Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Управляемые электрические машины регулируемые электрические машины по цепям статора и ротора 13
1.1. Управляемые электрические машины для регулируемого электропривода 13
1.2. Электропривод с вентильным двигателем постоянного тока 14
1.3. Электропривод на базе машины двойного питания 19
1.4. Электропривод с асинхронизированным вентильным двигателелем 25
1.5. Электропривод с бесконтактным асинхронизированным вентильным двигателем 32
1.6. Обобщенная электромеханическая система 39
1.7. Преобразователи частоты для регулируемого электропривода 46
1.8. Выводы 51
Глава 2. Математическое моделирование установившихся режимов работы АВД и БАВД с естественной и искусственной коммутацией тока якоря 53
2.1. Работа привода при поддержании основного магнитного потока в
базовом двигателе 53
2.1.1. Потери и коэффициент полезного действия 60
2.2. Рабочие характеристики 65
2.3. Исследование перегрузочной способности 68
2.4. Пусковые характеристики 71
2.5. Регулирование угловой скорости 74
2.6. Коэффициент несинусоидальности напряжения сети 79
2.7. Статические характеристики бесконтактного асинхронизированного вентильного двигателя 2.8. Частотно-регулируемый асинхронный двигатель двойного питания 94
2.9. Бесконтактный асинхронизированный синхронный двигатель 105
2.10. Бесконтактный асинхронизированный вентильный двигатель с ортогональным управлением 114
2.11. Расчетная мощность бесконтактного асинхронизированного вентильного двигателя и определение его основных размеров 123
2.12. Выводы 128
Глава 3. Математическое моделирование и исследование электромагнитных, электромеханических процессов в динамических режимах электропривода АВД и БАВД. синтез системы регулирования 131
3.1. Математическая модель асинхронизированного вентильного двигателя 133
3.2. Моделирование системы управления инвертором тока 146
3.3. Анализ результатов моделирования 163
3.4. Асинхронизированный вентильный двигатель как объект управления 169
3.5. Структурная схема регулирования основного магнитного потока и выбор типа регулятора 173
3.6. Переходные процессы при возбуждении АВД 185
3.7. Синтез системы регулирования 190
3.8. Моделирование режима упора 197
3.9. Выводы 208
Глава 4. Верификация математических моделей электропривода 211
4.1. Описание экспериментального стенда 211
4.1.1. Преобразователь частоты тока якоря 214
4.1.2. Преобразователь частоты возбуждения 224
4.1.3. Дискретные системы управления инверторным звеном преобразователя частоты в цепях якоря 236
4.2. Экспериментальные исследования ОЭМС в рабочих режимах 246
4.3. Выводы 255
Глава 5. Основные результаты и выводы 257
Список использованной литературы
- Электропривод с асинхронизированным вентильным двигателелем
- Исследование перегрузочной способности
- Анализ результатов моделирования
- Дискретные системы управления инверторным звеном преобразователя частоты в цепях якоря
Введение к работе
9о№>*?~
Актуальность темы.
Современное развитие техники характеризуется совершенствованием систем электропривода (ЭП) как в нашей стране, так и за рубежом. Синтез современных управляемых полупроводниковых преобразователей электрической энергии с электромеханическими преобразователями энергии позволил создать электромашинно-вентильные системы различного типа и назначения. Все более широкое применение находят электрические машины переменного тока. Постоянное совершенствование элементной базы силовых полупроводниковых приборов, применение в устройствах управления микропроцессорных средств позволяет создавать как частично, так и полностью управляемые электромеханические системы, способные обеспечивать управление ими в соответствии с заданными законами. Причем если ранее подобные системы применялись лишь в некоторых специальных отраслях, то в настоящее время необходимость повышения производительности труда, организации новых технологических процессов, снижения энергопотребления привела к широкому внедрению их в различные отрасли промышленности, энергетику, транспорт, сельское хозяйство и т. д. Применение тиристорпых и транзисторных преобразователей частоты, быстродействующих автоматических регуляторов на базе микропроцессорной техники позволяет создавать сложные электромеханические системы, реализующие необходимые, а иногда и перенастраиваемые законы управления.
Современное развитие мощного частотно-регулируемого ЭП на базе синхронного и асинхронного двигателей выявило их существенные недостатки при тяжелых условиях пуска с максимально возможным пусковым моментом, сопровождающихся длительным режимом упора. Ограничения этого режима обусловлены перегрузками преобразователя частоты (ПЧ) в цепи статора пусковым током из-за отсутствия коммутации тока якоря с фазы на фазу при неподвижном роторе. Это приводит к необходимости лимитировать режим работы привода по времени либо рассчитывать силовую часть ПЧ на большие токи, что приводит к увеличению его массогабаритных показателей. Но ПЧ в мощном тяговом электроприводе (в магистральных электровозах) должен иметь минимальные габариты и массу. Кроме того, в данной области электропривода необходимо обеспечить рекуперативное торможение до полной остановки привода, а в режиме рабочих скоростей — максимально возможный КПД. Такие высокие требования к приводу могут быть выполнены при условии применения нового типа контактного и бесконтактного вентильного двигателя на базе машины двойного питания с ПЧ в цепях статора и ротора, получившего название «асиихронизированный вентильный двигатель» (АВД). В электроприводе на основе А«іАу^^нщ|д^Ш1Цижном роторе
і MMNOTIRA I 1
основное магнитное поле вращается с угловой частотой, необходимой по условиям успешной коммутации тиристоров ПЧ якоря. Это достигается подачей в обмотку ротора трехфазного переменного тока низкой фиксированной частоты. В результате условия работы ПЧ якоря при пуске привода с максимальным моментом сопротивления из режима упора существенно облегчаются.
Глубокие теоретические и практические исследования в области машин двойного питания проведены во ВНИИ электроэнергетики под руководством М. М. Ботвинника и Ю. Г. Шакаряпа, отражены в работах Г. Б. Опищепко, А. С. Сандлера, В. Г. Титова, А. Е. Загорского, С. В. Хватова, И. А. Лабуица и ряда других ученых. Большая роль в развитии теории этих процессов принадлежит профессору МЭИ И. П. Копы лову. Среди работ зарубежных ученых отметим труды М. Хеллера (М. Heller), В. Шумахера (W. Schumacher), Р. Пены (R. Репа), Дж. Кларе (J. Chare), Г. Ашера (G. Asher), А. Кана (A. Kahn) и др.
Свой вклад в развитие теории асинхронизированного вентильного двигателя внес коллектив научно-исследовательской лаборатории вентильных электрических машин Мордовского государственного университета. Ее сотрудниками создан макетный образец электропривода па основе АВД с различными законами управления, проводятся теоретические и экспериментальные исследования работы привода в различных режимах. Итогом многолетней работы стала научная концепция АВД как обобщенного двигателя постоянного тока.
Несмотря па большой объем исследований в этой новой области, ряд вопросов еще недостаточно изучен, в частности практическая реализация ряда законов управления ЭП на базе АВД, динамические характеристики привода при пуске и разгоне, сбросе-набросе нагрузки, торможении до полной остановки, рекуперации энергии. Ввиду сложности системы и возможности применения различных законов управления некоторые варианты электропривода на основе АВД еще недостаточно изучены. Решение этих и других вопросов определяло перспективное направление дальнейших исследований. Создание подобного типа электропривода, имеющего высокие энергетические показатели, хорошие регулировочные свойства и возможность работы в длительном режиме упора, является весьма актуальной задачей.
Учитывая вышеизложенное, целями настоящей диссертационной работы являются создание нового типа обобщенной электромеханической системы (ОЭМС), разработка научно-методических основ ее моделирования и проектирования, ее теоретическое исследование и практическая реализация на основе АВД с соответствующими способами и законами управления, в полной мере удовлетворяющими современным требованиям эксплуатации систем электропривода.
Для достижения указанных целей в работе поставлены и решаются следующие- задачи-— -
> ч* М (»
1. Исследование установившихся режимов работы обобщенной элек
тромеханической системы па основе АВД с реализацией заданных за
конов управления при различных способах коммутации тиристоров в
ПЧ якоря.
-
Вывод аналитических выражений для нахождения основных электромеханических параметров в установившихся режимах работы, разработка на основе полученных выражений программной модели.
-
Исследование на цифровой модели установившихся режимов работы ОЭМС.
-
Разработка математической модели ОЭМС для исследования переходных процессов в динамических режимах ее работы и исследование электромагнитных процессов, происходящих в АВД при его пуске, разгоне, набросе и сбросе нагрузки, а также исследование режима упора.
-
Создание имитационной модели ЭП для анализа переходных процессов при пуске и разгоне с постоянным моментом, при сбросе и набросе нагрузки па валу, а также при работе привода в режиме упора.
-
Синтез системы регулирования основного магнитного потока.
-
Верификация математических моделей и подтверждение теоретических положений на макетном образце ЭП с АВД.
Работа выполнена в лаборатории вентильных электрических машин Мордовского государственного университета.
Методы исследования. Исследования выполнены на основе общей теории электрических машин в сочетании с методом векторного анализа, теории автоматического управления, теории регулируемого электропривода, полупроводниковых преобразователей. Для решения поставленных задач использовались аналитические методы исследования, математическое моделирование па ПЭВМ и физический эксперимент. Для реализации этих методов автор опирался на фундаментальные труды ведущих отечественных и зарубежных ученых в области математики, механики, теории управления электрических машин и промышленной электроники.
Достоверность полученных результатов определяется корректностью поставленных задач, обоснованностью принятых допущений и адекватностью используемых при исследовании математических моделей и методов, подтверждается многократными экспериментальными исследованиями на лабораторных образцах, а также внедрением и практическим использованием разработанных методик расчета, устройств и опытных образцов.
Связь темы диссертации с научно-техническими программами.
Исследования по диссертационной работе выполнялись в рамках:
— единого заказ-наряда Минобразования РФ в (1998 — 1999 гг.): госбюджетная научно-исследовательская работа «Исследование и разработка электромеханической системы на основе применения бесконтактного асинхроиизированного вентильного двигателя»;
разработки региональной целевой программы «Энергосбережение Республики Мордовия на 1999 - 2005 гг.» (1999 - 2000 гг.);
гранта Российского фонда фундаментальных исследований № 98 — 02 — 03337 «Исследование и разработка электромеханической системы па основе применения бесконтактного асипхропизироваппого вентильного двигателя» (1998 — 2000 гг. — региональный конкурс РФФИ, проводимый совместно с Правительством Республики Мордовия).
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем.
-
Разработана научная концепция ОЭМС на базе АВД как обобщенного двигателя постоянного тока в контактном и бесконтактном варианте.
-
Проведены комплексные теоретические и экспериментальные исследования установившихся электромагнитных процессов ОЭМС с реализацией законов управления, позволяющих произвести оценку основных показателей, характеризующих данный режим работы.
-
Получены аналитические выражения для определения основных электромеханических параметров ОЭМС на базе АВД контактного и бесконтактного исполнения. Получены механические, угловые и рабочие характеристики для установившегося режима работы ОЭМС.
-
С помощью имитационной модели ОЭМС в среде Matlab исследованы динамические процессы при ее пуске с постоянным моментом на валу, в режиме упора, а также при сбросе и набросе нагрузки, показавшие необходимость введения системы автоматического регулирования основного магнитного потока с целью улучшения качества переходных процессов.
-
Синтезирована система автоматического регулирования основного магнитного потока, обеспечивающая управление электроприводом в переходных режимах и отличающаяся от известных систем частотно-токового управления тем, что магнитный поток регулируется лишь изменением амплитуды напряжения ротора при неизменной частоте.
-
Выявлены зависимости электромагнитных моментов двигателя и возбудителя, амплитудных значений токов и напряжений в обмотках АВД в режимах пуска и разгона, а также скорости вращения.
-
Научная новизна технических решений, полученных в работе, защищена авторскими свидетельствами, патентами, свидетельствами на полезную модель и свидетельствами об официальной регистрации программы.
Практическая ценность работы заключается в комплексном решении крупной научно-технической проблемы создания эффективных вариантов реализации любых типов электроприводов на основе ОЭМС. Совокупность полученных теоретических и практических результатов создает объективные предпосылки для расширения области применения разработанных вариантов. 4
-
На основе метода векторного анализа предложена методика расчета электромагнитных процессов, происходящих в ОЭМС в установившихся режимах работы. Разработанные математические модели, реализованные в среде электронных таблиц для ПЭВМ, позволяют получать угловые и рабочие характеристики при различных исходных данных расчетной модели.
-
Разработанная программная модель ОЭМС при питании якоря от инвертора тока с естественной и с двухступенчатой искусственной коммутацией позволяет определять с помощью системы математического моделирования Matlab значения основных электромеханических параметров в режимах пуска и разгона, сброса и наброса нагрузки на валу.
-
Разработан экспериментальный образец электропривода с АВД, включающий в себя наряду с ПЧ якоря и ПЧ возбуждения микро-
v процессорные системы управления инвертором тока якоря и автоном-
» ным инвертором напряжения с широтно-импульсной модуляцией;
подтверждены положения и результаты теоретических исследований.
4. Разработаны и реализованы:
преобразователь частоты якоря с инвертором тока, работающий в режимах с естественной и с двухступенчатой искусственной коммутацией с микропроцессорной системой управления;
преобразователь частоты возбуждения с инвертором напряжения с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).
Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены:
в виде имитационной модели для расчета переходных процессов в сложных машишю-вентильиых комплексах для перспективных разработок НИИ силовой электропики (г. Саранск) и ОАО «Электровыпрямитель» (г. Саранск);
в учебном процессе на факультете электронной техники Мордовского государственного университета (г. Саранск) по курсам «Электрические машины» и «Вентильные электрические машины» в виде
» демонстрационного образца электропривода; результаты работы ис-
пользуются также при курсовом и дипломном проектировании студентами специальности 210106 «Промышленная электроника». Основные положения, выносимые на защиту.
-
Методика расчета основных показателей установившихся режимов работы ОЭМС и ее реализация в виде программной модели для ПЭВМ.
-
Математическая модель для исследования переходных процессов ОЭМС в среде имитационного моделирования Simulink пакета Matlab.
-
Законы управления ОЭМС с поддержанием результирующего магнитного потока.
-
Законы управления ОЭМС в режиме частотно-регулируемого асинхронного двигателя двойного питания.
-
Законы управления ОЭМС в режиме асинхронизированиого синхронного двигателя в контактном и бесконтактном исполнении.
-
Законы управления ОЭМС в режиме асинхронизированиого вентильного двигателя с ортогональным управлением в контактном и бесконтактном исполнении.
-
Экспериментальное подтверждение положений и результатов теоретических исследований.
-
Синтез системы регулирования основного магнитного потока, обеспечивающей управление электроприводом в переходных режимах.
Апробация работы.
Основные положения, результаты, выводы и рекомендации диссертационной работы доложены, обсуждены и получили положительные отзывы на следующих научно-технических совещаниях, конференциях и семинарах: ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава МГУ им. Н. П. Огарева (Саранск, 1979 — 2005 гг.); VI, VII, VIII научных конференциях по электроприводу переменного тока с полупроводниковыми преобразователями (Екатеринбург, 1983, 1986, 1989 гг.); научном семинаре в Институте электродинамики АН УССР (Киев, 1981 г.) и в Одесском политехническом институте (1982 г.); Международной научной конференции «Методы и средства управления технологическими процессами» (Саранск, 1995 г.); Международной научной конференции «Методы и средства управления технологическими процессами» (Саранск, 1996 г.); Всероссийском с международным участием совещании МИСЭПСИ-4 (Саранск, 1996 г.); I конференции молодых ученых Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарева (Саранск, 1996 г.); II конференции молодых ученых Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарева (Саранск, 1997 г.); II научно-технической конференции ДНДС-97 (Чебоксары, 1997 г.);
II Международной научно-технической конференции (ДНДС-97) (Са
ранск, 1997 г.); IV конференции молодых ученых (Саранск, 1999 г.);
III Международной научной конференции «Методы и средства управ
ления технологическими процессами» (Саранск, 1999 г.); VI Между
народной конференции «Дифференциальные уравнения и их прило
жения» (Саранск, 2004 г.); VII Международной конференции
АТЭП-2004, подсекция «Механотроника и вентильный электропри
вод» (Новосибирск, 2004 г.); IV республиканской научно-практиче
ской конференции «Наука и инновации в Республике Мордовия» (Са
ранск, 2004 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 72 работы, в числе которых 3 монографии, 45 статей в научно-технических журналах «Электротехника», «Известия ВУЗов», сер. «Энергетика», «Allerton Press» и др., 5 тезисов докладов международных, всесоюзных, всероссийских, региональных конференций, 13 авторских свидетельств на изобретения и патентов, свидетельство на полезную модель, свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ (в соавтор-6
стве). Результаты исследований отражены в отчетах о хоздоговорных НИР, выполненных на факультете электронной техники Мордовского государственного университета в 1980 — 2004 гг. (государственные регистрационные номера ГР 78034969, ГР 01900034360, № 53/16-93 и др.).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, списка литературы из 366 наименований и приложений. Основная часть диссертации изложена на 312 страницах, содержит 133 рисунка и 6 таблиц.
Электропривод с асинхронизированным вентильным двигателелем
В последние десятилетия у нас в стране и за рубежом внимание ученых-исследователей и инженеров привлекает проблема замены коллекторных машин постоянного тока (МПТ) на их бесколлекторные аналоги [161] и создания полностью бесконтактных электрических машин на этой основе. Актуальность этой проблемы обусловлена тем, что наряду с очевидными преимуществами их, такими, как хорошие пусковые и регулировочные характеристики в двигательном режиме, высокие энергетические показатели, выявились их существенные недостатки, ограничивающие, а зачастую делающие невозможным применение двигателей постоянного тока (ДПТ) в ряде областей современного электропривода.
Наличие коллектора и щеточного аппарата снижает надежность работы коллекторных МПТ, а по коммутационным условиям ограничивает предельные зна 15 чения их токов в статических и динамических режимах работы. Так, например, высокая окружная скорость коллектора, быстрый износ щёток в условиях повышенной вибрации не позволяют поднять предельную мощность ДПТ при скорости вращения 3600 об./мин. выше примерно 350 кВт [5, 157]. Кроме того, коллектор требует тщательного ухода, и частого обслуживания при эксплуатации, что неприемлемо для установленных в труднодоступных местах электроприводов.
В связи с этим ещё в 30-е годы возникла идея замены щеточно-коллекторного аппарата ДПТ, выполняющего функцию механического инвертора тока, вентильным инвертором тока якоря [61, 63, 282]. С появлением мощных управляемых полупроводниковых приборов - современных транзисторов и тиристоров - решение этой задачи значительно облегчилось.
Электрические машины, функционально объединенные с полупроводниковым инвертором тока или инвертором напряжения, получили название вентильных электрических машин. По своему принципу действия вентильные электрические машины обратимы, однако, они обычно предназначаются для двигательного режима и поэтому чаще называются вентильными двигателями (ВД). Большой вклад в работу по созданию и исследованию ВД а также электропривода на его основе в разные годы внесли такие зарубежные исследователи, как Е. Корн, С. Виллис, Е. Александерсон, В. Шиллинг, С. Ламба, а также отечественные учёные Ф. И. Бутаев, О. Г. Вегнер, Е. Л. Эттингер, Б. К. Тихменев, К. Е. Овчинников, В. А. Кучу мов, Н. И. Лебедев, А. К. Аракелян, А. А. Афанасьев, И. П. Копылов, В. Л. Фрумин, Г. Б. Онищенко и др. [2, 5,61,135,120, 66].
ВД по своим характеристикам близки к коллекторным ДПТ. Так же, как и у коллекторных ДПТ, частота вращения вала ВД не зависит от частоты питающей сети. ВД позволяет осуществлять регулирование скорости вращения путём изменения, как величины магнитного потока возбуждения, так и напряжения якоря электрической машины. При этом возможно получение как жестких, так и мягких механических характеристик. Благодаря отсутствию коллекторно-щеточного узла ВД при этом не имеет ограничений по максимальной мощности и скорости вращения, присущих ДПТ. Такая система электропривода достаточно полно исследована в целом ряде работ [5, 131, 135].
Электромеханическая часть ВД, как правило, аналогична конструктивным модификациям синхронных двигателей. Однако ВД существенно отличается от синхронного двигателя по принципу действия из-за наличия жёсткой обратной связи по положению ротора. Несмотря на существенные различия синхронного двигателя (СД) и ВД общие дифференциальные уравнения синхронной машины (СМ), взятые в той или иной системе координат, могут быть исходными при исследовании электромагнитных процессов в ВД. Это следует из того, что ВД - это машинно-вентильный комплекс, состоящий из серийной (или специально спроектированной) СМ и статического ПЧ.
Структурная схема ВД постоянного тока показана на рис. 1.1. Здесь: РН - регулятор напряжения; ПЧ - статический преобразователь частоты с инверторным звеном на выходе; СУИ - система управления инвертором; УВ - управляемый выпрямитель; СУВ - система управления выпрямителем; ДПР - датчик положения ротора; СМ - синхронная машина.
В настоящее время известно множество схем ВД, отличающихся главным образом, схемами ПЧ тока якоря. В частности, ПЧ тока якоря может быть выполнен по схеме ПЧ с явно выраженным звеном постоянного тока как с естественной коммутацией [5, 66, 131, 352], так и с двухступенчатой искусственной коммутацией [194, 251]. Хорошие пусковые характеристики ВД обеспечивает схема ПЧ с неявновыраженным звеном постоянного тока, так называемый непосредственный преобразователь частоты (НПЧ) [192, 194].
Исследование перегрузочной способности
Основные конструктивные размеры, необходимые для определения магнитных потерь в магнитопроводах АВД, а также параметры, характеризующие свойства электротехнических сталей, приведены в [283].
Механические потери включают в себя потери на трение в подшипниках и вентиляционные потери. При аксиальной вентиляции с радиальными вентиляторами потери определяются следующим образом [92]: APB = kBn2Da4, (2.33) где Da - наружный диаметр статора, кв=0,008 для р= 4. Потери на трение в подшипниках определяются, в соответствии с [92], по выражению ДРпш=0,0207 /О с1шпр, (2.34) где Gp - масса ротора, Ьш - длина вала внутри подшипника, dm - диаметр шейки вала внутри подшипника, пр - частота вращения вала двигателя. Добавочные потери в АВД обусловлены несинусоидальной формой токов в обмотках. Учитывая, что в качестве ПЧ возбуждения используется АИН с ШИМ, на входе которого неуправляемый выпрямитель, то добавочные потери в основном будут определятся несинусоидальностью токов якоря. APw6=m,Is2Rs(krl-l), (2.35) где kri - коэффициент Фильда. Таким образом, с учетом принятых допущений, суммарные потери в базовой асинхронной машине можно представить выражением ДР1АМ= АРЭ + АРЭГ + АРм + АРМг + АРмех + АРдоб. (2.36) Потери активной мощности в преобразователях состоят из потерь в ПЧ тока якоря APrres и ПЧ возбуждения АРПчя 64 Потери в ПЧ тока якоря складываются из потерь на активном сопротивлении дросселя фильтра 1 г и потерь в силовых ключах. В открытом состоянии ключа потери в нем определяются соотношением APCK=(AUcK + rdIcK)IcK, (2.37) где AUCK - падение напряжения на силовом ключе, Іск - ток, протекающий через ключ в открытом состоянии, rd - динамическое сопротивление ключа. Тогда потери в ПЧ тока якоря можно выразить как АРпчз= Idr2Rdr + NCKAPCK, (2.38) где Idr - ток в звене постоянного тока, NCK - количество одновременно включенных ключей. Потери в ПЧ возбуждения определятся потерями в силовых ключах APn4R = NCKAPCK- (2.39) Из двух составляющих потерь активной мощности АР дм и АРПч определяющими являются первые. Поэтому характер зависимости КПД привода с АВД подобен соответствующим зависимостям КПД асинхронной машины.
В таблице 1 приведены значения основных потерь (отн. ед.) в активных частях ЭП с АВД при искусственной и естественной коммутации тиристоров в ИТ, при работе «против поля» (so= - 0,1), а также значение КПД привода в номинальном режиме (Рг«1).
С помощью аналитических выражений, полученных в разделе 2.1, были рассчитаны основные рабочие характеристики ЭП с АВД при поддержании результирующего магнитного потока. Для расчета рабочих характеристик использовались данные физического макета ЭП с АВД на базе кранового асинхронного двигателя с фазным ротором типа МТН-411-8-У1. Значения электромагнитных параметров макета электропривода после приведения обмотки возбуждения (в относительных единицах): г= 0,03226; гг= 0,29; х0= 0,0689; х= 0,8455; х 0,7766; х га= 0,20475; х г= 2,51125; кц= 1,867; кг 1,591. По (2.6), (2.11), (2.12), (2.20), (2.24)-(2.27) рассчитаны и приведены на рис. 2.4 и 2.5 рабочие характеристики ЭП с АВД при управлении с = const и (pi=const с о частотой возбуждения s0= 0,1 в случае искусственной коммутации (фі=0 ) и есте о ственной коммутации тока якоря с углом управления (3= фі= 30 . Анализ рабочих характеристик показывает, что величины электромагнитного вращающего момента МЭм и тока якоря I АВД зависят от величины угла управления тиристорами в инверторе тока р=ф1. С увеличением угла управления фі электромагнитный момент падает, а ток якоря возрастает. Это объясняется увеличением размагничивающего действия реакции якоря. Скоростные характеристики привода vr= пТг) жесткие и в случае искусственной коммутации тока в цепи якоря (фі= 0) имеют небольшую положительную жесткость, а при фі= 30 - положительная жесткость увеличивается в связи с размагничивающим действием реакции якоря. Наиболее существенно это проявляется в машинах большой мощности при малых значениях активного сопротивления обмоток якоря (г 0).
Следует отметить, что на рис. 2.5 приведены зависимости, характеризующие энергетические показатели только базового АВД, а не привода в целом. Значения КПД электропривода в номинальном режиме для различных вариантов управления приведены в Таблице 1. Коэффициенты мощности АВД по цепям якоря и возбуждения определяют установленные мощности соответствующих преобразователей частоты. Анализ коэффициента мощности привода и его зависимость от диапазона регулирования скорости и изменения нагрузки будет проведен ниже.
Возвращаясь к анализу энергетических характеристик АВД, отметим, что потребляемая обмоткой якоря активная мощность Р= цТг) увеличивается с ростом угла управления ф! вследствие роста тока якоря. КПД двигателя и, следовательно, электропривода в целом при управлении с 4 6= const и фі= const также зависит от величины угла управления фі. В номинальном режиме при фі= 0 r\z= 0,9056. С ростом угла управления КПД о о уменьшается и при фі= 30 будет на 2 - 3% меньше, чем при фі= 0 , так как растет потребляемая активная мощность статора Р= f(P2) при одинаковой механической мощности на валу двигателя Р2.
Анализ результатов моделирования
При допущении г » 0: Мд Ха = , (2.82) откуда следует, что перегрузочная способность АВД и, следовательно, БАВД теоретически неограниченна. Особенности режимов работы БАВД с ортогональным управлением Ч 8 = const OF, = 1) и поддержанием либо vf = 0,1, либо s0 = 0,1 (рис.2.16,2.17): 1. Скоростные характеристики БАВД имеют отрицательную жесткость, уменьшающуюся с нагрузкой, что обусловлено возрастающим углом у = -в и, следовательно, намагничивающей реакцией якоря. 2. Моментные характеристики БАВД с ф = -0э; Ч/6 = 1и vf = 0,1 или s0 = 0,1 при одинаковых значениях угла нагрузки соответствуют большим значениям вращающего момента при меньших токах обмоток В, чем в БАВД при F, = 1 с соответствующим поддержанием либо vf = 0,1, либо s0 = 0,1. 3. В варианте БАВД с q = -0" и vf = 0,1 в основном диапазоне нагрузки активная мощность статора В Pf 0, а при s0 = 0,1 - Pf 0. 4. Из рис. 2.16, 2.17 следует, что при ортогональном управлении БАВД обеспечивает наибольшую перегрузочную способность. Так, при vf = 0,1 и максимальном угле нагрузки по условиям насыщения В 0 =38 30 МБАВД=7,15 (Мд=7,4и Мв=-0,25), а при s0=0,l 0 =282О ; МБАВД=3,65 (Мд=4,81и Мв =—1,16). Причем при максимальных значениях электромагнитного вращаю 94 щего момента БАВД в его обоих вариантах активная мощность В Pf 0. 5. Электромагнитный вращающий момент В в номинальном режиме БАВД при vf = 0,1 составляет 22% от номинального момента АВД, в то время как при s0 = const он не превышает 14%.
Характерным недостатком этого типа БАВД является некоторое снижение коэффициента мощности АВД с ростом нагрузки, так как угол ф = -9 .
Общей особенностью рассмотренных вариантов БАВД является то, что в связи с повышенной частотой скольжения базовой машины АВД его номинальный режим может быть обеспечен только при повышенном напряжении обмотки якоря у БАВД с vf = 0,1 при s0 = 0,35 в пределах U = 1,36 -г-1,39, а при s0 = 0,1 соответственно U = 1,11 -т-1,13. При этом одновременно с повышением полной мощности АВД с увеличением скольжения увеличивается полная мощность возбудителя. Следовательно, при одной и той же номинальной мощности БАВД его расчетная мощность минимальна при поддержании s0 = const (s0 = 0,1).
Из анализа и сравнения рабочих и угловых характеристик рассмотренных вариантов БАВД можно сделать следующий вывод: при заданной номинальной мощности АВД оптимальным вариантом по использованию активных материалов машин каскада и перегрузочной способности является БАВД с поддержанием неизменного результирующего магнитного потока АВД Ч = const и ортогональности векторов данного потока и тока якоря Р5 -
Одним из вариантов обобщенной электромеханической системы [160] является частотно-регулируемый асинхронный двигатель двойного питания (АДДП) (рис. 2.18), у которого, как и у обычного асинхронного двигателя (АД) ведущим звеном является обмотка статора, питающаяся от преобразователя частоты (ПЧ8), например, с выходным автономным инвертором тока с двухступенчатой искусственной коммутацией. Ведомое звено АДДП - обмотка ротора, питающаяся от ПЧ с выходным инвертором напряжения с ШИМ, управляемым от датчика фазы напряжения указанной обмотки. Таким образом, частота напряжения ротора АДДП как и у АД задается вращающимся магнитным полем статора, а результирующий магнитный поток в воздушном зазоре машины поддерживается неизменной за счет регулирования амплитуды напряжения ротора с помощью инвертора напряжения (ИН) с ШИМ.
Основными недостатками частотно-регулируемого асинхронного коротко-замкнутого двигателя являются его пониженные энергетические, пусковые и перегрузочные характеристики [59]. Управляемый асинхронный двигатель двойного питания в контактном (АДДП) и бесконтактном (БАДДП) исполнениях может быть лишен этих недостатков. При этом во всем диапазоне частотно-регулируемого двигателя подобного типа можно поддерживать постоянство coscp = l и результирующего магнитного потока в воздушном зазоре машины % = const.
При общепринятых допущениях векторные уравнения Парка-Горева для АДДП (рис.2.18) в установившемся режиме работы запишутся следующим образом (в относительных единицах): U = (r + jvxa)I+jW8; (2.83) Ur=(r + js0xro)Ir+js0%; (2.84) % = хаг(І+Іг); (2.85) M = ReJ0F8I), (2.86) где U,Uг - результирующие комплексные функции напряжений обмоток статора и ротора; 1, 1г - результирующие комплексные функции токов обмоток статора и ротора; 4 - результирующая комплексная функция магнитного потока воздушного зазора; г, гг - активные сопротивления этих обмоток; ха, хга, х
Дискретные системы управления инверторным звеном преобразователя частоты в цепях якоря
Последние достижения в области вычислительной техники позволяют значительно упростить и ускорить анализ переходных процессов в сложных электромашинно-вентильных системах, к которым относится также и ЭП с АВД. В настоящее время на российском рынке компьютерных технологий есть много продуктов для этих целей. Наиболее подходящими из них являются пакеты "Элтран" и MATLAB. Система "Элтран" широко используется на кафедре промышленной электроники Мордовского государственного университета (г. Саранск) и предназначена преимущественно для моделирования статических вентильных преобразователей [255]. Следует отметить, что, несмотря на все свои достоинства, пакет "Элтран" имеет довольно сложный входной язык описания моделей, а размер их ограничен. Новая версия пакета находится только на стадии разработки и далека от завершения. Поэтому окончательно для анализа переходных процессов был выбран пакет MATLAB (версия 5.2), содержащий в своем составе эффективный инструмент визуального моделирования SIMULINK [76].
Разработка моделей средствами SIMULINK (S-моделей) основана на использовании технологии Drag-and-Drop. В качестве элементов для построения S-модели используются модули или блоки, хранящиеся в библиотеке SIMULINK. SIMULINK хорош тем, что, с одной стороны, обеспечивает пользователю доступ ко всем основным возможностям пакета MATLAB, а с другой - является достаточно самостоятельной его компонентой, т.е. при работе с ним не не обязательно иметь навыки в использовании других инструментов, входящих в состав пакета.
Блоки, включаемые в создаваемую модель, могут быть связаны друг с другом как по информации, так и по управлению. Тип связи зависит от типа блока и логики работы модели. Данные, которыми обмениваются блоки, могут быть скалярными величинами, векторами или матрицами произвольной размерности.
Любая S-модель может иметь иерархическую структуру, то есть состоять из моделей более низкого уровня, причем число уровней иерархии практически не ограничено.
Для решения систем дифференциальных уравнений численными методами SIMULINK имеет в своем составе решатель дифференциальных уравнений, построенный в виде программного цифрового интегратора. Пользователь может выбрать один из методов решения уравнений - Рунге-Кутта, Эйлера или Адамса. Эти методы реализованы в виде рекуррентных формул, в которых очередной шаг решения осуществляется с использованием данных, полученных в одном или нескольких предшествующих шагах [80, 94]. Можно задавать способ изменения модельного времени (с постоянным или переменным шагом), а также условия окончания моделирования.
В ходе моделирования имеется возможность наблюдать за процессами, происходящими в системе. Для этого используются специальные «Смотровые окна», входящие в состав библиотеки SIMULINK. Интересующие пользователя характеристики системы могут быть представлены как в числовой, так и в графической форме. Кроме того, существует возможность включения в состав модели средств анимации.
Еще одно важное достоинство SIMULINK заключается в том, что он является открытой системой: состав библиотеки может быть пополнен пользователем за счет разработки собственных блоков.
Целью создания математической модели АВД, как составной части ЭП, является расчет электромеханических переходных процессов, происходящих в двигателе при пуске и разгоне с постоянным моментом нагрузки на валу, сбросе-набросе нагрузки, а также анализ режима упора.
При разработке математической модели приняты следующие допущения: насыщение магнитопровода машины неизменно; потери в стали и механические потери отсутствуют; трехфазные обмотки якоря и возбуждения симметричны; напряжение возбуждения синусоидально. Для анализа электромагнитных процессов в машинно-вентильных системах в теории электромеханики широко применяется понятие обобщенной электрической машины.
Обобщенная электрическая машина - симметричная двухполюсная двухфазная идеализированная машина, имеющая две пары обмоток на роторе и статоре (рис. 3.1). Где (osa, cosp- число витков обмотки статора по осям а и (3; cora, Юф - число витков обмотки ротора по осям а и Р; usa, usp, ura, urp соответственно напряжения по осям а и р на статоре и роторе; сог - угловая скорость ротора.
Пространственная модель обобщенной электрической машины В идеализированной двухфазной двухполюсной электрической машине вращаются обмотки ротора и неподвижны обмотки статора. Совместив с осями обмоток ортогональные системы координат статора as, bs и ротора ar, br получим машину в непреобразованной системе координат (рис. 3.2). Вектора фазных токов и потокосцеплений в этой модели совпадают с осями обмоток.
