Введение к работе
Актуальность проблемы. Совершенствование и дальнейшее развитие электромеханического преобразования энергия связано, в частности, с его электронизацией, которая охватывает не только процессы управления, автоматизации, диагностики и контроля, но и непосредственного воздействия на потоки энергии средствами силовой электроники.
Большой теоретический задел и экспериментальные исследова -ния довоенных (30-е годы) и послевоенных лет (ЭЭ-бО-е годы) позволили, благодаря успешному развитию элементно**! базы энергетической электроники, разработать в ТО-80-е годы и внедрить в народное хозяйство новый класс электрических машин, получивших название вентильных, которые отличает органический синтез электромеханических преобразователей энергии синхронного типа с полупроводниковыми преобразовательными устройствами.
Вентильные двигатели (ВД), серийно выпускаемые промышленностью, имеют широкий диапазон мощностей и отличаятся большим конструктивным разнообразием, продиктованным, прежде всего, типом используемого преобразователя частоты'(Щ), классом вентильных элементов (тиристорным,, транзисторным), способом возбуждения. В качестве отдельных примеров можно назвать БД малой мощности для устройств звукозаписи и бытовой техники, малой и средней мощности для элёктропривода'Станков и роботов, большой мощности общепро -кышленного и" специального назначения.
Вентильные машины (ВМ), выступающие как бесконтактные генераторы постоянного или переменного тока, широко применяются в тяговом электроприводе судов, железнодорожного и автомобильного транспорта, в электрооборудовании летательных аппаратов, для возбуждения мощных электрических машин.
Теория ВМ находится в стадии интенсивного развития. Ее специфические особенности связаны не только; например, с дискретными и нелинейными свойствами этого нового электромеханотрояного преобразователя энергии, но и с выбором вычислительных методов,пригодных для расчета объединенных электронных и электромашинных цепей, отличающихся плохой обусловленностью (большим значением спектрального числа обусловленности) и относящихся к жестким системам. Целостное становление теории BU стало возможным в последние годы, когда появились мощные технические и алгоритмические
предетва расчета сложных электрических цепей этого типа,позволившие реализовать и качественно новый уровень теории электромеханического преобразования энергии.
Развитие электроэнергетики и электрофизических исследований диктуют использование мощных синхронных машин в специфических режимах, формируемых с помощью вентильных электрических цепей.
Запуск обратимых агрегатов гидроаккумулирующих электрических станций в двигательном режиме производится с применением стати - ческих ПЧ по схеме Щ.
В электроэнергетических системах и в электроприводах различных механизмов оказываются эффективными асинхронизированные синхронные машины, у которых сравнительно небольшая мощность скольке-ния ротора пропускается через контактные кольца и статический ПЧ. С помощью этих машин, например, осуществляется гибкая связь электрических систем, частоты которых имеют варьируемое различие.
Синхронные генераторы кратковременного и ударного действия, применяемые в электрофизических установках, могут работать в импульсном режиме на выпрямитель, нагрузкой которого служит емкостной или индуктивный накопитель энергии. Формирование и коммута -ция импульсных токов ударных генераторов производится с помощью специальных вентильных и вентильно-механических устройств.
В современной электроэнергетике получают распространение электропередачи на постоянном токе, связывающие электрические системы несинфазных режимов или с различными частотами. Синхронные машины этих систем оказываются работающими совместно с ОТ.
Поэтому разработка основ теории совместной работы синхронной машины со статическими Ш является актуальной проблемой.
Целью- работы является разработка теоретических основ и методов расчета совместной работы синхронных машин (с электромагнитным возбуждением и с постоянными магнитами) со статическими ПЧ.
Автором защищаются:
теория электрических машин синхронного типа с электромагнитным возбуждением и с постоянными магнитами на основе обобщенного метода удельной магнитной проводимости и частотно-независишх параметров электропроводящих контуров;- - - .
математические модели вентильно-машинных систем в "малом" и "большом" с учетом дискретности работы вентилей и размещения проводников обмоток, двухсторонних зубчатых структур сердечников,
нелинейных свойств магнию- и электропроводящей среды;
численно-аналитические методы расчета дополнительных явле -їий в ВМ;
методы и результаты исследования статической устойчивости
т.
Научная новизна:
для расчета магнитного поля в воздушном зазоре (ВЗ) электрических машин с двухсторонней зубчатостью сердечников предложен и збоснован обобщенный метод удельной магнитной проводимости, в со-этветствии с которым расчетный ВЗ находится как алгебраическая ;умма частичных ВЗ при односторонней зубчатости сердечников, определяемых для точек средней окружности ВЗ на основе решения системы из двух дифференциальных уравнений. Предложенный метод позво-іяет существенно уменьшить методические погрешности классического /етода удельной магнитной проводимости и расширить области его трименения;
для расчета постоянных конформного преобразования предложены шсленные алгоритмы на базе метода продолжения решения по парамет-'У в форме как конечных так и дифференциальных уравнений. Указан-ше алгоритмы позволили существенно расширить границы техническо-о применения конформных преобразований для расчета электромагнитах полей при решении ряда важных прикладных задач по разработке іентильннх двигателей с электромагнитным и магнитоэлектрическим юзбуждением;
на базе обобщенного метода удельной магнитной проводимости : численных алгоритмов продолжения решения по параметру предложен лпарат статических параметров взаимоиндукции обмоток с локально читываемыми зубчатостью и насыщением сердечников как функций те-ущих значений токов и угловой координаты ротора;
разработаны новые методы синтеза частотно-независимых пара-етров обмоток синхронных машин, в том числе и для неявных конту-ов вихревых токов в их сердечниках. Указанные параметры позволя-т адекватным образом описать реакции возбуждения электрических онтуров машины несинусоидальными токами как в установившихся ак и переходных режимах;
применительно к вентильным машинам теоретически и на основе ычислительных экспериментов оценена эффективность резисторно-шсостной модели вентилей. Показано, что эта модель, не смотря а увеличение размерности дифференциальных уравнений, дает возмож-
- б -
яость в 10-15 раз уменьшить время счета на ЭВМ дифференциальных уравнений состояния ВМ;
на базе концепции постоянства топологической структуры силовой схеш ПЧ разработан аппарат математического представления тиристорних элементов при малых отклонениях токов от установившегося рєкима, для которого вариация резисторных сопротивлений вентилей, как функция малых приращений независимых переменных входа и выхода ПЧ описывается с помощью импульсных функций Дирака. На базе этого подхода найдены математические выражения для вариаций тока и напряжения каждого вентиля, которые использованы, в частности, при составлении дифференциальных уравнений ВМ в вариациях;
разработана методика исследования статической устойчивости ВД на основе общей теории устойчивости дифференциальных уравнений с периодическими коэффициентами, позволяющая учесть, в частности, дискретность работы вентилей коммутатора, полный спектр гармонических в напряжениях и токах обмоток;
на основе опытных данных разработаны и сравнительно сопоставлены методы расчета дополнительных потерь и моментов ВМ, выпол -ненных с различными типами коммутаторов. Исследованы конструктивные мероприятия, обеспечивающие электромагнитную совместимость синхронных малин и коммутаторов.
Практическая ценность. На базе обоб -щенного метода удельной магнитной проводимости и конформных преобразований разработаны методы электромагнитного расчета синхронных машин различных типов, предназначенных для работы в вентильных цепях, учитывающие локальную двухстороннюю зубчатость БЗ, нелинейные свойства магнитной и электропроводящей среды, дискрет -ность работы вентилей и располоаения проводников обмоток, весь спектр высших гармоник токов и напрякенкй. Зги методы могут составить современную научную основу проектирования, математического моделирования и рекимных расчетов новых перспективных типов ВМ.
Произведена расчетно-экспериментальная оценка эффективности электромеханического преобразования энергии в ВД различных ти -пов, в том числе выполненных на основе общепромышленных синхронных и асинхронных машин.
Проведен сравнительный анализ методов разгона синхронных машин с промежуточным трансформатором: по схеме ВД с датчиком положения ротора (ДПР); по схеме ВД с имитаторами ДПР различных типов; комбинированным способом - с асинхронным (в начальной ста-
дии) и последующим синхронным движением ротора.
Реализация и внедрение резуль -т а т о в . Некоторые материалы диссертации отражены в двух мо -нографиях (см. список работ по теме диссертации).
Разработаны образцы синхронных машин с постоянный! магнитами для использования в качестве ВД в электроприводах металлорежущих станков и робототехнических комплексов. ВД типа ДБМ 115, конструкция которых защищена авторскиш свидетельствами ( Х& I39986I; I4I02O8), выпускаются серийно на Опытном заводе ВНИИ? с экономическим эффектом в 336 тыс.руб. Конструкция ВД для тиристорных зинхронных электроприводов типа ЭТС1, отнесенных к высшей категории качества, разработана в ЧГУ под руководством автора и защищена авторским свидетельством.
Конструкторские разработки, расчетные методики, математические модели вентильно-машинных систем используются рядом научных соллективов: ВНИИР - при разработке электроприводов типов ЭГБ-1, )ТУ 7801, ЭТС1, Э1Б2;
Ю ВЭИ - при частотном пуске мощных синхронных турбодвигателей; "ізНКЗТН - при разработке мощных высокоскоростных электроприводов ; вентильными двигателями;
ЇЇШШ015; ЭНКМС; ВНКИЭМ; УЗШ - при разработке ВД с постоянными (агнитами и с электромагнитным возбуждением для электроприводов веханизмов подачи и главного движения металлорежущих станков.
Апробация рабо.ты. Основные положения и ре-ультаты диссертационной работы докладывались я обсуждались на: жегодных научно-технических конференциях профессорско-преподава-ельского состава ЧГУ (1968-1989) ;
', УІ, УП, ЯП, X Всесоюзных конференциях по автоматизированному лектроприводу (Тбилиси, 1968; Баку, 1972; Таллин,1975; Ташкент, 979; Воронен, 1987);
сесоюзном научно-техническом совещании по разработке и внедре -ию новых серий синхронных и асинхронных машин (Ленин град, 19 72) ; еепубликанской научно-технической конференции по коммутации лектрических машин (Харьков,1984);
сесоюзном научно-техническом совещании "Регулируемые электродви-атели переменного тока" (Владимир, 1987);
Всесоюзной научно-технической конференции по электромеханотрони-е (Ленинград, 1987);
зековской городской секции НТО по электрическим машинам Москва, 1988).
Публик ац ии . Основные научные результаты по теме диссертации опубликованы в двух монографиях, 60 статьях и 9 авторских свидетельствах.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 495 страницах (включая 117 рисунков) и состоит из введения, девяти глав, заключения и списка литературы в количестве 306 наименований. В приложении даны копии документов, удостоверяющих внедрение результатов научных разработок.
