Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные подходы к разработке ЭП с улучшенными виброшумовыми характеристиками 10
1.1 . Современная постановка проблемы снижения шумов и вибраций электрических машин 10
1.2.Виды шумов и вибраций в электрических машинах и методы борьбы с ними 16 1.3.Применение многофазного асинхронного ЭП для снижения уровня шумов и вибраций 25
1.4.Заключение 30
Глава 2. Разработка математических моделей для анализа статических, динамических и виброшумовых характеристик многофазного ЭП 32
2.1 . Разработка математической модели многофазного АД 32
2.2.Расчет магнитного поля воздушного зазора многофазного АД 51
2.3.Расчет радиальных сил в воздушном зазоре многофазного АД 57
2.4. Заключение 65
Глава 3. Моделирование и анализ несимметричных режимов работы многофазного АД 66
3.1.Обзор основных видов несимметричных режимов работы многофазного АД 66
3.2. Моделирование процессов, протекающих в многофазном АД при обрыве одной или нескольких фаз 67
3.3.Анализ работы многофазного АД при его питании от трехфазного источника 83
3.4. Анализ работы многофазного АД при несимметрии в системе фазных напряжений 89
3.5. Заключение 104
Глава 4. Разработка системы управления многофазным АД с улучшенными виброшумовыми характеристиками 106
4.1 .Разновидности систем управления асинхронных ЭП 106
4.2.Синтез системы векторного управления многофазным АД 114
4.3. Разработка векторной системы управления многофазным АД с улучшенными виброшумовыми характеристиками 125
4.4.Разработка частотно-токовой системы управления многофазным АД с улучшенными виброшумовыми характеристиками 135
4.5 .Заключение 140
Глава 5. Исследование системы ЭП с многофазным АД 142
5.1.Исследование виброшумовых и регулировочных характеристик многофазного асинхронного ЭП с векторным управлением 142
5.2.Исследование виброшумовых и регулировочных характеристик многофазного асинхронного ЭП с частотно-токовым управлением... 159
5.3.Исследование характеристик многофазного асинхронного ЭП в несимметричных режимах работы 175
5.4. Заключение 183
Заключение 185
Литература 188
Приложения
- Современная постановка проблемы снижения шумов и вибраций электрических машин
- Разработка математической модели многофазного АД
- Моделирование процессов, протекающих в многофазном АД при обрыве одной или нескольких фаз
- .Разновидности систем управления асинхронных ЭП
Введение к работе
Современное промышленное производство характеризуется высокой производительностью труда, а также массовым применением сложного автоматизированного оборудования, неотъемлемой составной частью которого является электропривод (ЭП), который, являясь необходимым элементом многих машин и механизмов, определяет в основном их технические и экономические показатели. Одним из перспективных направлений в развитии привода является разработка систем переменного тока, выполненных на базе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором (АД) при питании их от статических преобразователей частоты. Это определено рядом преимуществ данных систем перед приводами постоянного тока, которые заключаются в меньшей стоимости и металлоемкости АД, лучших энергетических, массогабаритных и рядом других показателях [1, 2, 3, 4] при большей надежности. При этом одна из актуальных задач при разработке современного ЭП заключается в снижении уровня вибраций и шумов асинхронной машины.
Шум электрических машин и пути его устранения - это относительно старая, но все еще актуальная и сложная проблема. Напряженная борьба с шумом обусловлена как чисто физиологической причиной, то есть стремлением создать бесшумную рабочую среду, так и чисто технической, так как любой шум вызван вибрацией частей машины. Вибрирующие части испытывают большее напряжение и часто являются причиной отказов, а также старения машин. Кроме того, вибрации машин передаются через фундамент и могут в больших машинах быть причиной вибрации всего агрегата.
Шумы в электрических машинах по создающему их источнику могут быть по существу разделены на механические и магнитные [5]. К источникам механического шума относятся, например, подшипники, вентиляторы и другие элементы машины: распорки в каналах ротора, щетки и т.д. Причины механического шума одинаковы как в электрических, так и в неэлектрических
5 машинах и представляют собой достаточно хорошо изученную область, поэтому они не рассматриваются в данной работе.
Магнитные шумы обусловлены магнитными силами, изменяющимися во времени и пространстве и действующими между отдельными частями машины. В случае асинхронных машин - это тангенциальные и радиальные магнитные силы, действующие между статором и ротором, изменяющиеся во времени и пространстве [5]. На возникновение шума под действием этих сил впервые указал Фритц, который в своей статье, опубликованной в 1921 г. [5], представил на рассмотрение результаты анализа этого явления. Однако проблема магнитного шума обратила на себя внимание только спустя 10 лет, когда над ней начали работать несколько авторов.
Аналитический обзор литературы и практика применения электрических приводов показывают, что асинхронные машины с их высокими технико-экономическими показателями в то же время являются наиболее неблагоприятными с точки зрения образования магнитного шума вследствие их малых воздушных зазоров [5].
Исходя из этого, можно сделать вывод о том, что разработка систем переменного тока, выполненных на базе АД, является актуальной задачей, требующей проработки комплекса вопросов при ее решении, и, в частности, вопроса уменьшения в двигателях уровня магнитных шумов при сохранении на должном уровне других технико-экономических показателей.
Широкие возможности целенаправленного воздействия на конфигурацию магнитного поля в АД, а следовательно, на виброшумовые характеристики, открывает увеличение числа фаз статора двигателя, что позволяет также эффективно оптимизировать целый спектр других технико-экономических показателей ЭП [6, 7].
Исходя из вышеизложенного, целью диссертации является разработка ЭП переменного тока на базе многофазного АД с улучшенными виброшумовыми характеристиками при сохранении на требуемом уровне всех остальных технико-экономических показателей.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
Обоснование применения ЭП на базе многофазных АД с питанием от полупроводникового преобразователя частоты в качестве способа борьбы с шумами.
Разработка математической модели многофазного АД при соединении его статорной обмотки в произвольное число симметричных групп и выполнении обмотки ротора в виде беличьей клетки для исследования его регулировочных характеристик и расчета радиальных сил.
Исследование электромагнитных процессов и радиальных сил в га-фазном АД.
Анализ несимметричных режимов работы многофазного АД.
Разработка структур систем управления многофазным АД с улучшенными виброакустическими показателями.
6. Модельные исследования разработанных ЭП.
Научная новизна.
Получена модель АД с короткозамкнутым ротором с га-фазной обмоткой статора и F-фазной (соответствующей числу стержней ротора) обмоткой ротора при произвольной форме фазных напряжений с учетом несинусоидального характера пространственного распределения поля вдоль расточки магнитопровода, а также с отдельным учетом сопротивлений участков короткозамыкающих колец ротора и дифференциации индуктивности рассеяния для различных пространственных гармонических с упрощением конечных расчетных уравнений за счет приведения ротора к обмотке статора.
Получены соотношения для расчета формы распределения магнитной индукции вдоль воздушного зазора многофазного АД на основе использования векторов токов статора и ротора, приведенных к различным пространственным гармоникам. Выведены соотношения, позволяющие рассчитать величины радиальных сил, действующих между статором и ротором многофазного АД в результате их магнитного взаимодействия. Полученные
7 соотношения обеспечивают возможность точного и приближенного (инженерного) расчета величин пространственных гармоник радиальных сил.
Найдены соотношения между модулями и фазами векторов токов намагничивания, а также токов статора, приведенных к высшим пространственным гармоникам многофазного АД, позволяющие ограничивать величины радиальных сил в двигателе, вызванные магнитной природой, на заданном уровне.
Разработана структура системы векторного управления многофазным асинхронным ЭП с ориентацией на спектральный вектор потокосцепления ротора, приведенный к первой гармонической поля, позволившая получить показатели качества регулирования, сравнимые с параметрами классических векторных систем, при более простой структуре, за счет использования специального метода синтеза регуляторов момента и модуля потокосцепления ротора, а также позволившая добиться низкого уровня магнитных шумов в исполнительном двигателе за счет соответствующего целенаправленного формирования гармонического состава фазных токов АД.
Разработана структура системы частотно-токового управления многофазным асинхронным ЭП, позволившая добиться низкого уровня шумов в исполнительном двигателе за счет соответствующего формирования гармонического состава фазных напряжений АД.
Практическая значимость работы.
Получена математическая модель многофазного АД, позволившая исследовать различные режимы работы электродвигателя, а также рассчитать конфигурацию магнитного поля и распределение радиальных сил вдоль воздушного зазора двигателя.
Получены соотношения, обеспечивающие приближенный (инженерного) расчет величин пространственных гармоник радиальных сил.
Найдены соотношения между модулями и фазами токов намагничивания, а также токов статора, приведенных к высшим протсранственным гармоническим многофазного АД, позволяющие ограничивать величины
8 радиальных сил в двигателе, вызванные магнитной природой, на заданном уровне.
Получены соотношения для определения степени несимметрии в системе фазных напряжений многофазного АД.
Разработаны многофазные ЭП переменного тока с векторным и частотно-токовым управлением, обеспечивающие улучшенные динамические и виброакустические показатели.
На защиту выносятся:
Положение о перспективности применения многофазного ЭП для уменьшения уровня шумов в исполнительном двигателе.
Математическая модель многофазного АД при соединении его статорной обмотки в произвольное число симметричных групп и с обмоткой ротора, выполненной в виде беличьей клетки с произвольным числом стержней, обеспечивающая решение задач синтеза и исследование распределения магнитного поля в воздушном зазоре и радиальных магнитных сил.
Результаты исследований радиальных магнитных сил в различных режимах работы т-фазного АД, в том числе несимметричных.
Структура системы векторного управления многофазным ЭП, ориентированной на вектор потокосцепления ротора и позволяющей контролировать уровень магнитных шумов в исполнительном двигателе за счет добавления дополнительных контуров регулирования спектральных векторов тока статора, приведенных к высшим пространственным гармоническим поля.
Структура системы частотно-токового управления многофазным ЭП, позволяющей контролировать уровень магнитных шумов в исполнительном двигателе за счет задания векторов напряжения статора, приведенных к высшим пространственным гармоническим поля.
Достоверность научных положений в диссертации доказана применениями различных методов расчета одних и тех же величин, а также согласованностью
9 результатов расчетов с результатами предшествующих исследований и практических экспериментов.
Областью применения результатов диссертации является промышленное производство, специальная техника, использующая ЭП и электроустановки в общественных зданиях.
Апробация работы.
Основные положения работы и ее результаты докладывались на XIII и XIV Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2007, 2008 гг.), XIII и XIV Международных научно-технических конференциях «Бенардосовские чтения» (Иваново, 2007, 2008 гг.), XII региональной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Электроэнергетика» (Иваново, 2006 г), XII Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Алушта, 2008 г).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 работ.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержит 120 страниц основного машинописного текста, приложений на 20 страницах, 78 рисунков и таблиц на 63 страницах и перечень использованной литературы из 94 наименований.
Современная постановка проблемы снижения шумов и вибраций электрических машин
Шум электрических машин и пути его устранения - это относительно старая, но все еще актуальная и сложная проблема. Напряженная борьба с шумом обусловлена как чисто физиологической причиной, то есть стремлением создать бесшумную рабочую среду, так и чисто технической, так как любой шум вызван вибрацией частей машины. Вибрирующие части испытывают большее напряжение и часто являются причиной отказов, а также старения машин. Кроме того, вибрации машин передаются через фундамент и могут в больших машинах быть причиной вибрации всего агрегата [5].
Вибрация - это колебательное движение элементов машин, их отдельных узлов. Вибрации сопровождают работу каждой машины, и они особенно интенсивны в машинах, где вибрационные явления используются для различных технологических процессов. Вибрации играют исключительную роль в современной технике. С каждым годом существенно возрастает спектр вибраций-от долей герц до сотен мегагерц. Соответственно усиливается негативное влияние на человека.
Проблема виброзащиты, в широком понимании этого слова, представляет собой проблему защиты окружающей среды и охраны природы и имеет международное значение. Работами по устранению вредных воздействий вибрации занимались многие выдающиеся ученые, такие, как: Боголюбов Н. Н., Фролов К. В., Болотин В. В., Генкин М. Д., Блехман И. И. и другие [8]. Однако не все достижения, к сожалению, воплощаются в технике по причине недооценки воздействия колебаний на работоспособность оборудования и здоровье человека.
Характерной особенностью современных машин являются большие мощности, высокие скорости рабочих процессов и значительные усилия, возникающие в процессе работы. Современное оборудование вообще работает в тяжелых динамических условиях. Работа практически любого оборудования, как уже говорилось выше, сопровождается вибрациями и ударами. Знакопеременные напряжения, вызванные вибрационными воздействиями, приводят к накоплению повреждений в материале, что вызывает появление усталостных трещин и разрушение. Кроме усталостных разрушений наблюдаются явления, приводящие к, постепенному ослаблению неподвижных соединений («разбалтывание») и относительному смещению сопряженных поверхностей в соединениях. При этом изменяется структура поверхностных слоев сопрягаемых деталей, возрастает их износ и, как результат, уменьшение силы трения в соединении, что вызывает изменение диссипативных свойств объекта, смещает его собственные частоты, а также наблюдаются прочие вредные явления. В резьбовых соединениях для борьбы с самоотвинчиванием, вызванным вибрацией, применяется стопорение (например, устанавливаются гайки увеличенной высоты, контргайки, пружинные шайбы, «сажают на краску» и т. п.). Это вызывает определенные трудности: увеличивает стоимость, усложняет и удлиняет технологию сборки и разборки при ремонте, а в случае применения краски серьезно затрудняет последнюю, причем повторное использование элементов резьбовых соединений зачастую невозможно. И если отвинтившуюся гайку можно подтянуть и застопорить, то неразъемные соединения, например заклепочные или сварные, придется переделывать. Подвижные соединения узлов и деталей оборудования, выполняемые с зазорами, под действием вибрационных сил, могут работать с соударениями сопрягаемых поверхностей, что приводит к их разрушению. Вибрационные и ударные воздействия, не вызывая разрушение оборудования, могут приводить к нарушению его нормального функционирования [8].
Под действием вибрации резко увеличивается количество ошибок измерений, производимых приборами, устанавливаемыми в системах управления движением для измерения параметров того же движения. Электронные устройства особенно подвержены неблагоприятному воздействию вибрации. Это происходит в результате того, что теряются контакты между элементами этих устройств вследствие того, что разрушается пайка, разъединяются штыревые соединения, причем контакт может потеряться не полностью. Бывает также, что контакт возникает там, где он не требуется. Ярким примером может служить короткое замыкание, особенно проводов питания. Изоляция спасает лишь в том случае, если она не перетирается вследствие пространственных перемещений и контактного взаимодействия с элементами конструкции под действием вибрации. Предотвратить вышеназванные явления очень сложно, чаще всего невозможно (например, если усилия, возникающие при вибрации, превышают предел прочности пайки). Найти неисправность и ликвидировать ее также очень сложно. Использовать хрупкие электронные устройства в условиях вибрации нельзя, т. к. она для них она оказывает разрушающее действие [8].
Способность оборудования не разрушаться при механических воздействиях принято называть вибропрочностью оборудования [8]. Как правило, разрушение узлов оборудования при вибрационных возмущениях происходит из-за резонансных явлений. Разрушение встречается лишь при грубых нарушениях правил проектирования оборудования и встречается достаточно редко. Чаще встречается проблема нормального функционирования оборудования, характеризующаяся виброустойчивостью [8]. Недостаточная способность нормально функционировать под действием вибрации часто приводит к отказам различных узлов оборудования, т. е. нарушениям работы без необратимых изменений.
Разработка математической модели многофазного АД
Для построения качественных систем управления многофазными АД с улучшенными виброшумовыми характеристиками первостепенное значение приобретает изучение регулировочных возможностей двигателя, а также характера распределения магнитного поля двигателя вдоль воздушного зазора во время его работы. Особо следует отметить необходимость исследования виброшумовых характеристик асинхронного ЭП, в частности, исследования магнитных шумов и вибраций, вызванных пульсациями электромагнитного момента и скорости, а также неравномерным распределением магнитной индукции вдоль воздушного зазора АД. Кроме того, важно исследовать чувствительность многофазных АД к несимметрии фазных напряжений, вызванных неидеальностью силовых коммутаторов инвертора, а также исследовать работу АД в различных аномальных режимах (обрыв фаз, аварийное питание от трехфазного источника). Все это ставит задачу проведения комплексных исследований двигателя при различных режимах его работы.
Для решения этого комплекса вопросов необходимо иметь адекватное математическое описание двигателя.
В настоящее время исследование электромагнитных процессов в АД базируется на допущении о синусоидальном характере распределения магнитной индукции в воздушном зазоре машины [21, 22, 23], что для серийных АД с числом фаз не более трех, имеющих распределенную обмотку, не вносит значительных погрешностей в их математическое описание. При этом анализ процессов в последних осуществляется методом обобщенных векторов путем приведения многофазной машины к эквивалентной двухфазной [21,22,23].
Однако распределение магнитной индукции в воздушном зазоре многофазных АД, имеющих сосредоточенную обмотку, при их питании напряжением несинусоидальной формы, имеет также несинусоидальный характер. В качестве примера на рис. 1.5 приведена осциллограмма распределения магнитной индукции вдоль воздушного зазора 9-фазного АД при m=N при прямоугольно-ступенчатой форме питающего напряжения [17]. Поэтому использование приведения многофазной машины к эквивалентной двухфазной обуславливает значительное искажение действительной картины электромагнитных процессов в них, поскольку при этом теряется целый ряд высших пространственных гармоник потока, оказывающих серьезное влияние на энергетику АД [17, 24, 25].
Существуют работы, в которых при моделировании процессов в многофазных АД учитывается несинусоидальное распределение магнитной индукции. В [26] предложен метод исследования многофазных машин, учитывающий пространственное расположение ее обмоток, но он позволяет описать процессы в АД лишь качественно. Также известен способ анализа электромагнитных процессов в многофазной машине с учетом высших пространственных гармоник, основанный на применении метода симметричных составляющих и использовании специальных переменных коэффициентов, учитывающих спектральный состав временных и пространственных векторов, что вносит неудобства при использовании данного метода [22]. Приведенная в [27] математическая модель w-фазного АД позволяет аналитически достаточно полно, с учетом несинусоидальности распределения индукции в зазоре, исследовать электромагнитные процессы в многофазной машине в квазиустановившемся режиме. Однако большое число входящих в нее уравнений делает невозможным использование этой модели для исследования нестационарных процессов в двигателе, а также для синтеза системы управления многофазным ЭП.
В связи с этим в работах [25, 28, 29] была предложена и исследована математическая модель многофазного АД, которая дает возможность достаточно удобно исследовать электромагнитные процессы в АД в различных режимах его работы, а также осуществлять синтез систем управления многофазными ЭП. Полученная модель основана на определении магнитной взаимосвязи между фазами машины с учетом пространственного расположения входящих в них катушек и введении обобщенных электромагнитных параметров, определенных для v-x пространственных гармонических, и позволяет представить структуру машины как совокупность идентичных подструктур, записанных для v-x гармоник потока.
При выводе уравнений модели были использованы следующие общепринятые допущения [1, 14, 22, 23]: воздушный зазор равномерен; явление гистерезиса, насыщение и потери в стали не учитываются; фазные обмотки статора выполнены одинаковыми; схема короткозамкнутой обмотки ротора совпадает со схемой обмотки статора, т. е. имеет то же число фаз, витков и полюсов и тот же шаг намотки.
Однако последнее допущение снижает корректность описания электромагнитных процессов в роторных цепях при питании АД несинусоидальным напряжением и не обеспечивает возможности их детализации до уровня стержней ротора из-за несоответствия количества последних числу уравнений. Указанное не позволяет получить достаточно достоверной картины распределения МДС ротора, необходимой для исследования общих вопросов энергетики АД, его виброшумовых показателей, а также регулировочных характеристик, особенно на низких скоростях.
Моделирование процессов, протекающих в многофазном АД при обрыве одной или нескольких фаз
Одним из принципиальных достоинств многофазного ЭП является его более высокая функциональная надежность и меньшая критичность к качеству формируемых управляющих воздействий для АД. Первое связано с тем, что при выходе из строя (обрыве или аварийном отключении) одной или группы фаз га-фазный (т 3) АД остается работоспособным, поскольку в нем продолжает создаваться вращающееся магнитное поле. Второе объясняется тем, что в связи с дроблением мощности по фазам с увеличением их числа регулировочные характеристики многофазного АД менее чувствительны к несимметрии как по амплитуде, так и по фазе в системе питающих напряжений, что в конечном итоге также повышает надежность ЭП [35, 36, 37, 38, 39, 40]. Основными видами несимметричных режимов работы АД являются: - обрыв (или аварийное отключение) одной или нескольких фаз; - аварийное (резервное) питание от трехфазного источника; - несимметрия питающих напряжений по амплитуде; - несимметрия питающих напряжений по фазе.
Указанные режимы характеризуются ухудшением регулировочных, виброшумовых и энергетических характеристик ЭП. Ухудшение регулировочных характеристик связано с появлением в двигателе некругового магнитного поля, приводящего к пульсациям электромагнитного момента и, как следствие, к пульсациям скорости [41]. Это уменьшает диапазон регулирования. Также указанные режимы характеризуются снижением магнитного потока двигателя, что влечет за собой снижение момента. В результате двигатель может не развить номинальный момент. Также увеличивается время разгона двигателя. Пульсации момента, кроме всего прочего, приводят к возрастанию уровня шумов, вызванных тангенциальными магнитными силами. Некруговое магнитное поле приводит к возрастанию вибраций, вызванных радиальными магнитными силами.
Несимметричные режимы характеризуются также резким, часто критичным, возрастанием тока статора. Это может привести к выходу из строя преобразователя частоты или к выключению двигателя в случае срабатывания защиты. Поэтому исследование работы многофазного ЭП имеет важное значение.
Обрыв одной или нескольких фаз АД приводит к появлению несимметрии в системе питающих напряжений. При этом важную роль играют как число вышедших из строя фаз, так и их взаимное пространственное расположение.
При исследовании указанного типа аномальных явлений в [35, 42, 43] была построена модель, реализованная путем использования следующего приема: отсутствие тока в обесточенной фазе интерпретируется приложением к ней напряжения, равного наводимой на данной фазе ЭДС, с последующим учетом этого напряжения в спектральных векторах Us , подающихся на входы подструктур модели. Таким образом, указанный подход предполагает введение в расчетную структуру внешнего контура с положительной обратной связью по ЭДС, охватывающего исходную модель. Следует отметить, что принципиально ЭДС может быть определена непосредственно путем численного дифференцирования потока, сцепленного с соответствующей фазой (фазами) статора. Однако такой подход может привести к накапливанию существенной численной ошибки, что, в связи с тем, что обратная связь положительна, может обусловить, как показали исследования, неустойчивость процесса численного эксперимента. Таким образом, задача сводится к нахождению ЭДС, наводимой на обесточенных фазах, без использования операции дифференцирования в явном виде.
Исследуем рабочие и виброшумовые характеристики АД в различных режимах работы при обрыве его фаз в различных сочетаниях и сравним их с характеристиками в нормальных режимах работы. Для их расчета воспользуемся разработанными в этой и предыдущей главах математическими моделями. Будем использовать математическую модель девятифазного АД с параметрами, приведенными в табл. 2.1.
На рис. 3.1 изображены графики изменения модулей вектора тока статора и вектора потокосцепления ротора, приведенных к первой пространственной гармонике, а также величины электромагнитного момента и скорости девятифазного АД (m=N) при его работе в номинальном режиме с полным числом фаз. На рис. 3.2 изображены те же графики, но при работе АД с одной вышедшей из строя фазой, а на рис. 3.3 - с двумя соседними фазами.
Анализ представленных графиков позволяет говорить о возрастании пульсаций электромагнитного момента и, как следствие, скорости, при обрыве фаз двигателя, возрастании величины тока статора при неизменной нагрузке, а также о некотором снижении величины магнитного потока двигателя. На рис. 3.4 изображены кривые пульсаций электромагнитного момента для трех случаев: без обрыва фаз, с обрывом одной фазы и с обрывом двух соседних фаз. В первом случае пульсации достигали 2,2 %, во втором — 15 %, в третьем — 20 %. Однако во втором случае максимальные по амплитуде пульсации происходят с частотой питающего напряжения тогда как в третьем случае — с частотой 2т/.
В прил. 6 и 7 приведены графики изменения модулей вектора тока статора и вектора потокосцепления ротора, приведенных к первой пространственной гармонике, а также величины электромагнитного момента и скорости девятифазного АД (m=N) при обрыве трех соседних фаз, а также первой, четвертой и седьмой фазы. В первом случае работа двигателя представлена при половинной номинальной нагрузке, так как при большей нагрузке она невозможна. Во втором случае кривые соответствуют номинальной нагрузке; при этом режим характеризуется сравнительно высокими показателями работы двигателя при таком симметричном варианте обрыва фаз. В первом случае пульсации электромагнитного момента достигают 54 %, тогда как во втором они близки к пульсациям в нормальном безаварийном режиме работы.
.Разновидности систем управления асинхронных ЭП
Принцип управления АД наряду с показателями в статических и динамических режимах определяет также и энергетические и виброшумовые характеристики системы, существенно влияя на сложность реализации последней и стоимость ЭП [46, 47, 48]. Поэтому выбор способа управления ЭП переменного тока необходимо рассматривать как решение комплексной задачи, учитывающей требования как к его динамике, энергетике, величине диапазона плавного регулирования скорости, уровню шума и т.п., так и степени сложности системы управления и другим технико-экономическим показателям.
Современный прогресс в области полупроводниковой техники открыл г новые возможности разработки структурных схем систем регулирования, в частности многофазных, которые позволяют более полно сочетать характеристики АД и ПЧ инверторного типа. Проведенные в предыдущих главах исследования многофазных АД показали, что анализ свойств АД как объекта регулирования представляет сложную научно-техническую задачу, т.к. он описывается системой дифференциальных уравнений высокого порядка с переменными коэффициентами. Разработанная во второй главе математическая модель многофазного двигателя показывает, что АД является многосвязным объектом, и система его регулирования должна быть, вообще говоря, синтезирована в классе многосвязных систем [3, 44, 49, 50, 51, 52, 53, 54].
Структура ЭП может быть более или менее сложной в зависимости от конкретных требований к его динамическим и энергетическим показателям. Так в ряде случаев удовлетворительные динамические и энергетические характеристики ЭП могут быть получены в сравнительно простых системах регулирования, базирующихся на упрощенных структурных представлениях АД. При выдвижении высоких требований к показателям ЭП синтез системы необходимо проводить уже с учетом полной картины электромагнитных процессов в машине.
Качество управления объектом неразрывно связано с объемом и видом получаемой информации о его переменных состояния. В этой связи возможность реализации соответствующих характеристик системы во многом определяется степенью сложности получения информации об интересующих координатах объекта и способом управления ими.
Обзор отечественных и зарубежных материалов, посвященных разработке ЭП переменного тока по системе ПЧ-АД, позволяет обобщить все известные системы, в зависимости от способа управления параметрами АД, в три основные группы. Критерием для такой оценки может служить условное разделение параметров, характеризующих работу АД, на внешние и внутренние [55]. Внешними будем считать такие параметры, которые характеризуют подающиеся на двигатель управляющие воздействия и результат управления ими и могут быть сравнительно просто определены с помощью соответствующих датчиков. К ним следует отнести величину и частоту напряжения, ток статора, скорость вращения АД и угол поворота его вала.
Внутренние параметры (потокосцепление статора и ротора, величина и частота тока ротора, электромагнитный момент и т.п.) отражают процесс управления выходными параметрами приводной машины посредством воздействия на отдельные компоненты, их определяющие.
При этом следует учесть, что регулирование внутренних параметров может осуществляться как непосредственно, т.е. путем прямого воздействия на интересующие координаты вектора состояния АД, так и косвенным способом на основании получаемой информации о внешних параметрах.
К первой группе относятся системы без контроля внутренних параметров АД (простейшие) [4, 56]. Главным достоинством таких систем является простота их реализации и небольшая стоимость. Однако они обладают относительно низкими энергетическим характеристиками, и их целесообразно применять при небольших диапазонах изменения скорости и невысоких требованиях к динамическим показателям ЭП или в тех случаях, когда характер изменения управляющих воздействий может быть запрограммирован путем развертки амплитуды и частоты подводимого к статору АД напряжения во времени по заранее определенному закону, соответствующему заданному закону изменения момента нагрузки и скорости.
С точки зрения уровня шумов такие системы являются самыми неблагоприятными. Это является следствием того, что электромагнитный момент, развиваемый двигателем в переходных режимах при изменении скорости двигателя или нагрузки, очень сильно колеблется, что вызывает колебания статора и ротора двигателя. В результате срок службы двигателя резко снижается, контактирующее с двигателем оборудование выходит из строя. Поэтому при частых переходных процессах такие системы использовать не рекомендуется [57].
Ко второй, наиболее широкой группе, относятся системы с контролем внутренних параметров по модулю [56, 58, 59, 60]. В этом классе систем большое распространение получил принцип управления АД, при котором магнитный поток в его воздушном зазоре поддерживается постоянным во всем диапазоне изменения скорости и момента нагрузки, но только в установившихся режимах. Это обеспечивает относительно высокие динамические показатели системы и постоянную перегрузочную способность АД при ограничении уровня насыщения стали, что благоприятно сказывается на его энергетике. Помимо непосредственно регулирования потока, измеренного с помощью специальных датчиков или вычисленного параметрически, используется косвенное регулирование потока в функции абсолютного скольжения с воздействием на величину тока статора (частотно-токовое управление) [3].
