Содержание к диссертации
Введение
1. Современный уровень развития теории оптимального проектирования МТС с АД постановка задачи исследования 10
1.1. Анализ состояния практической разработки и тенденции развития частотно-регулируемых асинхронных электроприводов 10
1.2 Место и значение параметрической оптимизации как одного из основных этапов в структуре современных САПР 16
1.3. Анализ современного этапа развития теории оптимального проектирования МТС 23
1.4. Анализ и обоснованный выбор математических методов поиска в задаче оптимизационного исследования 26
1.5. Выводы и постановка задачи исследования 37
2. Математическая модель и метод оптимизационного исследования МТС с АД 40
2.1. Особенности построения математической модели в задаче оптимизационного исследования 40
2.2. Моделирование отдельных звеньев силовой цепи МТС 42
2.3. Математическая модель и схема замещения МТС в целом 62
2.4. Отличительные особенности выбранного поискового метода. Возможности ЛП-поиска 68
2.5. Постановка задачи и использование метода ЛП-поиска в задаче с одним решающим критерием 75
2.6. Выводы и оценка математической модели и метода оптимизации МТС 86
3. Методика проведения оптимизационных исследований мтс с ад на конструктивной основе эпар-750-6-У3.1 90
3.1. Стратегия проведения оптимизационного исследования 90
3.2. Постановка задачи, исходные данные и оптимизируемые параметры системы 92
3.3. Определение интегральных показателей качества. Критерий оптимизации и его предварительные исследования 105
3.4. Оптимизационный поиск и анализ полученных результатов 115
3.5. Оценка эффективности методики и проверка достоверности полученных результатов 122
3.6. Выводы 126
4. Экспериментальное исследование электропривода. оценка достоверности и анализ полученных результатов 127
4.1. Описание экспериментальной установки. Исследование макетного образца электропривода 127
4.2. Результаты экспериментального исследования выборочного ряда макетных образцов МТС 129
4.3. Оценка точности математической модели и методики оптимизационного исследования 136
4.4. Выводы 143
Основные результаты работы 145
Библиографический список
- Анализ состояния практической разработки и тенденции развития частотно-регулируемых асинхронных электроприводов
- Анализ современного этапа развития теории оптимального проектирования МТС
- Постановка задачи, исходные данные и оптимизируемые параметры системы
- Описание экспериментальной установки. Исследование макетного образца электропривода
Введение к работе
Актуальность работы. Характерной тенденцией современного этапа развития технологий является расширение применения регулируемых электроприводов переменного тока в различных устройствах специальной и бытовой техники. В качестве силовой основы таких электроприводов выступают асинхронные двигатели (АД), а в структуре силовой части всегда имеется звено постоянного тока (ЗПТ). В последние годы подобная структура электропривода получила название механотронной системы (МТС). Такая структура сочетает в себе высокие регулировочные характеристики приводов постоянного тока и хорошие эксплуатационные свойства машин переменного тока. Следует отметить, что для данных систем характерна тесная взаимосвязь электромеханической части с цепями управления и питания, а их характеристики определяются всеми функциональными звеньями.
Отметим, что современное состояние российской электротехнической про
мышленности характеризуется тем, что разработка и внедрение в серию новых
, электроприводов с АД связано с известными экономическими и технологически-
' ми трудностями. Так, разработка новых серий АД для электроприводов требует
больших стоимостных и временных затрат, а применение в электроприводе общепромышленных АД не обеспечивает необходимого уровня его технических характеристик. В этом случае перспективным и экономически целесообразным является создание электроприводов на конструктивной основе и магнитопроводах уже существующих серий электрических машин с измененными параметрами обмотки статора. При этом резко снижаются затраты на разработку изделия, появляется возможность использования уже имеющихся штампов и оснастки, сокращаются сроки внедрения двигателя в производство.
Одним из перспективных направлений внедрения МТС с АД является электропривод устройств сложной бытовой техники. Здесь особое внимание уделяется потребительским свойствам изделия, его экологичное и надежности в работе.
Технический уровень новых серий электроприводов тесно связан с возможностями систем автоматизированного проектирования (САПР), которые, в свою очередь, определяются используемой методикой проектирования системы. Современные САПР должны основываться на математических моделях, адекватно описывающих физические процессы исследуемого объекта и использовать наиболее подходящие для данной задачи методы исследования.
Несмотря на значительное количество работ, посвященных методикам оптимального проектирования электрических машин и приводов, научная проблема создания МТС с АД оптимальной по конструкции и характеристикам остается до конца не решенной. Это связано с тем, что отсутствует комплексный подход к данной системе электропривода, позволяющий рассматривать ее как единое устройство с цепями питания и управления.
Современные возможности вычислительной техники позволяют создавать и исследовать математические модели электрических машин, адекватные физическим процессам в них, а также использовать специальные методы оптимизации,
М)С НАЦИОНАЛЬНАЯ | БИБЛИОТЕКА , 1
г яыау?
ранее недоступные при подобных исследованиях. Это определяет необходимость разработки новых, адаптированных к специфике МТС с АД математических моделей и эффективных методов проектирования на их основе, для создания современных конкурентоспособных систем электроприводов.
Цель работы. Повышение технических характеристик и потребительских свойств МТС на силовой основе АД малой и средней мощности, предназначенных для работы в устройствах специальной и бытовой техники.
Задача научного исследования. Создание специальной методики оптимального проектирования МТС с АД с использованием точной математической модели электропривода и эффективного метода ее оптимизационного исследования.
В связи с поставленной задачей были рассмотрены следующие научные и практические вопросы:
анализ современного технического уровня разработки МТС с частотно регулируемыми АД малой и средней мощности;
создание математической модели МТС с АД адекватной физике процессов в ней;
оценка возможностей современных поисковых методов и обоснование выбора из них наиболее эффективного для решаемой задачи. Определение возможностей выбранного поискового метода, применительно к задаче параметрической оптимизации МТС;
разработка методики параметрической оптимизации МТС с использованием эффективного поискового метода и математической модели МТС. Апробация методики на основе конкретного типономинала МТС с АД;
создание макетных образцов МТС с АД с параметрами, близкими к оптимальным.
Методы исследования. На этапе создания математической модели МТС численные исследования основаны на методе анализа в мгновенных значениях с использованием дифференциальных уравнений, методе использования переключающих функций полупроводниковых коммутаторов, компьютерных методах моделирования. На этапе разработки методики параметрической оптимизации была использована математическая теория равномерно распределенных ЛПТ-последовательностей. Расчетная часть задачи была решена на ЭВМ. При экспериментальном исследовании было произведено измерение рабочих характеристик и сравнение их с расчетными результатами.
Научная новизна. В процессе решения поставленной задачи были получены следующие новые результаты:
сформулированы научные технические аспекты задачи создания МТС с АД оптимальной по конструкции и параметрам, позволяющие создавать систему электропривода с повышенными техническими характеристиками и потребительскими свойствами;
разработана математическая модель МТС с АД с учетом цепей питания и управления, адекватная физике электромеханических процессов в системе;
выбран наиболее эффективный для данной задачи математический поисковый
1 метод и определены его особенности при применении в оптимизационном ис-
следовании;
впервые для решения задачи оптимизации МТС с АД применена разработан
ная трехуровневая методика параметрической оптимизации с использованием
равномерно распределенных ЛПт-последовательностей, позволяющая с необ
ходимой точностью решить поставленную задачу оптимизации.
Обоснованность и достоверность полученных результатов и вытекающих из них выводов обеспечена в рамках принятых математических моделей использованием современных численных методов, а также экспериментальной проверкой расчетных результатов. Математическое моделирование и оптимизационные расчеты основаны на общепринятых уравнениях электротехники, электромеханики, электроники, математической теории равномерного распределения, численных методах, специальных методах оптимизации, методах программирования на алгоритмических языках высокого уровня.
Практическая ценность работы:
( получены рекомендации по выбору оптимизируемых параметров для задачи
параметрической оптимизации МТС с АД;
определен технико-экономический критерий оптимальности МТС с АД в экспоненциальной форме, с учетом тенденции его поведения в перспективе;
разработаны алгоритм и программа математической модели, позволяющие с необходимой точностью рассчитать мгновенные, интегральные и средние значения характеристик МТС с АД;
разработаны алгоритмы и программы параметрической оптимизации с использованием равномерно распределенных ЛГ^-последовательностей, позволяющие с требуемой точностью и минимальными затратами машинного времени решить задачу параметрической оптимизации МТС с АД на конструктивной основе ЭПАР-750-6-У3.1;
спроектированы, в соответствие с результатами оптимизационных исследований, два макетных образца МТС с параметрами, близкими к оптимальным, с учетом особенностей физической реализации моделей.
Реализация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы использованы в ОАО "Красногорский завод электродвигатель", п. Красногорский, Республика Марий Эл, в ОАО «Казанский электротехнический завод», в ООО «Казань-Электропривод», ПУ «Казаньзлектрощит» при проектировании и изготовлении бытовых электроприводов малой мощности.
На зашиту выносится:
результаты анализа состояния современного технического уровня разработки частотно регулируемых электроприводов с АД малой и средней мощности с определением особенностей и требований к задачам создания МТС с АД оптимальной по конструкции и параметрам;
математическая модель МТС с АД в естественной системе координат с учетом цепей питания и управления, с расчетными формулами для определения основных мгновенных и интегральных характеристик работы системы;
трехуровневая методика параметрической оптимизации МТС с АД с использованием аппарата равномерно распределенных ЛГ^-последовательностей, с последующей ее апробацией на МТС с заданной геометрией магнитопровода (ЭПАР-750-6-У3.1);
технико-экономический критерий оптимальности МТС с определением экспоненциальной тенденции его поведения в перспективе;
результаты сравнительного исследования опытных и расчетных данных макетных образцов МТС с АД, и оценка достоверности разработанной в диссертации методики параметрической оптимизации.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на ХЇІІ и XIV всероссийских межвузовских научно-технических конференциях "Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология" (г. Казань: КФВАУ, 2001 и 2002 гг.), на научно-технических и учебно-методических конференциях и семинарах (г. Казань: КГТУ (КХТИ), 2001 и 2003 гг.), 1-ой, 2-ой и 3-ей международных конференциях молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы современной науки» (г. Самара: 2000, 2001 и 2002 гг.), 3-ей всероссийской научно-техническая конференция «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике» (г. Чебоксары: ЧГУ, 2000 г.), XVII военно-технической конференции «Вопросы совершенствования боевого применения и разработок артиллерийского вооружения и военной техники», (г. Казань: КФВАУ, 2001 г.), международной научной конференция «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-14» (г. Смоленск: 2001 г.), 3-ей и 4-ой международных конференциях по автоматизированному ЭП «АЭП в XXI веке: пути развития» (г. Нижний Новгород: 2001 г. и г. Магнитогорск: 2004 г.), международной научно-технической конференции «Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы» (г. Томск: 2003 г.), 2-ой республиканской школе студентов и аспирантов «Жить в XXI веке» (г. Казань: КГТУ 2003 г.), всероссийском научно-техническом семинаре «Энергосбережение в электрохозяйстве предприятия» (г. Ульяновск: УлГТУ, 2004 г.).
Публикации. По работе опубликовано 16 печатных работ, получен патент РФ №2237341 от 27 сентября 2004 года.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка использованных источников из 103 наименования и 3 приложений. Общий объем диссертации 184 с, в том числе 147 с. машинописного текста, 49 с. рисунков, 10 с. списка литературы, 27 с. приложений.
Анализ состояния практической разработки и тенденции развития частотно-регулируемых асинхронных электроприводов
Первые годы XXI века характеризуются продолжением интенсивного развития, повышением эффективности работы и существенным расширением областей использования регулируемого электропривода, особенного на основе асинхронных двигателей (АД). Данный процесс обеспечивается взаимосвязанным развитием теории электропривода, средств электропривода и технологии его применения [1].
В настоящее время идет интенсивное развитие всех компонентов электропривода: электрических двигателей, силовых полупроводниковых приборов и преобразователей на их основе, а также микропроцессорных средств управления. Среди перечисленных компонентов особо выделяют силовую электронику - ключевую технологию XXI века. За последнее десятилетие с появлением новых типов и совершенствованием уже известных структур полупроводниковых приборов значительно расширилась область технического применения устройств силовой электроники, в частности, в управляемом электроприводе [2, 3].
С технической точки зрения необходимо особое внимание уделять разработкам в области высоковольтных преобразователей для частотно-регулируемых электроприводов, подключаемых к промышленной сети 380/220 В. В качестве главных особенностей при решении таких задач можно выделить [1]: обеспечение электромагнитной совместимости автономного инвертора и двигателя, что позволяет использовать стандартные двигатели без их разгрузки по мощности; обеспечение электромагнитной совместимости преобразователей с системой электроснабжения и соответствия показателей качества электроэнергии дей ствующим стандартам; разработка специальных систем электропривода, в которых система питания и управления, инвертор напряжения и электродвигатель составляют единую механотронную систему (МТС), обладающую наиболее оптимальными техническими характеристиками для решения поставленной задачи; расширение возможностей, предоставляемых заказчику, для различных технологических применений.
Среди всех типов современных полупроводниковых приборов силовой электроники сегодня доминируют два типа: полевые (MOSFET) и биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), а также интегральные структуры на их основе. Традиционные приборы, с которых начиналась силовая электроника, - тиристоры (SCR) и биполярные транзисторы (ВРТ) в последние годы все больше и больше вытесняются приборами с полевым управлением и в ближайшее время будут находить ограниченное применение, например, в области бытовой техники, где параметр «коммутируемая мощность/цена» является определяющим [4].
На сегодняшний день в качестве основных направлений развития силовых полупроводниковых приборов можно выделить следующие [3]: улучшение характеристик всех типов силовых полупроводниковых приборов; расширение парка силовых «интеллектуальных модулей», применение которых позволяет решать многие проблемы частотных преобразователей.
В современных электроприводах тиристоры (SCR) применяются в преобразователях до 20 МВт с напряжением до 15 кВ, запираемые тиристоры (GTO, IGCT, SGCT) - в мощных высоковольтных преобразователях до 6 кВ, биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) - в преобразователях до 3.2 Мвт и напряжением до 4 кВ, силовые полевые транзисторы (MOSFET) - в преобразователях до 10 кВт напряжением до 200 В [1].
Определенный интерес с точки зрения силовой коммутационной основы регулируемого электропривода малой и средней мощности представляет уро вень современного развития биполярных транзисторов и тенденции его изменения в будущем. Так по оценкам ведущих специалистов [2], широко применявшиеся в последние два десятилетия прошлого столетия биполярные транзисторы Дарлингтона, достигнув предельных параметров 1400В/200А, будут постепенно вытесняться и заменяться биполярными транзисторами с изолированным затвором (IGBT). В то же время, IGBT будут оставаться основой силовой электроники, как минимум, следующее десятилетие. Данное обстоятельство позволяет с уверенностью прогнозировать преобладание в будущем биполярных транзисторов с изолированным затвором в структурах большинства классов регулируемых электроприводов переменного тока. С точки зрения электроприводов бытового назначения, работающих в области малых мощностей, преимущественно все еще будут использоваться дискретные приборы, имеющие главное достоинство перед модульными структурами - меньшую стоимость.
На сегодняшний день российский рынок современных приборов силовой электроники более чем на 95% занят ведущими зарубежными производителями. Аналогичная ситуация сложилась и на отечественном рынке регулируемых приводов переменного тока [5]. Следует отметить, что резко снизилось как изготовление преобразователей частоты отечественного производства, так и электрических машин [1]. Если в первом компоненте промышленность России безнадежно отстала от зарубежной, то отечественный научный и производственный потенциал по разработке и производству электродвигателей все еще остается чрезвычайно высоким и не соответствует ситуации, сложившейся на рынке электроприводов. В связи с этим для нашей страны актуально и экономически целесообразно разрабатывать как научную теорию, так и создавать новые современные структуры отечественных электроприводов, обладающих конкурентной способностью на товарном рынке.
Анализ современного этапа развития теории оптимального проектирования МТС
Как показано в п. 1.1 диссертации, современная элементная "база" полупроводниковой преобразовательной техники позволяет реализовать различные схемы МТС с асинхронными двигателями в диапазоне малой, средней и даже большой мощности. МТС с АД используются в качестве привода устройств общей, специальной и, что является чрезвычайно актуальным, бытовой техники [1, 4, 5, 7]. В [15] отмечена устойчивая тенденция роста доли выпуска МТС с АД в связи с увеличивающейся автоматизацией отраслей производства, повышением требований к надежности и сроку службы, а также по экономическим показателям работы различных технических устройств. Наибольшее применение МТС с АД нашли в электроприводе малой и средней мощности, где регулирование частоты вращения АД необходимо по технологическим причинам или дает значительную экономию энергии и ресурса. В то же время, применение МТС с АД малой мощности в качестве привода устройств бытовой электротехники, ограничено, что связано, прежде всего, с относительно высокой стоимостью таких систем. Однако, учитывая тенденцию постоянного снижения цен на силовую полупроводниковую технику, а так же результаты разработки простых и надежных МТС с оптимально выбранными характеристиками, можно смело прогнозировать их широкое внедрение в различные промышленные, бытовые и сельскохозяйственные устройства.
Одной из главных особенностей современного этапа развития теории МТС является слияние непосредственного электромеханического преобразователя энергии с полупроводниковыми цепями его питания и управления в единую механотронную систему, параметры и характеристики которой в равной мере определяются всеми ее звеньями [13]. Создание математической модели и последующее проектирование такой системы значительно усложняются. В связи с невозможностью применения стандартных методик при таком подходе значительно усложняется также и оптимизационное исследование подобных систем. Необходимость учета множества взаимовлияемых и независимых факторов и многомерность пространства параметров делает задачу научно интересной и определяет актуальность создания новых методик оптимизации на основе специальных математических методов и моделей, которые ориентированы на применение современных вычислительных средств и компьютерных технологий исследований. Подобный подход к исследованию позволяет с необходимой точностью учесть все существенные особенности реальных электромагнитных и полупроводниковых устройств, входящих в состав МТС, определить интересующие характеристики системы через динамику процесса электромеханического преобразования энергии с минимальными допущениями [5, 7, 13, 16]. Так же важное значение приобретают вопросы создания математической модели МТС и организации ее эффективного решения на средствах современной вычислительной техники.
Важными в теории МТС являются аналитические и комбинированные, численно-аналитические методы исследования [12, 16, 17, 18, 19]. Как правило, при анализе сложных МТС оказывается невозможным получить точные аналитические решения, и исследования проводятся на основе численных методов, однако это не исключает применение аналитических преобразований на отдельных этапах исследования с целью сокращения доли численной переработки. Подобные аналитические преобразования эффективны на этапе разработки расчетной электрической схемы МТС, где они преследуют цель снижения порядка системы дифференциальных уравнений и, соответственно, уменьшения времени их решения на ЭВМ.
Применение численных (компьютерных) методов анализа позволяет исследовать процессы в нелинейных моделях ЭМ и отказаться от ряда допущений теории классической электрической машины. Кроме того, при работе электрической машины в составе сложной МТС возрастает число и порядок дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитные процессы в системе, и их исследование становится возможным только на основе численных методов расчета [13, 20, 21]. Адекватность математической модели на основе теории цепей и реальных электромагнитных процессов в МТС во многом определяется точностью задания величины и законов изменения параметров электрической машины. Важную роль при этом приобретают численные методы расчета и анализа электромагнитных полей, получившие в настоящее время широкое развитие [22-25]. Эти методы позволяют уточнить расчетные формулы для определения параметров схемы замещения ЭМ в различных режимах ее работы, учесть их нелинейный характер и тенденцию изменения. Зная картину поля в воздушном зазоре машины - пространстве, где сосредоточена энергия магнитного поля, можно определить напряжения, токи, моменты, электрические параметры .и другие величины в установившихся и переходных процессах. Однако расчет поля даже в простых по конструкции ЭМ представляет собой трудную задачу. В тех случаях, когда ЭМ работает в составе МТС со звеном постоянного тока, появляются дополнительные сложности в сопряжении методов теории цепей и методов теории поля при описании процессов в различных частях системы [26, 27].
Постановка задачи, исходные данные и оптимизируемые параметры системы
На современном этапе развития систем электропривода переменного тока актуальной задачей является оптимизационное исследование их силовой структуры при комплексном подходе, позволяющем рассматривать всю структуру привода как единое устройство (см. гл. 1). При таком подходе перед исследователем возникают известные трудности (многоэкстремальность задачи оптимизации, взаимозависимость и дискретность параметров модели привода и т.д.), которые накладывают существенные ограничения на возможность применения специальных математических оптимизационных методов для решения данной задачи (см. гл. 1). Однако, даже применение методов параметрической оптимизации, адаптированных к специфике сложных систем привода, требует дополнительного исследования и создания специальных математических моделей [14,18,19,26 и др.].
С целью выявления особенностей задачи параметрической оптимизации МТС на автогенераторном управлении на этапе ее формирования и обоснования правомерности применения в алгоритме методики специальных математических методов были проведены предварительные исследования поведения обобщенного технико-экономического критерия на шести двухмерных срезах (гранях) пространства параметров (см. п. 3.4.). Возможность реализации в данных исследованиях метода полного перебора позволила качественно оценить поведение критерия во всей области пространства параметров, внести необходимые корректировки для локализации пространства параметров, а также количественно оценить эффективность применения в методике математического метода ЛП-поиска. Следует отметить, что данное исследование не является обязательным этапом параметрической оптимизации МТС, так как его результаты распространяются на все подобные МТС на автогенераторном управлении.
В данной диссертационной работе в качестве основного метода, используемого в методике параметрической оптимизации МТС был выбран метод систематического зондирования пространства с использованием ЛПт-последо-вательностей (см. гл. 2), на основе которого проведено исследование МТС с АД с заданной геометрией статора.
В качестве базовой математической модели принята модель в виде системы дифференциальных уравнений, наиболее адекватно определяющая динамику электромеханических процессов в МТС [18, 19, 51, 57 и др.]. Такая модель позволяет с минимальными допущениями получить необходимые дифференциальные и интегральные характеристики привода в процессе оптимизации схемы и конструкции его силовой части (см. гл. 4).
Проведем анализ стратегии методики параметрической оптимизации, как одного из этапов САПР (см. гл. 1.2.) на основе блок-схемы, приведенной нарис. 3.1.
В соответствие с условиями технического задания и актуальностью проблемы (см. п. 1.1), поставленной в диссертации практической технической задачей является проведение параметрической оптимизации ранее разработанной МТС на автогенераторном управлении мощностью 750 Вт (ЭПАР-750-6-У3.1), являющейся силовой основой бытового пылесоса известных габаритов, которая выполнена на магнитопроводе и конструктивной основе серийной электрической машины (КД-180). Обмотки управления автогенератора такой МТС реализованы на магнитопроводе самой электрической машины, что налагает дополнительные требования при формировании математической задачи оптимизации. Данная МТС имеет широкое применение как регулируемый электропривод переменного тока в различных устройствах общей, специальной и бытовой техники. Проведенные маркетинговые исследования показывают определенные
преимущества применения данной МТС в регулируемых электроприводах, работающих в повторно-кратковременных режимах на вентиляторную нагрузку (пылесосы, насосное оборудование, вентиляторы, мотор-редукторы) при времени работы от 1500 до 50000 часов в год и диапазоном регулирования скорости 1:5. То есть там, где требуются высокие регулировочные характеристики электроприводов приводов постоянного тока и хорошие эксплуатационные свойства машин переменного тока.
Техническая информация об оптимизируемом объекте позволяет в качестве вектора исходных данных А для проведения оптимизационных исследований принять: 1. Параметры питающей сети (рис. 3.3. а) [см. п. 2.3.]: Uc - действующее значение питающего напряжения, /с - частота питающей сети, Яи - активное сопротивление источника, Ln - индуктивность источника. 2. Выходные параметры электропривода: Pi - номинальную выходную мощность электропривода, П\ -синхронная частота вращения магнитного поля, J- момент инерции рабочего механизма, Гн - срок службы электропривода, t- количество часов работы электропривода в год. 3. Параметры токовой нагрузки: Р1 - потребляемая электроприводом активная мощность, j - допустимая плотность тока в катушке индуктивности фильтра. 4. Геометрические и конструкционные параметры электродвигателя [см. п. 2.4.]:
Описание экспериментальной установки. Исследование макетного образца электропривода
Проверка достоверности теоретических результатов диссертации осуществлена путем экспериментального исследования трех макетных образцов МТС (ЭПАР-750-6-У3.1) номинальной мощностью 750 Вт и частотой вращения 6000 об/мин. Силовая часть асинхронного электропривода была выполнена на конструктивной основе и магнитопроводе серийного однофазного конденсаторного двигателя КД - 180 с изменением обмоточных данных статора, который широко применяется в устройствах бытовой техники. Производство данной серии двигателей является полностью автоматизированным и освоено на многих российских предприятиях. Вместе с тем область применения асинхронных двигателей серии КД можно значительно расширить, а пусковые и регулировочные характеристики улучшить при выполнении их в трехфазном варианте с питанием от ПЧ повышенной частоты (т.е. использованием их в составе МТС) [90]. Следует отметить, что использование магнитопроводов серийных электродвигателей позволяет значительно упростить процесс их серийного освоения и "облегчить" его с экономической точки зрения. Преобразователь частоты МТС - 750 выполнен по схеме трехфазного мостового транзисторного инвертора с автогенераторным управлением [103] и подключался через управляемый выпрямитель и ЗПТ к однофазной сети 220 В, 50 Гц.
Для оценки достоверности математической модели и полученных при оптимизационных исследованиях результатов было изготовлено 3 макетных образца электродвигателя, которые различались числом витков обмотки статора: ws = 232,240 и 248 витков.
Общий вид экспериментального образца привода для одного варианта исполнения представлен на рис 4.1.
Экспериментальные испытания макета проводились в научной лаборатории кафедры ЭП и ЭТ КГТУ (КХТИ). При испытаниях использовались: источники питания различного рода напряжения и тока, контрольно-измерительные приборы, набор пассивных элементов, в том числе и измерительные шунты. Так как измеряемые напряжения и токи в различных частях схемы содержат высокие гармоники, то результат измерения сильно зависит от типа применяемого измерительного прибора [98, 99]. Поэтому для измерения токов использовались электромагнитные амперметры, для измерения напряжений - электромагнитные вольтметры, для измерения активной мощности - электродинамический однофазный ваттметр. Измерение вращающегося момента проводилось посредством электромагнитного моментомера. Измерение частоты осуществлялось с помощью цифрового частотомера ЧЗ-34А. Контроль и измерение мгновенных значений напряжений и токов проводился по электронному аналого-цифровому осциллографу Good Will Instek GRS-6032A.
В ходе экспериментального исследования макетных образцов электропривода с помощью измерительных приборов фиксировались: напряжение 1/и, ток 1И и мощность Ри в цепи источника питания, напряжение Ud и ток Id на выходе звена постоянного тока, ток /ф, напряжение /ф и мощность Рф фазы электродвигателя, частота вращения п и момент М на валу электропривода.
Для проверки точности математической модели электропривода и разработанной в диссертации методики оптимизационного исследования его характеристик необходимо рассчитать мгновенные и интегральные характеристики МТС - 750 в тех же трех точках пространства параметров, исследованных ранее экспериментально.
С этой целью на рис. 4.12 - 4.14 были построены расчетные рабочие характеристики МТС - 750, а на рис. 4.15,4.17,4.19 показаны также необходимые для анализа графики мгновенных значений напряжения и тока в звене фильтра, соответственно, для 3 исследуемых точек пространства параметров
