Введение к работе
Актуальность проблемы. Одной из проблем современной электромеханики, к которой традиционно относят не только электромеханические (ЭМХ), но и электромагнитные (ЭМГ) преобразователи энергии, является повышение энергетических показателей преобразователей с вентильными элементами (диодами, транзисторами или тиристорами), которые называют электромеханическими и электромагнитными вентильными преобразователями. Они нашли широкое применение в автономных энергетических установках: ветроэнергетических станциях, микро и малых ГЭС для промышленности и сельского хозяйства, транспортных средствах, в частности - для систем запуска первичных двигателей и генерирования электроэнергии в бортовую сеть летательных аппаратов и автомобилей. Здесь нашли применение асинхронные машины (АМ) с короткозамкнутым или фазным ротором, а также - трансформаторы с вращающимся магнитным полем (ТВП). Для автономных энергетических установок значительной мощности целесообразно применять многообмоточные преобразователи. При небольших мощностях в автомобильных комбинированных энергетических установках (КЭУ) требуются специальные многополюсные низковольтные АМ, создающие значительные моменты в пусковых режимах, а также позволяющие вырабатывать электроэнергию в широком диапазоне частот вращения вала в генераторных режимах.
В автономных энергетических установках подвижных объектов, например, системах «Переменная скорость вращения вала – постоянная частота выходного напряжения» летательных, в том числе космических, аппаратов, недопустим скользящий контакт и предъявляются жесткие требования к массогабаритным показателям, уровню излучения электромагнитных помех, а также качеству электроэнергии. Поэтому здесь целесообразно применение АМ с короткозамкнутым ротором и трансформаторов с вращающимся магнитным полем. Они работают совместно с вентильными источниками реактивной мощности, создающими токи намагничивания ЭМХ и ЭМГ преобразователей.
Трансформаторы с вращающимся магнитным полем, в сравнении со стержневыми трансформаторами, не содержат ярем и воздушных зазоров в стыках. Исключение из конструкции ярем на 20 - 30 % снижает удельную массу трансформаторов. Обмотки таких трансформаторов расположены в пазах внутри магнитопровода, поэтому имеют пониженный уровень электромагнитного излучения. Эти факторы определяют перспективность их использования в автономных энергетических установках.
В стационарных автономных объектах с диапазоном изменений частот вращения вала около 1:2 зачастую скользящий контакт допустим. Поэтому здесь возможно применение асинхронных машин с фазным ротором, с преобразованием только мощности скольжения, позволяющих уменьшить установленную мощность вентильных коммутаторов.
Весомый вклад в теорию и разработку ЭМХ и ЭМГ вентильных преобразователей внесен как отечественными, так и зарубежными учеными. Вот далеко не полный их список: Горев А.А., Копылов И.П., Балагуров В.А., Бертинов А.И., Беспалов В.Я, Булгаков А.А., Бут Д.А., Винокуров В.А., Глазенко Т.А.., Гуляев И.В., Еременко В.Г., Загорский А.Е., Зиннер Л.Я., Казаков Ю.Б., Костырев М.Л., Лабунцов В.А., Лищенко В.А., Лозенко В.К., Лукутин Б.В., Мазуренко Л.И. Мишин В.И., Мыцык Г.С., Онищенко Г.Б., Сандлер А.С., Сарапулов Ф.Н., Сидельников Б.В., Сипайлов Г.А., Скороспешкин А.И., Титов В.Г., Торопцев Н.Д., Хватов С.В., Хватов О.С., Шакарян Ю.Г., Шрейнер Р.Т., Шукалов В.Ф. а также Г. Крон, Р. Парк, Б. Бедфорд, Р. Хофт, Л. Джюджи, Т. Такеути и многие другие.
Автором также накоплен значительный опыт в области разработки и исследования ЭМХ и ЭМГ преобразователей автономных энергоустановок. Современные силовые электронные ключи (вентили) осуществляют преобразование электроэнергии с малыми потерями, позволяют формировать напряжения и токи в обмотках ЭМХ и ЭМГ преобразователей, обеспечивая в автономных энергетических установках требуемое качество электрической и механической энергии. Однако, еще недостаточное внимание уделялось процессам квантования ЭДС, напряжений и токов обмоток. Поэтому представляется актуальным развитие теории таких преобразователей в части углубленного анализа процессов квантования ЭДС, напряжений и токов и их влияния на процессы преобразования энергии.
Необходимы также рациональные схемные решения и способы управления автономными ЭМХ и ЭМГ преобразователями, построение математических моделей, разработка алгоритмов и пакетов прикладных программ, позволяющих проводить детальные исследования процессов в таких преобразователях. Решение этих вопросов дает возможность подойти к проектированию различных вариантов преобразователей, включая многообмоточные асинхронные машины и многообмоточные трансформаторы с вращающимся магнитным полем, при дискретном характере ЭДС, напряжений и токов фаз.
Можно сделать вывод, что направленность диссертации на развитие теории ЭМХ и ЭМГ преобразователей с вентильными элементами для возможно более полного учета факторов, вносимых в работу вентильными коммутаторами и разработка на основе этой теории эффективных технических решений, соответствует перспективному направлению развития областей технических наук и электротехнической промышленности, связанных с электромеханическим и электромагнитным преобразованием энергии в автономных энергетических установках.
Цель работы. Целью работы является развитие обобщенной теории ЭМХ и ЭМГ вентильных преобразователей для автономных энергетических установок на базе асинхронных машин, а также многообмоточных трансформаторов с вращающимся магнитным полем, позволяющей создавать преобразователи с улучшенными энергетическими и эксплуатационными показателями.
Задачи диссертационной работы. В работе поставлены и решены следующие основные задачи.
-
Оценено современное состояние проблемы в области создания ЭМХ и ЭМГ вентильных преобразователей переменного тока для автономных энергетических установок, и проанализирован опыт их разработок и исследований.
-
На основе обобщенной теории многообмоточных преобразователей энергии с вентильными элементами и вращающимся магнитным полем построены математические модели для исследования особенностей протекания электромагнитных процессов, с целью определения ЭДС, напряжений и токов фаз вентильных ТВП и АМ.
-
Изучено влияние алгоритмов переключений вентилей в цепи ротора АМ на характер электромагнитных процессов, изменения полезных составляющих переменных, параметров и фазовых сдвигов токов при изменении режимов работы АМ.
-
Исследовано влияние пространственных сдвигов фаз обмоток, изменения форм фазных напряжений и способов управления вентильными преобразователями на электромагнитные процессы многообмоточных АМ и ТВП.
-
Предложены математические модели, разработаны алгоритмы и пакеты прикладных программ для исследования процессов в автономных энергетических установках с ЭМХ и ЭМГ преобразователями с учетом нелинейностей и дискретности отдельных звеньев.
-
Доказана возможность получения в обмотках автономных ЭМХ и ЭМГ вентильных преобразователей напряжений близких к синусоидальным без применения широтно-импульсной модуляции.
-
Разработаны технические решения в области ЭМХ и ЭМГ вентильных преобразователей для автономных энергетических установок, улучшающие их энергетические и эксплуатационные характеристики.
-
Уточнены методики расчета и проектирования вентильных АМ и ТВП автономных энергетических установок с учетом с учетом дискретности и пространственной несимметрии обмоток.
-
Созданы экспериментальные установки ЭМХ и ЭМГ вентильных преобразователей для проверки основных теоретических положений.
Обоснованность и достоверность результатов работы определяются корректностью математических моделей, построенных на основе фундаментальных положений общей теории электромеханических, электромагнитных и вентильных преобразователей, а также подтверждением теоретических аспектов работы достаточным объемом экспериментальных данных.
Методы исследования, представленные в диссертационной работе, основаны на общей теории электрических цепей, электрических машин и трансформаторов, силовой электроники, теории нелинейных дифференциальных уравнений и обобщенных функций, теории автоматического регулирования.
В работе использованы методы преобразования переменных, согласующиеся с обобщенной теорией электромеханического преобразования энергии и метод коммутационных функций, описывающие кусочно-гармонические изменения токов, ЭДС и напряжений для анализа установившихся и переходных режимов автономных энергоустановок.
При экспериментальных исследованиях и испытаниях макетных и опытных образцов ЭМХ и ЭМГ преобразователей энергии с вращающимся магнитным полем использованы современные методы, аппаратура и устройства для измерений.
Связь темы диссертации с НИР
При выполнении диссертационной работы выполнено более 10 научно-исследовательских работ под руководством и при участии автора. Разработки и научные исследования ЭМХ и ЭМГ преобразователей на базе АМ и ТВП для автономных энергетических установок проводились по заданиям и совместно с Вагоностроительным заводом (г. Рига), НПО «Циклон» и «Ветроэн» (г. Истра), Таганрогским машиностроительным заводом, Москвовским агрегатным заводом «Дзержинец», ОАО «Завод автотракторного электрооборудования» им. А.М.Тарасова (г. Самара), НТЦ ОАО «Волжский автомобильный завод» (г. Тольятти), ГНП РКЦ «ЦСКБ Прогресс» (г. Самара).
Научная новизна работы
1. Предложена теория обобщенного многообмоточного преобразователя энергии (МПЭ) с вентильными элементами и вращающимся полем, основанная на координатных преобразованиях коммутационных функций переменных, представленных в виде тригонометрических функций дискретного аргумента.
2. Разработаны идеализированные математические модели, функционально ориентированные на определение мгновенных значений ЭДС, напряжений и токов фаз вентильных ТВП и АМ, учитывающие влияние дискретности и расположения фаз обмоток на уравнительные токи фаз этих обмоток преобразователей и «естественную ШИМ» тока в цепи фазного ротора АМ.
3. Показано, что «естественная ШИМ» тока ротора, возникающая при небольших положительных и отрицательных скольжениях в АМ с неуправляемым выпрямителем в цепи ротора, определяет нелинейный характер зависимостей фазных токов и постоянной составляющей выпрямленной ЭДС ротора, а также эквивалентного сопротивления роторной группы вентилей от скольжения. Определено влияние «естественной ШИМ» на основную гармонику тока ротора и динамические свойства ЭМХ преобразователей.
4. Выявлены особенности протекания электромагнитных процессов в автономных ЭМХ и ЭМГ преобразователях на базе многообмоточных ТВП и АМ с короткозамкнутым ротором. Показано, что причиной возникновения уравнительных токов в фазах первичных обмоток ТВП и АМ является значительное различие форм напряжения и ЭДС фаз. Доказано, что при предложенных способах управлении достигается снижение уравнительных токов в несколько раз.
5. Построены математические модели и разработаны алгоритмы численного решения, позволяющие исследовать квазиустановившиеся и переходные электромагнитные и электромеханические процессы в автономных энергетических установках с ЭМХ и ЭМГ преобразователями с учетом нелинейностей и дискретности отдельных звеньев.
Практическая ценность работы заключается:
-
В разработке на основе предложенных математических моделей алгоритмов численного определения значений переменных и создании пакетов прикладных программ для компьютерного моделирования установившихся и переходных процессов в автономных энергетических установках с рассматриваемыми ЭМХ и ЭМГ преобразователями.
-
В уточнении и обобщении методик расчета и проектирования вентильных АМ и ТВП для автономных энергоустановок, учитывающих особенности работы и конструкций обмоток.
-
В разработке новые устройств и способов управления ЭМХ и ЭМГ вентильными преобразователями на базе АМ и ТВП, позволяющие повысить энергетические и эксплуатационные показатели.
-
В разработке конструкции многополюсной АМ, обеспечивающей требуемые пусковые моменты, с укороченными лобовыми частями обмотки статора, которая делает перспективным применение таких машин в комбинированных энергетических установках автомобилей
-
В создании и испытаниях макетных образцов ЭМХ и ЭМГ вентильных преобразователей на базе АМ с фазным и короткозамкнутым ротором, а также многообмоточного ТВП для автономных энергетических установок транспорта и возобновляемых источников энергии.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы на предприятиях: НПО «Ветроэн» (г. Истра) – для создания маетной установки; Таганрогский машиностроительный завод – для создания опытного образца; ОАО «Завод автотракторного электрооборудования» (г. Самара) – для создания экспериментальной установки; НТЦ ОАО «Волжский автомобильный завод» – для создания новых силовых установок автомобилей; ГНП РКЦ «ЦСКБ Прогресс» - при разработке ЭМ преобразователей для автономных энергетических установок.
Результаты диссертационной работы, изложенные автором в учебно-методических пособиях, используются в учебном процессе Самарского государственного технического университета (СамГТУ) и Самарского университета путей сообщения (СамГУПС). Технические решения автора, защищенные авторскими свидетельствами, использованы в лабораторном практикуме студентов электротехнического факультета СамГТУ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на:
- Всесоюзных научно - технических конференциях, совещаниях и семинарах: “Теория и методы расчета нелинейных цепей”, Ташкент, 1975г., «Современные задачи преобразовательной техники», Киев, 1975г., «Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов». Днепродзержинск, 1985г., «Опыт проектирования и производства электрических машин автономных электрических систем». Ереван, 1985г., «Электромеханотроника», Ленинград, 1987, 1989гг., «Эквивалентирование электроэнергетических систем для управления их режимами» - Баку, 1987.
- Традиционных научно - технических конференциях: «Динамические режимы работы электрических машин переменного тока». Смоленск, 1975г., «Электроприводы переменного тока с полупроводниковыми преобразователями», Свердловск, 1986, 1989гг.
- Республиканских научно-практических конференциях: «Использование местных возобновляемых источников энергии в орошаемом земледелии и животноводстве Киргизской ССР» - Фрунзе, 1982г, «Использование возобновляемых источников энергии в практике народного хозяйства республики». Фрунзе, 1988г.;
- Всероссийских научно-технических конференциях: Современные проблемы энергетики, электромеханики и электротехнологии, Екатеринбург, 1995г.; “Электроэнергетические комплексы автономных объектов ЭКАО-99”, Москва, МЭИ, 1999г.;
- Международных научно-технических конференциях в России: “Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте”, Самара, 1999г., “Нетрадиционные электромеханические и электрические системы” Санкт-Петербург, 1999г., “Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы”, Екатеринбург, 2003г., «Электромеханические преобразователи энергии», Томск, 2001, 2003гг., «Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития», Магнитогорск, 2004г., «Состояние и перспективы развития электротехнологии», Иваново, 2009г., ЭЛМАШ-2009 «Электроэнергетика и электротехника. Проблемы и перспективы», Москва.
- Международных научно-технических конференциях на Украине: “Проблемы современной электротехники ”, Киев, 2000, 2002гг.
- Международных симпозиумах: ЭЛМАШ-2004 «Перспективы и тенденции развития электротехнического оборудования», Москва; «Электроника и электрооборудование транспорта», Суздаль, 2005г;
- Международных научно-технических конференциях за рубежом: Eleventh International Conference on Electrical Machines, Drives and Power Systems «ELMA 2005», «ELMA 2008» (Болгария).
- Всероссийском электротехническом конгрессе «ВЭЛК – 2005». Москва, 2005.
Публикации. По теме диссертации опубликован текст лекций, 43 статьи, в том числе 10 - издательствами, утвержденными перечнем ВАК, получено 22 авторских свидетельства на изобретения и 5 патентов. Перечень публикаций в диссертации приведен в полном объеме, а в автореферате в сокращенном виде.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников из 212 наименований и приложений, изложена на 384 страницах основного текста с 18 таблицами, иллюстрирована 125 рисунками.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Теория обобщенного многообмоточного преобразователя энергии (МПЭ) с вентильными элементами и вращающимся полем, основанная на координатных преобразованиях коммутационных функций переменных, представленных в виде тригонометрических функций дискретного аргумента.
-
Идеализированные математические модели многообмоточных ЭМХ и ЭМГ преобразователей в составе автономных энергетических установок, функционально ориентированные на определение мгновенных значений ЭДС, напряжений и токов фаз, учитывающие влияние дискретности и расположения фаз на уравнительные токи обмоток преобразователей и «естественную ШИМ» тока в цепи фазного ротора АМ.
-
Математические модели, алгоритмы расчета и пакеты прикладных программ, ориентированные на исследование квазиустановившихся и переходных электромагнитных и электромеханических процессов в автономных энергетических установках с ЭМХ и ЭМГ преобразователями с учетом нелинейностей и дискретности отдельных звеньев.
-
Уточненные методики расчета и проектирования специальных вентильных электрических машин и трансформаторов с вращающимся магнитным полем для автономных энергетических установок, учитывающие особенности режимов работы и конструктивное выполнение обмоток.
5. Защищенные авторскими свидетельствами и патентами технические решения в области ЭМХ и ЭМГ вентильных преобразователей для автономных энергетических установок, улучшающие их энергетические и эксплуатационные характеристики.
