Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время для переоснащения отечественной промышленности возникает необходимость осуществлять автоматизацию производства на основе широкого внедрения современного электропривода переменного тока. Наряду с асинхронными электродвигателями, традиционно составляющими основу указанного электропривода, синхронные двигатели в нем получают все более широкое применение.
Теория синхронных электрических машин создана и развивается в течение столетия. Многие вопросы нашли в ней глубокую проработку, другие находятся в состоянии совершенствования. К вопросам, требующим развития, относятся вопросы, связанные с оценкой поведения синхронных двигателей (СД) в переходных режимах работы. Частые пуски, регулирование частоты вращения, колебания нагрузки на валу являются нормальными условиями эксплуатации синхронных двигателем .малой мощности. Перечисленные вопросы представляют собой сложную задачу даже для трехфазных синхронных машин, с которых и началось развитие классической теории. Сложность задачи повышается, когда исследуется работа синхронных машин от однофазной сети. До самого последнего времени большая часть исследований переходных процессов в СД, работающих от однофазной сети, проводилась либо с использованием упрощенных методов анализа (например, методом симметричных составляющих), либо экспериментально на макетных образцах. Незавершенность исследования теории устойчивости и переходных процессов синхронных двигателей малой мощности являлась одним из препятствий, которые сдерживали расширение их производства для автоматизации и роботизации технологических процессов в промышленности.
Цель и задачи исследования. При выполнении диссертационной работы была поставлена цель: Развить методы анализа устойчивости синхронных двигателей малой мощности, работающих как от трехфазной, так и от однофазной сети, исследовать переходные процессы в асинхронных и квазисинхронных режимах работы. На зтой основе создать методики, провести расчеты и проанализировать влияние параметров на работу исследуемых СД.
Для достижения намеченной цели в диссертационной работе решались следующие основные задачи:
-
Разработать математическую модель, описывающую работу синхронных двигателей, как от трехфазной, так и от однофазной сети.
-
Выяснить влияние параметров на границы устойчивой работы трехфазных синхронных двигателей основных типов: с электромагнитным возбуждением, с постоянными магнитами и синхронных реактивных.
-
Исследовать характер поведения синхронной машины вблизи и на самой границе устойчивой работы и на основе этого уточнить представление о границе устойчивости.
-
Проанализировать вопросы устойчивости синхронных двигателей к резкому изменению нагрузки на валу.
-
На основе единого подхода разработать метод расчета статических механических характеристик синхронных двигателей, работающих от трехфазной и однофазной сети.
-
Рассмотреть переходные процессы при асинхронном пуске и втягивании в синхронизм. Определить условия, при которых втягивание в синхронизм будет протекать наиболее благоприятно.
-
Разработать методику расчета и исследовать угловые характеристики однофазных и конденсаторных синхронных двигателей, не прибегая к методу симметричных составляющих.
-
Оценить нестабильность мгновенной частоты вращения однофазных синхронных двигателей.в установившихся режимах и потери в обмотках ротора в зависимости от величины емкости фазосдвигшощего конденсатора.
-
Выработать рекомендации по проектированию синхронных двигателей, обладающих повышенной устойчивостью в требуемых условиях эксплуатации.
10. Провести эксперименты, и сравнить их с результатами теоретиче
ских исследований.
Методы исследований. При выполнении работы использовались методы математического моделирования электромеханических объектов; методы численного интегрирования нелинейных систем дифференциальных уравнений; методы оценки устойчивости объектов без решения дифференциальных уравнений (критерий устойчивости Рауса); проводились аналитические и экспериментальные исследования.
Научная новизна. Научная новизна состоит в следующем.
-
Созданы математические модели основных типов синхронных машин малой мощности, работающих как от трехфазной, так и от однофазной сети, позволяющие определять границы областей устойчивой работы в плоскостях параметров рассматриваемых машин.
-
На основе численного интегрирования систем нелинейных дифференциальных уравнений установлен характер поведения исследуемых синхронных машин вблизи фаницы устойчивой работы. Показано плавное ухудшение демпфирующих свойств по мере приближения рабочей точки, описывающей поведение СД в плоскости параметров, к границе устойчивости,
-
Уточнено и сформулировано понятие границы устойчивой работы (самораскачивания) синхронной машины, рассмотрены свойства, которыми обладает синхронная машина, оказавшаяся непосредственно на границе устойчивой работы. Получено совпадение границ устойчивой работы, рассчитанных на основе критерия устойчивости Рауса по уравнениям первого
приближения, и методом численного интегрирования исходных нелинейных систем дифференциальных уравнений.
-
Определены условия наиболее благоприятного пуска под нагрузкой СД с электромагнитным возбуждением.
-
Разработана универсальная методика, позволяющая рассчитывать статические механические характеристики трехфазных и однофазных синхронных СД малой мощности в режиме асинхронного пуска.
-
Создана методика расчета угловых характеристик однофазных СД малой мощности, позволяющая рассматривать асинхронный и установившийся режимы их работы с обших позиций теории синхронной машины.
-
Получены математические модели, дающие возможность рассчитывать асинхронные и квазиустановившиеся режимы однофазных и конденсаторных СД с постоянными магнитами и синхронных реактивных. Достоинством модели является возможность вычисления, наряду с другими переменными, нестабильности мгновенной частоты вращения в зависимости от параметров синхронною двигателя и нагрузки.
Практические результаты.
-
Определено влияние параметров на границы областей устойчивой работы СД с электромагнитным возбуждением, с постоянными магнитами и реактивных от их параметров.
-
Выявлен характер изменения демпфирующих свойств синхронной машины в случае приближения рабочей точки, находящейся в плоскости ее параметров, к границе устойчивости и при переходе в область автоколебательной неустойчивости. Определены амплитуда и частота колебаний в тех точках неустойчивой работы, в которых не происходит выпадения синхронной машины из синхронизма.
-
Получены данные, показывающие степень влияния начального положения ротора СД при пуске на начальный пусковой момент, время пуска и, при определенных условиях, на момент входа в синхронизм.
-
Показана значимость статических механических характеристик для оценки возможности благоприятного пуска трехфазных и однофазных синхронных ДВИГаТеЛсЙ С НйГруЗКОЙ Ни ВЗДГ/.
-
Разработанная методика позволяет оценивать, наряду с другими параметрами, влияние емкости фазос двигающего конденсатора на величину КПД, момента выхода из синхронизма (по угловой характеристике) и нестабильность мгновенной частоты вращения конденсаторных СД.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
-
Математические модели, описывающие режимы работы синхронных двигателей от трехфазной и однофазной сети.
-
Закономерности и особые случаи влияния параметров на границы устойчивой работы СД малой мощности.
-
Свойства границы устойчивой работы синхронной машины.
-
Характер поведения синхронной машины вблизи границы устойчивой работы.
-
Метод построения статических механических и угловых характеристик трехфазных и однофазных синхронных двигателей.
-
Способ расчета нестабильности мгновенной частоты вращения ротора однофазных СД малой мощности, позволяющий оценивать основные факторы устойчивости работы.
-
Данные экспериментальных исследований, подтверждающие допустимый уровень погрешности (6-15 %) выбранной математический модели.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в Федеральном НПЦ концерне «Энергия» (г. Воронеж) и учебный процесс Воронежского государственного технического университета.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференции «Экономия ресурсов и повышение технико-эксплуатационных показателей электротехнических систем и устройств» (г. Воронеж, 1982), «Шестой всесоюзной межвузовской конференции по теории и методам расчета нелинейных цепей и систем» (г. Ташкент, 1982), «Девятой всесоюзной конференции по проблемам автоматизированного электропривода» (г. Алма-Ата, 1983), всесоюзной научно-технической конференции «Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов» (г. Днепродзержинск, 1985), на кафедре робототехнических систем Воронежского государственного технического университета,. ученом совете международного института компьютерных технологий (г. Воронеж), Всероссийской конференции «Совершенствование наземного обеспечения авиации» (г. Воронеж, 1999).
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в монографии и в 18 других печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 260 страницах машинописного текста, содержит 124 рисунка, 15 таблиц, состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 200 наименований и приложения.
