Содержание к диссертации
Введение
2. Разработка математической модели электропривода с линейным асинхронным двигателем и преобразователем частоты 15
2.1. Исходные положения 15
2.2. Расчетные электрические схемы и уравнения ПЧ-ШИМ 20
2.2.1. Расчетные электрические схемы 20
2.2.2. Уравнения ПЧ в мгновенных значениях 24
2.3. Расчетные конструктивные и электрические схемы ЛАД 34
2.4. Основные уравнения и эквивалентные схемы замещения ЛАД.. 40
2.5. Уравнения кабеля 49
2.6. Выводы 52
3. Высшие гармоники напряжения и параметры ЛАД в электроприводе с ПЧ-ШИМ 53
3.1. Исходные положения 53
3.2. Высшие временные гармоники напряжения 56
3.3. Высокочастотные параметры ЛАД 68
3.3.1. Магнитные параметры : 70
3.3.2. Электрические параметры 86
3.4. Выводы 94
4. Расчет и анализ высокочастотных процессов в системе ПЧ-ШИМ-ЛАД 96
4.1. Исходные положения и данные 96
4.2. Высокочастотные процессы и потери энергии в установившихся режимах 101
4.3. Высокочастотные процессы и перенапряжения 111
4.4. Рекомендации по учету высокочастотных процессов при проектировании линейных асинхронных электроприводов с ПЧ-ШИМ. 121
4.5. Выводы 122
5. Экспериментальное исследование высокочастотных параметров и процессов 123
5.1. Исходные положения 123
5.2. Экспериментальный стенд 124
5.3. Исследование высокочастотных параметров 128
5.4. Экспериментальные данные по высокочастотным процессам... 141
5.5. Выводы 148
6. Заключение 151
Список литературы 154
- Исходные положения
- Расчетные электрические схемы и уравнения ПЧ-ШИМ
- Высшие временные гармоники напряжения
- Высокочастотные процессы и потери энергии в установившихся режимах
Введение к работе
Проблема высокочастотных электромагнитных процессов в электрических сетях и установках является частью проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС) электрооборудования. Ее значение существенно возросло в последние 10-15 лет в связи с развитием новых технологий, связанных с применением полупроводниковой техники. Рост негативных последствий от ложных срабатываний систем автоматики и преждевременного выхода из строя электрооборудования вызвал появление работ [1, 87, 88] и публикаций [7, 23, 78, 89, 112, 113] по высшим гармоникам в электрических системах.
Актуальность проблемы и трудности ее разрешения привели к созданию специальных комитетов в МЭК и СИГРЭ [1, 55]. Нормы и условия в области ЭМС определяют международные стандарты [55].
Обобщающей работой по высшим гармоникам в электрических системах считается книга [1]. В ней рассмотрены источники высших гармоник в электротехнических установках, представлены общие соображения о способах их определения и подавления.
Однако в [1] и последующих публикациях [55, 116] не рассматриваются особенности высокочастотных электромагнитных процессов в системах с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) напряжения, в электроприводах с линейными асинхронными двигателями, не приводятся сведения о способах определения эквивалентных параметров и характеристик, не исследуются особенности высокочастотных процессов при частотах свыше 103-104Гц.
В то же время все более актуальной становится проблема совершенствования электроприводов различного назначения путем их совмещения с более совершенными многоуровневыми преобразователями частоты и за счет использования более быстродействующих полупроводниковых приборов. Постоянно актуальными являются задачи повышения надежности и бесперебойной эксплуатации электроприводов.
В настоящее время электропривод потребляет около 60% всей вырабатываемой электроэнергии [54].
Большая часть современных электроприводов создается на основе ко-роткозамкнутых асинхронных двигателей (АД). Это обусловлено преимуществами АД перед другими типами электромеханических преобразователей энергии, а именно: низкой стоимостью и материалоемкостью, высокими технико-экономическими и эксплуатационными показателями, отсутствием щеточно-коллекторного узла.
Применение регулируемого электропривода, т. е. системы электронного преобразователя координат-АД, позволяет управлять скоростью и моментом в нужном диапазоне с минимизацией потерь в двигателе и прочих затрат [49, 102].
Переход от нерегулируемого привода к регулируемому интенсивно осуществляется в мировой практике [96]. Этим обуславливается появление в последние годы на мировом и российском рынках весьма совершенных и доступных электронных преобразователей частоты [23, 55, 79].
В настоящее время на европейском рынке из общего числа продаваемых регулируемых приводов электроприводы на основе частотно-управляемых асинхронных двигателей (ЧУАД) составляют около 68%, электроприводы постоянного тока - 15%. Остальная доля приходится на механические и гидравлические приводы [54].
Использование электронных преобразователей частоты (ПЧ) обеспечивает экономичное и плавное регулирование в продолжительных режимах для электроприводов, построенных на базе АД с короткозамкнутым ротором [61, 62, 91]. Наиболее удачной в современных условиях и повсеместно принятой в мире компоновкой ПЧ является структура со звеном постоянного тока, формирование выходных сигналов в которой осуществляется посредством ШИМ [88]. Силовая часть такого ПЧ состоит из регулируемого выпрямителя, фильтра и автономного инвертора напряжения (АМН) на основе ШИМ [106]. Другие компоновки, без использования ШИМ, заметно уступают упомянутой либо по функциональным, либо по массо-габаритным и энергетическим показателям [91, 106].
Проблема создания регулируемых асинхронных электроприводов не является новой [49]. Основные вопросы теории АД при частотном регулировании разработаны и опубликованы в трудах М. П. Костенко [67], А. А. Булгакова, М. Г. Чиликина [10, 105], Р. Т. Шрейнера [106] и др. специалистов.
Применение асинхронных электроприводов на основе ПЧ-ШИМ выявило ряд недостатков [5, 7, 11, 91], связанных с тем, что напряжение на выходе ПЧ-ШИМ существенно отличается от синусоидального, получаемого от сети переменного тока при частоте 50 Гц или от электромашинных преобразователей. Это обстоятельство требует учета высших временных гармоник в кривой питающего АД напряжения [11, 96]. К последствиям несинусоидального питания относятся колебания электромагнитной силы, увеличение вихревых токов и механические резонансы в диапазоне килогерц, ведущие к усилению шума [11].
Колебания силы и акустический шум уменьшаются при увеличении частоты коммутации вентилей. Последнее стало возможным благодаря применению современных ЮВТ-транзисторов {79, 88]. Увеличение частоты коммутации сопровождается крутыми фронтами нарастания напряжение (dU/dt) и появлением высокочастотных электромагнитных волн и перенапряжений в обмотках АД [4, 5]. Эти явления приводят к преждевременному старению и выходу из строя изоляции.
Проблеме перенапряжений, возникающих в обмотках электрических машин, посвящено значительное число работ. К первым следует отнести публикацию Вагнера К. В. [137], а затем Р. Рюденберга [130], М. В. Костенко [67], Г. Н. Петрова [86] и др. ученых. К последним трудам относятся статьи и книги 3. Г. Каганова [57, 58], Б. Геллера и А. Веверки [24, 25, 26], В. Я. Беспалова и К. Н. Зверева [7], П. П. Осипова [84], В. К. Римского, В. П. Берзана [93], Беналлала М.Щ5].
В перечисленных и других публикациях разработаны основные вопросы теории перенапряжений и использования волновых уравнений [3, 57, 93], предложены методики расчета электрических и магнитных волновых параметров [4, 5, 57, 58]. В тоже время остаются неучтенными взаимно-индуктивные связи, имеющие место в обмотках, магнитное насыщение и вихревые токи в ферро-магиитопроводах, конструктивные особенности и электрические схемы статор-ных обмоток АД и схем ПЧ.
Приближенные решения телеграфных уравнений, описывающих перенапряжения, можно найти в работах [3, 7, 24, 58, 128]. Для ряда частных случаев используется операторный метод их решения [75].
Однако необходимо отметить, что к настоящему времени точное решение волнового уравнения неоднородной линии с распределенными параметрами без допущения об экспоненциальной зависимости волн от продольной координаты еще не реализовано [93].
Первые публикации о перенапряжениях в асинхронных двигателях [5, 84] не учитывают варианты схем ПЧ, режимы работы АД и влияние частоты на параметры волновых процессов.
Примерно в половине исполнительных механизмов промышленности, транспорта, рабочего инструмента и в быту применяется возвратно поступательное движение [2, 15, 82]. Электропривод, используемый для получения возвратно-поступательного движения (Рис. 1.1), обычно включает АД (1) с вращательным движением ротора, редуктор (2) и кинематическую передачу (3), обеспечивающую преобразование вращательного движение в поступательное (кривошипно-шатунный механизм, червячная передача и т. п.). При применении линейных двигателей [2, 15, 107] из кинематическое схемы механизма исключаются кинематическая передача и редуктор.
Современный линейный электропривод состоит из линейного электродвигателя (обычно асинхронного), устройств управления, диагностирования и защиты, а также энергетических электронных устройств (преобразователей частоты) [84, 97, 115, 131J. Применение ПЧ позволяет регулировать скорость механизма, улучшить его энергетические характеристики.
Актуальность разработки и внедрения линейных электроприводов на основе линейных асинхронных двигателей (ЛАД) определяется не только упрощением и удешевлением механизмов возвратно-поступательною движения, но и повышением надежности, снижением механических потерь, уменьшением эксплуатационных затрат [15, 109, 110, 117, 118, 131, 134].
В настоящее время [2, 15, 63] чаще других используются ЛАД плоского (ПЛАД) и цилиндрического (ЦЛАД) исполнении (Рис. 1.2).
В тоже время опыт создания и эксплуатации ЛАД и приводов на их основе существенно меньше, чем опыт производства и эксплуатации АД с вращающимся ротором. Остаются практически не разработанными вопросы теории и расчета ЛАД, связанные с частотным управлением при проявлении в ЛАД влияния высших гармоник.
Развитие исследований и разработка технологии ЧУЛАД с ПЧ-ШИМ в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» были обусловлены потребностями СПб метрополитена, поставившего перед кафедрой робототехники и автоматизации производственных систем ряд задач, связанных с созданием электроприводов для механизмов возвратно-поступательного движения, предназначенных для открывания и закрывания станционных автоматических дверей закрытых станций метрополитена.
Экономическую сторону актуальности работы можно проиллюстрировать следующими цифрами, связанными с эксплуатации 480 дверей на 10 станциях метрополитена: капитальный ремонт электроприводов, эксплуатационные затраты и зарплата обслуживающего персонала составляют ежегодно около 1,5- 2 млн. рублей. Число отказов электроприводов за последние годы растет и связано, в основном, с поломками рычагов и редукторов (Рис. 1.1).
В настоящее время исследование электроприводов с АД и ПЧ-ШИМ в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» продолжается по заданиям других организаций.
Разработка экспериментальных образцов ЛАД для данной диссертации произведена в рамках НИР по хоздоговору № 5895/ЭМ и ЭМТ-116 от 12.03.1998 с государственным предприятием подземного транспорта (ГППТ) «Петербургский метрополитен», а также хоздоговоров № 6343/РАПС-48 от 1.04.2003 и № 6575/РАПС-53 от 25.05.2006 с ОАО «Силовые машины».
Анализ опубликованной литературы и учет задач, выдвигаемых практикой разработки и эксплуатации электроприводов в СПб метрополитене и на заводе «Электросила» позволяют считать, что разработка и экспериментальная проверка теории высокочастотных процессов в электроприводах, состоящих из ЛАД и ПЧ-ШИМ, является актуальной научно-исследовательской задачей. В известных технологиях и публикациях, посвященных волновым явлениям в электрических машинах [5, 7, 57, 58], конструктивные особенности обмоток ЛАД и высокочастотные электромагнитные процессы в них при питании ЛАД от ПЧ-ШИМ практически не рассматриваются.
Исходные положения
Установлено, что при решении задач, связанных с применением ПЧ-ШИМ и высокочастотными процессами в электроприводе с ЛАД, необходимо учитывать одновременное сосуществование в активном объеме ЛАД электромагнитных полей низких и высоких частот [5, 7, 11].
К низкочастотному полю относится основное или рабочее электромагнитное поле, обеспечивающее электромеханическое преобразование энергии в ЛАД, отвечающее назначению двигателя и заданным технико-экономическим показателям привода. Это поле изменяется во времени и пространстве с частотой напряжения управления [102]. К низкочастотным можно отнести также поля, соответствующие высшим пространственным гармоникам [18]. Частоты этих полей, соответствующие установившимся режимам работы ЛАД, имеют порядок Ю2- Ю3 Гц.
К высокочастотным электромагнитным полям относятся поля, имеющие место в статорных обмотках ЛАД при подключении их к ПЧ-ШИМ. При этом в обмотках двигателя появляются токи высокой частоты 104- 105 Гц, соответствующие высшим временным гармоникам, содержащимся в выходном напряжении ПЧ. Кроме того прямоугольные, а точнее трапецеидальные импульсы напряжения на выходе ПЧ-ШИМ также вызывают появление в обмотках ЛАД переходных электромагнитных процессов, имеющих частоту свободных колебаний порядка 104- 105 Гц.
При анализе высокочастотных процессов приходится учитывать магнитное состояние или насыщение сердечников ЛАД, обусловленное магнитными полями низкой частоты, т.к. значения индуктивностей обмоток зависят от магнитной проницаемости стали [5, 72].
Анализ опубликованных работ по теории ЛАД и высокочастотным процессам в электрических машинах с точки зрения математического описания и взаимовлияния низко- и высокочастотных электромагнитных полей показывает следующее.
Основополагающие работы по теории линейных индукционных машин были опубликованы А. И. Вольдеком [19-21]. Вопросы частотного управления ЛАД и перенапряжений в трудах А. И. Вольдека не рассматриваются.
Исследование особенностей магнитного поля ЛАД, связанного с ПрКЭ содержится в работах Я. Я. Валдманиса и Я. Я. Лиелпетера [16]. Дальнейшее развитие теория ЛАД получила в работах О. Н. Веселовского [15], Ф. Н. Сарапу-лова [98-99], А. Ю. Коняева [64], А. П. Епифанова [44].
В [15] дан анализ низкочастотных электромагнитных процессов в ЛАД с различными исполнениями вторичного элемента, изложены методы расчета основных характеристик в установившихся и переходных режимах. В параграфе 6.3 [15] «Режимы специального питания индуктора» отмечается, что одним из перспективных способов регулирования скорости ЛАД является импульсное регулирование с использованием тиристорных ключей, но затем этот вопрос не рассматривается.
В работах Ф. Н. Сарапулова [98, 99] излагаются методики, алгоритмы и программы математического моделирования ЛАД на базе детализированных схем замещения электрических и магнитных цепей машины.
Из трудов зарубежных ученых, занимающихся ЛАД, следует отметить работы Е. Р. Лейтвейта [116], привлекшего внимание специалистов к проблеме линейных двигателей, С. Ямамуры [107], К. Оберретля [126, 127] и П. К. Будига [ПО].
В целом анализ показывает, что вопросы расчета низкочастотных электромагнитных полей ЛАД достаточно разработаны и опубликованы в виде различных методик. Но использование опубликованных материалов в технологиях ЛАД с частотным управлением от ПЧ-ШИМ до самого последнего времени не осуществлялось. Рассмотрение и оценка различных вариантов статорных обмоток ЛАД произведено в работах А. И. Вольдека [19-21], Л. X. Ранну [16] и других работах [2,63, 71].
Анализ указанных публикаций показывает, что в ЛАД для ослабления
ПрКЭ применяются компенсационные катушки (КК). В результате увеличивается общее число катушек в фазах обмоток, параметры последовательно включаемых КК и катушек активной зоны обмотки, образующих основное бегущее магнитное поле, являются неодинаковыми.
Принципы подавления, основанные на применении дополнительных секций и КК, являются одинаковыми для ПЛАД и ЦЛАД. Наиболее употребляемыми в ЛАД обмотками являются обмотки с 60-градусной фазной зоной [15, 84]. Сопоставление известных вариантов статорных обмоток ЛАД с точки зрения частотного регулирования электроприводов с ЛАД и ПЧ-ШИМ в опубликованной литературе отсутствует.
Вопросам математического моделирования перенапряжений в электрических машинах переменного тока посвящены работы Р. Рюденберга [130], М. В. Костенко [67], фундаментальные труды 3. Г. Каганова [57, 58], книга В. В. Ба-зуткина и Л. Ф. Дмоховской [2], диссертации П.А. Реуцкого [92], К. Н. Зверева [51], П. П. Осипова [84], М. Н. Беналлала [5].
Предлагаемые в указанных трудах модели основываются на использовании теории длинных линий или цепных схем с распределенными параметрами [5, 57, 73]. Имеются указания о необходимости учета междуфазных взаимоиндуктивных и емкостных связей при расчете перенапряжений, но фактически эти указания в известных публикациях не реализуются.
Расчетные электрические схемы и уравнения ПЧ-ШИМ
Рассматривается электропривод с многоуровневым ПЧ на транзисторных модулях TGBT или на приборах JCCT [79]. Преобразование постоянного напряжения в трехфазное переменное напряжение осуществляется с помощью автономного инвертора напряжения (АИН).
Полагаем, что число уровней АИН может изменяться от 2 до 7 [88, 113]. Оно определяется количеством транзисторов или тиристоров, используемых в каждом плече моста АИН. Например, в трехфазных трехуровневых АИН в каждом плече моста используются два транзистора, включенных последовательно. Схемы ПЧ с многоуровневыми АИН представлены на рис. 2.1 - 2.4.
Основные преимущества многоуровневых инверторов по сравнению с двухуровневыми: повышенное напряжение преобразователя на входе и выходе при использовании сравнительно низковольтных элементов (транзисторных модулей, конденсаторов); повышенная единичная мощность преобразователя; меньшие искажения напряжения, тока нагрузки и динамические потери в режиме синусоидальной ШИМ.
В моменты равенства опорного напряжения и напряжений управления осуществляются переключения транзисторов. Существует минимально время переключения транзисторов, которое несколько сужает активную зону опорного напряжения (участвующую в формировании импульсов управления) на величину Ди01 сверху и снизу. Если амплитуду опорного напряжения принять равной 1, то в соответствии с рис. 2.5 активная зона напряжений управления находится в пределах от -1+ Диоп до 1- Аиоп [90].
Если напряжение управления какой-либо фазы находится в активной зоне опорного напряжения, то в течение периода Топ в данной фазе происходят одно включение и одно выключение транзистора с соответствующими переключениями токов, одно включение и одно выключение обратного диода, а также одно включение транзистора без тока. Если напряжение управления выходит за пределы активной зоны опорного напряжения, то в данной фазе на данном периоде вентили не переключаются, если ток фазы нагрузки не изменяет знак.
Режим перемодуляции получается, когда напряжения управления выходят за пределы рабочей зоны опорного напряжения и переключения вентилей управляющими импульсами не производятся. На этих участках фактические напряжения управления могут быть представлены прямыми линиями, проходящими по границам рабочей зоны на уровне -1+ Ди0Г или 1- Лиоп. При этом, как показано на рис. 2.6, фактическое напряжение управления иу! приближается по форме к трапеции.
Опорное напряжение и напряжение управления в режиме перемодуляции. При дальнейшем увеличении амплитуды напряжения управления трапецеидальное напряжение иу! приближается к прямоугольной форме, автономный инвертор напряжения переходит в режим работы при фазной коммутации [90].
При составлении систем уравнений используется методология М. В. Пронина [90, 91], основанная на разделении электрических систем на подсистемы, взаимосвязанные зависимыми элементами, в данном случае зависимыми источниками напряжения и тока [3, 8]. Используются обозначения, принятые в [88].
Считается, что каждые два транзистора, подключенные к одной фазе нагрузки, работают в противофазе: если один транзистор открыт, другой закрыт и наоборот. Режимы, в которых оба транзистора открыты или закрыты, отсутствуют.
Состояния транзисторов [88, 91] описываются функциями k„ (номер фазы п= 1, 2, 3), которые принимают значение 1, если открыты транзистор или обратный диод, подключающие фазу к положительному полюсу конденсатора, и значение 0, если открыты транзистор или обратный диод, подключающие фазу к отрицательному полюсу (Рис. 2.5).
Высшие временные гармоники напряжения
Проблема высокочастотных процессов возникла в начале прошлого столетия [57, 58, 67]. Ее появление было обусловлено необходимостью защиты линий электропередачи, трансформаторов и электрических машин (ЭМ) от грозовых перенапряжений. В 1950 - 70 гг. высокочастотные процессы в электротехнических установках стали предметом изучения в результате необходимости решения задач надежности и, особенно, в связи с импульсными испытаниями корпусной и витковой изоляции [25, 57, 130].
В последние десятилетия получает развитие силовая полупроводниковая техника [29, 48, 60, 68, 79, 91, 94, 95]. Применение полупроводниковых выпрямителей, инверторов и регулируемых преобразователей частоты и напряжения [80, 89, 102, 106] приводит к появлению в системах многократно повторяющихся импульсов напряжения и высших временных гармоник тока и напряжения [1,7,88,89].
Импульсы и гармоники сопровождаются высокочастотными электромагнитными процессами.
Часть из них относится к переходным электромагнитным процессам [2, 9, 47, 61, 62], вызывающим появление импульсных перенапряжений [47, 57, 72] в статорных обмотках ЭМ. Другая часть, определяемая наличием высших временных гармоник, относится к установившимся электромагнитным процессам и приводит к неравномерному распределению токов и напряжений между катушками обмоток, а также к дополнительным потерям активной мощности [1, 106,113, 130].
Термин «высокочастотные процессы» используется М. П. Костенко в [67] и отвечает физике явлений и процессов, сопровождающих возникновение, распространение и быстрое изменение электромагнитного поля цепи или системы [57]. Позднее и чаще стал использоваться термин «волновые процессы», обусловленный тем, что теория высокочастотных процессов основывается на их описании с помощью представлений о блуждающих, отраженных, стоячих и бегущих электромагнитных волнах [2, 9, 130].
Соответственно [57] эквивалентные параметры, используемые в схемах замещения и уравнениях математических моделей обмоток ЭМ, называются или высокочастотными или волновыми.
В настоящей работе используются термины «высокочастотные процессы и явления» и «высокочастотные параметры», как отвечающие физике явлений, сопровождающих взаимовлияние ПЧ-ШИМ и ЛАД.
Анализ опубликованных трудов показывает, что в них, в основном, рассматриваются перенапряжения [2, 5, 7, 38, 47, 57, 128], а также свободные колебания [57], возникающие из-за молний [67] и коммутационных переключений. В работах [1, 32, 47] рассматриваются перенапряжения в системах с полупроводниковыми преобразователями. В ряде трудов Ю. К. Горбунова [34 - 38] и 3. Г. Каганова [57, 58] предлагаются методики определения волновых параметров. В них отмечается, что перенапряжения имеют место при эквивалентных частотах 104 - 105 Гц и что, в этом случае, стенки пазов и конструкционные оболочки вокруг лобовых частей обмоток являются электромагнитными экранами. В [57, 58] при определении волновых индуктивностей учитываются потоки рассеяния, замыкающиеся по листам электротехнической стали, но не учитывается ослабление этих потоков вихревыми токами.
В работах [57, 58] не рассматриваются высшие временные гармоники. В книгах [1, 24 - 26] не учитываются особенности высших гармоник при ШИМ-напряжения и не рассматриваются методики определения высокочастотных параметров.
В книге [113] предлагается методология определения высших временных гармоник в многоуровневых ПЧ с ШИМ напряжения, основанная на применении рядов Фурье. Полученные в [113] результаты не используются для анализа электроприводов. Влияние высших гармоник на работу потребителей предлагается оценивать с помощью интегральных коэффициентов. Высокочастотные параметры не рассматриваются.
В диссертации [5] рассматриваются перенапряжения в ЛАД с ПЧ-ШИМ. Высшие временные гармоники на зажимах ПЧ и в ЛАД не учитываются. Методики и формулы для определения высокочастотных параметров разработаны для машин с овальными пазами и не содержат сведений о влиянии частоты на взаимноиндуктивные и емкостные связи.
Отсюда в третьем разделе диссертации решаются две актуальные задачи:
1. Разрабатываются методики гармонического анализа кривых выходного напряжения ПЧ-ШИМ;
2. Исследуется возможность использования известных методик [5, 57, 58] расчета индуктивных, емкостных и активных сопротивлений для диапазона /= 10J - 105 Гц. Предлагаются новые методики расчета взаимноиндуктивных и взаимноемкостных связей.
При разработке методик учитывается влияние магнитного насыщения стали и вихревых токов па потери и индуктивности, разомкнутость магнитопрово-да и особенности конструктивного воплощения статорных обмоток.
Высокочастотные процессы и потери энергии в установившихся режимах
Проблема высокочастотных процессов возникла в начале прошлого столетия [57, 58, 67]. Ее появление было обусловлено необходимостью защиты линий электропередачи, трансформаторов и электрических машин (ЭМ) от грозовых перенапряжений. В 1950 - 70 гг. высокочастотные процессы в электротехнических установках стали предметом изучения в результате необходимости решения задач надежности и, особенно, в связи с импульсными испытаниями корпусной и витковой изоляции [25, 57, 130].
В последние десятилетия получает развитие силовая полупроводниковая техника [29, 48, 60, 68, 79, 91, 94, 95]. Применение полупроводниковых выпрямителей, инверторов и регулируемых преобразователей частоты и напряжения [80, 89, 102, 106] приводит к появлению в системах многократно повторяющихся импульсов напряжения и высших временных гармоник тока и напряжения [1,7,88,89].
Импульсы и гармоники сопровождаются высокочастотными электромагнитными процессами.
Часть из них относится к переходным электромагнитным процессам [2, 9, 47, 61, 62], вызывающим появление импульсных перенапряжений [47, 57, 72] в статорных обмотках ЭМ. Другая часть, определяемая наличием высших временных гармоник, относится к установившимся электромагнитным процессам и приводит к неравномерному распределению токов и напряжений между катушками обмоток, а также к дополнительным потерям активной мощности [1, 106,113, 130].
Термин «высокочастотные процессы» используется М. П. Костенко в [67] и отвечает физике явлений и процессов, сопровождающих возникновение, распространение и быстрое изменение электромагнитного поля цепи или системы [57]. Позднее и чаще стал использоваться термин «волновые процессы», обусловленный тем, что теория высокочастотных процессов основывается на их описании с помощью представлений о блуждающих, отраженных, стоячих и бегущих электромагнитных волнах [2, 9, 130].
Соответственно [57] эквивалентные параметры, используемые в схемах замещения и уравнениях математических моделей обмоток ЭМ, называются или высокочастотными или волновыми.
В настоящей работе используются термины «высокочастотные процессы и явления» и «высокочастотные параметры», как отвечающие физике явлений, сопровождающих взаимовлияние ПЧ-ШИМ и ЛАД.
Анализ опубликованных трудов показывает, что в них, в основном, рассматриваются перенапряжения [2, 5, 7, 38, 47, 57, 128], а также свободные колебания [57], возникающие из-за молний [67] и коммутационных переключений. В работах [1, 32, 47] рассматриваются перенапряжения в системах с полупроводниковыми преобразователями. В ряде трудов Ю. К. Горбунова [34 - 38] и 3. Г. Каганова [57, 58] предлагаются методики определения волновых параметров. В них отмечается, что перенапряжения имеют место при эквивалентных частотах 104 - 105 Гц и что, в этом случае, стенки пазов и конструкционные оболочки вокруг лобовых частей обмоток являются электромагнитными экранами. В [57, 58] при определении волновых индуктивностей учитываются потоки рассеяния, замыкающиеся по листам электротехнической стали, но не учитывается ослабление этих потоков вихревыми токами.
В работах [57, 58] не рассматриваются высшие временные гармоники. В книгах [1, 24 - 26] не учитываются особенности высших гармоник при ШИМ-напряжения и не рассматриваются методики определения высокочастотных параметров.
В книге [113] предлагается методология определения высших временных гармоник в многоуровневых ПЧ с ШИМ напряжения, основанная на применении рядов Фурье. Полученные в [113] результаты не используются для анализа электроприводов. Влияние высших гармоник на работу потребителей предлагается оценивать с помощью интегральных коэффициентов. Высокочастотные параметры не рассматриваются.
В диссертации [5] рассматриваются перенапряжения в ЛАД с ПЧ-ШИМ. Высшие временные гармоники на зажимах ПЧ и в ЛАД не учитываются. Методики и формулы для определения высокочастотных параметров разработаны для машин с овальными пазами и не содержат сведений о влиянии частоты на взаимноиндуктивные и емкостные связи.
Отсюда в третьем разделе диссертации решаются две актуальные задачи:
1. Разрабатываются методики гармонического анализа кривых выходного напряжения ПЧ-ШИМ;
2. Исследуется возможность использования известных методик [5, 57, 58] расчета индуктивных, емкостных и активных сопротивлений для диапазона /= 10J - 105 Гц. Предлагаются новые методики расчета взаимноиндуктивных и взаимноемкостных связей.
При разработке методик учитывается влияние магнитного насыщения стали и вихревых токов па потери и индуктивности, разомкнутость магнитопрово-да и особенности конструктивного воплощения статорных обмоток.
При изменении частоты/, в пределах от 103 до 105 Гц, неизменном линейном напряжении и изменении ВЧП при изменении fv, получены обобщенные данные о распределении приложенного напряжения (Рис. 4.4) и токов между катушками (Рис. 4.5). Кривые рисунков и данные расчетов при соответствии ВЧП значениям таблицы 4.1 показывают, что фазное напряжение распределяется между катушками неравномерно и что перекосы напряжения увеличиваются с увеличением частоты гармоники. На первых и последних катушках фазы обмотки напряжения могут возрастать на 20 - 30%.
Аналогичная картина с неравномерным распределением наблюдается для токов катушек, часть которых из катушек через поперечные емкости уходит на землю.
Видно, что с увеличением значения Ск неравномерное распределение напряжений становится более заметным.
Распределение токов и напряжений внутри статорных обмоток ПЛАД при учете емкостных связей иллюстрируется типичными зависимостями для мгновенных значений, показанными на рис. 4.7. Видно, что появление емкостных токов вызывает неравномерность u(NK).
Высшие гармоники приводят к дополнительным потерям активной мощности, которые при наличии емкостных связей и перекосов напряжения могут существенно увеличиться.
Определение дополнительных потерь активной мощности производится, предполагая известными значения истинных и эквивалентных параметров катушек (определяются по формулам п. 3) и напряжений Uv, соответствующих .
