два электромагнита, причем обмотки электромагнитов подключены к силовому преобразователю, каждый канал которого снабжен интегральным регулятором и форсирующим регулятором второго порядка, причем выход интегрального регулятора соединен с прямым входом форсирующего регулятора второго порядка, выход которого соединен со входом силового преобразователя, а выход датчика положения ротора соединен с инверсными входами обоих регуляторов.
Недостатком данной конструкции является сложность ее технической реализации и невысокая надежность, вызванная тем, что в данной системе применяются датчики перемещения ротора.
Известна конструкция магнитного подшипника (патент РФ №2246644 C1, F16C 32/04, 2005.02.20), в которой модуль управления содержит формирователь вектора радиального перемещения ротора, соединенный выходом через блок динамической обработки сигнала радиального отклонения со входом формирователя управляющих токов в обмотках управления радиальной опоры, который выходами подключен ко входам соответствующих усилителей мощности канала стабилизации радиального положения ротора, выходы которых являются первыми управляющими выходами модуля управления, блок контроля процесса управления, выполненный с возможностью передачи управляющей информации в систему автоматического управления машины, выпрямитель напряжения выходами соединен через емкостный фильтр с входами регулятора напряжения и источника вторичного электропитания, выполненного с возможностью подключения к выводам электропитания всех блоков модуля управления, причем один из выходов емкостного фильтра и выход регулятора напряжения являются третьими управляющими выходами модуля управления, при этом входы формирователя вектора радиального перемещения ротора являются первыми информационными входами модуля управления, а формирователь управляющих токов в обмотках управления радиальной опоры выполнен с возможностью реализации векторной стабилизации ротора по осям в радиальных направлениях.
Недостатком данной конструкции также является сложность ее технической реализации и невысокая надежность, вызванная тем, что в данной системе применяются датчики перемещения ротора, которые необходимо устанавливать внутри корпуса электромеханического преобразователя энергии.
Известен способ управления неустойчивостью в гидродинамических подшипниках (патент РФ №2399803, F16C 17/02, 08.06.2005), по которому управления неустойчивостью гидродинамических подшипников, включающих гидродинамические подшипники, используемые в узлах высокоскоростных роторов или валов, включающий использование магнитного подшипника в комбинации с гидродинамическим подшипником, причем гидродинамический подшипник используют в качестве подшипника, воспринимающего основную нагрузку, а магнитный подшипник используют в качестве средства управления неустойчивостью в гидродинамическом подшипнике.
Недостатком такого способа является сложность его технической реализации и невысокая надежность, вызванная тем, что в данной системе применяются датчики перемещения ротора, которые необходимо устанавливать внутри корпуса электромеханического преобразователя энергии.
Известен способ управления ротором в активных магнитных подшипниках (Журавлев Ю.Н. «Активные магнитные подшипники: Теория, расчет, применение» - СПб.: Политехника, 2003. - 206 с.: ил., стр.98), по которому измеряют электрическую величину - ток в обмотки электромагнита активного магнитного подшипника, электрически соединенного с регулятором и силовым преобразователем и по величине тока судят о положении ротора и управляют им.
Недостатком данного способа является невозможность контроля положения ротора при всех типах бесконтактных подшипников, и сложность технической реализации, связанная со значительным количеством информационных каналов, а также невозможность применения данного способа во всех типах гибридных магнитных подшипников (например, в комбинации газовых или гидростатических с магнитными подшипниками на постоянных магнитах).
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату относится способ бессенсорного управления активными магнитными подшипниками (патент US 5696412 A, H02K 7/09, 20.10.1993), по которому управляющие электромагниты, электрически соединенные с регулятором и силовым преобразователем, помещают коаксиально в упорядоченном массиве, окружающем ротор, и измеряют электрическую величину на их зажимах, в качестве которой выступает падение напряжения, путем сравнения абсолютной величины падения напряжения двух противоположных электромагнитов судят о величине смещения, исходя из которой рассчитывается величина управляющего тока.
Недостатком данного способа является сложность его технической реализации, связанная со значительным количеством информационных каналов и электромагнитов, а также ограниченные функциональные возможности, обусловленные невозможностью применения данного способа во всех типах гибридных магнитных подшипников (например, в комбинации газовых или гидростатических с магнитными подшипниками на постоянных магнитах) и отсутствием возможности измерения угловой координаты.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей, благодаря возможности контроля положения ротора при всех типах бесконтактных подшипников и возможности измерения угловой координаты ротора, повышение надежности электрической машины с ротором на бесконтактных подшипниках, благодаря управлению положением ротора без датчиков, только по параметрам электрической машины, повышение точности контроля и управления, а также упрощение технической реализации, благодаря минимизации количества информационных каналов.
Техническим результатом является повышение точности управления и повышение надежности электрической машины с ротором на бесконтактных подшипниках, а также возможность применения во всех типах гибридных магнитных подшипников.
Поставленная задача решается и указанный результат достигается тем, что в способе бессенсорного управления положением ротора в бесконтактных подшипниках, заключающемся в измерении электрической величины, согласно изобретению, измеряют электродвижущую силу каждой фазы электрической машины и раскладывают ее на гармонические составляющие, измеряют выходное напряжение электрической машины и представляют его в двухфазной системе координат, в которой рассчитывают эквивалентные токи, измеряют скорость вращения ротора, и по изменению первой, третьей, девятой и сорок третьей гармоники электродвижущей силы судят о пространственном положении ротора, а по изменению напряжений, частоты вращения и эквивалентных токов в двухфазной системе координат судят об угловой координате ротора, при этом информация об изменении пространственного положения ротора и угловой координате поступает в регулятор и силовой преобразователь, которые регулируют величину воздействия управляющих элементов.
Кроме того, согласно изобретению, управляющие элементы могут быть выполнены в виде электромагнитов.
Также, согласно изобретению, управляющие элементы могут быть выполнены в виде газовых подшипников.
Также, согласно изобретению, управляющие элементы могут быть выполнены в виде гидродинамических подшипников.
Существо изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображена расчетная схема электрической машины при смещении ротора. На фиг.2 изображен баланс сил, действующих на ротор на магнитных подшипниках (на фиг.2: R1 - сила реакции первого подшипника, R2 - сила реакции второго подшипника, Fm - сила тяжести, Fц - центробежная сила).
Пример конкретной реализации способа.
Изменение воздушного зазора в электрической машине на бесконтактных подшипниках представляется в виде:
где δ - рабочий воздушный зазор;
δn - номинальный воздушный зазор;
x, y - пространственные координаты ротора (величина смещения ротора по осям x и y);
α - угловая координата ротора (угол поворота ротора).
Зависимость пространственных координат ротора от изменения гармоник описывается выражением:
k1, k2, k3, k4 - коэффициенты аппроксимирующего полинома;
Δν - величина отклонения гармоники ЭДС относительно симметричного режима.
При этом угловая координата (угол поворота ротора) в выражении (2) определяется из системы уравнений:
LS, R - индуктивность и активное сопротивление фазы;
iq, id - эквивалентные токи в двухфазной системе координат;
Uq, Ud - напряжения в двухфазной системе координат;
Ф - магнитный поток в рабочем зазоре электрической машины;
ω - угловая скорость ротора.
Тогда, при смещении ротора на 25% от номинального положения под действием центробежных сил (фиг.2), например, в высокоскоростном трехфазном магнитоэлектрическом генераторе на магнитных подшипниках возникают колебания ротора, при этом измеряется кривая электродвижущей силы для фаз A, B, C, которая раскладывается на гармонические составляющие, и анализируются первая, третья, девятая, сорок третья гармонические составляющие, так как на данные гармоники смещение ротора оказывает наибольшее влияние. Полученные значения для первой, третьей, девятой, сорок третьей гармоники электродвижущей силы поступают, например, в микропроцессор Arduino, где они сравниваются со значениями симметричного режима, занесенными ранее в память микропроцессора, и если измеренные значения первой, третьей, девятой, сорок третьей гармонических составляющих электродвижущей силы отличаются от занесенных в память микропроцессора значений симметричного режима, то определяется величина отклонения первой, третьей, девятой, сорок третьей гармоники электродвижущей силы относительно симметричного режима и по отклонению судят о положении ротора в пространстве, так для фазы A, B, C высокоскоростного трехфазного магнитоэлектрического генератора на магнитных, газовых или гидродинамических подшипниках значения первой, третьей, девятой, сорок третьей гармоник ЭДС симметричного режима составляют соответственно 117,5 В, 117,55 В, 117,55 В, 7,46 В, 7,524 В, 7,351 В, 3,36 В, 3,335 В, 3,299 В, 7,22 В, 7,285 В, 7,379 В, а измеренные соответственно 120,63 В, 120,58 В, 120,63 В, 7,664 В, 7,649 В, 7,533 В, 3,47 В, 3,451 В, 3,423 В, 7,776 В, 7,803 В, 7,820 В. Угловая координата ротора, определяемая по измеряемому напряжению в двухфазных координатах, частоте вращения и рассчитанному эквивалентному току в двухфазных координатах составляет 25 градусов. Полученные пространственные и угловая координаты ротора поступают в регулятор, изготовленный, например, на микросхеме КР140УД708, транзисторах КТ829, КТ315Г, КТ852, где рассчитывается управляющая величина, которую необходимо подать на управляющие элементы, которыми могу быть электромагниты, газовые или гидродинамические подшипники. Как следствие, посредством силового преобразователя увеличивается воздействие управляющих элементов на ротор высокоскоростного магнитоэлектрического генератора, который под действием силы управляющих элементов возвращается в исходное номинальное положение, и высокоскоростной трехфазный магнитоэлектрический генератор на магнитных, газовых или гидродинамических подшипниках эксплуатируется в нормальном режиме работы.
Таким образом, осуществляется бессенсорное управление положением ротора в бесконтактных подшипниках.
Итак, заявляемое изобретение позволяет расширить функциональные возможности, благодаря возможности контроля положения ротора при всех типах бесконтактных подшипников и возможности измерения угловой координаты ротора, повысить надежность электрической машины с ротором на бесконтактных подшипниках, благодаря управлению положением ротора без датчиков, только по параметрам электрической машины, повысить точность контроля и управления, а также упростить техническую реализацию, благодаря минимизации количества информационных каналов.
В результате повышается точность управления и надежность электрической машины с ротором на бесконтактных подшипниках, а также появляется возможность применения во всех типах гибридных магнитных подшипников.
Claims (4)
1. Способ бессенсорного управления положением ротора в бесконтактных подшипниках, заключающийся в измерении электрической величины, отличающийся тем, что измеряют электродвижущую силу каждой фазы электрической машины и раскладывают ее на гармонические составляющие, измеряют выходное напряжение электрической машины и представляют его в двухфазной системе координат, в которой рассчитывают эквивалентные токи, измеряют скорость вращения ротора, и по изменению первой, третьей, девятой и сорок третьей гармоники электродвижущей силы судят о пространственном положении ротора, а по изменению напряжений, частоты вращения и эквивалентных токов в двухфазной системе координат судят об угловой координате ротора, при этом информация об изменении пространственного положения ротора и угловой координате поступает в регулятор и силовой преобразователь, которые регулируют величину воздействия управляющих элементов.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что управляющие элементы выполнены в виде электромагнитов.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что управляющие элементы выполнены в виде газовых подшипников.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что управляющие элементы выполнены в виде гидродинамических подшипников.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014102552/07A RU2539690C1 (ru) | 2014-01-27 | 2014-01-27 | Способ бессенсорного управления положением ротора в бесконтактных подшипниках |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014102552/07A RU2539690C1 (ru) | 2014-01-27 | 2014-01-27 | Способ бессенсорного управления положением ротора в бесконтактных подшипниках |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2539690C1 true RU2539690C1 (ru) | 2015-01-27 |
Family
ID=53286613
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014102552/07A RU2539690C1 (ru) | 2014-01-27 | 2014-01-27 | Способ бессенсорного управления положением ротора в бесконтактных подшипниках |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2539690C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2656871C1 (ru) * | 2017-04-28 | 2018-06-07 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Способ управления положением ротора электрической машины на бесконтактных подшипниках (варианты) и электрическая машина для его реализации |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5696412A (en) * | 1993-10-20 | 1997-12-09 | Iannello; Victor | Sensor-less position detector for an active magnetic bearing |
| RU2181922C2 (ru) * | 1999-11-16 | 2002-04-27 | Самарский государственный технический университет | Система управления электромагнитным подвесом ротора |
| US20020074883A1 (en) * | 2000-10-16 | 2002-06-20 | Akira Yamauchi | Magnetic bearing apparatus |
| RU2431916C1 (ru) * | 2007-09-27 | 2011-10-20 | Мицубиси Электрик Корпорейшн | Контроллер вращающейся электрической машины |
| RU2477561C2 (ru) * | 2007-09-12 | 2013-03-10 | Спал Аутомотиве С.Р.Л. | Электрический привод и способ управления им |
-
2014
- 2014-01-27 RU RU2014102552/07A patent/RU2539690C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5696412A (en) * | 1993-10-20 | 1997-12-09 | Iannello; Victor | Sensor-less position detector for an active magnetic bearing |
| RU2181922C2 (ru) * | 1999-11-16 | 2002-04-27 | Самарский государственный технический университет | Система управления электромагнитным подвесом ротора |
| US20020074883A1 (en) * | 2000-10-16 | 2002-06-20 | Akira Yamauchi | Magnetic bearing apparatus |
| RU2477561C2 (ru) * | 2007-09-12 | 2013-03-10 | Спал Аутомотиве С.Р.Л. | Электрический привод и способ управления им |
| RU2431916C1 (ru) * | 2007-09-27 | 2011-10-20 | Мицубиси Электрик Корпорейшн | Контроллер вращающейся электрической машины |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2656871C1 (ru) * | 2017-04-28 | 2018-06-07 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Способ управления положением ротора электрической машины на бесконтактных подшипниках (варианты) и электрическая машина для его реализации |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5892628B2 (ja) | ベアリングレスモータ | |
| US11286983B2 (en) | Control device and a method for controlling magnetic levitation and torque generation | |
| Wang et al. | Control of suspending force in novel permanent-magnet-biased bearingless switched reluctance motor | |
| CN101542891B (zh) | 同步电动机的无传感器控制装置 | |
| CN104283477B (zh) | 一种基于转矩观测的异步电机矢量控制磁场定向矫正方法 | |
| EP2688196B1 (en) | Motor exciting device and motor exciting method and motor control device and motor control method | |
| CN103051270A (zh) | 控制永磁铁同步电动机的d轴电流的电动机控制装置 | |
| CN103959642A (zh) | 旋转机的控制装置及旋转机的电感测定方法 | |
| JP2003299391A (ja) | 回転電機の制御装置 | |
| Bauer et al. | Experimental characterization of a bearingless rotating field axial-force/torque motor | |
| US9337765B2 (en) | Method for operating an electrical machine | |
| Tsunoda et al. | Vibration control for a rotor supported by oil-film bearings using a bearingless motor | |
| Henzel et al. | 711. The analysis of the control system for the bearingless induction electric motor | |
| RU2539690C1 (ru) | Способ бессенсорного управления положением ротора в бесконтактных подшипниках | |
| Tsunoda et al. | Frequency response function measurement utilizing radial excitation force generated by permanent magnet synchronous motor | |
| Lim et al. | Control of Lorentz force-type self-bearing motors with hybrid PID and robust model reference adaptive control scheme | |
| CN110086394B (zh) | 控制装置 | |
| JP2009027799A (ja) | 円筒形同期電動機システム、並びに円筒形同期電動機の磁極位置検出方法およびその駆動方法 | |
| Vitner et al. | Experimental verification of the hybrid magnetic bearing operation | |
| EP2694828B1 (en) | A conical magnetic bearing | |
| Miyamoto et al. | Verification of a novel 5-axis active control type bearingless canned motor pump utilizing passive magnetic bearing function for high power | |
| Zimon et al. | 734. Field-circuit modeling of AMB system for various speeds of the rotor | |
| RU2656871C1 (ru) | Способ управления положением ротора электрической машины на бесконтактных подшипниках (варианты) и электрическая машина для его реализации | |
| Li et al. | Bearingless motor's radial suspension force control based on virtual winding current analysis | |
| JP7507998B2 (ja) | ベアリングレスモータの制御装置、モータシステムおよびベアリングレスモータの制御方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160128 |