Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ конструктивных схем и особенностей тяговых электродвигателей с постоянными магнитами в составе вентильного электропривода 7
1.1. Области применения и основные конструктивные схемы тяговых электродвигателей с постоянными магнитами в составе вентильного электропривода 7
1.2. Особенности расчетного проектирования тяговых электродвигателей с постоянными магнитами 19
1.3. Рационализированные расчеты электрических машин с постоянными магнитами на минимум массы активных материалов 21
1.4. Выводы 25
Глава 2. Пульсации основных параметров тягового двигателя в структуре вентильного электропривода 26
2.1. Пульсации параметров тягового электродвигателя, вызванные колебаниями угла нагрузки 26
2.2. Пульсации параметров тягового электродвигателя, вызванные зубчатостью статора 30
2.3. Пульсации параметров, вызванные работой бортового вентильного преобразователя 36
2.4. Выводы 43
Глава 3. Вопросы обеспечения устойчивой работы тягового вентильного привода на низких частотах вращения 44
3.1. Применение критериев устойчивой работы синхронной машины к тяговому вентильному электроприводу 44
3.2. Устойчивые колебания тягового электродвигателя в системе вентильного электропривода на низких частотах вращения 46
3.3. Малые колебания тягового электродвигателя в системе вентильного электропривода и возможность представления больших колебаний как малых 56
3.4. Выводы 58
Глава 4. Особенности рационального расчета тяговых двигателей с возбуждением от постоянных магнитов для вентильного электропривода 59
4.1. Рациональное конструирование ротора тягового электродвигателя с постоянными магнитами. Рекомендуемые материалы постоянных магнитов 59
4.2. Анализ технического задания на расчет тягового электродвигателя и выбор основных технологических и конструктивных ограничений 60
4.3. Алгоритм расчета тягового электродвигателя и его реализация в виде программы расчета на ЭВМ 62
4.4. Некоторые результаты рациональных расчетов тяговых электродвигателей с постоянными магнитами 67
4.5. Выводы 73
Глава 5. Экспериментальные исследования колебаний тяговых электродвигателей в системе вентильного электропривода 74
5.1. Стенды для исследования неустойчивых режимов работы тяговых электродвигателей в системе вентильного электропривода 74
5.2. Некоторые результаты экспериментального исследования колебаний ротора тягового электродвигателя на низких частотах вращения и сравнение их с данными расчета 81
5.3. Выводы 85
Основные выводы и результаты работы 86
Список литературы 88
Приложение
- Области применения и основные конструктивные схемы тяговых электродвигателей с постоянными магнитами в составе вентильного электропривода
- Пульсации параметров тягового электродвигателя, вызванные колебаниями угла нагрузки
- Устойчивые колебания тягового электродвигателя в системе вентильного электропривода на низких частотах вращения
- Анализ технического задания на расчет тягового электродвигателя и выбор основных технологических и конструктивных ограничений
Введение к работе
Актуальность работы.
Транспортный электропривод с тяговым двигателем на постоянных магнитах целесообразен в структуре вентильного электропривода. В такой структуре полностью проявляются достоинства тягового электродвигателя: бесконтактность, простота конструкции, надежное возбуждение и высокие энергетические характеристики. Разработка и внедрение в практику таких вентильных электроприводов постоянно стимулируется достижениями в области создания высокоэнергетических постоянных магнитов, развитием силовой электроники и микропроцессорных систем управления, а также вышеперечисленными достоинствами тяговых электродвигателей с постоянными магнитами.
Разработке теории и методов проектирования тяговых электродвигателей в структуре вентильного электропривода посвящено достаточное количество работ. В этих работах основное внимание уделено асинхронным тяговым электродвигателям и двигателям постоянного тока. По этой причине тяговые электродвигатели с постоянными магнитами оказались менее исследованными. Недостаточно рассмотрены рабочие процессы и вопросы расчетного проектирования, обусловленные особенностями магнитных систем таких тяговых электродвигателей. Например, в процессе эксплуатации тяговых электродвигателей с постоянными магнитами в некоторых случаях появляется шаговый режим работы привода на низких и сверхнизких частотах вращения, что недопустимо, именно в тяговых режимах. Для получения рекомендаций, исключающих вышеуказанный режим работы, необходимо исследовать рабочий -режим тяговых электродвигателей с постоянными магнитами, именно с указанных позиций. Для исследования целесообразно использовать численные методы с применением ЭВМ, например, такие как: конечных разностей, интегральных уравнений, конечных элементов гармонического анализа. Для указанных методов, во многих случаях, уже разработаны программные модули, которые целесообразно использовать для достижения поставленных задач.
Целью работы является исследование рабочих режимов вентильных электроприводов на низких частотах вращения и развитие на этой основе методов и средств расчетного проектирования тяговых электродвигателей с постоянными магнитами с учетом особенностей их магнитных систем, исключающих неустойчивые режимы работы.
Поставленная цель была достигнута на основе решения следующих задач:
Анализ конструктивных схем и особенностей тяговых электродвигателей с постоянными магнитами в составе вентильного электропривода и рационализированных расчетов электрических машин с постоянными магнитами на мииимум массы активных материалов.
Анализ пульсаций основных параметров тягового двигателя в структуре вентильного электропривода, вызванных колебаниями угла нагрузки, зубчатостью статора и работой бортового вентильного преобразователя.
Введение ограничений, обеспечивающих устойчивую работу тягового вентильного привода на низких частотах вращения, а также обоснование рассмотрения качаний ротора в вентильных электроприводах как малых колебаний.
Апробация предложенной математической модели и методики расчета на примере современного электропривода, выполненного на базе тягового вентильного двигателя с постоянными магнитами.
Разработка рекомендаций по анализу и выбору основных технологических и конструктивных ограничений на расчет тягового электродвигателя.
Области применения и основные конструктивные схемы тяговых электродвигателей с постоянными магнитами в составе вентильного электропривода
Доля таких вентильных электроприводов постоянно увеличивается, что обусловлено достижениями в создании высокоэнергетических постоянных магнитов, развитием систем электроники и микропроцессорных систем управления, а также
основными преимуществами тяговых электродвигателей с постоянными магнитами, такими как простота конструкции, надежность возбуждения и высокие энергетические показатели.
Современное состояние производства постоянных магнитов во всем мире и перспективы развития характеризуются созданием высокоэнергетических материалов с повышершыми требованиями к их эксплуатации из-за постоянного расширения областей применения.
Для начала кратко осветим историю развития и текущее состояние производства магнитных материалов для постоянных магнитов. В двадцатом столетии первый технологический рывок в синтезе магнитных материалов, произошедший в 1921 году, был связан с производством кобальтохромовой стали. Последующие исследования сплавов никеля, алюминия, меди и платины привели в 1935 году к появлению новых магнитных материалов - так называемых альнико (А1-№-Со) и кунифе (Си-№-Ре), а также платинокобальтового сплава. Впоследствии, свойства магнитов типа альнико были усовершенствованы, и был получен материал с ориентированными доменами альнико V, который широко используется и по сей день. Первые неметаллические магниты - ферриты - были синтезированы в 1950-х годах. Эти материалы имели в своем составе стронциевые или бариевые ферриты, а также оксид железа. Ферритовые магниты получили широкое распространение.
В 1970-х и 1980-х годах на основе редкоземельных элементов (самарий и неодим) были получены материалы, обладающие улучшенными магнитными свойствами, так называемые редкоземельные магниты. Применение редкоземельных магнитов позволило сделать устройства, использующие постоянные магниты, более миниатюрными и мощными.
Рассмотрим недостатки и преимущества указанных видов магнитных материалов. К основным преимуществам материалов альнико можно отнести высокую механическую прочность, стабильность магнитных свойств в широкой области температур, высокие значения намагниченности насыщения, однако магниты альнико обладают низким значением коэрцитивной силы. Ферритовые магнитные материалы отличаются высоким значением коэрцитивной силы, к недостаткам же их следует отнести механическую хрупкость, сложность в обработке, сильную зависимость магнитных свойств от температуры. Рассмотрим более подробно свойства редкоземельных магнитов, а также их достоинства и недостатки по сравнению с другими типами магнитных материалов.
Редкоземельные магниты, приготовленные на основе сплава 8т-Со, обладают хорошими магнитными характеристиками (высокие значения намагниченности насыщения, коэрцитивной силы), термической стабильностью, а также устойчивостью по отношению к процессам коррозии. Основной недостаток этого типа магнитов - высокая цена на самарий и кобальт, из-за которой широкое применение 8т-Со магнитов в настоящее время затруднено. Тем не менее, магнитные материалы на основе Бт-Со применяются в жестких дисках компьютеров и электрических машинах средней мощности.
Наиболее перспективными в настоящее время представляются спеченные магниты М-Ре-В. Отметим их основные преимущества. Во-первых, достигнутое значение энергетического произведения (В-Н)шах у магнитов Ш-Ре-В - наибольшее из всех известных материалов. Во-вторых, они характеризуются высокой температурой Кюри, составляющей 160-170С для магнитов с рабочей температурой 80С. Однако, даже в настоящее время выпускаются магниты Ш-Ре-В, с рабочей температурой до 200С, что открывает широкую перспективу их применения в тяговых электродвигателях, использующих постоянные магниты. Одним из важнейших и по сути дела определяющих в экономическом плане достоинств Ш-Ре-В является его относительно низкая цена по сравнению с другими типами магнитных материалов.
Наиболее важным применением спеченных постоянных магнитов является их использование в электрических машинах. Обычно в них применяются ферритовые постоянные магниты. Например, в двигателях постоянного тока для изменения направления тока в обмотках ротора используются щетки, т.е. изменение направления производится механически. Постоянные магниты входят в состав статора, создающего постоянное магнитное поле. В ХХ-столетии были изобретены двигатели с электрической системой переключения направления электрического тока. В них постоянные магниты входят в состав ротора, а статор с обмоткой остаются неподвижными. Как правило, угловые координаты ротора определяются посредством измерения магнитного поля в непосредственной близости от ротора при помощи датчиков Холла и, в зависимости от координат, производится переключение направления тока. Высокоэнергетические спеченные магниты Nd-Fe-B в настоящее время рассматриваются как наиболее перспективные для использования в роторах таких двигателей. Следует отметить, что важным является как большое значение намагниченности . насыщения редкоземельных магнитов, обеспечивающее большой результирующий механический момент на валу электродвигателя, так и большое значение коэрцитивной силы, предотвращающее размагничивание ротора при его работе. Не менее важен и малый удельный вес спеченных магнитов Nd-Fe-B на единицу намагниченности, что при прочих равных условиях заметно уменьшает момент инерции ротора и повышает мощность двигателя. Рассмотренные электродвигатели в основном используются в автомобилях, поэтому важна стоимость входящих в их состав материалов. Как уже было сказано выше, до недавнего времени широко использовались ферритовые магнитные материалы из-за их дешевизны, однако сейчас наметилась тенденция к увеличению доли Nd-Fe-B, в этом секторе производства.
Особенности конструктивных схем тяговых электродвигателей с постоянными магнитами вызваны особенностями конструкции их роторов, которые можно разделить на роторы с радиальным, осевым и коллекторным размещением постоянных магнитов. В работе [35] дается инструмент для применения той или иной конструкции ротора для тяговых электродвигателей с постоянными магнитами, который выражается следующей формулой для «граничного» рабочего воздушного зазора.
Пульсации параметров тягового электродвигателя, вызванные колебаниями угла нагрузки
Проектирование электрических машин с постоянными магнитами представляет собой сложную и неоднозначно определенную задачу. Сложившаяся процедура проектирования состоит из ряда основных этапов: проведение патентного поиска с-, целью определения наиболее перспективных конструктивных решений и создания патентно- чистой конструкции; — выбор материала постоянного магнита, стали магнитопровода, обмоточного провода; — определение основных конструктивных параметров, удовлетворяющих по мнению разработчика, требованиям технического задания; — расчет статических и динамических характеристик с целью анализа соответствия электрической машины с постоянными магнитами требованиям технического задания; — подготовка эскизов чертежей для изготовления макетных образцов; — изготовление макетных образцов; испытания макетных образцов с целью: определения: соответствия их характеристик требованиям технического задания; корректировка конструктивных параметров по данным испытаний макетных образцов; — выпуск комплекта чертежно-конструкторской документации. Большинство вышеуказанных этапов, таких как: патентный поиск, выбор конструкции, подбор конструктивных параметров и разработка чертежно-конструкторской документации выполняется с недостаточным использованием современных средств автоматизации. Система автоматизированного проектирования электрических машин с постоянными магнитами предполагает максимальное введение машинных операций и решает следующие задачи: программное обеспечение классификатора конструкций электрических машин с постоянными магнитами и их элементов; математическая модель и программное обеспечение задачи рационализации электрических машин с постоянными магнитами по критерию рационализации. Электрическая машина с постоянными магнитами характеризуется целым рядом параметров: мощностью Р, частотой вращения п, числом .витков обмотки статора температурой ее нагрева 1: и т.д. Спроектировать электрическую машину с постоянными магнитами означает определить весь ряд ее параметров. В общем случае все параметры переменны, но не все они являются независимыми, так как на них накладываются связи (ограничения), задаваемые равенством &(х0 = 0, где к=1—т; (т - число равенств) и неравенствами (х;) 0, где 1=1—п, где п - число неравенств. Ограничения образуют сложную систему нелинейных алгебраических (а в общем случае алгебраических и дифференциальных) уравнений, в составлении, анализе и решении которой заключена основная трудность задачи рационального расчета. Ограничения, накладываемые на параметры электрической машины с постоянными магнитами, допускают классификацию, которая позволяет с единых позиций подойти к рациональному расчету. Ограничения делятся на пять групп: — группа уравнений связей, накладываемых на параметры техническим заданием (магнитные, тепловые и прочностные характеристики используемых электротехнических и конструкционных материалов); -- группа связей, представляющих собой запись физических законов и геометрических соотношений, которым подчиняются параметры электрических машин с постоянными магнитами (электромагнитные соотношения, вытекающие из законов электромагнитного поля в их частной формулировке в виде законов Кирхгофа для электрической и магнитной цепей, в графической интерпретации это диаграммы постоянных магнитов и Блонделя). Сюда же относится уравнение теплового баланса и условие прочности элементов конструкции.; группа связей, представляющая собой конструкционные и технологические требования (величина рабочего воздушного зазора, толщина зубцов пакета статора, ГОСТ на сечение и диаметр обмоточного провода); группа уравнений, составляющая определения производных величин (примерами ограничений-определений может служить определение линейной нагрузки, обмоточного коэффициента, полюсного деления, коэффициента полюсного перекрытия и др.) Выбор независимых переменных для оптимизационного расчета является неопределенной задачей. Критерий, которым целесообразно пользоваться при выборе совокупности независимых переменных, состоит в простоте решения поставленной задачи, обеспечиваемой этим выбором.
Для электрических машин общепромышленного назначения критерием оптимизации, как правило, принимают суммарную стоимость ее производства и эксплуатации, которая должна быть минимальной. В производственные затраты включается стоимость материалов, трудозатраты, амортизация оборудования, капиталовложения, затраты на проектирование и освоение. В эксплуатационные затраты входят стоимость потерь энергии, стоимость компенсации реактивной мощности с учетом реальной годовой наработки и реального коэффициента загрузки, а также затраты на ремонт и обслуживание.
Для тяговых электродвигателей с постоянными магнитами соотношение затрат близко к соотношению их в асинхронных двигателях той же мощности (70% затрат составляют текущие расходы на эксплуатацию, а доля капитальных вложений 15-20%).
Как уже указывалось выше, тяговый электродвигатель с постоянными магнитами повышает надежность и улучшает эрюргетические показатели вентильного электропривода, то есть применение в вентильном электроприводе тягового электродвигателя с постоянными магнитами прежде всего снижает эксплуатационные расходы. В связи с этим разработчику тягового электродвигателя с постоянными магнитами возможно рассмотреть более ограниченную оптимизационную задачу на уровне производственных затрат. Как показано в [35], за критерий оптимизации можно выбрать минимум объёма (массы) активных материалов.
В этом случае алгоритм оптимизационного расчета тягового электродвигателя с постоянными магнитами представляется тремя укрупненными блоками (рис. 1.12): блоком выбора геометрии ротора; блоком поиска оптимального тягового электродвигателя с постоянными магнитами; блоком расчета параметров тягового электродвигателя с постоянными магнитами.
Устойчивые колебания тягового электродвигателя в системе вентильного электропривода на низких частотах вращения
Синхронная машина при питании от сети бесконечной мощности имеет четыре типа устойчивости: два типа статической устойчивости, характеризующие максимально возможную нагрузку и два типа динамической устойчивости, характеризующих максимально допустимый переход от одних условий работы к другим (изменение нагрузки или подведенного напряжения).
Статическая устойчивость рассматривается в синхронном режиме, когда средний синхронизирующий момент, определяемый рабочим углом 0о не равен нулю - это синхронная статическая устойчивость. В асинхронном режиме, когда синхронная машина работает с переменным углом внутреннего сдвига, но не потеряла способности нести нагрузку, (небольшое изменение нагрузки сопровождается небольшими изменениями частоты вращения) имеет асинхронную статическую устойчивость. Если синхронная машина работала синхронно, выпала из синхронизма, но сохранила асинхронную устойчивость, то она может нести нагрузку со скольжением ротора. Так, например, — если синхронный двигатель из-за временной перегрузки выпал из синхронизма и начал нести нагрузку как асинхронный, то предел нагрузки определяется критическим скольжением, асинхронного режима. Для сохранения синхронной статической устойчивости требуется, чтобы перемещения рабочего угла, характеризующие синхронную работу при малых изменениях напряжения, нагрузки и параметров оставались малыми. Известно, что для решения вопроса устойчивости режима работы не обязательно решать систему уравнений. Так, если при малых возмущениях синхронного режима система уравнений является линейной и имеет постоянные коэффициенты, то устойчивость системы определяется отсутствием положительной части в корнях характеристического уравнения системы. Если исследование синхронной устойчивости синхронного двигателя связано с нахождением условий неограниченного возрастания угла нагрузки, то исследование асинхронной устойчивости связано с изучением случаев неограниченного возрастания абсолютной величины логарифма частоты вращения ротора (частота вращения стремится к нулю или бесконечности). Малые приращения частоты вращения ротора (допустимые при устойчивой асинхронной работе) вызовут через определенное время значительное изменение угла нагрузки по сравнению с исходным режимом. Поэтому изменение составляющих напряжения и тока статора в системе координат, вращающихся вместе с ротором, перестают быть малыми при малом приращении частоты вращения ротора. Такое изменение частоты вращение ротора вызовет медленную пульсацию соответствующих статорных величин в пределах полной амплитуды. Таким образом, задача асинхронной статической устойчивости для синхронного двигателя не может быть решена в общем случае аналогично задаче синхронной статической устойчивости с помощью системы уравнений для малых приращений токов и напряжений. Выше указанная задача получается весьма сложной и может быть решена только приближенно. Динамическая устойчивость также может быть синхронной и асинхронной. Синхронная динамическая устойчивость соответствует предельному переходу, при котором рабочий угол тягового электродвигателя, работающего в системе вентильного электропривода, изменяется в ограниченных пределах. Аналитическая задача синхронной динамической устойчивости решается для малых переходов с помощью тригонометрических функций; для больших переходов приближенно с помощью более сложных: эллиптических или бесселевых. В тех случаях, когда вращающий момент не имеет быстро пульсирующих составляющих, весьма удобно пользоваться известным критерием площадей. Асинхронная динамическая устойчивость (связанная с изменением частоты вращения ротора в ограниченных пределах) несмотря на то, что она в ряде случаев представляет существенный практический интерес, исследована существенно меньше, чем синхронная и, в основном, она касается определения поведения асинхронного двигателя при просадках напряжения, кратковременной перегрузке, при пуске и др. На основе комплексных операторных уравнений рассматриваются задачи синхронной и асинхронной статической и динамической устойчивости. Статическая устойчивость работы синхронной машины является частным случаем общего рассмотрения.
В настоящей работе рассматриваются качания ротора тягового электродвигателя в системе вентильного электропривода и пульсации его частоты вращения на низких частотах вращения ротора, когда частота вращения соизмерима с частотой пульсаций частоты качания, при этом обеспечена статическая и динамическая устойчивость (невыпадения из синхронизма, обратной связью в вентильном двигателе по датчику положения ротора).
Качания ротора тягового электродвигателя в системе вентильного электропривода на низких частотах вращения практически не исследовались и представляются в известных опубликованных источниках как неустойчивые режимы работы.
Анализ технического задания на расчет тягового электродвигателя и выбор основных технологических и конструктивных ограничений
Каждая секция обмотки двигателя коммутируется силовым транзисторным ключом: секция Н1К1 - УТ9, Н2К2 - УТЮ, НЗКЗ - УТ4, Н4К4 - УТЗ. База каждого из транзисторов подключена к холловским выводам датчиков НО (гнезда М5, Мб, М7, М8). Переменная составляющая на этих выводах (относительно общего провода) не превышает 200 мВ.
На токовые выводы датчиков Холла подается напряжение питания ип (гнездо М13), которое формируется специальной схемой. Размыкание цепи питания датчиков Холла (транзистор УТ1 закрыт) приводит к закрытию транзисторов УТ9, УТЮ, УТЗ, УТ4. Напряжение и п в этом случае равно напряжению источника питания (26В). При наличии сквозной цепи для протекания тока через датчики Холла (транзистор УТ1 открыт) напряжение ип не превышает 5 В.
В схеме коммутатора имеются также два диодных моста, сопротивление Ю1 и конденсатор С1, которые служат для ограничения коммутационных перенапряжений на силовых транзисторах. Для увеличения диапазона регулирования частоты вращения в автоматизированном электроприводе используют, как правило, замкнутые системы стабилизации скорости вращения. Системы стабилизации могут использовать различные обратные связи, например, положительную по току якоря, отрицательную по напряжению и по частоте вращения. В данном стенде для стабилизации частоты вращения используется отрицательная обратная связь по частоте вращения. В качестве датчика частоты вращения используется тахообмотка Н5К5, уложенная в пазы статора, и в которой наводится ЭДС вращения. Регулятор частоты вращения своим выходным транзистором замыкает и размыкает цепи питания датчиков Холла двигателя. При замкнутой цепи датчиков двигатель развивает вращающий момент в соответствии со своей естественной механической характеристикой. При размыкании цепи датчиков Холла двигатель совершает свободный выбег. Суммарный за период коммутации вращающий момент двигателя определяется соотношением времени замыкания цепи и периода коммутации. Выходной транзистор регулятора частоты вращения управляется органом сравнения, в котором сравниваются величины напряжения управления и выпрямленного напряжения с тахообмотки двигателя, величина которого пропорциональна частоте вращения.
При превышении величины управляющего напряжения над величиной напряжения с тахообмотки орган сравнения открывает выходной транзистор, что соответствует включению двигателя и увеличению его угловой частоты вращения. Рост частоты вращения происходит до тех пор, пока величина напряжения- с тахообмотки не превысит величину управляющего напряжения и орган сравнения не закроет выходной транзистор, и двигатель перейдет в режим свободного выбега. Таким образом стабилизируется частота вращения двигателя на уровне, соответствующем величине управляющего напряжения.
Используемая в качестве звена обратной связи по частоте вращения тахообмотка расположена непосредственно в пазах статорного пакета вместе с силовой обмоткой. В силу наличия взаимоиндуктивности этих обмоток на выходе тахообмотки присутствует кроме ЭДС-вращения ЭДС-взаимоиндукции, возникающая при коммутации силовой обмотки транзисторными ключами коммутатора, что является источником погрешности при поддержании линейной зависимости частоты вращения от величины управляющего напряжения.
Наличие в электродвигаителе значительных магнитных зубцовых моментов увеличивает момент трогания. С учетом этих двух факторов в отдельных угловых положениях ротора трогание двигателя происходит при величине напряжения управления» (в замкнутой системе) более 2,5 В. После трогания двигатель сохраняет вращение при значительно меньших величинах управляющего напряжения (порядка 0,5 В). Стенд состоит из приборного блока и электромеханической части, которые соединяются между собой тремя кабелями через, разъемы передней панели стенда. Электромеханическая часть состоит из электродвигателя и электромагнитного тормоза, запитываемого от источника тока. Сопротивление обмотки возбуждения тормоза Ы=80 Ом. Для нагружения двигателя в стенде используется электромагнитный тормоз, собранный по принципу «баланс- динамо», позволяющий определять момент по угловым отклонениям от градуированного лимба. Размах качаний определяется по качанию стрелки измерителя момента.
Похожие диссертации на Обеспечение устойчивой работы тяговых вентильных электроприводов на низких частотах вращения
