автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Тепловые модели вентильно-индукторных двигателей в электроприводе

Введение.

Глава 1.Тепловые модели электродвигателей.

1.1. Обзор методов построения тепловых моделей.

1.2. Выбор и обоснование метода получения тепловых моделей вентильно-индукторных электродвигателей.

1.3. Предварительные тепловые испытания двигателя.

1.4. Разработка алгоритма построения моделей.

1.5. Выводы.

Глава 2. Разработка математического аппарата построения тепловых моделей.

2.1. Условия и допущения.

2.2 Модель обмотки в теле двигателя.

2.3. Модель двигателя как однородного тела.

2.4. Критерии подобия.

2.5. Выводы.

Глава 3. Экспериментальное оборудование для получения тепловых моделей.

3.1. Образцы вентильно-индукторных двигателей с встроенными датчиками температуры.

3.2. Испытательный стенд двигателей 5 и 7,5 кВт.

3.3. Испытательный стенд велодвигателя.

3.4. Выводы.

Глава 4. Тепловые испытания вентильно-индукторных двигателей в модельном» режиме.

4.1. Организация экспериментов в «модельном» режиме.

4.2. Обработка данных - получение тепловых характеристик образцов машин.

4.3. Тепловые испытания базового образца.

4.4. Тепловые испытания образцов №2 и №3.

4.5. Выводы.

Глава 5. Проверка адекватности тепловых моделей в форме критериев подобия.

5.1. Алгоритм проверки.

5.2. Проверка адекватности тепловых моделей на базовом образце.

5.3. Проверка адекватности тепловых моделей на двигателях №2 и №3.

5.4. Испытания базового образца в рабочих режимах.

5.5. Проверка применимости моделей для рабочих режимов двигателей.

5.6. Выводы.

В настоящее время все большее количество электроприводов, которые еще недавно были нерегулируемыми, приобретают возможность быть управляемыми. Это стало возможным благодаря достижениям силовой полупроводниковой техники - созданию мощных управляемых силовых ключей, коммутирующих с большой частотой значительные токи и имеющих высокие обратные напряжения, а также, благодаря появлению микропроцессорных устройств, производимых такими компаниями, как Texas Instruments, Motorola, Analog Devices и предназначенных для построения систем управления электроприводов.

Именно эти достижения электроники оказали сильное, определяющее влияние на развитие современного электропривода: появились доступные преобразователи частоты, кардинально изменившие традиционный массовый электропривод с короткозамкнутыми асинхронными двигателями, возникла целая гамма новых электроприводов с различными типами электромеханических преобразователей - синхронными реактивными, синхронными с постоянными магнитами, индукторными и др., и электронными коммутаторами - аналогами традиционных коллекторов. Среди всех этих новых, рожденных электроникой электроприводов, особенно выделяется один -вентильно-индукторный (ВИЛ) или в англоязычной литературе - Switched Reluctance Drive (SRD).

Внешне вентильно-индукторный электропривод очень прост, и в этом одна из его привлекательных сторон. Он состоит (рис. В.1) из собственно двигателя - индукторной машины ИМ, электронного коммутатора К, подключенного к выпрямителю В параллельно с конденсатором С и управляемого обычно датчиком положения ротора ДП через схему управления СУ. ИМ имеет явнополюсный статор, например, с п = 8 полюсами, несущий сосредоточенные катушки, образующие п/2 фаз и явнополюсный пассивный ротор, число полюсов которого отличается от числа полюсов статора, например, т-6.

Катушки связаны с электронным коммутатором, подающим на каждую фазу двигателя импульсы тока; в рассматриваемом примере на фазу приходятся два ключа - транзистора и два диода (на рис. В.1 показана только одна фаза).

Работу ВИД на принципиальном уровне можно свести к поочередному последовательному включению электромагнитов (индукторов), якорями у которых являются зубцы ротора. Возбуждение фазы при несогласованном положении зубцов статора и ротора вызывает возникновение электромагнитных сил притяжения между зубцами этой фазы статора и ближайшими к ним зубцами ротора. В результате ротор перемещается в согласованное положение (совпадение осей зубцов статора и ротора). Так как число зубцов статора и ротора различно, то в согласованном положении ротора для одной фазы следующая фаза оказывается в рассогласованном положении, т.е. подготовленной к включению. Последовательная коммутация фаз с помощью, например, датчика положения ротора обеспечивает непрерывное создание вращающего момента и, следовательно, непрерывное вращение ротора. Управление движением - выбор моментов включения и отключения фаз, формирование нужных импульсов тока и т.п. осуществляется схемой управления СУ [16].

Принцип работы ВИД очень схож с работой индукторных шаговых двигателей в дискретном электроприводе, появившемся в 60-е годы на волне развития первых полупроводниковых приборов и применяющемся для преобразования цифры или кода в дозированные механические перемещения. В 60 - 70-е годы этот электропривод получил серьезное развитие в нашей стране благодаря работам М.Г.Чиликина, Б.А.Ивоботенко и их учеников. Были сформулированы основные принципы его организации, критически осмыслены и обобщены многочисленные варианты конструкций, отработаны алгоритмы управления, предложены эффективные новые технические решения, построена теория дискретного электропривода [10].

Рис. В.1 Упрощенная функциональная схема ВИП

Однако, в то время не удалось перейти к силовой версии электропривода, построенного на шаговом принципе в силу ограниченности элементной базы. Переход к силовой версии шагового привода был предпринят в 80-е годы прошлого столетия. Роль создателя силового вентильного электропривода (Switched Reluctance Drive) по праву принадлежит проф. П.Лоуренсону (Лидс, Великобритания), первые работы которого, демонстрирующие преимущества SRD [43], открыли целую волну разработок и публикаций на эту тему. Часть их удачно собрана и обобщена в монографии Т.Миллера [44], дающей достаточно полное представление о состоянии дел с этой проблемой в мире.

К основным особенностям ВИД можно отнести предельно простую, технологичную, дешевую и надежную конструкцию собственно вентильно-индукторного двигателя ВИД. В нем не используются существенно усложняющие технологию производства и дорогие постоянные магниты. Отсутствует технологическая операция заливки ротора, обязательная при производстве к.з. асинхронных двигателей. Обмотки (катушки) статора хорошо приспособлены к машинному производству, проста сборка и, что важно при массовых применениях, разборка для ремонта или утилизации. Пропитка осуществляется только собственно катушек, а не статора в целом, как у других типов машин, что также снижает долю технологических затрат. Таким образом, машина в ВИП позволяет преодолеть уже устойчивую тенденцию роста на 1012% в год цены основных типов электрических машин. Оптимально спроектированная вентильно-индукторная машина в сравнении с асинхронным двигателем той же мощности имеет на 20-25% меньше меди и на 10-15% меньше стали. В условиях мелкосерийного производства ВИД эти двигатели дешевле асинхронных в 1,4 - 1,6 раза, при больших сериях разница будет около 2 раз за счет отсутствия участка заливки ротора, машинного изготовления катушек обмотки, и других особенностей, указанных выше [2].

Электронный коммутатор К должен обеспечивать подачу на фазы ИМ однополярных импульсов, что позволяет выполнить его более надежным в сравнении с аналогичным преобразователем частоты для асинхронного электропривода - ликвидируется опасность сквозных коротких замыканий, упрощается защита. Среди большого числа исполнений коммутатора, разработанных для дискретного электропривода еще в 60-е годы, удается найти варианты с наименьшим количеством дорогих ключей - транзисторов, снизив в итоге его стоимость. Система управления ВИП определяется требованиями к характеру функционирования привода и может видоизменяться в широких пределах - от одной микросхемы до развитого микропроцессорного модуля [2].

По основным массо-габаритным и энергетическим показателям ВИП не уступает и даже превосходит за счет использования насыщения магнитной цепи ВИД [3], например, частотно-регулируемый асинхронный привод. Так, в [43] приводятся кривые КПД английских ВИД вместе с аналогичными кривыми для электропривода с электромагнитной муфтой и асинхронного электропривода обычного исполнения, а также массо-габаритные и энергетические показатели вентильно-индукторного привода, в сравнении с приводом постоянного тока (ДПТ) и асинхронным (АД) для двигателей с высотой оси 112 мм (см. табл. 1).

Таблица 1 дпт АД ВИП

Рн, кВт 7 9 11,3

Рн / Vct)* 1 1,23 1,74

КПД, % 76 81 86

Благоприятные функциональные особенности ВИД - большие моменты при низких скоростях и небольших токах, гибкое управление скоростью, простая реализация тормозных режимов и т.п. делают этот привод весьма привлекательным для широких применений. Большое разнообразие структур ВИД (различные отношения п/т - 4/2, 6/4, 8/6 и др., различные способы коммутации фаз) делают этот привод хорошо применимым как в низкооборотных (сотни об/мин), так и высокооборотных (десятки тысяч об/мин) версиях [16].

В настоящий момент ВИП уже получил некоторое развитие. Разработан ряд типоразмеров фирмой SRD Ltd в Лидсе, перешедшей во владение американской корпорации Эмерсон, выпускаются SRD в Италии, Великобритании (фирмы Allenwest и Jeffrey Diamond), КНР, пропагандирует SRD немецкая фирма MACCON [16]. В России также существует ряд фирм, начавших производство или разрабатывающих данный тип привода (см. табл. 2). Варианты реализации данного типа электродвигателей проиллюстрированы на рисунках В.2 - В.4. Мощности уже существующих ВИП значительны и достигают 500 кВт (компрессор на одной из шахт в Великобритании).

Рис.В.2 ВИП запорной арматуры

Рис. В.З ВИП электровелосипеда Рис.В.4 ВИП насоса

Таблица 2

Организация Сфера деятельности

ОАО «ELDIN» производство вентильно-индукторных электродвигателей [36]

ОАО НИПТИЭМ производство вентильно-индукторных электродвигателей [39]

ЗАО КАСКОД производство вентильно-индукторных электроприводов для запорной арматуры [38]

ОАО "Канашский завод электропогрузчиков" подготавливается запуск в производство электропрогрузчиков на базе тягового вентильно-индукторного электродвигателя [41 ]

ООО «АРК-Электропривод» производство вентильно-индукторных приводов для насосного применения[40]

ЗАО Производственно-инженерная фирма ""ЭлКоН" проходит испытания привод электротележки мощностью 5,5 кВт[32]

ФГУП СКБ "ТОПАЗ" подготовлен к выпуску электропривод ВИП-500-10000, Рном 500 Вт, п = 10.000 об/мин [34]

ООО "ПК ЗТЭО" (на базе ОАО Татэлектромаш) разработка тяговых электроприводов на базе ВИД для нефтедобывающей промышленности и грузопассажирских лифтов [42]

КБ Автоматики разработка систем управления вентильно-индукторными электроприводами [33]

ОАО "ЧЕБОКСАРСКИМ ЭЛЕКТРОАППАРАТНЫЙ ЗАВОД" производство вентильно-индукторных электродвигателей [35]

Вентильно-индукторному электроприводу посвящено большое количество работ. Они относятся главным образом к созданию совершенной схемы управления ВИП, которая должна получать сигналы о фактическом положении ротора в данный момент и формировать на этом основании с учетом параметров и режимов привода воздействие на ключи коммутатора.

Решению проблемы рационального управления ВИП посвящены работы М.Г.Бычкова [3,4,7], П.А. Дроздова [14], В.А. Семенчука [27], С.Ю. Уткина [29], Р.В. Фукалова [31]. Комплексу исследований ВИП методом имитационного моделирования посвящена работа А.Б. Красовского [23]. В работах Е.В. Бычковой, А.Г. Федорова и др. разработаны процедуры проектирования вентильно-индукторных двигателей [20]. В этих работах подробно изучен и описан объект управления, проведены экспериментальные исследования с использованием специального компьютеризированного испытательного оборудования, позволяющего регистрировать весьма сложные процессы в реальном времени и в легко перестраиваемых структурах, найдены рациональные алгоритмы проектирования и управления, разработан соответствующий программный продукт. В процессе исследований удалось в основном избавиться от датчика положения ротора, заменив его простыми датчиками напряжения и тока. Это повлияло на конструктивный облик ВИД - теперь эта машина стала заметно проще основного конкурента - короткозамкнутого асинхронного двигателя.

Несмотря большое количество проведенных исследований такими исследователями как Бычков М.Г. [3,4,5], Дроздов П.А. [14], В. Ранлин [45], группа Т. Миллера [37,44], до настоящего времени не построены тепловые модели, достоверно описывающие поведение ВИД в составе электропривода. Такие модели необходимы для правильного проектирования электропривода с ВИД, оптимального использования данного типа двигателя, рациональной организации защит.

Данная работа посвящена тепловым моделям вентильно-индукторных электродвигателей в составе электропривода.

Тепловые исследования в рамках данной работы проводятся с применением теории планирования инженерного эксперимента [17], что позволяет на основе специально организованных испытаний образцов строить тепловые модели, описывающие объект исследования в определенных, заданных границах изменяемых факторов.

Для создания обобщенной тепловой модели ВИД будет использовано распространение результатов испытаний отдельных образцов на ряд подобных двигателей с помощью теории подобия и представление тепловых моделей подобных двигателей в виде критериев подобия.

В первой главе рассматриваются возможные способы построения тепловых моделей электрических машин, приводятся результаты предварительных тепловых испытаний ряда образцов вентильно-индукторных двигателей и обосновывается принцип и алгоритм построения тепловых моделей в форме критериев подобия.

Во второй главе формулируются условия и допущения и разрабатывается математический аппарат построения тепловых моделей в форме критериев подобия.

Третья глава посвящена испытательным стендам и образцам ВИД со встроенными термопарами.

В четвертой главе представлено описание экспериментальных исследований образцов вентильно-индукторного электродвигателя и обработка экспериментальных данных.

В пятой главе представлена проверка адекватности полученных тепловых моделей, сопоставление экспериментальных характеристик и кривых, построенных по моделям. Приведены примеры использования полученных тепловых моделей.

5.6 Выводы

1. Представлен алгоритм использования тепловых моделей в форме критериев подобия на основе пересчета масштабов величин. Входящих в критерии подобия.

2. Проверка адекватности тепловых моделей на базовом образце в «модельном» режиме работы показала удовлетворительное совпадение теоретических кривых, вычисленных по модели и соответствующих экспериментальных характеристик.

3. Проверка адекватности на образцах ВИД №2 и №3 свидетельствует о применимости моделей к двигателям другой конфигурации и обращенной конструкции: погрешности не превышают 15% при усреднении коэффициента теплоотдачи и других сильных допущениях.

4. Тепловые испытания базового образца в «рабочем» режиме и проверка адекватности тепловых моделей при применении для «рабочего» режима подтверждают предположение о возможности учета потерь в стали эквивалентным увеличением плотности тока. Это делает тепловые модели, полученные в результате простых «модельных» испытаний, эффективным инструментом оценки теплового состояния вентильно-индукторных двигателей в составе электропривода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Получены универсальные тепловые модели вентильно-индукторных электродвигателей в виде экспериментальной базовой характеристики гбаз(/баз) и двух безразмерных комплексов - критериев подобия, содержащих минимальное количество параметров и отражающих тепловые процессы в наиболее нагретой зоне двигателя.

2. Построение тепловых моделей и определение коэффициентов теплоотдачи, входящих в критерии подобия, основано на специально организованных «модельных» экспериментах на базовом образце двигателя, в которых исключены потери в стали.

3. Показано, что потери в стали магнитопровода могут учитываться эквивалентным увеличением входной величины - плотности тока.

4. Адекватность тепловых моделей подтверждена экспериментами на двигателях 0,16 кВт, 5 кВт и 7,5 кВт с различной геометрической структурой и параметрами.

5. Тепловые модели могут использоваться как при паспортизации вентильно-индукторных электродвигателей, так и при их эксплуатации в составе электропривода.

1. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. Изд. 2-е. М.: Наука, 1976. - 279 с.

2. Ахунов Т.А., Макаров JI.H., Бычков М.Г., Ильинский Н.Ф. Вентиль-но-индукторный электропривод перспективы применения // Материалы 2-ой междунар. конф. "Состояние разработок и перспективы применения ВИП". - М.: ИНТЕРЭЛЕКТРО, 2001. - С. 54 - 59

3. Бычков М.Г. Анализ вентильно-индукторного электропривода с учетом локального насыщения магнитной системы // Электричество, 1998, № 6.

4. Бычков М.Г. Основы теории, управление и проектирование вен-тильно-индукторного электропривода: Дисс. докт. техн. наук. М., Моск. энерг. ин-т, 1999. - 372 с.

5. Бычков М.Г. Элементы теории вентильно-индукторного электропривода / Электричество, 1997, № 8, с. 35-44.

6. Веников В.А. Веников Г.В. Теория подобия и моделирования. Учебное пособие для вузов. Изд. 3-е. М. Высшая школа, 1984. 439 с.

7. Голован А.Т. Основы электропривода.

8. Гольдберг О.Д. Испытания электрических машин. Учеб. Для вузов. -М. Высш.школа, 1990. 255.

9. Горнов А.О. Нагревание и охлаждение электрических двигателей. -М.: МЭИ, 1980.

10. Дискретный электропривод с шаговыми двигателями / Б.А.Ивоботенко, В.П.Рубцов, Л.А.Садовский и др. М.: Энергия, 1972.

11. Докукин А.Л. Тепловая модель вентильно-индукторного электродвигателя электровелосипеда. // Тр. МЭИ (ТУ). Вып. 678, М.: Издательство МЭИ, 2002. - С. 64-67.

12. Докукин A.JI. Тепловые испытания вентильно-индукторных электродвигателей в рабочем режиме. // Тр. МЭИ (ТУ). Вып. 680, М.: Издательство МЭИ, 2004. - С. 35-39.

13. Докукин A.JI. Экспериментальные тепловые модели вентильно-индукторных электродвигателей // Электричество, 2004, № 7, С. 64-65.

14. Дроздов П.А. Разработка новых алгоритмов управления вентильно-индукторных электроприводов: Дисс. . канд. техн. наук. М., 2002. - 120 с.

15. Жерве Г.К. Промышленные испытания электрических машин. -Изд. 4-е J1. Энергоатомиздат. 1984. - 408с.

16. Ильинский Н.Ф. Вентильно-индукторный электропривод перед выходом на широкий рынок. //Приводная техника, 1998, № 3, С. 2-5.

17. Ильинский Н.Ф. Моделирование в технике. М.: Издательство МЭИ, 2004.

18. Ильинский Н.Ф. Основы электропривода. М.: Издательство МЭИ,2003

19. Ильинский Н.Ф., Докукин А.Д., Кузьмичев В.А. Тепловые модели вентильно-индукторного электродвигателя. //Электричество, 2005, № 8, С. 27-34.

20. Ильинский Н.Ф., Прудникова Ю.И., Федоров А.Г. и др. Проектирование вентильно-индукторных машин общепромышленного назначения // Вестник МЭИ, 2004, №1, с. 37 - 43.

21. Каган В.Г. Электроприводы с предельным быстродействием для систем воспроизведения движений. М.: Энергия, 1975.

22. Ключев В.И. Теория электропривода. М.: Энергоатомиздат, 2001.

23. Красовский А.Б. Имитационные модели в теории и практике вентильно-индукторного электропривода: Дисс. . докт. техн. наук. М.: Моск. энерг. ин-т , 2004. — 317 с.

24. Основы теории электрических аппаратов /Под ред. Г.В. Буткевича. -М.: Высшая школа, 1970.

25. Остриров В.Н. Создание гаммы электронных преобразователей для электропривода на современной элементной базе / Дисс.докт. техн. наук -М.: Моск. энерг. ин-т, 2004.

26. Проектирование электрических машин. /Под ред. Копылова И.П. -М.: Высшая школа, 2002

27. Семенчук В.А. Разработка высокоэффективных микроконтроллерных модульных систем управления вентильно-индукторными двигателями и базового комплекта программного обеспечения: Дисс. . канд. техн. наук. М.: Моск. энерг. ин-т, 1998. - 119 с.

28. Токарев Б.Ф. Электрические машины. -М.: Энергоатомиздат, 1990

29. Уткин С. Ю. Разработка электронных коммутаторов вентильно-индукторных электроприводов широкого применения / Дисс. . канд. техн. наук. М.: Моск. энерг. ин-т, 2002.

30. Филиппов И.Ф. Теплообмен в электрических машинах. JL: Энергоатомиздат, 1986.

31. Lawrenson P. J. Brief Status Review of Switched Reluctance Drives. -EPE Journal, Vol.2, No.3, Oct. 1992, p. 133-144.

32. Miller T.J.E. Switched Reluctance Motors and Their Control. Oxford : Magna Physics Publishing and Clarendon Press, 1993. 205 c.

33. V. Ranlin, A. Radun, I. Hussain. Modeling of Losses in Switched Reluctance Machines. IEEE Transaction on Industry Applications. Vol. 40. №6 Nov/Dec 2004