Разработка и исследование электропривода стенда для испытания вертолётных трансмиссий
На правах рукописи
ХОЛИН Андрей Владимирович РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА СТЕНДА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ВЕРТОЛЁТНЫХ ТРАНСМИССИЙ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва 2012 2
Работа выполнена на кафедре Автоматизированного электропривода Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследователь ский университет «МЭИ».
Научный консультант:
Осипов Олег Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры Ав томатизированного электропривода НИУ «МЭИ».
Официальные оппоненты:
Овсянников Евгений Михайлович, доктор технических наук, профессор кафедры «Электротехника и компьютеризированные электромеханические системы» Московского государственного технического университета «МАМИ»;
Грехов Виктор Петрович, кандидат технических наук, профессор кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» Московского государственного открытого университета.
Ведущее предприятие: ФГУП «Центральный институт авиационного моторостроения им. П. И. Баранова» (ЦИАМ).
Защита диссертации состоится 15 июня 2012 года в аудитории М- в 16 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ» по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 13, корпус М.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ» Отзывы на автореферат с подписями, заверенными печатью учреждения (в двух экземплярах), просим направлять по адресу: 111250, г.
Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет НИУ МЭИ и e-mail:
Автореферат разослан « » мая 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157. канд. техн. наук, доцент Цырук С.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы.
Обеспечить высокие требования к повышению экономичности, надёж ности, ресурса и безопасности полётов вертолетов невозможно без организа ции всесторонних комплексных испытаний заложенных в конструкцию вер толетов отдельных узлов и агрегатов на всех этапах их создания. С этой це лью создаются самые разнообразные стенды для различных видов испыта ний, в том числе испытательные установки для вертолётных трансмиссий.
При этом в качестве испытательных установок для вертолётных трансмиссий нередко используются натурные стенды, где в роли приводных двигателей используются штатные авиадвигатели, а нагружение механической передачи осуществляется за счёт несущего и рулевого винтов вертолёта. Эти установ ки при высоком качестве проведения испытаний не отвечают требованиям высокой экономичности, надёжности, максимальной автоматизация процесса испытания, унификации технических решений и экологии. В наибольшей ме ре этому отвечают электромеханические испытательные комплексы. Однако сложность технологической и энергетической взаимосвязи между многодви гательными электроприводами подобных стендов для испытаний вертолет ных трансмиссий из-за наличия упругостей в кинематических узлах их меха низмов создают ряд проблем при реализации подобных комплексов. К ним следует отнести:
- обоснование мощности элементов силовой части и систем многодвига тельного электропривода механизмов испытательной установки с учетом энергетических связей между ними;
- выбор наиболее экономичного технического решения построения си ловых цепей электропривода;
- создание систем управления электроприводами испытательной уста новки, обеспечивающих все её технологические требования, включая требо вания по подавлению крутильных колебаний в трансмиссионных валах уста новки;
- создание математической модели многодвигательного электропривода установки, учитывающей особенности построения его силовой части и сис темы управления и адекватной технической реализации привода установки;
- исследование режимов работы многодвигательного электропривода, оценку влияния на них технологических параметров установки;
- диагностирование технического состояния электропривода установки.
Целью диссертационной работы является разработка, совершенство вание и исследование многодвигательного электропривода стенда для испы таний вертолётных трансмиссий с обеспечением его технологической и энер гетической эффективностью, включая подавление крутильных колебаний ва лов из-за наличия упругостей в механических узлах стенда.
Достижение поставленной цели потребовало:
- разработки и выбора элементов силовой части многодвигательного электропривода стенда, анализа его энергетических режимов работы и обос нования выбора мощности привода стенда;
- разработки и анализа математической модели механической части стенда для испытаний вертолетных трансмиссий, а также исследования ее частотных характеристик и переходных функций с учётом упругостей в ме ханических узлах стенда;
- разработки и анализа математической модели силовой электрической части многодвигательного электропривода стенда;
- разработки и исследования систем управления приводными двигате лями и нагрузочными генераторами испытательного стенда, ограничиваю щих крутильные колебания валов трансмиссии на допустимом уровне;
- исследования влияния технологических параметров привода стенда на динамические и энергетические режимы работы многодвигательного элек тропривода установки;
- разработки алгоритмов диагностирования технического состояния электропривода испытательного стенда.
Методика исследований. Теоретические исследования основывались на общих положениях теории электропривода и теории автоматического управления, методов структурного моделирования. При моделировании ис пользовались программные пакеты Matlab 7.5.0/Simulink и MathCAD 14.0.
Исследования проводились на основе математической модели многодвига тельного электропривода стенда для испытания главных редукторов вертолё тов Ка-226.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Обоснованы технологические требования к многодвигательному электроприводу стенда для испытания силовых трансмиссий вертолетов.
2. Обоснован вариант электрической схемы испытательного стенда, при котором электрическая энергия с выхода нагрузочных генераторов по ступает в цепь питания приводных электродвигателей и из сети потребляется лишь энергия для покрытия потерь в элементах стенда.
3. Предложена математическая модель силовой механической части стенда для испытания трансмиссий вертолетов, представляющая пятимассо вую систему с массами двух двигателей, двух генераторов и массой испы туемого редуктора.
4. Разработана и исследована математическая модель силовой электри ческой части стенда, учитывающая наличие в ней отсекающих вентилей.
5. Разработаны системы управления приводными двигателями и нагру зочными генераторами стенда, обеспечивающие ограничение крутильных колебаний в трансмиссионных валах установки на уровне технологически допустимых.
6. Предложен структурно-топологический метод определения чувстви тельности передаточных функций системы управления электроприводом к отклонению ее параметров и на его основе дана оценка влияния параметров многодвигательного электропривода стенда на его динамические показатели.
7. Предложен алгоритм диагностирования электропривода испытатель ного стенда.
Практическое значение работы заключаются в следующем:
1. Обоснованы мощности элементов силовой части электропривода стенда. Произведен выбор электрических машин и силовых преобразова тельных устройств электропривода. На их основе определены энергетические показатели привода стенда для различных режимов испытания вертолётных трансмиссий.
2. Выявлены резонансные частоты в механической части электропри вода стенда, обусловленные наличием в его кинематических звеньях упругих элементов.
3. Разработаны системы управления электродвигателями и электроге нераторами стенда, обеспечивающие основные технологические требования к стенду.
4. Определены параметры регуляторов систем управления каждым из приводных двигателей и нагрузочных генераторов стенда. Дана оценка влия ния параметров электропривода на его динамические показатели.
5. Путем анализа функций чувствительности электропривода к откло нению его параметров предложен алгоритм его технического диагностирова ния и выделения в нем дефектов.
6. На основе разработанных математических моделей электропривода стенда для испытаний главных редукторов вертолетов типа Ка-226 выполне ны исследования статических, динамических и энергетических режимов его работы.
Реализация результатов работы.
Результаты теоретических исследований приняты к использованию при проектировании, технической реализации и наладке стендов для испытания трансмиссий вертолетов Ка-226.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов под тверждены правомерностью принятых исходных допущений и предпосылок, корректным применением методов теорий электропривода, автоматического управления и математического моделирования.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Вариант построения многодвигательного электропривода стенда для испытания вертолётных трансмиссий, при котором основная мощность элек тропривода циркулирует в замкнутом энергетическом контуре, а мощность потребления из сети определяется лишь потерями в элементах стенда.
2. Пятимассовая математическая модель механической части стенда, учитывающая наличие в ней упругих элементов и присутствие диссипатив ных сил трения.
3. Математическая модель силовой электрической части многодвига тельного электропривода стенда с учетом отсекающих вентилей.
4. Способ и система управления приводными двигателями и нагрузоч ными генераторами постоянного тока, обеспечивающие основные техноло гические требования к электроприводу стенда для испытания вертолетных трансмиссий, включая ограничение крутильных колебаний их валов.
5. Результаты теоретических исследований электропривода стенда для испытания трансмиссий вертолётов на основе его математической модели.
6. Структурно – топологический метод определения функций чувстви тельности электропривода к изменению параметров его механической части, а также метод диагностирования электропривода, основанный на анализе функций чувствительности.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на VI Международной (XVII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу (г. Тула, 2010 г.), на XV и XVI Международных научно-технической конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (МЭИ, г. Мо сква, 2009, 2010 гг.).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубли ковано в 7 печатных трудах, в том числе одном издании, входящем в пере чень рекомендованных ВАК РФ по направлению «Энергетика».
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из вве дения, четырех глав, заключения и списка литературы из 60 наименований и 3 приложений объемом 9 страниц. Работа изложена на 160 страницах основ ного текста, содержит 153 рисунка и 11 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, ее на учная и практическая значимость. Сформулированы цель и основные задачи работы.
В первой главе дана характеристика исследуемого объекта управле ния и рассмотрена функциональная схема механической части стенда для испытаний главных редукторов вертолета Ка-226. Упрощённый вариант функциональной схемы приведён на рис. 1. Испытуемый редуктор ВР- (ИР) приводится во вращение электродвигателями Д1 и Д2 через приводные мультипликаторы (редукторы) ПМ1 и ПМ2. Редуктор имеет два выходных вала – наружный вал НВ нижнего несущего винта и внутренний вал ВВ верхнего несущего винта.
Нагрузочные электрические генераторы Г1 и Г2 соединены с выход ными валами испытуемого редуктора через нагрузочные мультипликаторы НМ1 и НМ2, которые крепятся к выходным валам испытуемого редуктора через пластинчатые муфты. На валах двигателей и генераторов расположены датчики частоты вращения. Датчики крутящих моментов расположены на валах нагрузочных генераторов, а так же на выходных валах приводных мультипликаторов.
Рис. На основе крутящего момента, скорости испытуемого редуктора и тех нологических режимов его работы определены силовые параметры привод ных и нагрузочных мультипликаторов (редукторов), включая требуемые мощности электрических двигателей и генераторов.
Системой электропривода принята система тиристорный преобразова тель – двигатель постоянного тока (ТП-Д). Определены потери в электриче ских машинах и в механических элементах стенда в зависимости от режима его работы. Представлена энергетическая диаграмма стенда для одной пары «генератор - двигатель» (рис. 2), где учтены: РСЕТИ - мощность, потребляемая стендом из сети переменного тока;
РТР - потери в согласующем трансфор маторе;
РТП - потери в тиристорном преобразователе;
Р1 Д - электрическая мощность на входе двигателя;
Р Д, Р ПМ - потери в приводных двигателе и мультипликаторе;
Р ИР - потери в испытуемом редукторе, включающие в се бя потери мощности в генераторе бортовой сети, поскольку они не возвраща ется в основной контур циркуляции мощности;
РНМ - потери в нагрузочном мультипликаторе;
Р2 НМ - механическая мощность на выходе нагрузочного мультипликатора (мощность на входе генератора);
Р Г - потери в генераторе;
Р1 Г - электрическая мощность на выходе генератора.
Рис. Каждый из приводных электрогенераторов стенда должен выполнять две основных функции:
- функцию нагрузочной машины, работающей в длительном основном (взлётном) режиме;
- функцию двигателя, обеспечивающего вращение испытуемого редук тора, а также компенсацию потерь в элементах контура нагружения и штат ных агрегатов, присоединенных к испытуемому редуктору в длительном ре жиме авторотации.
Следовательно, нагрузочные генераторы в режиме авторотации должны быть приводными двигателями и снабжены устройством, обеспечивающим их перевод в двигательный режим работы. Электродвигатели в режиме авторо тации должны отключаться от источника питания и не должны создавать кру тящего момента либо момента нагрузки.
На основании требований к комплексным испытаниям трансмиссий вертолетов сформулированы технологические и метрологические требования к электроприводу испытательного стенда и системам его управления.
Отклонение частоты вращения входных валов испытуемых редукторов от заданных значений в установившемся режиме приняты не более ±2,5%, а в переходных режимах – не более ±4% от максимального значения. Время восстановления частоты вращения – не более 30 с.
Система управления нагрузкой трансмиссии должна обеспечивать пе регрузку в 40% от максимального значения крутящего момента во взлётном режиме.
Допустимая погрешность по постоянной составляющей нагрузочного крутящего момента в установившемся режиме не должна превышать ±2,5% от максимального значения.
Амплитуда переменной составляющей нагрузочных крутящих момен тов не должна превышать на установившемся режиме ±2,5% от максималь ного значения постоянной составляющей. Амплитуда переменной состав ляющей крутящих моментов в переходных режимах не должна превышать ±4% от максимального значения крутящего момента. Величина вибропе регрузок на входных валах главного редуктора не должна превышать мм/с.
Система регулирования электропривода должна обеспечивать задан ный темп плавного разгона стенда до номинальной частоты вращения, бес ступенчатое регулирование и стабилизацию частоты вращения при измене нии нагрузок, а также однодвигательный и двухдвигательный режимы рабо ты с имитацией штатного запуска и раздельного опробования двигателей.
Должно обеспечиваться управление нагрузкой трансмиссии крутящими моментами валов верхнего и нижнего несущих винтов в соответствии с за данной циклограммой испытаний, стабилизация этих крутящих моментов в рабочих режимах и заданная динамика переходных процессов при изменении нагрузок.
Система управления электроприводом должна обладать демпфирую щими свойствами, достаточными для подавления колебаний, обусловленных упругостями в механической части стенда.
Во второй главе рассмотрена кинематическая схема стенда для испы тания трансмиссий вертолётов. Исходная кинематическая схема была преоб разована к виду, представленному на рис. 3. Это пятимассовая механическая система с двумя суммарными приведёнными массами приводных двигателей ( J МД1 и J МД 2 ), двумя суммарными приведёнными массами нагрузочных ге нераторов ( J МГ1 и J МГ 2 ) и одной суммарной приведённой массой испытуемо го редуктора ( J МИР ). С Д 1 и С Д 2 - суммарные приведённые жёсткости первого и второго входных валов испытуемого редуктора соответственно;
С Г 1 и С Г - суммарные приведённые жёсткости первого и второго выходных валов ис пытуемого редуктора соответственно;
М СМД1 и М СМД 2 - суммарные моменты сопротивления трения, действующие на суммарные массы первого и второго двигателей соответственно;
М СМИР - момент сопротивления, действующий на суммарную массу испытуемого редуктора;
М СМГ1 и М СМГ 2 - суммарные мо менты сопротивления трения, действующие на суммарные массы первого и второго генераторов соответственно;
М Д 1 и М Д 2 - электромагнитные двига тельные моменты, создаваемые первым и вторым двигателями соответствен но;
М Г 1 и М Г 2 - электромагнитные тормозящие моменты, создаваемые пер вым и вторым генераторами соответственно.
Рис. Структурная схема кинематических связей стенда показана на рис. 6 в составе общей модели электропривода испытательного стенда.
На основании полученной модели был проведён анализ частотных свойств механической части, построены логарифмические амплитудно частотные характеристики (ЛАЧХ) переходных функций между различными точками системы. Так на рис. 4 приведены ЛАЧХ передаточной функции от момента приводного двигателя к скорости генераторов Г1 и Г2 с учётом дис сипативных сил.
Рис. Как видно из рис. 4, механическая часть испытательного стенда имеет резонансные частоты в районе 20 рад/с, 42 рад/с и 800 рад/с ( ~ 3 Гц, 7 Гц, и 127 Гц). На низких частотах механическая часть системы ведёт себя как ин тегрирующее звено с моментом инерции, равным суммарному приведённому моменту инерции всех элементов стенда.
Третья глава посвящена разработке математической модели силовой электрической части привода стенда при наличии в ней отсекающих венти лей, а также ее исследованию. Схема силовой электрической части электро привода стенда представлена на рис. 5. Она включает в себя: нереверсивные тиристорные преобразователи ТП1, ТП2;
приводные двигатели Д1, Д2;
на грузочные генераторы Г1, Г2;
отсекающие вентили V1 V4.
Рис. Ток, протекающий через каждый из двигателей, определяется как сум ма двух составляющих. Ток первого двигателя: i Д 1 i1 Д 1 i2 Д 1, где i1 Д 1 - со ставляющая тока двигателя Д1 от тиристорного преобразователя ТП1, i2 Д 1 составляющая тока двигателя Д1 от генераторов. Ток второго двигателя:
i Д 2 i1 Д 2 i2 Д 2, где i1 Д 2 - составляющая тока двигателя Д2 от тиристорного преобразователя ТП2, а i2 Д 2 - составляющая тока двигателя Д2 от генерато ров. При этом также i1 Д 1 iТП1, а i1 Д 2 iТП 2, поскольку ток от тиристорноного преобразователя не может протекать через диоды, и оба тиристорных преоб разователя являются нереверсивными.
Поскольку последовательно с каждым из генераторов установлен диод, то ток генератора может течь только в одном направлении и только в случае положительного напряжения анод - катод на диоде.
Значения токов I 1 Д 1, I1Д 2 I 2 Д 1, I 2 Д 2 в операторной форме:
EТП 1 ( p) E Д 1 ( p) EТП 2 ( p) E Д 2 ( p) ;
I 1 Д 2 ( p).
I 1 Д 1 ( p) Z Д 1 ( р) Z ТП 1 ( р) Z Д 2 ( р) Z ТП 2 ( р) U Г ( p) E Д 1 ( p) U Г ( p) E Д 2 ( p) ;
I 2 Д 2 ( p).
I 2 Д 1 ( p) Z Д 1 ( р) Z Д 2 ( р) Здесь: ЕТП 1, ЕТП 2 - ЭДС на выходе преобразователей ТП1 и ТП2;
Е Д 1, Е Д 2 - противоЭДС двигателей Д1 и Д2;
U Г - напряжение на параллельно включенных генераторах;
Z Д 1 L Д 1 p R Д 1, Z Д 2 L Д 2 p R Д 2 - операторные сопротивления якорных цепей двигателей;
Z ТП 1 LТП 1 p RТП 1, Z ТП 2 LТП 2 p RТП 2 - операторные сопротивления тиристорных преобразова телей.
Структурная схема электрической части стенда показана на рис. 7 в со ставе общей модели электропривода испытательного стенда.
Четвёртая глава посвящена разработке систем управления приводны ми электродвигателями и нагрузочными электрогенераторами испытательно го стенда. На рис. 6 представлена обобщенная модель электропривода испы тательного стенда, включающая в себя модель механической части, модель силовой электрической части и модель систем управления отдельными элек трическими машинами. Модель силовой электрической части более подроб но показана на рис. 7. Модель силовой электрической части включает в себя нелинейные блоки переключателей (Switch), а так же релейные блоки, моде лирующие свойства электрических вентилей (диодов и тиристоров). Аргу мент некоторых передаточных функций (оператор p) в целях упрощения на рис.7 не отражен.
Блок Switch UГ определяет величину напряжения на параллельно включённых нагрузочных генераторах. Блоки Switch IГ1 и Switch IГ2 опреде ляют токи якоря генераторов Г1 и Г2 в зависимости от разницы между на пряжениями UГ1 и UГ2 на якорях генераторов. Релейные блоки Relay Relay4 определяют возможность или невозможность прохождения состав ляющих токов двигателей: I 1 Д 1, I1Д 2, I 2 Д 1, I 2 Д 2.
Управление скоростью каждого из приводных двигателей обеспечива ется двухконтурной системой подчинённого регулирования с внутренним контуром тока якоря и внешним контуром скорости. Система регулирования момента каждого из нагрузочных генераторов также двухконтурная: с внут ренним контуром тока возбуждения генератора и внешним контуром упру гого момента на валу генератора. На рис. 7: U ЗСД 1, U ЗСД 2 - сигналы задания скорости двигателей Д1 и Д2;
U ЗМГ1, U ЗМГ 2 - сигналы задания момента на грузки генераторов Г1 и Г2;
WРСД 1, WРСД 2 - передаточные функции регулято ров скорости двигателей Д1 и Д2;
WРТД 1, WРТД 2 - передаточные функции ре гуляторов тока якоря двигателей Д1 и Д2;
W РМГ1, W РМГ 2 - передаточные функции регуляторов упругого момента на валах генераторов Г1 и Г2;
W РТВГ 1, WРТВГ 2 - передаточные функции регуляторов тока возбуждения гене раторов Г1 и Г2. Все регуляторы выбраны пропорционально - интегральны ми.
Рис. Рис. На основе ЛАЧХ и ЛФЧХ разомкнутой системы управления коорди натами электропривода стенда были определены параметры регуляторов всех контуров их регулирования, обеспечивающие минимальную величину упругих колебаний без ухудшения переходных процессов в приводе. Все ло гарифмические характеристики строились для линеаризованной системы управления.
Рис. Рис. На рис.8, 9 представлены ЛАЧХ замкнутой системы управления элек троприводом стенда, где входным сигналом является сигнал задания скоро сти двигателя, а выходным – скорость испытуемого редуктора (рис. 8) и уп ругий момент на его входном валу (рис. 9). На характеристиках рис. 8 име ются «всплески» на частотах 20, 42 и 800 рад/с, а на рис.9 на частотах 20, 42, 60 и 800 рад/с, обусловленные наличием упругих элементов в механической части привода стенда. При этом относительные колебания скорости меньше, чем для момента.
В связи с возможным изменением параметров механической части ис пытательного стенда важно оценить, насколько тот или иной ее параметр оказывает влияние на динамические свойства электропривода стенда. Для этого использовалась чувствительность Sb ( p )( p ) передаточной функции W ( p) W системы управления электроприводом к изменению его технологического параметра b :
W( p ) b Sb ( p ) ( p ) W.
b W( p ) При структурно – топологическом методе ее определения система управления представлялась в форме графа, где каждое ее звено отражалось в виде ребра с передаточной функцией звена, а входные и выходные перемен ные этих звеньев - в виде узлов. Чувствительность передаточной функции системы между входной и выходной точками графа к изменению параметра b с применением структурно – топологического метода определена как:
WK ( p ) K( p) b ( p) b Sb ( p ) ( p ) W K, b WK ( p ) K( p) b ( p) K где WK ( p ) - передаточная функция к-го прямого пути от входной точки к выходной точке графа;
K ( p ) - к-й минор определителя системы, получен ной из исходной путём удаления всех рёбер, входящих и исходящих из уз лов, лежащих на к-м прямом пути от входной точки к выходной точке графа;
W0i ( p )W0 j ( p )W0l ( p ) - определитель ( p) 1 W0i ( p ) W0i ( p )W0 j ( p ) i ij ijl системы;
W0i ( p ) - передаточные функции линейно независимых контуров графа, где любой из контуров содержит такое ребро, которое отсутствует в других контурах;
W0i ( p ) и W0 j ( p ) - передаточные функции пар контуров, несоприкасающихся рёбрами;
W0i ( p ), W0 j ( p ) и W0l ( p) - передаточные функ ции троек контуров, несоприкасающихся рёбрами и т. д.
В качестве входной точки системы было принято задание скорости двигателя, а в качестве выходных точек – электромагнитный момент двига теля либо упругий момент на его валу. На рис. 10 приведены ЛАЧХ функций чувствительности системы к изменению момента инерции массы первого приводного двигателя. Из характеристик видно, что чувствительность сис темы с выходом по электромагнитному моменту двигателя стремится к нулю (к - в логарифмическом масштабе) как на высоких частотах, так и на низ ких, а чувствительность системы с выходом по упругому моменту на высо ких частотах стремится к единице (к 0 в логарифмическом масштабе). Про верка правильности нахождения функций чувствительности была проведена путём построения ЛАЧХ собственно системы: исходной и при изменении соответствующего параметра.
Рис. На примере функций чувствительности к изменению моментов инер ции масс приводного двигателя (SJМД1), нагрузочного генератора (SJМГ1), ис пытуемого редуктора (SJМИР), а также упругостей, соединяющих массы при водного двигателя (SCД1) и нагрузочного генератора (SCГ1) с массой испытуе мого редуктора, можно рассмотреть методику диагностирования систем управления электроприводами испытательного стенда.
Для логического сравнения различной реакции поведения замкнутой системы электропривода стенда на тестовые гармонические возмущения с характерными частотами, функции чувствительности преобразовываются к логической форме представления. Чувствительность передаточных функций к отклонению параметра показывает, насколько изменился динамический ко эффициент передачи K(1) между входной и выходной точками системы при изменении данного параметра. Если чувствительность стремится к единице, то изменение коэффициента K на частоте 1 существенно, если чувствитель ность стремится к нулю, то несущественно. Примем, что если чувствитель ность Sb(1) 0,6, то K(1) существенно и новой логической переменной Rb(1) присваивается значение «1». Если же 0 Sb(1) 0,2, то K(1) несу щественно и Rb(1) присваивается значение «0». Если чувствительность ле жит в пределах 0,2 Sb(1) 0,6, то значение Rb(1) не анализируется. В табл.1 представлены логические значения функций чувствительности RJМД1, RJМИР, RJМГ1, RCД1, RCГ1 на тестовых частотах 0,1;
10;
500 рад/с для передаточ ной функции от сигнала задания на скорость первого двигателя до упругого момента на валу первого двигателя.
Таблица, рад/с RJМД1 RJМИР RJМГ1 RCД1 RCГ 0,1 0 1 1 0 10 0 1 0 0 500 1 1 0 1 Рис. Пример алгоритма диагностирования механической части испытатель ного стенда дан на рис. 11. Для выявления отклонения J МИР от первоначаль ного значения достаточно, чтобы логическое значение чувствительности сис темы (от задания скорости к упругому моменту) на частоте 10 рад/с было равно единице. Это означает, что амплитуда сигнала на выходе системы из менилась существенно и, следовательно, существенно изменился динамиче ский коэффициент передачи системы. Для выявления отклонения J МГ1 доста точно, чтобы логическое значение чувствительности системы было равно ну лю на частоте 10 рад/с, равно нулю на частоте 500 рад/с и равно единице на частоте 0,1 рад/с. Для выявления отклонения С Г 1 достаточно, чтобы логиче ское значение чувствительности системы было равно нулю на частоте рад/с, равно нулю на частоте 500 рад/с и равно нулю на частоте 0,1 рад/с. Ес ли логическое значение чувствительности равно нулю на частоте 10 рад/с и равно единице на частоте 500 рад/с, то причина изменения свойств системы в изменении С Д 1 или J МД1, так как логические функции чувствительности к по следним двум параметрам неразличимы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ 1. Определены основные технологические требования к электроприво ду стенда для испытания вертолетного редуктора. На основе технологиче ской части стенда для испытания вертолетного редуктора, кинематических его параметров и режимов работы определены мощности приводных и нагру зочных электромашин стенда.
2. Представлена силовая электрическая часть привода стенда на основе машин постоянного тока, отличающаяся высокой энергетической эффектив ностью за счет обмена энергией между приводными и нагрузочными элек тродвигателями стенда и обеспечивающая потребление из сети лишь энер гии, необходимой для покрытия потерь мощности в элементах стенда. Опре делены зависимости потерь мощности в силовых элементах стенда от техно логических режимов его работы.
3. Впервые разработана математическая модель механической части привода стенда как пятимассовой системы и определены параметры ее структурной схемы. Для исследования статических и динамических свойств механической части привода стенда ее математическая модель представлена в программе Simulink Matlab с учетом диссипативных сил трения в механи ческих узлах стенда.
4. На основе разработанной математической модели механической части привода определены ЛАЧХ и ЛФЧХ передаточных функций между электромагнитными моментами приводных двигателей;
скоростями привод ных генераторов и испытуемого редуктора;
упругими моментами на выход ных валах испытуемого редуктора как во взлётном режиме, так и в режиме авторотации. Определены резонансные частоты механической части испыта тельного стенда: 3 Гц, 7 Гц, 127 Гц.
5. Впервые в программе Simulink Matlab разработана математическая модель силовой электрической части привода с учетом отсекающих диодов в цепях питания электрических машин стенда.
6. На основе математических моделей механической и электрической частей привода испытательного стенда дан анализ динамических свойств их переменных в разомкнутой системе управления. Доказана необходимость применения замкнутой системы управления электроприводом стенда с це лью исключения в нем недопустимых колебаний моментов и скоростей при вода, обусловленных наличием в приводе упругих механических звеньев.
7. Впервые разработана обобщенная модель электропривода испыта тельного стенда, включающая в себя модели силовой электрической и меха нической частей привода и замкнутой системы их управления. Определены и дан анализ ЛАЧХ и ЛФЧХ контуров регулирования координат электропри вода стенда в разомкнутой и замкнутой системах управления. На их основе рекомендованы параметры регуляторов координат привода, обеспечиваю щие желаемое качество переходных процессов координат. Исследованы пе реходные свойства замкнутой системы электропривода стенда, подтвер ждающие работоспособность привода.
8. Разработан граф системы управления приводными двигателями стенда и на его основе структурно – топологическим методом дан анализ чувствительности передаточных функций системы управления к изменению параметров механической части стенда и пример алгоритма диагностирова ния замкнутой системы электропривода стенда.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих ра ботах:
1. Иванов Г. М., Новиков В. И., Осипов О. И., Холин А. В. Элек тропривод стенда для испытаний силовой трансмиссии вертолётов. // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3: в 5 ч. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. Ч. 3 с. 107-112.
2. Осипов О. И., Холин А. В., Чикин М. А. Энергосберегающий элек тропривод стенда для испытания трансмиссий;
тез. доклада // Радиоэлектро ника, Электротехника и Энергетика. // Шестнадцатая международная научно техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. докл. в 3-х т. - М.:
Издательство МЭИ, 2010, т.2., с. 156-157.
3. Осипов О. И., Холин А. В. Энергосберегающий электропривод стен да для испытаний трансмиссий. // Электропривод и системы управления // Труды МЭИ. Вып.685. – М.: Издательство МЭИ, 2009., с. 40-45.
4. Осипов О. И., Холин А. В. Анализ динамики электропривода стенда для испытаний силовой трансмиссии вертолётов. // Электропривод и системы управления // Труды МЭИ. Вып.686. – М.: Издательство МЭИ, 2010., с. 53-61.
5. Осипов О. И., Холин А. В. Выбор параметров системы управления испытательного стенда. // Электропривод и системы управления // Труды МЭИ. Вып.687. – М.: Издательство МЭИ, 2011, с. 9-13.
6. Осипов О. И., Холин А. В. Чувствительность системы регулирования натяжения корда к изменению её параметров;
тез. доклада. Радиоэлектрони ка, Электротехника и Энергетика. // Пятнадцатая международная научно техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. докл. в 3-х т. - М.:
Издательство МЭИ, 2009, т.2., с. 142-143.
7. Иванов К. А., Осипов О. И., Холин А. В. Чувствительность системы регулирования натяжения корда к изменению её параметров. // Электропри вод и системы управления // Труды МЭИ. Вып.684. – М.: Издательство МЭИ, 2009, с. 10-17.