WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 


Pages:   || 2 | 3 |

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

-- [ Страница 1 ] --

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Южно-Уральский государственный университет

(национальный исследовательский университет)

На правах рукописи

Кульмухаметова Александра Сериковна

ЭЛЕКТРОПРИВОД НА ОСНОВЕ ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ

ДЛЯ АППАРАТА ИСКУССТВЕННОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ ЛЁГКИХ

Специальность:

05.09.03 — «Электротехнические комплексы и системы»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор С.Г. Воронин Челябинск,

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

1. Аппараты искусственной вентиляции легких

1.1 Классификация аппаратов ИВЛ и требования к ним

1.2 Медико-технические требования к аппарату ИВЛ

1.3 Принципы построения аппаратов ИВЛ

1.4 Привод

1.5 Сравнительная оценка приводов аппаратов ИВЛ.

1.6 Выводы

2 Электроприводы аппаратов ИВЛ

2.1 Затраты мощности в аппарате ИВЛ

2.2 Требования к электроприводу

2.2 Применяемые типы электроприводов

2.3 Функциональная схема электропривода, построенного на основе ВД и краткое описание её элементов

2.4 Математическое описание ВД как динамической системы................. 2.5 Анализ энергетических режимов привода

2.5 Выводы

3. Векторное управление ВД

3.1 Сравнительная оценка бездатчиковых способов управления ВД....... 3.2 Управляемый синхронный режим

3.3 Динамические свойства привода в управляемом синхронном режиме

3.4 Выводы

4. Диагностика состояния электропривода и методы повышения его живучести

4.1 Общие методы оценки состояния элементов электропривода............ 4.2 Определение электромагнитного момента и момента сопротивления ВД

4.3 Выводы

5. Практическая реализация и экспериментальные исследования....... 5.1 Турбинный компрессор КВМ-1

5.2. Поршневые компрессоры аппаратов Фаза и ZisLine

5.3 Исследование КПД электродвигателя

5.4 Выводы.

Заключение

Список литературы

Приложение 1. Принципиальная схема блока управления двигателем.. Приложение 2. Листинг программы блока управления двигателем....... Приложение 3 Справки о внедрении результатов работы

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы определяется необходимостью организации производства и оснащения медицинских учреждений страны отечественной высокоэффективной медицинской техникой, в частности, аппаратурой искусственной вентиляции лёгких (АИВЛ).

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 занимается целый ряд предприятий например ОАО «Уральский приборостроительный завод», г. Екатеринбург, фирма «Тритон-Электроникс», г. Екатеринбург, ООО «ФакторМедТехника», г. Москва, НПК «Оптима», г. Санкт-Петербург. 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% отечественного 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, имеющие высокие удельные показатели и отличную управляемость. При этом в поршневых компрессорах чаще всего использовались приводы с высокоскоростными двигателями и понижающими скорость вращения механизмами. Это существенно 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 медицинской 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 освещены вопросы обеспечения заданных динамических свойств, равномерности вращения 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 воздушного потока, поступающего в лёгкие и строго регламентируется. Без их решения, как показала практика, невозможно создание удовлетворяющего специфическим 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, обеспечивающих 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 использованы 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–градусная коммутация по энергетическим показателям не проигрывает 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, но 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 ИВЛ 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;

– упрощенный 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 момента 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 большинстве случаев для АИВЛ компрессорного типа предпочтительно применение электропривода, построенного на основе вентильных 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 XXXXI 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 «Измерения: 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.

1. АППАРАТЫ ИСКУССТВЕННОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ ЛЕГКИХ

1.1 Классификация аппаратов ИВЛ и требования к ним Искусственная вентиляция легких (ИВЛ) – метод поддержания газообмена в организме периодическим искусственным перемещением воздуха или другой газовой смеси в легкие и обратно в окружающую среду. Аппарат искусственной вентиляции лёгких (аппарат ИВЛ) – это медицинское оборудование, которое предназначено для принудительной подачи газовой смеси (кислород + сжатый осушенный воздух) в лёгкие с целью насыщения крови кислородом и удаление из лёгких углекислого газа. Аппарат ИВЛ может быть как ручным (мешок «АМБУ»), так и механическим. Сжатый воздух для работы механического аппарата может подаваться как из центральной системы газоснабжения медицинского учреждения или баллона сжатого воздуха (при транспортировке), так и от индивидуального миникомпрессора. Современные аппараты ИВЛ являются крайне высокотехнологичным медицинским оборудованием. Они обеспечивают респираторную поддержку пациента, как по объему, так и по давлению. Существует масса режимов вентиляции, в том числе те, которые позволяют пациенту переходить от контролируемого к спонтанному дыханию.

Способы проведения искусственной вентиляции Существует два основных способа искусственной вентиляции легких (ИВЛ): способ вдувания и наружный (внешний) способ. При первом способе ИВЛ осуществляется путем подачи газовой смеси непосредственно в верхние дыхательные пути; при втором – в результате наружного воздействия на стенки грудной полости: грудную клетку или диафрагму [1]. В настоящей диссертации речь идет об аппаратах первого типа.

При этом способе поступление дыхательного газа в легкие обеспечивается его нагнетанием в легкие. Существует два главных типа ИВЛ: вентиляция с положительным давлением и вентиляция с отрицательным давлением. Вентиляция с положительным давлением может быть инвазивной (через эндотрахеальную трубку) или неинвазивной (через лицевую маску) [2]. Возможна также вентиляция с переключением фаз по объёму и по давлению. К многочисленным разным режимам ИВЛ относятся управляемая искусственная вентиляция (CMV), вспомогательная искусственная вентиляция (ВИВЛ, ACV), перемежающаяся принудительная (мандаторная) вентиляция (IMV), синхронизированная перемежающаяся принудительная вентиляция (SIMV), вентиляция с контролируемым давлением (PCV), вентиляция с поддерживающим давлением (PSV), вентиляция с инвертированным отношением вдоха и выдоха (иИВЛ, IRV), вентиляция сбросом давления (PRV) [3, 4, 5] и высокочастотные режимы.

1.2 Медико-технические требования к аппарату ИВЛ Требования к аппаратам ИВЛ регулируются ГОСТ 18856-81 [6]. ГОСТ не распространяется на аппараты высокочастотной ИВЛ [7,8].

Согласно ГОСТ можно провести классификацию аппаратов ИВЛ Таблица 1.1 – Рабочая классификация аппаратов ИВЛ Основной признак Дополнительные признаки По широте функциональ- – для взрослых и детей старше 6 лет (1,2,3 групных возможностей и воз- пы) расту пациента: – для детей в возрасте до 6 лет (4 группа) По способу действия – респираторы наружного действия Продолжение таблицы 1. По предназначению – стационарные По типу управляющего – немикропроцессорные респираторы По способу управления ин- с контролем по:

По способу переключения – по времени фаз дыхательного цикла – с выдоха на вдох (инипо объему циация вдоха или триггерование) – с вдоха на выдох (циклирование) Анализируя существующие аппараты ИВЛ и в соответствии с ГОСТ 18856можно отметить, что их параметры могут изменяться в следующих пределах:

(для 1-3 (4) групп) дыхательный объем 0,1... 2,5 л;

минутная вентиляция 0,5... 50 л/мин;

частота дыхания 10... 99 ±5 мин-1 ;

отношение длительности вдоха и выдоха 1:1,3... 1:3.

Уровень звуковой мощности - до 60 дБА Для аппаратов ИВЛ с пневмоприводом и электроприводом:

1) безотказная наработка – 5*105…10*105 ч 2) средняя наработка на отказ – 10*105…20*105 ч 5) Время установления рабочего режима аппаратов должно быть не более 30 с.

Аппарат должен обеспечивать подачу дыхательной смеси пациенту по нереверсивному дыхательному контуру. Необходимо также обеспечить возможность работы аппарата во многих режимах.

Для обеспечения этих требований целесообразно управление аппаратом осуществлять с помощью микропроцессора. Применение перепрограммируемой памяти программ позволит создать гибкую систему управления и производить диагностику состояния аппарата в рабочем режиме.

Индикацию установленных параметров для улучшения восприятия необходимо отображать на цифровых табло. При работе аппарата должны отображаться такие параметры: минутная вентиляция, частота вентиляции, отношение длительности вдоха к длительности цикла, объем вдоха, скорость вдувания, температура дыхательной смеси.

Во избежание несчастных случаев во время ИВЛ, особенно при длительной ИВЛ [9,10], должны быть предусмотрены световая и звуковая сигнализации в случаях: превышение температуры дыхательной смеси выше 41°С, непредвиденного отключения напряжения питающей сети, разгерметизации дыхательного контура.

Электрическое питание аппарата должно осуществляться как от сети переменного тока напряжением 220В с частотой 50Гц, так и переходить на автономный источник питания – аккумуляторные батареи напряжением 12В.

Аппарат ИВЛ должен быть надежным и удобным в эксплуатации и обеспечивать минимальные затраты времени, энергии и средств на ремонт.

При этом минимальная рабочая температура +10°С, максимальная рабочая температура +35 °С.

1.3 Принципы построения аппаратов ИВЛ В составе аппарата ИВЛ (АИВЛ) можно выделить три структурных блока:

источник газа, подаваемого пациенту (генератор вдоха);

распределительное устройство, представляющее собой совокупность исполнительных механизмов, обеспечивающих характеристики газового потока в различных фазах дыхательного цикла в соответствии с управляющими сигналами, поступающими на их входы;

система управления, формирующая эти сигналы по алгоритмам, определяемым выбранными режимами и параметрами ИВЛ [1].

Анализ принципов построения современных зарубежных АИВЛ показывает, что в конструкции распределительного устройства применяются электронноуправляемые исполнительные механизмы, а система управления и отображения информации построена, как правило, на мощной микропроцессорной технике.

Эти принципы построения позволяют обеспечить:

высокую надёжность работы аппарата и безопасность для пациента;

функциональность, то есть возможность реализации большинства апробированных методик ИВЛ;

мониторинг задаваемых параметров и параметров состояния пациента.

В отечественных образцах АИВЛ преобладает принцип построения распределительного устройства на комбинации пневмомеханических и электромеханических исполнительных механизмов. Этот принцип не позволяет использовать в системе управления все возможности микропроцессорной техники, так как многие параметры режимов ИВЛ приходится регулировать вручную.

Однако, как в отечественных, так и в зарубежных образцах АИВЛ используются различные принципы построения распределительных устройств, различные алгоритмы управления режимами и параметрами ИВЛ для аппаратов различных областей применения. Следствием этих различий являются:

необходимость разработки нового аппарата при появлении новой медицинской методики респираторной поддержки;

необходимость запоминания врачом алгоритмов управления всех АИВЛ, находящихся в отделении;

определённые трудности в техническом обслуживании АИВЛ.

Проведенные исследования МОКБ «Марс», совместно с ведущими специалистами Центра сердечно-сосудистой хирургии им. А.Н. Бакулева РАМН, МОНИКИ им. М.В. Владимирского и 7-ой клинической больницы показали, что блочно-модульный принцип построения АИВЛ обеспечивает:

единую конфигурацию распределительного устройства АИВЛ любой области применения на базе пропорциональных электропневматических регуляторов (ПЭПР) [11];

общий алгоритм управления режимами и параметрами ИВЛ для аппаратов различных областей применения;

возможность дальнейшей модернизации АИВЛ при появлении новых медицинских методик респираторной поддержки за счет изменения программного обеспечения без изменения его конструкции.

Основным модулем АИВЛ нового поколения является локальный контур управления (ЛКУ) режимами и параметрами ИВЛ. Блок-схема ЛКУ представлена на рисунке 1. В представленной блок-схеме ПЭПР 2, 3 одновременно и независимо выполняют несколько функций:

смеситель двух газов;

регулятор скорости постоянного потока газовой смеси (регулятор минутной вентиляции);

регулятор частоты вентиляции;

регулятор относительного времени вдоха (Ti/Tc, %);

регулятор давления и формы кривой скорости потока в фазу вдоха.

ПЭПР 1 в совокупности с электропневмораспределителем (ЭМК) и мембранной коробкой (МК) выполняет функции управляемого клапана выдоха, позволяющего регулировать величину давления конца выдоха [12, 13].

Микропроцессорный (МП) контроллер (рисунок 1.2) построен на базе контроллера PIC16C74.

Рисунок 1.2 – Схема комплексного оснащения палаты реанимации Данный контроллер обладает наиболее полным набором аппаратных и процедурных средств для реализации локальных контуров управления газовым потоком в сочетании с развитыми средствами коммутации, необходимыми при взаимодействии с глобальным уровнем управления.[14] В схемах каждого аппарата всегда можно выделить основные структурные блоки: источник газа, подаваемого пациенту (генератор вдоха); распределительное устройство, задающее требуемые направления движения газа в различных фазах дыхательного цикла; механизм управления распределительным устройством.

Основным узлом аппарата ИВЛ является генератор вдоха, подающий во время вдоха дыхательную смесь в легкие пациента. Для снижения негативного действия искусственного дыхания на гемодинамику применят генератор выдоха, аналогичный генератору вдоха. Необходимую коммутацию газовых потоков осуществляет распределительный механизм, переключающий из режима вдоха в режим выдоха и обратно, после достижения заданных значений дыхательных объемов, временных фаз дыхания или давления [15].

Отличительным признаком генератора вдоха переменного потока является возможность выделения двух состоянии: вдоха, когда газ непосредственно или через разделительную емкость подается пациенту, и состояния выдоха, во время которого генератор набирает новую порцию газа. Если в насосе-генераторе постоянного потока единичный рабочий цикл либо вообще невозможно выделить, либо его длительность намного меньше длительности дыхательного цикла, то единичный рабочий цикл генератора вдоха переменного потока полностью совпадает с длительностью фаз дыхательного цикла.

Примерами генератора вдоха постоянного потока могут служить инжекторы, часто применяющиеся в аппаратах с приводом от сжатого газа, или насосы, рабочий орган которых с помощью электропривода выполняет движение с большой частотой.

Генераторы выдоха Генератором выдоха называют устройство, обеспечивающее во время выдоха выведение газа из легких пациента и характеризующееся максимальным создаваемым давлением и внутренним сопротивлением. Во время ИВЛ с пассивным выдохом в аппарате ИВЛ генератор выдоха отсутствует, но теоретически и в этом случае можно считать, что к пациенту во время выдоха подключен генератор выдоха с нулевым максимальным давлением и незначительным внутренним сопротивлением липни выдоха.

По мере развития ИВЛ появляется тенденция к усложнению требований к различным временным характеристикам дыхательного цикла. Организация в аппарате высокочастотного режима работы, задержки на вдохе, вспомогательной вентиляции, изменения отношения продолжительностей вдоха и выдоха, перемежающейся принудительной вентиляции – все это требует в определенные моменты обеспечить быстрое прекращение или, наоборот, начало вдувания газа в легкие пациента. Такое гибкое управление «ременными характеристиками дыхательного цикла практически неосуществимо в генераторах вдоха переменного потока с механическим приводом. Оно затруднительно и при других видах привода генераторов вдоха этого типа, поскольку такой генератор определенную долю дыхательного цикла находится в состоянии подготовки к следующему вдуванию газа.

Поскольку способ подведения энергии к аппарату ИВЛ оказывает глубокое влияние на потребительские свойства и конструкцию, целесообразно детально рассмотреть эти способы и проанализировать их особенности.

В аппаратах с ручным приводом источником энергии является мускульная сила оператора. Непосредственное сжатие мешка или меха рукой полностью выявляет преимущества этого привода: простоту устройства, минимальные потери мощности и получение оператором ощущения непосредственного контакта с легкими пациента. Эти аппараты не являются, конечно, альтернативой всем другим и находят применение в скорой помощи и как аварийное средство.

Пневматический привод Поскольку выходной энергией аппарата ИВЛ является энергия пневматическая, то и привод его от заранее сжатого газа кажется наиболее простыми удобным. О внедрении в практику такого привода свидетельствует развивающееся оснащение лечебных учреждений системами централизованной подачи кислорода.

В России и во многих зарубежных странах организовано серийное производство элементов пневмоавтоматики, выполняющих роль силовой части аппаратов и системы их управления. Преимуществом аппарата с пневмоприводом является возможность выполнения его автономным, т.е. независящим от внешнего источника энергии, что имеет первостепенное значение для экстренной помощи пациенту в службе скорой помощи, горноспасательной службе, службе спасения утопающих и т.п. Даже в условиях стационарного лечебного учреждения может возникнуть необходимость проведения ИВЛ в ситуации экстренной реанимации в приемном и других неспециализированных отделениях, в оснащение которых аппаратура ИВЛ не входит. В таких случаях компактный аппарат, обеспечивающий ИВЛ в течение хотя бы 20 мин без подключения к внешнему источнику энергии, крайне необходим. В аппарате с пневмоприводом сравнительно просто обеспечить изоляцию дыхательных путей пациента от атмосферы, непригодной для дыхания. Если дыхательный газ или окружающая атмосфера взрывоопасны, то пневматический привод аппарата потенциально менее опасен, чем электрический. Это способствовало широкому распространению аппаратов ИВЛ с пневмоприводном, аппараты ИВЛ с пневматическим приводом РО-9Н [16], «Диана» [17] (Россия), NPB-840 [18] (США), Flight 60 [1918] (Израиль) и др.

Особенно много подобных моделей предназначено для экстренной реанимации. Они могут обеспечить ИВЛ от придаваемых им одного-двух баллонов со сжатым кислородом, при давлении до 15 МПа (150 кг/см2) в течение примерно мин без подсоса окружающего воздуха и в течение почти часа непрерывной работы с подсосом воздуха. Для сохранения возможно большего ресурса автономной работы в транспортном средстве скорой помощи (автомашине, самолете, судне, поезде) целесообразно размещать баллон со сжатым кислородом емкостью 20 – 40 л, который является источником питания не только аппаратуры ИВЛ, но и ингаляционных и наркозных аппаратов. В момент извлечения аппарата ИВЛ из транспортных средств он должен автоматически переключаться на питание от встроенного источника малой емкости.

Электропривод С помощью привода аппарата от электросети возможно проведение ИВЛ практически в любом лечебном учреждении, на дому у пациента, а при соблюдении определенных условий – и транспортном средстве скорой помощи. Электропривод можно использовать без затруднений при длительно выполняемой ИВЛ.

Стабильность электросети гораздо выше, чем пневмосети, а характеристики электросети в настоящее время едины во всей стране. С помощью привода от электросети можно устранить трудности в тех случаях, когда с аппаратом ИВЛ применяют вспомогательные устройства – увлажнители-подогреватели вдыхаемого газа, мониторы для слежения за состоянием пациента, сигнализаторы и т.п. Все возрастающим преимуществом электропривода является возможность использования в цепях управления достижений современной электроники. С ее помощью легко осуществить самое сложное управление, измерить многие характеристики режима ИВЛ, сигнализировать о нарушениях в системе аппарат–пациент, получить, обработать, хранить и представлять в наиболее удобном для оператора виде разнообразную информацию. Прогресс электроники, в частности элементарной базы, сопровождается снижением стоимости и повышением надежности работы на единицу полезного эффекта. Однако определенные трудности существуют при создании и эксплуатации аппаратов с электроприводом. Электроэнергия преобразуется в энергию поступающего к пациенту газа с помощью ряда промежуточных звеньев: электродвигателя, передачи, насоса и т.п., в которых неизбежны потери значительной части потребляемой от сети мощности. Поэтому аппараты с электроприводом в общем сложнее, чем аппараты с пневмоприводом. В аппаратах с электроприводом нельзя обойтись без движущихся механических частей, что приводит к шуму и вызывает необходимость борьбы с ним. Помимо защиты пациента и персонала от поражения электрическим током, необходимо учитывать опасность близости искрящих и (или) нагревающихся частей аппарата с линиями, по которым протекает легковоспламеняющаяся анестезирующая смесь или смесь с повышенной концентрацией кислорода. Свои проблемы существуют при выборе привода для аппаратов, которыми должна оснащаться служба скорой помощи.

Поскольку автомашина, самолет или катер скорой помощи снабжены собственным источником электроэнергии, возможно питание аппаратов ИВЛ, как и другой медицинской аппаратуры, от бортовых источников. Чтобы сделать возможным применение аппаратов ИВЛ на месте происшествия, в транспортном средстве скорой помощи и на дому у пациента и вместе с тем обойтись без решения технически сложной задачи – питания аппаратов от электроисточников с самыми разнообразными характеристиками, необходимо предусмотреть во всех транспортных средствах преобразователи напряжения бортовой сети в переменный ток напряжением 220В.

Привод от электросети используется в аппаратах моделей «Фаза» [20], «Элан-НР» [21] (Россия), «SAVINA» [22] (Германия), «Flight 50» [23] (Израиль) и др.

Комбинированный привод Стремление соединить преимущества электронного управления с упрощенной конструкцией аппаратов с приводом от сжатого газа привело к появлению аппаратов для длительной ИВЛ, в которых работа управляющих цепей обеспечивается электропитанием, а в качестве генератора вдоха используется непосредственное поступление газов от внешней пневмосети. Окружающий воздух для формирования состава вдыхаемого газа чаще всего не используется. Примерами таких аппаратов ИВЛ являются «Сервовентилятор 900» [24] и др.

Питание от двух источников позволяет исключить из состава аппарата генератор вдоха, что значительно упрощает конструкцию, снижает размеры и стоимость аппарата, увеличивает надежность его работы. Одновременно значительно снижается создаваемый аппаратом шум, улучшаются возможности эргономически и эстетически правильного оформления конструкции.

Однако работоспособность аппарата с комбинированным приводом зависит и от бесперебойного электропитания, и от столь же надежной подачи необходимого набора сжатых газов. Хотя в настоящее время задачу снабжения лечебных учреждений сжатым кислородом можно считать в основном решенной, длительная, стабильная подача сжатого воздуха требует решения сложных проблем: необходимо построить компрессорную станцию с основным и резервным компрессором, обеспечить полную очистку сжатого воздуха от посторонних примесей, включая пары воды и смазочных масел, обеспечить круглосуточную работу соответственно подготовленного персонала, изготовить и проверить пневмосеть, сделать невозможным ошибочное использование сжатого воздуха вместо кислорода и наоборот и т.

д. Полумера, заключающаяся в замене постоянной линии подачи сжатого воздуха питанием аппарата или группы аппаратов от индивидуального компрессора, не снимает ряда из перечисленных трудностей и, с другой стороны, лишает аппарат его нескольких основных преимуществ. Необходимость подключения к аппарату закиси азота еще более осложняет проблему. Поэтому аппараты ИВЛ с электроприводом, в которых сжатые газы используются только для формирования вдыхаемой газовой смеси, наиболее перспективны для обеспечения длительной вентиляции в лечебных учреждениях и в домашних условиях.

1.5 Сравнительная оценка приводов аппаратов ИВЛ.

Для выбора типа привода проведем сравнение различных типов приводов по ресурсу и назначению, по энергопотреблению и по функциональным возможностям.

А) по ресурсу работы и назначению Ручной привод имеет весьма ограниченный ресурс при работе одного оператора (источника мускульной силы) и требует обязательного наличия самого оператора, которым может быть врач, медсестра, или просто человек, оказавшийся рядом. АИВЛ с таким приводом могут использоваться при оказании экстренной помощи для поддержания пациента в течение 20-30 мин. В крайнем случае, время может быть увеличено, но это потребует смены операторов.

Пневмопривод имеет достаточно большой ресурс, ограниченный, в основном износом движущихся и трущихся механических частей. Однако пневмопривод может быть легко выведен из строя попаданием различных примесей и посторонних частиц вместе со сжатым газом, который является источником энергии.

Требуется периодическая очистка воздухопроводов во избежание их закупоривания. Назначением аппаратов ИВЛ с пневмоприводом является, в основном, оказание экстренной помощи.

Электропривод при соблюдении расчетных режимов эксплуатации имеет большой ресурс, ограниченный только износом его механических частей. В том случае, если в АИВЛ используется управляемый электропривод, то ресурс его работы ограничен также ресурсом системы управления, которая, в современных аппаратах ИВЛ, выполняется с использованием достаточно надежных полупроводниковых элементов, имеющих ресурс 20000 ч и более. Электропривод имеет наиболее универсальную область применения, он может использоваться в АИВЛ для оказания экстренной помощи, а также в АИВЛ, работающих в стационарных условиях.

Ресурс комбинированного привода определяется наименьшим из ресурсов его составных частей, а именно, ресурсом пневмопривода. Однако, в данном случае, засорение трубопроводов и пневматических элементов менее вероятно, поскольку через них подается очищенный газ, предназначенный для дыхания пациента. Комбинированный привод также имеет широкую область применения и может использоваться как в АИВЛ для оказания экстренной помощи, так и в стационарных АИВЛ.

Б) по энергопотреблению Энергопотребление АИВЛ с ручным приводом должно соответствовать мускульным возможностям одного человека, которых должно быть достаточно, чтобы в течение достаточно длительного времени (до нескольких часов) приводить в движение механизмы АИВЛ. Реальные АИВЛ с ручным приводом соответствуют этому ограничению. Необходимо учитывать, что человек может совершать движения с определенной (достаточно низкой) частотой, поэтому, в большинстве случаев, необходимо выполнять преобразование движений, сообщаемых приводу человеком с помощью различного рода механических передач, которые снижают КПД привода, и, следовательно, повышают его энергопотребление.

Энергопотребление АИВЛ с пневмоприводом не должно превышать возможностей источника энергии – газа, находящегося под давлением. Для стационарных аппаратов эти возможности определяются давлением газа и пропускной способностью питающей магистрали. Произведение этих двух величин фактически определяет максимальную мощность, которую может развивать привод, без учета его КПД. В случае автономного АИВЛ необходимо учитывать объем запасенного в баллонах газа, который в сочетании с его давлением определяет запас энергии, доступной для работы привода АИВЛ. Потребностей в дополнительных преобразованиях параметров движения в случае применения пневмопривода гораздо меньше, чем для ручного привода. Поэтому, энергопотребление АИВЛ с пневмоприводом должно быть меньше, чем АИВЛ с ручным приводом.

Источником энергии для электропривода стационарных аппаратов ИВЛ является обычная электрическая сеть переменного тока, которая, в рамках потребностей АИВЛ, может считаться источником энергии неограниченной мощности.

Однако работоспособность АИВЛ должна сохраняться и при отключении напряжения в сети, поэтому необходимо либо предусматривать систему бесперебойного централизованного энергоснабжения, например, в рамках медицинского учреждения, либо устанавливать внутри АИВЛ резервный источник энергии, например, аккумулятор. Для автономных АИВЛ аккумулятор является единственным источником энергии, поэтому ее запас ограничен. Электропривод является наиболее выгодным с точки зрения энергопотребления, так как в большинстве случаев он может быть спроектирован так, чтобы не требовалось дополнительных преобразований параметров движения, то есть электромеханическое преобразование будет иметь максимально возможный КПД.

Энергетические характеристики комбинированного привода будут определяться тем, в каких соотношениях находятся мощности пневматического и электрического приводов, используемых в его составе. Можно предположить, что энергопотребление комбинированного привода будет несколько больше, чем энергопотребление электропривода и меньше энергопотребления пневматического привода, выполняющих одинаковые функции при одинаковых нагрузках.

В) по функциональным возможностям Функциональные возможности ручного привода крайне ограничены. Обычный человек не способен с большой точностью воспроизводить частоту и фазу движений, для того, чтобы в нужный момент и с нужным ускорением изменить движение привода. Ручной привод может осуществлять лишь относительно равномерное движение механизмов АИВЛ, причем стабильная скорость и равномерность движения не могут быть гарантированы.

Пневматический привод может содержать регулирующие элементы, которые обеспечивают изменение параметров движения. Однако, точность регулирования и стабильность поддержания параметров движения при использовании только пневматических элементов будут невысокими, так как будут зависеть от целого ряда факторов: температуры, давления и состава газа, температуры окружающей среды, атмосферного давления, наличия и состояния смазки, и так далее.

Другими словами, пневматический привод может осуществлять лишь достаточно грубое регулирование при невысокой стабильности заданных параметров движения.

Электропривод на основе ВД имеет возможность глубокого и энергетически эффективного регулирования как крутящего момента, так и частоты вращения вала двигателя. При этом точность регулирования координат привода определяется, в основном, точностью и разрешающей способностью используемых датчиков.

Учитывая, что абсолютное большинство датчиков, используемых сегодня в автоматических и автоматизированных системах имеют на выходе электрический сигнал, можно утверждать, что электрический привод обеспечивает наибольший набор выполняемых функций для регулирования и стабилизации заданных параметров работы АИВЛ.

Функциональные возможности комбинированного привода аналогичны возможностям электропривода, если в комбинированном приводе в качестве датчиков и управляющих элементов применять электрические или электромеханические устройства. Однако, можно предположить, что в части динамических возможностей комбинированный привод будет уступать электроприводу, так как в контуре управления появятся дополнительные пневматические звенья, включенные последовательно.

Таким образом, электропривод является наиболее универсальным исполнительным элементов аппарата ИВЛ, обладающим преимуществом по сравнению с другими типами приводов по перечисленным выше показателям. С помощью него относительно просто могут быть решены вопросы повышения ресурса, снижения электропотребления и расширения функциональных возможностей аппарата ИВЛ. Однако вопросы по теории электропривода для аппарата ИВЛ проработан недостаточно. В частности, в [5] рассмотрены примеры конкретной реализации электропривода для аппаратов c пневмоприводном, в [1] дается анализ возможных вариантов электропривода в составе и т.д. Между тем, для эффективного использования электропривода в составе ИВЛ необходимо решить ряд вопросов, связанных с особенностями перечисленных аппаратов и теорией электропривода.

В частности, необходимо:

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.

Все это будет способствовать повышению качества аппаратов ИВЛ.

2 ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ АППАРАТОВ ИВЛ

2.1 Затраты мощности в аппарате ИВЛ Важнейшими техническими характеристиками любого аппарата ИВЛ являются максимальная объемная скорость подачи газа пациенту во время вдоха и максимальное давление, которое аппарат может создать на выходе дыхательного контура. Если предположить, что аппарат обеспечивает максимальную скорость вдувания при максимальном противодавлении, то можно рассчитать и максимальную мощность, развиваемую аппаратом. При минутной вентиляции 30 л/мин, отношении TI/TE=1:2 и постоянной в течение вдоха скорости вдувания последняя равна 90 л/мин. При противодавлении 5 кПа (50 см вод.ст.) на вдувание газа с такой скоростью затрачивается мощность всего 7,5 Вт. [1] Однако мощность, потребляемая аппаратом ИВЛ из электро- или пневмосети, намного превышает эту величину. Так, потребляемая мощность аппарата РО- составляет 200 Вт, а аппарата «Пневмат-1» даже 800 Вт. Можно рассчитать и мощность, потребляемую из пневмосети. Например, экономичный аппарат РД- при минутной вентиляции 10 л/мин расходует мощность 33 Вт, а аппарат «Млада» при той же вентиляции — около 60 Вт.

Рисунок 2.1 – Потребляемая мощность (Вт) и КПД (%) типовых узлов аппаратов ИВЛ Отсюда следует вывод об энергетическом несовершенстве аппаратов ИВЛ, поскольку коэффициент их полезного действия составляет всего несколько процентов. На первый взгляд это обстоятельство не должно вызывать особого беспокойства, однако низкий коэффициент полезного действия приводит к завышению мощности приводного электродвигателя и других компонентов сетевых цепей, что вызывает увеличение размеров и массы аппаратов, создаваемого ими шума и, следовательно, непосредственно влияет на оценку аппарата потребителем. Потери мощности в аппарате с пневмоприводом повышают затраты газа. Поэтому оценка потерь мощности в типичных блоках аппаратов представляет несомненный интерес для их создателей, а КПД аппарата в целом может служить важной для потребителя мерой его технического совершенства.

Для определения потерь мощности и КПД аппаратов и их типовых узлов авторы [25] провели исследование аппаратов с электроприводом и пневмоприводом.

Методика исследования заключалась в синхронной регистрации в течение дыхательного цикла потребляемой от сети мощности, а также кривых изменения давления и объемной скорости движения газа в ряде точек газопроводящей системы аппаратов, находящихся между их типовыми узлами.

Результаты приведены на рисунке 2.1. Низкие значения КПД аппарата (порядка 2% у аппаратов для взрослых и 0,2% у аппарата для детей) свидетельствуют о больших возможностях технического совершенствования аппаратов ИВЛ. Любое упрощение схемы путем исключения из нее функциональных узлов позволяет снизить потери мощности и тем самым уменьшить размеры и массу привода или сэкономить расход кислорода.

2.2 Требования к электроприводу Для определения требований к электроприводу необходимо определить, какие характеристики аппаратов ИВЛ и каким образом влияют на характеристики электропривода. Как следует из приведенного ранее анализа, требования к электроприводу существенно различаются, в зависимости от назначения и конструкции аппаратов ИВЛ. Даже для одного и того же аппарата, требования к его выходным характеристикам могут иметь достаточно широкий диапазон.

Глубина регулирования Например, поток воздуха, создаваемый аппаратом Фаза-5НР (Россия) может находиться в диапазоне от 0,2 до 1,2 л., при этом относительный диапазон регулирования составляет 0,2:1, диапазон регулирования дыхательного объема аппарата SAVINA (Германия) составляет от 0,05 до 2 л, с диапазоном регулирования 0,1:1. Для аппаратов, применяемых для искусственной вентиляции новорожденных и детей, например Babylog VN500 (Германия) [26] или SERVO-i Infant (Щвеция) [27] эти значения находятся в пределах от 0.02 до 0.35 л. / Неравномерность частоты вращения Если речь идет об автоматизированных аппаратах ИВЛ, а большинство современных аппаратов автоматизированы, то важное значение имеет стабильность поддержания заданного потока. Это необходимо для того, чтобы автоматика могла уверенно определить момент начала самостоятельного дыхания пациента и дать команду на перевод аппарата ИВЛ в соответствующий режим с выводом на индикацию. С точки зрения электропривода это приводит к требованию стабильности поддержания частоты вращения привода. В процессе выполнения НИОКР с ООО «Тритон-Электроникс» и ОАО «Уральский приборостроительный завод» было определено, что допустимые пульсации потока с частотами более 1 Гц, создаваемого генератором с электроприводом, не могут превышать значения 1 л/с при потоках от 10 л/с и более. Анализ полученных данных позволяет сформулировать требования к максимально допустимой неравномерности частоты вращения либо скорости поступательного движения в случае линейного электропривода.

Требования по надежности

Работа электропривода в составе аппарата ИВЛ накладывает повышенные требования по надежности, так как отказ прибора может привести к тяжелым последствиям. Конкретные значения по показателям приведены в п. 1. Для обеспечения таких показателей, по-видимому, в состав привода придется вводитm устройства самодиагностики, а в случае необходимости и осуществлять резервирование элементов. Следует отметить, что одновременно с диагностикой электропривода возможна и диагностика других узлов аппарата ИВЛ, связанных с ним непосредственно.

Требуемая частота вращения Конструкция самого генератора потока существенным образом влияет на требования к электроприводу. Наиболее перспективной для современных аппаратов ИВЛ считается конструкция генератора с компрессором турбинного типа, например аппарат ИВЛ iVent 201 (США-Израиль) [28], в котором поток создается турбиной, закрепленной непосредственно на валу приводного электродвигателя. При этом, для уменьшения габаритов и массы компрессора генератора потока, требуемая частота вращения электродвигателя достигает 20…40 тысяч об/мин. До настоящего времени в большинстве аппаратов ИВЛ, в том числе, и в отечественных аппаратах серии «ФАЗА» и «ZisLine», используются компрессоры поршневого типа с различными кинематическими схемами поступательного привода поршней. В аппаратах ОАО «Уральский приборостроительный завод» (серии «Авента», «Фаза») для привода поршней используется кривошипно-шатунный механизм. При этом, несмотря на различия в реализации механической системы, требования к частоте вращения двигателя у этих аппаратов примерно одинаковые. Диапазон частот вращения входного вала компрессора составляет 10…1000 об/мин.

Требования к динамическим режимам Требования к динамическим характеристикам генератора потока вытекают из особенностей дыхательной системы человека и необходимости автоматического управления процессами поддержки дыхания.

Рисунок 2.2 – Графики потока и объема воздуха в легких. По оси абсцисс: V – дыхательный объем; V' – дыхательный поток. По оси ординат – время: а – пиковый инспираторный поток; б – пиковый экспираторный поток.

В соответствии с диаграммами воздушного потока, представленными на рисунке 2.2, а также по данным представленным в [1, 2, 6, 15] и по результатам проведенных по данному направлению НИР [29] выявлено, что время реакции генератора на управляющий сигнал изменения потока должно быть не более 30…50 мс. Очевидно, что тоже самое требование предъявляется и к электроприводу в части времени разгона или времени торможения, в зависимости от знака изменения частоты вращения, то есть времени переходного процесса при изменении частоты вращения от некоторого начального значения до заданного значения частоты. Необходимо отметить, что в данном отношении важное значение приобретает приведенный к валу двигателя момент инерции подвижных элементов механизма генератора потока, так как приводу необходимо преодолевать возникающие в переходных режимах динамические моменты, обусловленные инерционностью нагрузки. Данное требование может выражаться как максимально допустимым временем переходного процесса в электроприводе, так и требованием минимального ускорения, которое должен обеспечить электропривод.

Способ питания и энергопотребление Питание переносных аппаратов ИВЛ с электроприводом осуществляется, как правило, от автономного источника энергии, входящего в состав самого аппарата, либо, например, от бортовой сети автомобиля. В качестве такого источника используется, в основном, аккумуляторная батарея соответствующей емкости.

Питание стационарных аппаратов ИВЛ осуществляется от сети переменного тока 220 В, 50 Гц с последующим понижением, выпрямлением и стабилизацией постоянного напряжения. При этом стационарные аппараты также содержат в своем составе накопитель энергии в виде аккумуляторной батареи, обеспечивающий функционирование аппарата при пропадании напряжения в сети. Во всех приведенных случаях питание электропривода осуществляется постоянным напряжением, которое может изменяться в достаточно широких пределах. Например, для наиболее широко применяемых свинцово-кислотных аккумуляторных батарей с номинальным напряжением 12 В, напряжение на клеммах в зависимости от степени разряженности и режима работы (заряд или разряд) может изменяться в пределах от 11 В до 15 В. Как правило, электропривод питается непосредственно от аккумуляторных батарей, поэтому в электроприводе необходимо предусматривать меры по устранению влияния колебаний питающего напряжения на выходные характеристики. Необходимо учитывать, что все аппараты ИВЛ имеют режим работы с питанием от аккумуляторных батарей. Поэтому необходимо потребовать от электропривода достаточно высокого значения КПД и минимально возможного потребления энергии при реализации рабочих режимов.

Требования к сигналам управления и диагностики В зависимости от функций и назначения аппарата ИВЛ на электропривод могут поступать сигналы управления, различающиеся как по количеству, так и по способам их задания. Например, простейшие аппараты ИВЛ могут иметь лишь кнопку для включения-выключения питания аппарата. В этом случае электропривод получает сигнал в виде наличия или отсутствия напряжения питания. Однако, современные аппараты ИВЛ, как правило, представляют собой достаточно сложную электромеханическую систему, в которой электропривод является лишь одним из элементов автоматической системы управления, имеющей большое количество различных режимов работы. В такой системе необходимо рассматривать требования, которые предъявляются к электроприводу со стороны других элементов системы, в частности системы «верхнего уровня», которая формирует сигналы задания режима работы электропривода и контролирует выполнение заданного режима с помощью анализа сигналов диагностики, поступающих от привода.

Электропривод должен быть совместим по физическим и логическим характеристикам входных и выходных сигналов, а также по их количеству с системой верхнего уровня и другими элементами системы, с которыми он непосредственно связан. С точки зрения универсальности и унификации, необходимо также потребовать, чтобы электропривод был совместим по сигналам управления и диагностики с максимальным количеством аппаратов ИВЛ, в которых он может использоваться без доработки. Впрочем, последнее требование может привести к существенной избыточности информационных входов-выходов, что может привести к значительному увеличению стоимости привода.

Минимальные требования к сигналам управления – это, как правило, наличие входов для управления частотой вращения и входа запуска-остановки привода, а также выхода для контроля частоты вращения. Сигнал управления частотой вращения может быть сформирован в виде частоты задающих импульсов на соответствующем входе, либо, например, в виде скважности ШИМ-сигнала. Действительная частота вращения может формироваться на диагностическом выходе привода в виде импульсов с частотой, пропорциональной скорости вращения.

Современные многофункциональные аппараты ИВЛ с развитой системой управления и разветвленной структурой внутренних исполнительных и измерительных устройств, как правило, оборудованы внутренней информационной «шиной» в одном из стандартов: CAN, I2C, SPI, RS-485, Modbus и др., к которой подключены все элементы системы, между которыми производится обмен информацией. Очевидно потребовать и от электропривода поддержку того стандарта обмена, который используется в аппарате ИВЛ.

Наконец, если система управления электроприводом физически размещается на одном (как правило, микропроцессорном) устройстве вместе с системой верхнего уровня, то обмен информацией между ними осуществляется с помощью внутренних ресурсов родительского устройства. В случае применения микроконтроллера это может быть передача информации с помощью чтения–записи в память, передача данных через регистры микропроцессорного ядра, чтение–запись регистров специального назначения, которые отвечают за работу привода, прямой вызов подпрограмм управления приводом из основной программы и т.д.

2.2 Применяемые типы электроприводов В главе 1 показано, что в аппаратах ИВЛ используется три типа электрических исполнительных устройств: электромагнитный клапан для регулирования потока воздуха, электропривод компрессора для создания постоянного воздушного потока и электропривод воздушного компрессора с возможностью регулирования величины потока непосредственно этим устройством. В данной работе в соответствии с её направлением речь будет идти только о последних двух устройствах.

Характеристики электропривода полностью определяются характеристиками применяемого электродвигателя. Выбор электродвигателя определяется, прежде всего, использованием первичного источника питания постоянного тока.

Наиболее естественным выбором является использование коллекторного двигателя постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов [30]. Управление таким двигателем можно осуществить с помощью регулирования напряжения на якоре, а использование постоянных магнитов для возбуждения предпочтительней, так как это исключает потери энергии первичного источника на создание потока.

Однако наличие щеточно-коллекторного узла уменьшает ресурс двигателя, вносит дополнительные потери энергии на переходном сопротивлении щеткаколлектор и при коммутации, а также существенно увеличивает стоимость двигателя. Более того, конструкция этого узла может оказаться недопустимо сложной, при выполнении двигателя в виде «обращенной» конструкции, когда обмотка якоря неподвижна, а постоянные магниты расположены на роторе.

От перечисленных недостатков свободен вентильный двигатель (ВД), который обладает всеми преимуществами двигателя постоянного тока (регулировочные свойства, высокий КПД) и обладает бесконтактной конструкцией. Рассматриваемый двигатель [31] представляет собой трехфазный моментный ВД обращенной конструкции. Подключение секций ВД к источнику питания производится с помощью электронного коммутатора (ЭК), называемого также полупроводниковый коммутатор (ПК), представляющего собой инвертор напряжения, управляемый по сигналам датчика положения ротора (ДПР). При существующем уровне развития электронной промышленности стоимость ЭК не превышает стоимости щеточно-коллекторного узла, а характеристики ЭК существенно лучше [32, 33, 34]. Электромеханический преобразователь (ЭМП), являющийся основой ВД [31], сам по себе представляет собой синхронную машину с возбуждением от постоянных магнитов и в зарубежной литературе ВД рассматривается именно как синхронный двигатель, управляемый от инвертора напряжения (PMSM – permanent magnet synchronous motor в англ. литературе).

В зависимости от алгоритма коммутации ключей электронного коммутатора существует два принципиально отличающихся способа коммутации ВД [35]: дискретная коммутация секций ВД и «позиционная коммутация» или «позиционная модуляция» напряжений на секциях ВД, когда в фазах обмотки статора формируется синусоидальная система токов в зависимости от углового положения ротора.

Следует отметить, что оба способа коммутации можно реализовать при неизменной схеме силовой части ЭК [36].

При дискретной коммутации секций ВД [37] происходит пошаговое подключение секций к источнику питания в соответствии с алгоритмом коммутации.

Интервал между соседними переключениями инвертора называется межкоммутационным интервалом (МКИ). Угловая длительность МКИ для трехфазного ЭМП составляет 60 эл. град., поэтому, требования к ДПР в этом случае достаточно низкие, что позволяет использовать дешевые ДПР, например, интегральные датчики Холла с релейным выходом, установленные в зазоре ЭМП. В некоторых случаях можно обойтись без ДПР, как конструктивного элемента и оценивать положение ротора по изменению знака ЭДС одной или нескольких секций [38, 39]. Однако при этом существует ряд ограничений использования ВД: невозможна полная коммутация секций, невозможна реализация режима противовключения, невозможно управление коммутацией при низкой скорости, когда величина ЭДС ниже порога чувствительности схемы сравнения. Первые два ограничения объясняются способом измерения ЭДС вращения непосредственно на отключенной секции и могут быть преодолены при косвенном измерении ЭДС вращения. Последнее ограничение полностью преодолеть нельзя, так как при неподвижном роторе ЭДС вращения равна 0 и поэтому не несет информации о положении ротора.

Дискретной коммутации секций присущ ряд недостатков:

– пульсации электромагнитного момента двигателя, которые даже для идеального 3-х фазного ЭМП составляют около 15% [40], а с учетом технологических погрешностей могут быть гораздо больше [41];

– уменьшение пускового момента на величину пульсаций по сравнению с максимальным моментом, развиваемым ЭМП;

– пульсации тока в секциях ЭМП приводят к повышению электрических потерь;

– неполное использование возможностей ЭМП;

– неравномерное вращение при низкой скорости, когда период коммутации соизмерим с механической постоянной времени привода.

Перечисленные недостатки могут быть устранены при использовании позиционной модуляции напряжения, когда на выходе инвертора формируется напряжение синусоидальной или другой специальной формы в функции положения ротора ЭМП [42]. Такой способ управления является наиболее естественным для рассматриваемого ЭМП, который является по своей сути машиной переменного тока. Однако реализация такого способа управления ЭМП требует наличия гораздо более точного ДПР, чем при дискретной коммутации секций, который выполняется, как правило, в виде отдельного узла и существенно влияет на стоимость и габариты привода.

Развитие электронной промышленности, особенно в области высокопроизводительных микроконтроллеров [42, 43, 44], привело к развитию так называемых «бездатчиковых» алгоритмов управления синхронным ЭМП [45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53], в которых положение и частота вращения ротора рассчитываются в реальном времени с использованием математической модели ЭМП и измеряемых значений напряжений и токов. Модель ВД, используемая во всех перечисленных работах, представляет собой классическую модель обобщенной двухфазной машины во вращающейся системе координат d-q, связанной с ротором, описанную в [54, 55, 56], которая, кроме известных преимуществ, имеет и ряд недостатков:

– модель справедлива только для синусоидальной системы токов и напряжений и синусоидального распределения потокосцепления обмотки якоря с полем индуктора;

– необходимо в каждом цикле расчета выполнять сначала преобразование трехфазной системы токов и напряжений к двухфазной, а затем обратное преобразование.

С целью уменьшения ошибки наблюдения, особенно при низкой скорости, когда мала ЭДС вращения, необходимо принимать меры, улучшающие алгоритм наблюдения. Для этого существуют различные решения, например, введение компенсатора на основе нейронной сети [57], использование наблюдателя с одновременной идентификацией или компенсацией параметров модели в соответствии с реальным объектом [48], использование реактивной мощности в качестве сигнала обратной связи [49], что позволяет исключить из наблюдателя уравнения механики, использование дискретных датчиков Холла для коррекции наблюдателя [58].

Однако область применения бездатчиковых систем ограничена снизу частотой вращения ротора ЭМП, при которой возможно косвенное измерение фазы ЭДС вращения (а значит и угла поворота ротора) с достаточной точностью. Автором предложен экстраполирующий алгоритм [60], который на основании анализа моментов предшествующих переключений дискретного ДПР предсказывает текущее положение ротора. Основное преимущество этого алгоритма в том, что он не требует измерения ЭДС, и, следовательно, работоспособен при любой (в т.ч. нулевой) скорости вращения ВД. Основной недостаток – невысокая точность, так как на протяжении МКИ нет достаточной информации об объекте.

Достичь полного устранения пульсаций момента ВД при питании секций синусоидальными токами можно только для идеального ЭМП при синусоидальном распределении индукции в зазоре и отсутствии паразитных (реактивных) моментов. Реальные ЭМП характеризуются, как правило, несинусоидальной ЭДС вращения и наличием реактивных моментов. В этом случае, токи обмоток также должны быть несинусоидальными. Для определения формы токов предложены различные решения [61, 62, 63, 64,65, 66], суть которых заключается в экспериментальном измерении уровня пульсаций и подборе такой формы токов, которая обеспечивает минимальный уровень пульсаций. Отличия существующих решений заключаются в способе измерений пульсаций момента: в одних измерения производятся косвенно, в работающей системе, в других предлагается прямое измерение момента в ходе эксперимента (калибровки). Однако на практике не всегда есть возможность провести эксперимент с точным измерением момента двигателя, а встраивание косвенного измерения в основной алгоритм управления добавляет существенную нагрузку на микропроцессор, что не всегда допустимо.

2.3 Функциональная схема электропривода, построенного на основе ВД и краткое описание её элементов В [37] показано, что для электроприводов с повышенными требованиями по надежности и живучести может быть рекомендована функциональная схема, представленная на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 – Функциональная схема электропривода АИВЛ, где ЭВМ – электронно-вычислительная машина; МУУ – микропроцессорное устройство управления электроприводом; ПК – полупроводниковый коммутатор; ЭМП – электромеханический преобразователь энергии; М – соединительная муфта; К– компрессор; ДПР – датчик положения ротора; ДС – датчики состояния и параметров (температуры, тока, концевые выключатели и т.д.).

На функциональной схеме в качестве ЭВМ обозначено устройство управления режимами работы АИВЛ, которое, обычно, выполняется на основе мощного микроконтроллера (как правило 32–разрядного, с микропроцессорным ядром, имеющим архитектуру АRM, фактически являющуюся стандартом для контроллеров автоматизированных систем).

Микропроцессорное устройство управления электроприводом (МУУ) непосредственно формирует сигналы управления силовыми ключами полупроводникового коммутатора (ПК) на основе сигналов задания, получаемых от ЭВМ и сигналов обратной связи, получаемых от датчика положения ротора (ДПР) и датчиков состояния и параметров (ДС) электропривода. МУУ выполняется также на основе микроконтроллера, мощность которого, как правило, меньше мощности микроконтроллера ЭВМ. Здесь также может быть использован 32–разрядный микроконтроллер с ARM архитектурой, специализированный для применения в электроприводе. Набор периферийных устройств такого контроллера должен включать широтно-импульсный модулятор для управления трехфазным инвертором, быстродействующий аналого-цифровой преобразователь, несколько таймеров-счетчиков, способных аппаратно обрабатывать сигналы ДПР, а также достаточное количество выводов для подключения дискретных входных и выходных сигналов. Как будет показано далее, в некоторых случаях для построения МУУ достаточно и 8-разрядного микроконтроллера, обладающего указанным выше набором периферии. При этом снижается стоимость и уменьшается количество элементов МУУ, а также уменьшается потребляемая МУУ мощность, что особенно важно при создании автономных АИВЛ.

Электромеханический преобразователь (ЭМП), рассматриваемый в рамках данной работы, представляет собой синхронную электрическую машину с возбуждением от постоянных магнитов (СДПМ). В зарубежной литературе, при рассмотрении ЭМП такого типа применяется англоязычная аббревиатура – PMSM. В зависимости от предъявляемых требований (крутящий момент, частота вращения) ЭМП может выполняться по различным конструктивным схемам. Например, для турбинного компрессора АИВЛ необходима достаточно высокая частота вращения (30 000 мин–1), поэтому ротор двигателя должен иметь возможно меньший диаметр, чтобы имеющийся в нем дисбаланс как можно меньше изнашивал подшипники. В этом случае применяется классическая конструкция ЭМП, когда ротор расположен внутри статора (рисунок 2.4). Частота вращения компрессора поршневого типа не превышает значения 1500 мин-1, при этом требуется в ограниченных габаритах развивать заданный момент (не менее 0,5 Н·м). Для выполнения последнего условия необходимо максимально увеличивать диаметр ротора, поэтому, в данном случае, наиболее выгодно применение так называемой «обращенной» конструкции, когда ротор расположен вокруг статора (рисунок 2.5) [67] Рисунок 2.4 – Электромеханический Рисунок 2.5 – Электромеханический преобразователь компрессора преобразователь компрессора Соединительная муфта (М) служит для соединения выходного вала ЭМП и входного вала компрессора (К), а также для компенсации несоосности их осей вращения. Муфта является весьма ответственным элементом, который постоянно подвергается нагрузкам и деформациям. В результате, ресурс привода может оказаться ограниченным именно ресурсом муфты. Для увеличения ресурса привода соединительную муфту необходимо исключать из его конструкции. Для турбинного компрессора эта задача решается установкой колеса турбины непосредственно на вал ЭМП, и закреплением корпуса турбины на корпусе электродвигателя. Таким образом, вращающиеся элементы конструкции оказываются на одном и том же валу, что исключает возможность отклонения осей вращения этих элементов друг относительно друга. Аналогичное конструктивное решение может быть применено и для компрессора поршневого типа, однако это значительно усложняет сборку и разборку такой конструкции. Поэтому, в настоящий момент, соединительная муфта в компрессоре поршневого типа присутствует.

2.4 Математическое описание ВД как динамической системы При исследовании систем электропривода с ВД динамические процессы электромагнитного преобразования энергии в их статорной (якорной) цепи чаще всего моделируются апериодическим звеном, как это делается для классических коллекторных двигателей постоянного тока независимого возбуждения [68, 69].

Представление динамической модели ВД в таком виде весьма удобно, так как в этом случае синтез систем управления может быть просто осуществлен с использованием стандартных настроек, принятых в электроприводе [70].

Между тем, конструктивно ВД аналогичен многофазному синхронному двигателю, где электромагнитные процессы гораздо сложнее. Появление компактных импульсных датчиков угла и энкодеров с высокой разрешающей способностью в сочетании с микропроцессорными устройствами управления позволило с помощью ШИМ–управления формировать на фазных обмотках ВД синусоидальное напряжение по сигналам ДПР. В результате ВД не только с конструктивной точки зрения, но и с точки зрения электромагнитных процессов оказался аналогичным синхронному двигателю, питающемуся от многофазного полупроводникового коммутатора синусоидальным напряжением. Отличие заключается только в том, что в ВД угол нагрузки () не зависит от момента на валу, а устанавливается ДПР, остается неизменным и называется углом коммутации. Следовательно, электромагнитные процессы статорной цепи ВД должны описываться такими же уравнениями, что и у синхронного двигателя, но с фиксированным.

Кстати, при описании статических характеристик ВД часто использовался именно такой подход. Например, в [71] механическая характеристика ВД получена из уравнения угловой моментной характеристики синхронного двигателя с неявно выраженными полюсами при фиксированном. Динамические модели ВД также в некоторых случаях рассматривается с позиции теории синхронных двигателей.

Однако при этом получаются громоздкие нелинейные модели, неудобные для решения в общем виде задач анализа и синтеза систем управления [72, 73]. По существу динамическая модель исполнительного двигателя при описании его в виде синхронной машины иногда оказывается сложнее и имеет более высокий порядок, чем остальная часть системы. Хотя, как показывает практика, при синтезе систем управления во многих во многих случаях можно обойтись более простой моделью ВД.

Определим 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, т.е. в виде нелинейной модели с перекрестными связями.

Рисунок 2.6 – Структурная схема динамической модели вентильного двигателя при рассмотрении его с позиции теории синхронных машин Для упрощения задачи предположим, что в n-фазном ВД имеем ротор с неявновыраженными полюсами в виде постоянных магнитов. Поэтому можно считать, что индуктивности по продольной и поперечной осям статорной обмотки одинаковы ( Ld Lq L ). Тогда, в соответствии с общей теорией электромеханического преобразования энергии, уравнения напряжений статорной цепи двигателя во вращающейся системе координат получат вид щения ротора в электрических координатах, e E – действующее значение э.д.с. вращения статорной обмотки по оси q, E – действующее значение фазной э.д.с.

Предположим, что действующее значение фазного напряжения с помощью ШИМ–регулирования может изменяться от максимального до нулевого значения, и перепишем систему уравнений (2.1) в относительных единицах, приняв за базоn U вые значения U б U, I б б В результате получим где y(0,1) – относительная длительность импульсов ШИМ – регулирования, – относительная э.д.с или относительная частота вращения ротора, э – элекr тромагнитная постоянная времени обмотки якоря в относительных единицах, в щим значением фазной э.д.с. и частотой вращения ротора.

Приняв скорость двигателя постоянной (=const), а также учитывая, что =const, и относительный электромагнитный момент равен току по поперечной оси (=iq), найдем дифференциальное уравнение, определяющее изменения момента (p) при изменении напряжения питания двигателя (p) время.

Рисунок 2.7 – Переходные процессы изменения момента двигателя при ступенчатом изменении напряжения и неизменной скорости вращения: а) при расчета по уравнению (2.3), кривые 2 получены в результате расчета на модели Характер протекания свободной составляющей переходного процесса электромагнитного преобразования энергии определяется корнями характеристического уравнения, которые найдем, приравняв знаменатель уравнения (2.3) нулю. В Последнее выражение показывает, что электромагнитные переходные процессы в статорной цепи имеют колебательный характер. Причем важно, что частота колебаний не зависит от параметров двигателя, а равна частоте вращения ротора. Следовательно, при э колебательной составляющей переходного процесса можно пренебречь, так как время его затухания существенно меньше периода колебаний. Это подтверждается результатами моделирования (кривая 1а, рисунок 2.7).

Отсюда можно заключить, что при выполнении условия мы можем рассматривать статорную цепь двигателя как апериодическое звено с постоянным линеаризованными параметрами, зависящими от точки установившегося режима.

В этом случае линеаризованная структурная схема статорной цепи оказывается аналогичной модели коллекторного двигателя и в относительных единицах может быть представлена в виде, показанном сплошными линиями на рисунок 2, где: k1() учитывает влияние угла коммутации на момент двигателя, а k2(э0) учитывает зависимость сопротивления статорной цепи от частоты вращения в рабочей точке установившегося режима. Выражения для коэффициентов k1() и k2(э0) определяются точкой установившегося режима работы ВД и методом малых отклонений достаточно просто могут быть получены из уравнения механической характеристики двигателя в относительных единицах Разделяя в уравнении (4) составляющие, связанные с углом коммутации () и относительным полным сопротивлением статорной цепи (э0), получим где 0 – относительная скорость двигателя в точке установившегося режима.

Сравнение кривой переходного процесса в статорной цепи, рассчитанной по уравнениям (2.3) (графики 1а, рисунок 2.7) с кривой переходного процесса, рассчитанного на модели эквивалентного коллекторного двигателя (графики 2а, рисунок 2.7) подтверждает адекватность эквивалентной модели при выполнении условия. Действительно, в этом случае качественно характер переходных процессов, полученных с помощью приближенной и точной модели, по виду совпадают друг с другом. Количественно разница установившегося значения скорости 0,2%. Следовательно, линейная модель может быть использована для решения задач приближенного синтеза систем, в которых применяется данный двигатель. При этом для точного анализа процессов в синтезированной системе с целью уточнения параметров регулятора рекомендуется использование уточненной нелинейной модели.

Если электромагнитная постоянная окажется близкой или больше 1/ переходный процесс, рассчитанный по уравнениям (2.3), становится колебательным (график 1б, в рисунок 2.7), а модель рисунок 2 оказывается неадекватной реальным процессам (график 2б,в рисунок 2.7) и с этим придется считаться. Расчеты показали, что для практического использования может быть принято граничное значение соотношения параметров перехода от эквивалентной модели к реальной Рисунок 2.8 – Структурная схема динамической модели ВД, приближенно представленного эквивалентным коллекторному двигателю Теперь оценим, при каких условиях можно рассматривать ВД с учетом механической части привода в том же виде, что и коллекторный двигатель. Для этого дополним уравнение (2.3) уравнением движения механической части привода, представленным в относительных единицах с учетом принятой ранее системы относительных единиц где m – относительная механическая постоянная времени двигателя, с – относительное значение момента сопротивления вращению. При этом где Ј – момент инерции вращающихся частей привода, приведенный к валу двигателя.

Как известно, при выполнении условия коллекторный двигатель можно рассматривать как апериодическое звено второго порядка. В противном случае - как колебательное звено.

Было проведено моделирование переходного процесса при одинаковом начальном установившемся значении координат двигателя и таком же, что и в первом случае ступенчатом изменении, но при разных значениях э. При этом предполагалось, что условие (2.7) всегда выполняется (принималось m = 5 э ) Фиксировался характер изменения относительной скорости, рассчитанной по уравнениям (2.3) и (2.6), а также полученный по приближенной модели (рисунок 2.8) и уравнению (2.6) для различных значений э. Анализ результатов моделирования показал, что при любых значениях э в случае соблюдения условия (2.7) ВД может быть рассмотрен как коллекторный двигатель, т.е. представлен моделью рисунок 2.8. При этом отличие координат, рассчитанных по приближенным и точным соотношениям, не превышает нескольких процентов. Это объясняется тем, что относительно большая электромеханическая постоянная двигателя фильтрует колебательную составляющую переходного процесса статорной цепи.

Если условие (2.7) не выполняется, то, как это следует из рисунка 2.9, динамическая модель ВД может быть представлена эквивалентной моделью коллекторного двигателя только при выполнении того же условия (кривые 1а, 1б, 2а, 2б, рисунок 2.9). В противном случае, характер переходных процессов, рассчитанных на эквивалентной модели (кривая 2в, рисунок 2.9) качественно отличается от переходного процесса, полученного на исходной модели (кривая 1в, рисунок 2.9), т.е. с точки зрения динамических свойств ВД не может быть представлен эквивалентной моделью коллекторного двигателя.

Из теории электропривода известно, что если электромеханическая постоянная времени коллекторного двигателя (m) по крайней мере, на порядок больше электромагнитной постоянной времени обмотки (э), то передаточную функцию двигателя приближенно можно представить в виде произведения двух апериодических звеньев первого порядка.

Проверим, при каких значениях э такое приближенное представление возможно для ВД. Для этого запишем передаточную функцию ВД в виде Далее, принимая m=10э, по выражениям (3), (6) (кривая 1, рисунок 2.10) и по выражению (2.8) (кривая 2, рисунок 2.10) рассчитаем переходный процесс отработки ступенчатого возмущения по напряжению.

0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. Рисунок 2.9 – Переходные процессы изменения скорости двигателя при ступенчатом изменении напряжения: а) при э=0,05; б) при э=0,25; в) при э=0,5;

кривые 1 рассчитаны с использованием уравнения (2.3), кривые 2 – на основе модели рисунок 2. Результаты моделирования для э=1 представлены на рисунок 4, который показывает практическое совпадение кривых переходных процессов. Такой же результат получен и при других, существенно больших единицы значениях э.

Рисунок 2.10 – Переходный процесс изменения скорости при ступенчатом изменении напряжения питания двигателя и m=10 э: кривая 1 получена в результате расчета по уравнениям (2.3) и (2.6); кривая 2 по передаточной функции (2.8).

Таким образом, можно заключить:

рассматриваться как апериодическое звено первого порядка. Во всех других случаях необходимо ее рассматривать как колебательное звено.

Если выполняется условие (2.7), то без ограничения динамическая модель ВД может быть представлена эквивалентной моделью коллекторного двигателя (рисунок 2.8). Если условие (2.7) не выполняется, то представление ВД эквивалентной моделью коллекторного двигателя (рисунок 2.8) возможно только при выполнении условия, указанного в п.1. В противном случае для описания динамических процессов придется использовать уравнения (2.3) и (2.6).

При выполнении условия m10э динамическая модель ВД без ограничений приближенно может быть представлена передаточной функцией (2.8).

2.5 Анализ энергетических режимов привода При выборе типа и принципа построения электропривода чаще всего руководствуются соображениями обеспечения заданного диапазона рабочих скоростей, моментов, минимизации энергопотребления. С точки зрения обеспечения лучших энергетических показателей наиболее перспективными признаны электроприводы с вентильными двигателями (ВД). Существуют различные способы коммутации обмоток ВД. Например, дискретная коммутация – когда вектор поля статора по сигналам датчика положения ротора (ДПР) дискретно перемещается по окружности расточки статора. Или векторное управление – когда вектор поля осуществляет плавное вращение. Упомянутые способы питания ВД допускают изменение модуля вектора поля статора и его углового положения относительно вектора поля ротора. Данный факт определяет возможность воздействия, как на энергетические характеристики, так и на регулировочные свойства двигателя.

Дискретная коммутация обмоток ВД не исключает дешёвых технических решений. Векторное управление – дороже. Алгоритмы формирования поля статора – ресурсоемкие (реализуются лишь специализированными микроконтроллерами). Поэтому возникает задача сравнительной оценки способов коммутации обмоток ВД с точки зрения энергетической эффективности, возможности расширения диапазонов рабочих скоростей и моментов, а также улучшения регулировочных свойств. В статье описано решение этой задачи. Даны рекомендации, позволяющие рационально выбирать способ питания ВД в конкретном электроприводе.

Методы описания характеристик ВД в установившихся режимах При векторном управлении ВД можно рассматривать как синхронный двигатель, питающийся от источника синусоидального напряжения с фиксированным значением угла нагрузки () [74, 75], который в теории ВД называют углом коммутации. Тогда в установившемся режиме для определения электромагнитной и потребляемой мощности могут быть использованы выражения принятые в теории синхронных машин. В частности, если предположить, что ротор ВД имеет возбуждение от постоянных магнитов и разностью индуктивных сопротивлений по осям d и q можно пренебречь, уравнения относительных значений электромагнитной (Pэ) и потребляемой (Pп) мощностей можно записать в виде [77]:

– относительная скорость двигателя, – мгновенное значение где скорости вращения якоря, Ф – мгновенное значение потока, К – конструктивный коэффициент, который определяется соотношением K=pN/2a, где р – число пар полюсов, N, a – соответственно число активных проводников и число параллельных ветвей якорной обмотки; – параметр, определенный конструкцией ВД, где L,R – индуктивное и активное сопротивление обмотки.

Электромагнитный к.п.д. () будет определяться отношением электромагнитной мощности к потребляемой При дискретной коммутации трёхфазного ВД распространены два способа коммутации: 180–градусная и 120–градусная [78,79]. При первом способе на каждом межкоммутационном интервале (МКИ) к шинам источника питания подключаются три фазные обмотки, а при втором – две. Электромагнитные процессы, а соответственно и энергетические показатели двигателя при различных способах коммутации обмоток отличаются. Математические модели, описывающие эти процессы, в настоящее время хорошо отработаны [78,81,82]. Для расчета рабочих характеристик, определения электромагнитной и потребляемой мощностей, а также к.п.д. можно выбрать любую из них. Использовались модели, описанные в работе [80].

Сравнительная оценка способов коммутации ВД по энергетическим показателям Сравнительная оценка всех описанных выше способов коммутации ВД проводилась при одинаковом значении параметра и. В зависимости от способа коммутации, либо по выражениям (2.9–2.11), либо по моделям, представленным в [78,80,81,82], были рассчитаны электромагнитная мощность и электромагнитный к.п.д. двигателя. При определении к.п.д. не учитывали потери на силовых ключах, поскольку потери на ШИМ составляют не более 5%, следовательно, можно ими пренебречь [83]. По результатам расчета были построены зависимости этих величин от угла коммутации, при = [0.5; 0.05] и = [0.5; 0.8], представленные на рисунке 2.11.

P0. 6E- -0. -0. -0. Рисунок 2.11 – Зависимость электромагнитной мощности Pэ от угла коммутации, при = 0.5 для = [0.5; 0.05], где 1а – Pэ при векторном управлении для = 0.5; 1б – для = 0.05; 2а – Pэ при 180–градусной коммутации для = 0.5; 2б – для = 0.05; 3а – Pэ при 120–градусной коммутации для = 0.5; 3б – для = 0. 1E- -0. -0. -0. Рисунок 2.12 – Зависимость электромагнитного к.п.д. от угла коммутации, при = 0.5 для = [0.5; 0.05], где 1а – к.п.д. при векторном управлении для = 0.5;

1б – для = 0.05; 2а – к.п.д. при 180–градусной коммутации для = 0.5; 2б – для = 0.05; 3а – к.п.д. при 120–градусной коммутации для = 0.5; 3б – для = 0. -1E- Рисунок 2.13 – Зависимость электромагнитной мощности Pэ от угла коммутации, при = 0.8 для = [0.5; 0.05], где 1а – Pэ при векторном управлении для = 0.5; 1б – для = 0.05; 2а – Pэ при 180–градусной коммутации для = 0.5; 2б – для = 0.05; 3а – Pэ при 120–градусной коммутации для = 0.5; 3б – для = 0. -0. -0. -0. Рисунок 2.14 – Зависимость электромагнитного к.п.д. от угла коммутации, при = 0.8 для = [0.5; 0.05], где 1а – к.п.д. при векторном управлении для = 0.5;

1б – для = 0.05; 2а – к.п.д. при 180–градусной коммутации для = 0.5; 2б – для = 0.05; 3а – к.п.д. при 120–градусной коммутации для = 0.5; 3б – для = 0. Из сравнения полученных зависимостей можно заключить:

1. Для двигателей с относительно малой индуктивностью обмотки ( 1) наибольший к.п.д. получаем при 120–градусной коммутации. Немного уступает векторное управление. И худший вариант – 180–градусная коммутация.

2. При 1 у ВД с векторным управлением и со 180–градусной коммутацией зависимости () и Pэ() 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 0 до /2 величина электромагнитной мощности и к.п.д. с увеличением падает. Таким образом, для этого способа коммутации, как по электромагнитной мощности, так и по к.п.д. оптимальным является значение угла = 0.

Можно отметить, что при определённых значениях параметров и скорости вращения ток в отключённой от источника питания секции за один МКИ не успевает затухнуть до нуля. В результате, по характеру электромагнитных процессов, 120–градусная коммутация перестает отличаться от 180-градусной. И может быть описана теми же зависимостями. Уравнение для определения условий перехода 120–градусной коммутации в 180-градусную получено в работе [5]. И при переходе к принятой нами системе относительных единиц имеет вид где:

Определение угла коммутации, соответствующего максимальному значению электромагнитного момента или электромагнитного к.п.д.

Если применяется 180–градусная коммутация или векторное управление значение угла коммутации ( ), при котором электромагнитная мощность имеет максимальное значение, определяется известным соотношением [84] Им можно пользоваться для задания уставки угла коммутации в динамических режимах, когда актуально обеспечение максимального момента двигателя для скорейшего завершения переходного процесса.



Pages:   || 2 | 3 |
 


Похожие работы:

«Жуков Илья Борисович ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ КОМПЛЕКСОМ РЕЗКИ ЛИСТОВОГО ПРОКАТА Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель, w.pw ibzh. / http:/ доктор технических наук u.ts6.r //ibzh профессор В. А. Новиков http:...»







 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

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.