Введение к работе
Актуальность темы. Современный электропривод представляет собой сложный комплекс электромеханических устройств, а также средств автоматического управления, базирующихся на новейших достижениях в различных областях науки и техники. Успехи в развитии силовой полупроводниковой технике, достигнутые отечественной и зарубежной промышленностью, позволяют разрабатывать регулируемые электропривода путем создания электромашинно-вентильных систем (ЭМВС), представляющих собой совокупность электромеханического преобразователя энергии и нескольких полупроводниковых преобразователей энергии с цепями их питания и управления. Высокий уровень производства асинхронных двигателей (АД) и транзисторной техники позволяет проектировать ЭМВС с АД малой, средней и даже большой мощности. Применение АД, работающих от преобразователей частоты (ПЧ) с высокочастотным выходным напряжением, делает ЭМВС более гибкой, расширяет диапазон регулирования, улучшает весогабарит-ные и стоимостные показатели, что позволяет обеспечить оптимальный режим ее работы. Надежность работы и характеристики ЭМВС во многом определяются видом системы управления (СУ) транзисторами в силовой части электропривода. Для устройств специальной, общей и бытовой техники малой и средней мощности, которым не требуется широкий диапазон регулирования, рядом преимуществ обладают аналоговые СУ транзисторами, а в частности, схемы многофазных автогенераторов с магнитными связями. Такие СУ отличаются относительно простой конструкцией, так как основным элементом ее является управляющий трансформатор, отвечающий за корректное функционирование СУ в целом. Одним из перспективных направлений современной тенденции миниатюризации СУ, выполненных по автогенераторным схемам, является исключение многообмоточного трансформатора из СУ, замена и передача его функций управления на магнитную систему статора АД. При этом обмотки управления размещаются в пазах статора, а АД представляет собой совмещенную электрическую машину с цепями управления, которую будем называть асинхронным вентильным двигателем (АВД). Разработка новых систем управления на базе совмещенных электрических машин открывает новые возможности по созданию ЭМВС с улучшенными технико-экономическими показателями.
Цель работы заключается в создании АВД с рациональными технико-экономическими показателями, предназначенного для работы в высокоскоростном регулируемом электроприводе малой и средней мощности.
Задача научного исследования. Разработка математической модели и исследование АВД с учетом предвключенных элементов источника питания и насыщения магнитной системы АД.
В соответствии с поставленной задачей в работе рассматриваются следующие вопросы:
- разработка математической модели АВД на основе аппарата теории ориентированных графов с целью численного исследования процессов электромеханического преобразования энергии в нем;
численное исследование математической модели АВД при 180-градусном законе управления транзисторами трехфазного мостового преобразователя;
разработка и исследование математической модели АВД с учетом насыщения магнитной системы трехфазного АД в переходных и установившихся режимах;
разработка методики расчета на ЭВМ статических и динамических электромагнитных и электромеханических характеристик АВД;
создание комплекса программ, предназначенного для численного моделирования и исследования процессов электромеханического преобразования энергии в АВД в статических и динамических режимах;
экспериментальное исследование и внедрение практических схем и конструкций АВД.
Основные методы исследования. Комплексное исследование АВД включает в себя качественный анализ с помощью аналитических методов, количественный анализ с помощью численных методов расчета на ЭВМ и эксперимент. Аналитические исследования базировались на теории ориентированных связанных графов, методах мгновенных значений, теории обыкновенных дифференциальных уравнений и матричной алгебре. Численные исследования, проведенные на ЭВМ с процессором Pentium-100 в системе Turbo Pascal 7.0, базировались на известных численных методах вычислительной математики. Оценка точности численной модели осуществлялась с помощью экспериментальных исследований, в ходе которых проводилось осциллографирование токов и напряжений и были определены рабочие и механические характеристики АВД.
Научная новизна работы представлена следующими результатами:
- на основании теории ориентированных графов разработана математическая
модель АВД в фазных координатах трехфазного АД, позволяющая исследовать
переходные и установившиеся процессы;
определены линейные преобразования, которые позволили получить математическую модель АВД при 180-градусном законе управления с меньшим порядком системы уравнений;
проведены численные исследования процессов электромеханического преобразования энергии в разработанной схеме АВД, определены основные мгновенные, статические и динамические характеристики для ряда конкретных типономи-налов АВД;
проведен качественный и количественный анализ влияния магнитного насыщения трехфазного АД на дифференциальные и интегральные характеристики АВД, с целью выдачи рекомендаций на проектирование;
с помощью численного моделирования исследовано влияние параметров источника питания и фильтра, нелинейности момента сопротивления нагрузки, а также динамических режимов пуска, торможения противовключением и динамического торможения на электромагнитные и электромеханические процессы в АВД;
дана оценка точности результатов численного и экспериментального исследований, разработаны практические рекомендации, реализованные в опытных
образцах.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
разработаны схемы и конструкции АВД, предназначенные для работы в высокоскоростном регулируемом электроприводе;
созданы аналитические математические модели, предназначенные для качественного анализа процессов электромеханического преобразования энергии в АВД;
разработаны методики исследования и численного расчета на ЭВМ, предназначенные для исследования АВД в различных режимах его работы;
создан комплекс программ на языке программирования Turbo Pascal, предназначенный для численного моделирования и исследования процессов электромеханического преобразования энергии в АВД и расчета статических и динамических характеристик АВД;
по результатам теоретических и экспериментальных исследований спроектированы, изготовлены и испытаны макетные образцы АВД мощностью 90, 160 и 200 Вт, проведен анализ их технического уровня.
Реализация результатов работы. Основные научные и практические результаты, разработанные расчетные методики, алгоритмы, рекомендации и устройства внедрены во Всероссийском научно-исследовательском институте расхо-дометрии, а также в учебном процессе КГТУ.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры электротехники и электропривода КГТУ (КХТИ), г. Казань, 1997-1999 г.г., на 10-м научно-техническом семинаре «Внутрикамерные процессы в энергетических установках. Акустика, диагностика», г. Казань, 1998 г., на Республиканской научно-технической конференции «Проблемы энергетики», г. Казань, 1998 г., на итоговой научной сессии КГТУ за 1999 год, г. Казань, 2000 г.
Публикация. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 109 источников и приложений. Работа содержит 201 страницу основного текста и 21 страницу приложений.
