автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Частотно-каскадный электропривод большегрузных автотранспортных средств с импульсным регулированием скольжения тяговых двигателей

На правах рукописи

ПОЛУКАЗАКОВ Алексей Викторович

ЧАСТОТНО-КАСКАДНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД БОЛЬШЕГРУЗНЫХ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ С ИМПУЛЬСНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ СКОЛЬЖЕНИЯ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

< г '

Воронеж - 2010

004606777

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Волков Вячеслав Дмитриевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Зайцев Александр Иванович;

кандидат технических наук, доцент Миронов Сергей Михайлович

Ведущая организация ГОУ ВПО «Воронежская государст-

венная лесотехническая академия»

Защита состоится «29» июня 2010 г. в 11м часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.09 ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Автореферат разослан « 28 » мая 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Кононенко К.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования определяется необходимостью эффективного преобразования электрическим приводом электрической мощности в механическую работу, что особо важно при необходимости согласованного управления скоростью движения большегрузным автотранспортным средством (БАТС), осуществляемого многодвигательными электроприводами с индивидуальным или совместным управлением. Исследования направлены на обоснование и разработку энергосберегающего асинхронного электропривода управляемых многодвигательных систем автономных объектов, таких как БАТС.

Весьма перспективным в этой связи может оказаться частотно-каскадный многодвигательный электропривод на основе асинхронных электродвигателей с фазным ротором (АДФ), позволяющий осуществлять в достаточно широком диапазоне одновременное (синхронное) изменение частоты вращения группы электродвигателей, каждый из которых может иметь собственную частоту вращения за счет импульсного регулирования скольжения изменением скважности роторного ключа. Частота вращения электродвигателей определяется функциональными требованиями механизма, входящего в единую технологическую цепь. Имеющаяся возможность возврата энергии скольжения в общий энергоисточник существенно повышает энергоэффективность привода, особенно в тех случаях многодвигательного электропривода, где традиционно используют АДФ: крановые механизмы, экскаваторы, бумагоделательные машины, станки холодной и горячей прокатки, металлорежущие станки, координатно-расточные станки, машины на базе роторных и центрифужных технологий и т.д.

Учитывая также, что работа АДФ в частотно-каскадном электроприводе (ЧКЭП) является достаточно общим случаем работы управляемой электрической машины, исследование регулировочных и энергопреобразующих свойств всей системы энергопреобразования становится в этой связи важной научно-технической задачей, решение которой способно определить темпы роста и эффективность промышленного использования электрической энергии управляемыми электроприводами переменного тока. Достаточная общность задачи подтверждается еще и тем, что работу многих устройств управления электроприводами и другими потребителями электроэнергии трудно представить без промежуточных преобразований электрической энергии, таких как выпрямление и инвертирование, рассматриваемое в данном случае процессом дискретизации (модулируемой или немодулируемой) постоянного напряжения (тока).

Кроме того, в ряде случаев в автономных установках с энергоисточниками аккумуляторного типа и потребителями постоянного тока часто возникает задача повышения уровня постоянного напряжения, что практически невозможно без операций инвертирования, трансформации и последующего выпрямления.

Таким образом, выявление закономерностей процессов инвертирования, трансформации и выпрямления, присущих статическим и электродина-

мическим элементам ЧКЭП, с учетом нелинейного характера преобразований, обусловленного дискретизацией питающих отдельные устройства напряжений, а также установление связи рекуперативных свойств привода с режимами работы АДФ является важной и актуальной задачей, решение которой без нарушения общности результатов может быть осуществлено на основе анализа трехфазных систем напряжений, характерных и для промышленных устройств энергопитания, и асинхронных электродвигателей.

Работа выполнена в рамках госбюджетной НИР кафедры автоматизации технологических процессов ГОУ ВПО «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет» «Функционально ориентированные системы управления технологическими процессами и оборудованием строительства и стройиндустрии».

Цель диссертационной работы. Разработка методик расчета трехфазных магнитосвязанных устройств с выпрямителем при статическом и динамическом изменении углового положения магнитных осей первичной и вторичной обмоток, включая энергосберегающий электропривод частотно-каскадного типа.

Поставленная цель предусматривает решение следующих задач:

- исследование преобразования электрической энергии и определение характеристик трехфазных магнитосвязанных устройств с мостовым выпрямителем при несинусоидальном питающем напряжении;

- установление влияния формы питающего напряжения на выходные характеристики преобразовательно-выпрямительной установки при различных соединениях обмоток трехфазных магнитосвязанных цепей;

- уточнение статической модели процесса электромеханического преобразования энергии в асинхронном двигателе с фазным ротором при частотно-каскадном управлении;

- проверка адекватности предложенных моделей на основе компьютерного и физического моделирования процессов энергопреобразования в трехфазных магнитосвязанных устройствах с мостовым выпрямителем.

Методы исследований. В диссертационной работе используются основные положения и методы теории электрических машин, линейных и нелинейных электрических цепей, выпрямительных устройств, а также математическое моделирование. Результаты получены на основе численного анализа математических моделей на ЭВМ, адекватность которых подтверждена методами физического моделирования на лабораторных установках.

Основные положения, выносимые на защиту:

- закономерности изменения угла проводимости вентилей выпрямителя при изменении формы питающего напряжения;

- расчетные соотношения для определения основных электрических параметров мостового выпрямителя, включенного на выходе трехфазного трансформатора, питаемого от автономного инвертора напряжения (АИН);

- расчетные зависимости для определения статических характеристик трансформаторных систем с выпрямителем;

- аналитические зависимости для расчета мгновенных значений токов трансформатора и АДФ, отличающиеся от известных учетом работы мостового выпрямителя;

- Т-образная схема замещения, АДФ с противоэлектродвижущей силой (ПЭДС) в цепи ротора, отличающаяся от известной учетом активных потерь в стали и позволяющая определять расчетные зависимости механических характеристик двигателя в ЧКЭП;

- результаты математического и физического моделирований особенностей процессов инвертирования, трансформации и выпрямления, а также рекуперативных свойств АДФ в ЧКЭП.

Научная новизна

В диссертации получены следующие результаты, имеющие научную новизну:

- выявлены особенности и основные закономерности процесса преобразования электрической энергии системы «АИН - трехфазный трансформатор - мостовой выпрямитель», позволяющие осуществить инженерный расчет нагрузок ее элементов;

- разработана обобщенная математическая модель АДФ в составе ЧКЭП, позволяющая рассчитывать электромагнитные установившиеся процессы в электродвигателе и его механические характеристики;

- получена отличающаяся от известных Т-образная схема замещения АДФ и формула для расчета механических характеристик, соответствующая формуле Клосса;

- разработаны математические модели, позволяющие исследовать статические и динамические режимы систем «АИН - трехфазный трансформатор - мостовой выпрямитель» и ЧКЭП, отличающиеся от известных учетом новых связей рекуперации и выявленных особенностей работы выпрямителя в системе с дискретным питанием.

Практическая значимость работы:

- получены выражения, определяющие энергетическую нагрузку элементов системы «АИН - трехфазный трансформатор - мостовой выпрямитель», позволяющие осуществить выбор необходимых комплектующих;

- получены математические выражения для расчета мгновенных значений токов в магнитосвязанных цепях с выпрямителем при несинусоидальном питании и формула электромагнитного момента АДФ в ЧКЭП, соответствующая (подобная) известной формуле Клосса;

- разработаны структуры схем в среде визуального моделирования 8¡таПик математического пакета МаНаЬ, позволяющие без проведения физических экспериментов исследовать электромагнитные и электромеханические процессы в рассматриваемых системах, а также энергосберегающие свойства ЧКЭП;

- математическим и физическим моделированием процессов электромагнитного и электромеханического преобразования энергии в рассматриваемых системах подтверждена адекватность принятых при анализе моделей и правомерность полученных выводов.

Реализация результатов работы

Результаты диссертационной работы использованы при выполнении грантов и научно-технических программ, а именно:

- научно-техническая программа «Научные исследования высшей школы в области транспорта», «Асинхронный электропривод многодвигательных тяговых систем пневмоколёсного транспорта» (2000);

- научно-техническая программа «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма «Архитектура и строительство», «Разработка объектно-ориентированных систем автоматического управления технологическим оборудованием строительной отрасли» (2004).

Полученные результаты исследований используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 22.03.01 «Автоматизация технологических процессов и производств (в строительстве)» в ГОУ ВПО «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет».

Апробация результатов работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, семинарах:

- на региональных научно-технических конференциях «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж, 2002, 2003);

- на ежегодных научных конференциях и семинарах кафедры автоматизации технологических процессов ГОУ ВПО «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет» (Воронеж, 2000 - 2009).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 12 научных работ, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1] - проведение сопоставительного анализа систем тягового электропривода; [2] - проведение эксперимента, обработка экспериментальных данных, получение основных электрических параметров трехфазного выпрямителя при питании его от автономного инвертора напряжения; [3] - проведение сопоставительного анализа тяговых систем многоопорных транспортных средств; [4] - анализ систем управления многодвигательными электроприводами; [5-6] - проведение эксперимента и расчета, сопоставление полученных данных.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения, списка литературы, включающего 100 наименований. Основная часть работы изложена на 148 страницах, содержит 57 рисунков и 12 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, отмечены научная новизна и практическая ценность результатов исследований, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе раскрыта актуальность диссертационной работы, про-

веден анализ конструктивных особенностей и режимов движения большегрузных автотранспортных средств (БАТС). Это позволило сформулировать требования, предъявляемые к тяговому электроприводу БАТС.

Использование ЧКЭП (рис.1) переменного тока в качестве тягового электропривода БАТС позволяет максимально реализовать требования, предъявляемые к таким системам, за счет реализации независимого двухка-нального управления. Один позволяет одновременно (синхронно) изменять частоту вращения группы электродвигателей изменением частоты напряжения питающего статоры АДФ. Другой может изменять локально частоту вращения асинхронного двигателя (АД) за счет импульсного регулирования скольжения изменением скважности роторного ключа. Применение ЧКЭП повышает энергоэффективность всей системы в целом, т.к. энергия скольжения рекуперируется в цепь постоянного тока АИН.

В ЧКЭП (рис. 1) неуправляемые выпрямители работают от различных форм напряжений. На входе АИН выпрямитель питается синусоидальным напряжением, а в роторных цепях - несинусоидальным (дискретным), форма которого определяется в значительной мере формой напряжения на статоре двигателя, питаемого от АИН. При этом роторные выпрямители вносят существенную нелинейность. От работы их напрямую зависит функционирование АД-лей и всей системы в целом. Различие форм питающих напряжений и связанное с этим различие коммутационных процессов в выпрямителе требуют проведения дополнительных исследований.

Вторая глава посвящена исследованию работы трехфазного выпрямителя в системе частотно-каскадного электропривода.

Для того, чтобы исследовать процессы, протекающие в АД с выпрямителем в цепи ротора, была использована схема, представленная на рис. 2 в виде трехфазного магнитосвязанного устройства, питаемого трехфазной системой напряжения. Магнитосвязанное устройство, нагруженное на трехфазный мостовой выпрямитель, на выходе которого подключено сопротивление Z, и в общем случае, включен источник ПЭДС ЕсП. В диссертации рассмотрена работа трехфазного выпрямителя в составе статических (трехфазный трансформатор) и динамических (АДФ) устройств.

Рис. 1. Принципиальная схема частотно-каскадного электропривода

Источник питания

[ ?

Трехфазное магнитосвязанное устройство

Выпрямитель

Рис. 2. Схема трехфазного магнитосвя-занного устройства, питаемого трехфазной системой напряжения

Установлено, что при питании трехфазного магнитосвязан-ного устройства от АИН, изменение углового положения магнитных осей одноименных фаз обмоток приводит к изменению форм напряжений, подаваемых на трехфазный мостовой выпрямитель. При ступенчатой форме (рис. За и е) одновременно работают 3 вентиля выпрямителя, а угол их проводимости составляет 180 эл. град. Все остальные формы напряжения, приведенные на рис. 3, приводят к одновременной работе 2-х вентилей с углом проводимости 120 эл. град.

а )р=0

б) р=л/14

в) р=л/9

г) Р^л/6

е) р=тоЗ

д) р^л/4

Рис. 3. Идеализированные формы напряжений, формируемых от трехфазного магнитосвязанного устройства на вход трехфазного выпрямителя

Для проектирования и выбора элементной базы статического трехфазного магнитосвязанного устройства в системе «АИН - трехфазный трансформатор - мостовой выпрямитель», были рассчитаны основные расчетные соотношения, определяющие энергетическую нагрузку элементов (таблица), отличающиеся от аналогичных при работе выпрямителя при синусоидальном питании.

Таблица

Соединение обмоток статического трехфазного магнитосвя-занного устройства и!ф и„ h h к ¡j §1 S, рг U* *,сг '„ Am-

y,/y2 V2 3 1 Я 1 ll 1 1 1 1 3 1

л,/А2 IE ь 1 1 7б 1 1 1 1 3 1

y,/A2 1 Тг 4г 3 £ 3 1 1 1 1 3 1

лд2 1 Те 1 I 1 1 1 1 3 1

Где и2ф - действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора; I/, 12 - действующие значения фазного тока первичной и вторичной обмотки трансформатора; 1ШХ , I,, Ср - максимальное и среднее значения тока проходящего через диод; Ud, Id - средние значения выпрямленного напряжения и тока; иоБР - максимальное значение обратного напряжения на вентиле; Р, - активная мощность цепи постоянного напряжения; Si,S2 - полные мощности первичной и вторичной обмоток трансформатора.

При вращении ротора АД происходит непрерывное изменение углового положения магнитных осей обмоток одноименных фаз, что приводит к постоянному изменению формы питающего мостовой трехфазный выпрямитель напряжения (рис. 4).

Возникновение условий одновременной 180 эл. град, проводимости вентилей выпрямителя практически исключено, следовательно угол проводимости вентилей можно принять равным 120 эл. град., как и в случае синусоидального питания. Вместе с тем учет особенностей, обусловленных наличием выпрямителя в роторной цепи асинхронной машины или во вторичной цепи трансформатора, определяет необходимость выявления закономерностей формирования вторичного тока при несинусоидальном питании, установления взаимосвязи изменения формы вторичного напряжения и тока нагрузки выпрямителя. Изложенное определяет необходимость исследования электромагнитного и электромеханического преобразования энергии в статических и динамических устройствах с выпрямителями при несинусоидальном питании их первичных цепей.

Кроме того, важной особенностью системы «АДФ - выпрямитель» является то, что в данном случае технологически значимыми являются не характеристики выпрямителя, а характеристики двигателя. В этой связи принципиальное значение приобретает анализ электромагнитного преобразования энергии в АДФ, учитывающий наличие выпрямителя в роторной цепи.

о

А/-

,_____В третьей главе получены

o.e. III! !ll! ill; III! Jll I! IIL :i| III {И II -- J

J-r-JI—(IJ——! математические зависимости для

расчета мгновенных значений токов в магнитосвязанных цепях с выпрямителем при несинусоидальном питании.

В качестве метода исследования в рамках обозначенной задачи наиболее приемлем метод комплексно сопряженных амплитуд, позволяющий не только определить токи и статические характеристики системы, но и обосновать схемы замещения трансформатора и электродвигателя, работающих на выпрямитель. Уравнение равновесия напряжений для трехфазного магнитосвязанного устройства в естественных осях можно выразить следующим образом:

cot

о к/я л/с л/'е bvc n/i it/s тл/х u/bjz/c л/;

Рис. 4. Трансформация формы при непрерывном повороте ротора асинхронной машины

z,f/V 2л L cos р ' 3 4л Lcos—p 1 3 ^¡соэЭ 2л Л/. _/9СО.((©+-) 3 4л M.J7C0SI9 + —) 3 а

2л ¿.cos—р ' 3 Цр) 2л Leos—р ' 3 2л M^cosß--} Л l^^ycosß 2л M^cosß+—) JL Ъ г

4л Lcos—p 1 3 2л L. cos—р 1 3 \(Р) 4л M^cosß-—) 2л M^cosß--) My^)cos0 .с 1 1

Л-/| урсо.ч& 2л M^cosß--/ 4л Л/| --J гг(р) 2л cos— р z 3 4л LyCos— р ^ 3 а 1 JL

2л M^jcosß+—J M^^jcosd 2л Л/| угол/-}-—) 2л [—cos—р 1 3 Z2(P) 2л cos— р 1 3 .Ь 1 _2_

4,т Л/| 2pcosßt—) 2л Л/j —} ^рсояЭ 4л Л, cos— р 2 3 2л cos— р 1 3 Z2(P) 1 _2_

(1)

где е", Г - фазные напряжения и токи первичной обмотки трансформатора;

п - индексы обмотки и фазы; е"2 - коммутируемое напряжение вторичной обмотки, в дальнейшем обозначаемое без черты сверху; 11(р)=Я,+(1/+Ь,)р, 22(р)=К2+(12 )р - комплексные сопротивления фаз первичной и вторичной обмоток; Мп - Т^ЛГ " максимальное значение взаимной индуктивности между обмотками трансформатора.

Условия проводимости вентилей трехфазного выпрямителя зависит от вида формы питающего выпрямитель напряжения, которую можно учесть введением коммутационной матрицы общего вида:

где 0 - угол между осями магнитных потоков одноименных фаз электриче-

ской машины, для ЛДФ & оХ+ р,, а для трансформатора 0=0; /?, - угол, зависящий от вида соединения обмоток (¿=1,2), /?, ~0 (при соединении У),

л п

Р,= — (ПРИ соединении А) и р2 =(0ч- —) (при повороте на фиксированный 6 б

угол подвижной обмотки статической машины (например, вращающийся трансформатор)). Коммутационная матрица была уточнена, что позволило распространить полученные результаты на различные виды трехфазных маг-нитосвязанных устройств с выпрямителем во вторичной цепи, таких как трансформаторно-выпрямительные блоки с различным соединением обмоток и АД с выпрямителем в роторной цепи.

Для расчета мгновенных значений токов фаз «а» первичной и вторичной цепей трехфазного магнитосвязанного статического устройства впервые были получены математические выражения:

,п ¡(•ч+'оу , ,п -/бд+.'ну .о/бч+Зщ О -/й?+Ау

' } " Т/^С ) } ^

Гз

2и со

= — I

2 -- 2 1

+(6д+1а) а"

I а2)+а2(б!1+1)2(Скз+£к )2

кг11и6д+1са*(6Ч+1тг1-<1>тГА+Р1 -<ре) )

Н] ¿т(6<1+1а>о1+<1>2Г1рт1+Р])-

(еьс)2 Ц6д+5а)2 а2

а2 )*а2 (6цл5)2 (ек^ек)2 кгН¡2Ц*5софч^т01-<рт5~А-Р1 -<ре-) (£ь€ка-бч+52а2 )+а2(6д+5)2(еь+ек)2

■Н2 ип(6ч +м0<+<Рц ~<Р„й -Р])'

(3)

где ¿я Ьг - переходные индуктивности обмоток трехфазного магнитосвязанного статического устройства; к5 =[.„/1./, кг "-¿„Д; - коэффициенты электромагнитной связи; к--к,.кг---/(¡.¡¡^2) - результирующий коэффициент связи; сгу=//£у=/-А1, а2 -У¡,1 = 1-к, - коэффициенты рассеяния обмоток; а 1-к - результирующий коэффициент рассеяния; с^ -Л'ул^, с^ - относительные

сопротивления (собственные частоты) обмоток; х,, х: - номинальные переходные индуктивные сопротивления фаз первичной и вторичной обмоток.

2 2 2 Л«=о

¡п^бц+Щ/ + /Л /оеуб<г+5(Ч/ + -¡(щ+'щ)

42

<7=0

2 2

-2 т ?-2 2

ека-Ь1 + 1 а ) + а + 1 Ц^+гр

Н^к5{х6д + + 1а>0/ + + Д ~ )

I -2 2 2-2 2

Гг

ът<$щ + \ш0! + Р1 +Д + Р! | +

2 2

(£¿5») +(&7 + 5а) а'

+ 5ш0!-Р2 -Д + р,5~<Рт5)-

-2 2 2-2 2

Нгк5аЫ1*5ип(6я+5о>01-Р2-&-<Рп5)

Г -2 2 2-2 2

5 ° I"1"0, 6,7 + 5 •еЬ+ек'>

где значения фазовых углов определяются соотношениями:

асгба +1 <Ри =агс!е-3-Л

(4)

аа6(7 + 5 або + 1(г, + е,)

-агс1%---\<Рт\ ----* у

г», здст-а269 + 1

й»5 =

а6д + 5{гк, + е„)

еьексг -а 6^ + 5

Нц, Н,2 - амплитуды прямой и обратной последовательностей д-й гармоники разложения напряжения ротора; <р,,, <рг5 - фазовые углы прямой и обратной последовательностей с/-й гармоники;

Я„ =-у/а,2 + 4,2; Я12 = ^а]+Ь1\ ах = 5т6<? + и-2-\/Зсо5(6<7 + Ц + /г/6); 6, =-2соз(6<7 + и + л-/6)--У3 51п6<7 + Ц; а5 = — 31п 6<у + 5Я + 2-Уз соз(6</ + 5Л - Л-/6);

65 = 2СО5(6^ + 5Я — л"/6) + л/з51п+ = агсГ£—=аг

а, а5

Получены формулы для определения действующих значений токов трехфазного магнитосвязанного статического устройства: первичной ток:

2 Тш

/, =-

ж. "И)

2,.,2 .,2.2

(+ Ы; - 1 а )И| 4-6<у + I + - ^ст-уш.^ ^

а ) + а (е. + с.) 6^ + 1

2 ,.,2 „2 ,2

(5)

(¿^о- +6^ + 5 а )Н2 + |А'Г + 5 - 2/У2/У2]^.('6</ + йасол-^ - е^аэЬ/А^)

-2 2 2 2 2-2

~ 67 + 5 а > +а 64 + 5

вторичной ток:

х!би. X

/,=--1-Е

2 ж, Г-0

2,,2 .,2,2 2

кх6ц+\ а + //^/¿'^сг +6^ + 1 а у - 2//|//| 6/ + + I¿тк.^ - г^л-лт,^ /

^ 2 2 2 2 * + 1 о ; *а <скз*ск) 6? + 1

2 2 2 2 22 2 2 2 2 бсу + 5 а /Л, +//21 ( 6.у ) 5 а -ТН^!^[^67+ 5ог('6<?+ 5саЦ

2 2 2 2 2 2

Уточнены выражения для расчета мгновенных, а также действующих значений токов АДФ в ЧКЭП с учетом (2).

На основании вышеизложенного подхода уточнено выражение для определения электромагнитного момента:

М =-^-гУ >

(онх7п

-:-1_-J -

л;, + й,

-----¿1

' (7)

где 5>, .г*, - критические скольжения двигателя при равном нулю активном сопротивлении статора, питании со стороны ротора и короткозамкнутом статоре; V, а - относительные значения напряжения и частота питающего напряжения; у- параметр управления ПЭДС.

Полученные зависимости для определения действующих значений: токов трехфазных магнитосвязанных устройств статических (трансформатора) и динамических (АДФ); электромагнитного момента для АДФ сложны в инженерном применении. Для инженерной практики необходимыми являются упрощенные зависимости, позволяющие проводить аналогичный расчет с достаточной удовлетворительной точностью.

В четвертой главе получены уточненные выражения для инжеер-ного расчета статических характеристик АДФ в ЧКЭП, отличающиеся от известных учетом активных потерь в стали Т-образной схемы замещения. А также получена формула электромагнитного момента АДФ в ЧКЭП, соответствующая известной формуле Клосса.

Г, аХ1

1

: X

Г2/з а X2

/ вчА

П,

¿Л

Рис. 5. Схема замещения АДФ в частотно-каскадном электроприводе

Основным отличием от известных приведенной на рис. 5 схемы замещения является наличие фазовых характеристик во вторичных токе и напряжении АДФ, что позволяет получить ряд практически важных зависимо-

стей статического режима двигателя в рассматриваемой схеме без преобразований исходных уравнений электромагнитного равновесия.

Наиболее энергонагруженной является первая гармоника формируемого выпрямителем тока. В соответствии с приведенной на рис. 5 схемой замещения первая гармоника тока ротора двигателя определяется в виде

jar х

а и — /Д

--—sU е J +(R +jaX )U

r+iccc 1 1 12 (8)

--

r r +z Z +z Z 12 1 m 2 m

где Ui, U2 - первые гармоники напряжения на статоре АДФ, приведенное к ротору и коммутируемого в ротор со стороны цепи выпрямленного тока;

а2г х2 г2х а2х2 - эквивалентное сопротив-

7 au.au М

Z =r +jaX =-- + ia--<=— =-с-+ ¡ах

mm т 2 22 2,22 г М

г +а х г +а х а а /л a ft "

ление контура намагничивания; хи, /•„ - индуктивное и активное сопротивления контура намагничивания (для параллельно соединенных сопротивлений); Z/ -~-R,+jaXi - сопротивление фазы статора, приведенное к ротору; Z2=R2+jaX2s - сопротивление фазы ротора; Ri=r,+r„, R2=r2+srm - эквивалентные активные сопротивления фаз статора и ротора; r(, X1=(xJ^ XJ - приведенные к ротору активное и номинальное индуктивное сопротивления фазы статора; х: - приведенное к ротору номинальное индуктивное сопротивление рассеяния фазы статора: г2, Х2=(х2+Хт) - активное и номинальное индуктивное сопротивления фазы ротора; х2 - номинальное индуктивное сопротивление рассеяния фазы ротора; гт Х,„ - эквивалентные активное и номинальное индуктивное сопротивления взаимоиндукции фаз статора и ротора, Л=&л/2 - угол между векторами коммутируемого в ротор фазного напряжения и тока ротора; 8- угол между ЭДС и током ротора двигателя.

Для первой рабочей области роторного выпрямителя зависимость выпрямленного тока от скольжения:

j __do di____(g)

d 2r +r , +s(2r <r +3clY Ik) 2d 11 э

Во второй рабочей области выпрямленный ток ротора в зависимости от

скольжения имеет вид:

>/з I 2 2 2 2 2

— JU~ s (Rt+XaX ,i) -4(CJaA' ,sy-U ,K„ I ~ 2 * £ d did di I (10)

d R2s+l(aXds)2

где Ua - противо-ЭДС, вводимая в ЦВТ ротора; Rd - активное сопротивление сглаживающего дросселя; Udo - выпрямленное напряжение холостого хода; 5 - скольжение; R^-rj- R.„ Xd -- lX.jm - эквивалентные активное и индуктив-

ноесопротивления ЦВТ ротора; Хэ = х2 + Кэ~г2+ г\а\5

Для трехфазного трансформатора, запитанного от АИН, приведенные выше формулы справедливы при ¿=1.

Проведенный анализ взаимосвязи параметров схемы замещения АДФ в частотно-каскадном электроприводе и его эквивалентной схемы цепи выпрямленного тока ротора позволяет по новому подойти к расчету механических характеристик двигателя, не прибегая к определению промежуточных моментно-токовых зависимостей и не разграничивая рабочие области выпрямителя. Отмеченная возможность следует из определения потерь электромагнитной мощности, пропорциональной механической, которая определяется не величиной скольжения, а величиной его отклонения от задаваемого скольжения идеального холостого хода Это позволило получить Т-образную схему замещения, подобную схеме асинхронного двигателя с ко-роткозамкнутым ротором (АДК).

Для расчета механической характеристики получена формула электромагнитного момента двигателя:

Ъж. ,2 к™

м = —и.

4 s-s0 sm-s0 сг, О1)

асо0(--+--

sm~so s~so Хф

I' ^

где c __£L_ , 2 2- скольжения идеального холостого хода и

~ S = S + ¡J н--

0 " 0 Г

максимальное АДФ в частотно-каскадном приводе.

Приближенное значение момента АДФ в ЧКЭП может быть определено по формуле, соответствующей формуле Клосса:

аъ

Ф и х

м =_Ф_. (12)

М s-s s -s а

шах ^_о , т о , 2Г ——)

i —s s-s lj X то о ф

Простота зависимости (12), возможность достаточно точного расчета критических значений скольжения и момента, сопоставимость получаемых результатов с известными позволяют рекомендовать для расчета характеристик Т-образную схему замещения АДФ, аналогичную схеме замещения ко-роткозамкнутого асинхронного двигателя.

Пятая глава посвящена экспериментальным исследованиям как статического (АИН - трехфазный трансформатор - мостовой выпрямитель), так и динамического (частотно-каскадного электропривода) (рис. 6) устройств с выпрямителями при несинусоидальном питании.

Экспериментально подтверждены следующие расчетные модели:

- определения статических характеристик трансформатора (внешние характеристики при различном соединении обмоток), ошибка не превышает 6%;

- определения мгновенных значений токов трансформатора при различном соединении обмоток, ошибка не превышает 10 %.

Разработаны структуры схем в среде Ма11аЬ моделей ЧКЭП для подтверждения зависимости рекуперативных свойств привода от режима работы АДФ при импульсном регулировании скольжения в ЧКЭП. А также позволяющие без проведения физических экспериментов исследовать электромагнитные и электромеханические процессы в рассматриваемых системах.

Сравнение значений мощностей рекуперации и механической (для различной скважности регулятора скольжения), полученных при математическом (в Ма11аЬ) и физическом моделировании дает максимальное расхождение до 10 %.

Результаты проведенных исследований подтвердили правомерность основных

допущений, принятых при теоретическом анализе; правомерность полученных расчетных зависимостей для определения основных характеристик АДФ при частотно-каскадном управлении; высокую энергоэффективность электромеханического преобразования Рис. 6. Структурная схема экспе- энергии в системе ЧКЭП. риментальной установки

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Выявлены закономерности изменения угла проводимости вентилей в системе «АИН - трехфазный трансформатор - мостовой выпрямитель» при изменении формы питающего напряжения.

2. Получены расчетные соотношения для определения основных электрических параметров мостового выпрямителя, включенного на выходе трехфазного трансформатора с переключаемыми обмотками, питаемого от автономного инвертора напряжения (АИН).

3. Уточнены зависимости для инженерного расчета статических характеристик трансформаторных систем с выпрямителем, отличающиеся от известных учетом активного сопротивления в цепи взаимной индукции Т-образнон схемы замещения.

4. Разработаны математические модели, позволяющие исследовать

УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ВВОДОМ-ВЫВОДОМ

Порт А (АИЛ) Порт В (НАЛ} Порт С <ВУ>

|лцш] [лцп:

АИН

=п

1ДАП 1

лг

¡цлпг]

Г7

| СУИР |-

статические и динамические режимы систем «АИН - трехфазный трансформатор - мостовой выпрямитель» и ЧКЭП, отличающиеся от известных учетом новых связей рекуперации и выявленных особенностей работы выпрямителя в системе с дискретным питанием.

5. Получены математические зависимости для расчета мгновенных значений токов в магнитосвязанных цепях с выпрямителем при несинусоидальном питании и формула электромагнитного момента АДФ в ЧКЭП, соответствующая известной формуле Клосса.

6. Разработаны структуры схем в среде визуального моделирования Simulink математического пакета Matlab, позволяющие без проведения физических экспериментов исследовать электромагнитные и электромеханические процессы в рассматриваемых системах, а также энергосберегающие свойства ЧКЭП.

7. Подтверждена адекватность принятых при анализе моделей и правомерность полученных выводов при помощи математического и физического моделирования процессов электромагнитного и электромеханического преобразования энергии в рассматриваемых системах.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Волков В.Д. Ремонтоспособность систем тягового электропривода переменного тока / В.Д. Волков, А.Н. Ивлев, A.B. Полуказаков // Известия вузов. Строительство. 2001. - № 11. — С. 106 - 109.

2. Волков В.Д. Энергетические характеристики трехфазного выпрямителя при питании от автономного инвертора напряжения / В.Д. Волков, A.B. Полуказаков // Известия вузов. Строительство. - 2007. - № 4. -С. 86-91.

Статьи и материалы конференций

3. Митин В.В. Электрические тяговые системы многоопорных транспортных средств / В.В. Митин, А.Н. Ивлев, A.B. Полуказаков // Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления лесного комплекса: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГЛ'ГА, 2001. - С. 329-332.

4. Волков В.Д. Управление асинхронным электроприводом в двухконтурной системе / В.Д. Волков, A.B. Полуказаков. // Электротехнические комплексы и системы управления: сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2002. - С. 70-76.

5. Волков В.Д. Расчет установившихся токов асинхронного двигателя с выпрямителем в цепи ротора / В.Д. Волков, A.B. Полуказаков // Электротехнические комплексы и системы управления: сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2002. - С. 134-140.

6. Волков В.Д. Экспериментальное определение параметров трансформаторно-выпрямительного блока / В.Д. Волков, A.B. Полуказаков //

Электротехнические комплексы и системы управления: сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2003. - С. 28-35.

7. Волков В.Д. Идентификация параметров схемы замещения трансформаторно-выпрямительного блока / В.Д. Волков, A.B. Полуказаков // Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве: труды Регион, науч.-техн. конф. Воронеж: ВГТУ, 2003. - С.

8. Полуказаков A.B. Особенности работы трехфазного выпрямителя в устройствах преобразования постоянного напряжения // Электротехнические комплексы и системы управления: науч.-техн. журнал. Воронеж: ВГТУ, 2006. №1.-С. 51-54.

9. Полуказаков A.B. Особенности работы трехфазного выпрямителя в автономных источниках питания // Энергия XXI век: науч.-практ. вестник. Воронеж: ООО "ЛИО-принт", 2006. № 2 (60). - С. 15-20.

10. Полуказаков A.B. Электрические параметры трехфазного выпрямителя в устройствах преобразования постоянного напряжения // Энергия XXI век: науч.-практ. вестник. Воронеж: ООО "ЛИО-принт", 2008. № 2 (68). - С. 47-52.

11. Полуказаков A.B. Определение электрических параметров трехфазного выпрямителя в автономных источниках постоянного напряжения // Электротехнические комплексы и системы управления: науч.-техн. журнал. Воронеж: ВГТУ 2009. № 2 (14). - С. 21-24.

12. Полуказаков А. В. Особенности работы трехфазного выпрямителя в устройствах преобразования постоянного напряжения и его электрические параметры // Энергия XXI век: науч.-практ. вестник. Воронеж: ООО "ЛИО-принт", 2009. № 1 (71). _ с. 54-58.

Подписано в печать 26.05.2010. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 261

Отпечатано: отдел оперативной полиграфии ГОУ ВПО «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет» 394006 Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84

159-160.

ВВЕДЕНИЕ

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ТЯГОВОГО ЧАСТОТНО-КАСКАДНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА БОЛЬШЕГРУЗНЫХ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

1.1. Области применения, технологические и конструктивные особенности большегрузных 13 автотранспортных средств

1.2. Анализ особенностей использования многодвигательного электропривода в структуре большегрузного 15 автотранспортного средства

13. Обоснование целесообразности применения частотно-каскадного электропривода с импульсным регулированием скольжения для тяговой системы большегрузного автотранспортного средства

1.4. Цели и задачи исследования

Выводы

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ РАБОТЫ ТРЕХФАЗНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ В СИСТЕМЕ 26 ЧАСТОТНО-КАСКАДНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

2.1. Работа трехфазного выпрямителя при синусоидальном питании

2.1.1. Статические соотношения в трансформаторной системе с выпрямителем при синусоидальном питании

2.1.2. Учет коммутационных процессов при работе трехфазного выпрямителя

2.2. Анализ работы трехфазного выпрямителя при питании несинусоидальным напряжением

Выводы

3. АНАЛИЗ УСТАНОВИВШИХСЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ТРАНСФОРМАТОРНЫХ СИСТЕМАХ С ВЫПРЯМИТЕЛЕМ

3.1. Методы расчета электрических цепей с трансформацией напряжений

3.2. Анализ электромагнитных процессов при вращении магнитосвязанных обмоток

3.3. Токи асинхронного электродвигателя с фазным ротором при частотно-каскадном управлении

3.4. Электромагнитный момент асинхронного двигателя при частотно-каскадном управлении

Выводы

4. ИНЖЕНЕРНАЯ МЕТОДИКА РАСЧЕТА СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЧАСТОТНО-КАСКАДНОГО 85 ЭЛЕКТРОПРИВОДА

4.1. Схема замещения частотно-каскадного электропривода

4.2. Инженерный расчет механических характеристик ^ электродвигателя в частотно-каскадном электроприводе Выводы

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРАНСФОРМАТОРНЫХ СИСТЕМ СТАТИЧЕСКОГО И ДИНАМИЧЕСКОГО ТИПА С ВЫПРЯМИТЕЛЕМ

5.1. Описание экспериментальной установки трансформаторной системы с выпрямителем

5.1.1. Принципиальная схема экспериментальной установки и её метрологическое обеспечение

5.1.2. Программное обеспечение экспериментальной установки

5.1.3. Частотные свойства электроизмерительных приборов

5.2. Определение параметров и статических характеристик на физической модели трансформаторной системы с 111 выпрямителем

5.2.1. Определение статических характеристик трансформаторной системы с выпрямителем

5.2.2. Определение параметров Т-образной схемы замещения трансформаторной системы с выпрямителем при 113 несинусоидальном питании

5.3. Исследование токов и напряжений в трансформаторной системе с выпрямителем при несинусоидальном питании

5.4. Математическое моделирование процессов электромагнитного и электромеханического преобразования энергии в трансформаторных системах с выпрямителем

5.4.1. Моделирование процессов выпрямления в трансформаторной системе с выпрямителем

5.4.2. Моделирование процессов в системе частотно-каскадного электропривода

5.5. Описание экспериментальной установки частотно-каскадного электропривода

5.5.1. Схема силовой части экспериментальной установки

5.5.2. Схема управления экспериментальной установкой

5.6. Порядок проведения эксперимента

5.7. Определение параметров электродвигателя

5.8. Исследование статических свойств и регулировочных возможностей АДФ в системе импульсного регулирования скольжения

Выводы

Актуальность темы исследования определяется необходимостью эффективного энергопреобразования электрическим приводом электрической энергии в механическую работу, что особо важно при необходимости согласованного управления скоростью движения большегрузным автотранспортным средством (БАТС), осуществляемого многодвигательными электроприводами с индивидуальным или совместным управлением. Исследования направлены на обоснование и разработку энергосберегающего асинхронного электропривода управляемых многодвигательных систем автономных объектов, таких как БАТС.

Весьма перспективным в этой связи может оказаться частотно-каскадный многодвигательный электропривод на основе асинхронных электродвигателей с фазным ротором (АДФ), позволяющий осуществлять в достаточно широком диапазоне одновременное (синхронное) изменение частоты вращения группы электродвигателей, каждый из которых может иметь собственную частоту вращения за счет импульсного регулирования скольжения изменением скважности роторного ключа. Частота вращения электродвигателей определяется функциональными требованиями механизма, входящего в единую технологическую цепь. Имеющаяся возможность возврата энергии скольжения в общий энергоисточник существенно повышает энергоэффективность привода, особенно в тех случаях многодвигательного электропривода, где традиционно используют АДФ: крановые механизмы /1/, экскаваторы /2/, карьерные автосамосвалы /3, 4/, бумагоделательные машины /5/, станки холодной и горячей прокатки /6, 7/, металлорежущие станки /8/, координатно-расточные станки, машины на базе роторных и центрифужных технологий /9/ и т.д. Известно /10-21/ также предположение об использовании частотно-каскадного электропривода (ЧКЭП) в качестве тягового привода для БАТС.

Учитывая также, что работа АДФ в частотно-каскадном электроприводе (ЧКЭП) является достаточно общим случаем работы управляемой электрической машины, исследование регулировочных и энергопреобразующих свойств всей системы энергопреобразования становится, в этой связи, важной научно-технической задачей, решение которой способно определить темпы роста и эффективность промышленного использования электрической энергии управляемыми электроприводами переменного тока. Достаточная общность задачи подтверждается еще и тем, что работу многих устройств управления электроприводами и другими потребителями электроэнергии трудно представить без промежуточных преобразований электрической энергии, таких, как выпрямление и инвертирование, рассматриваемое в данном случае процессом дискретизации (модулируемой или не модулируемой) постоянного напряжения (тока).

Кроме того, в ряде случаев в автономных установках с энергоисточниками аккумуляторного типа и потребителями постоянного тока часто возникает задача повышения уровня постоянного напряжения, что практически невозможно без операций инвертирования, трансформации и последующего выпрямления.

Таким образом, выявление закономерностей процессов инвертирования, трансформации и выпрямления, присущих статическим и электродинамическим элементам ЧКЭП, с учетом нелинейного характера преобразований, обусловленного дискретизацией питающих отдельные устройства напряжений, а также установление связи рекуперативных свойств привода с режимами работы АДФ является важной и актуальной задачей, решение которой, без нарушения общности результатов,. может быть осуществлено на основе анализа трехфазных систем напряжений, характерных и для промышленных устройств энергопитания и асинхронных электродвигателей.

Работа выполнена в рамках госбюджетной НИР кафедры автоматизации технологических процессов ГОУ ВПО «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет» «Функционально ориентированные системы управления технологическими процессами и оборудованием строительства и стройиндустрии».

Цель диссертационной работы. Разработка методик расчета трехфазных магнитосвязанных устройств с выпрямителем при статическом и динамическом изменении углового положения магнитных осей первичной и вторичной обмоток, включая энергосберегающий электропривод частотно-каскадного типа.

Поставленная цель предусматривает решение следующих задач:

- исследование преобразования электрической энергии и определение характеристик трехфазных магнитосвязанных устройств с мостовым выпрямителем при несинусоидальном питающем напряжении;

- установление влияния формы питающего напряжения на выходные характеристики преобразовательно-выпрямительной установки при различных соединениях обмоток трехфазных магнитосвязанных цепей;

- уточнение статической модели процесса электромеханического преобразования энергии в асинхронном двигателе с фазным ротором при частотно-каскадном управлении; проверка адекватности предложенных моделей на основе компьютерного и физического моделирования процессов энергопреобразования в трехфазных магнитосвязанных устройствах с мостовым выпрямителем.

Методы исследований. В диссертационной работе используются основные положения и методы теории электрических машин, линейных и нелинейных электрических цепей, выпрямительных устройств, а также математическое моделирование. Результаты получены на основе численного анализа математических моделей на ЭВМ, адекватность которых подтверждена методами физического моделирования на лабораторных установках.

Основные положения, выносимые на защиту:

- закономерности изменения угла проводимости вентилей выпрямителя при изменении формы питающего напряжения;

- расчетные соотношения для определения основных электрических параметров мостового выпрямителя, включенного на выходе трехфазного трансформатора, питаемого от автономного инвертора напряжения (АИН);

- расчетные зависимости для определения статических характеристик трансформаторных систем с выпрямителем;

- аналитические зависимости для расчета мгновенных значений токов трансформатора и АДФ, отличающиеся от известных учетом работы мостового выпрямителя;

- Т-образная схема замещения, АДФ с противоэлектродвижущей силой (ПЭДС) в цепи ротора, отличающаяся от известной учетом активных потерь в стали и позволяющая определять расчетные зависимости механических характеристик двигателя в ЧКЭП;

- результаты математического и физического моделирований особенностей процессов инвертирования, трансформации и выпрямления, а также рекуперативных свойств АДФ в ЧКЭП.

Научная новизна

В диссертации получены следующие результаты, имеющие научную новизну:

- выявлены особенности и основные закономерности процесса преобразования электрической энергии системы «АИН - трехфазный трансформатор - мостовой выпрямитель», позволяющие осуществить инженерный расчет нагрузок ее элементов;

- разработана обобщенная математическая модель АДФ в составе ЧКЭП, позволяющая рассчитывать электромагнитные установившиеся процессы в электродвигателе и его механические характеристики;

- получена отличающаяся от известных Т-образная схема замещения АДФ и формула для расчета механических характеристик, соответствующая формуле Клосса;

- разработаны математические модели, позволяющие исследовать статические и динамические режимы систем «АИН - трехфазный трансформатор - мостовой выпрямитель» и ЧКЭП, отличающиеся от известных учетом новых связей рекуперации и выявленных особенностей работы выпрямителя в системе с дискретным питанием.

Практическая значимость работы:

- получены выражения, определяющие энергетическую нагрузку элементов системы «АИН — трехфазный трансформатор - мостовой выпрямитель», позволяющие осуществить выбор необходимых комплектующих;

- получены математические выражения для расчета мгновенных значений токов в магнитосвязанных цепях с выпрямителем при несинусоидальном питании и формула электромагнитного момента АДФ в ЧКЭП, соответствующая (подобная) известной формуле Клосса;

- разработаны структуры схем в среде визуального моделирования Simulink математического пакета Matlab, позволяющие без проведения физических экспериментов исследовать электромагнитные и электромеханические процессы в рассматриваемых системах, а также энергосберегающие свойства ЧКЭП;

- математическим и физическим моделированием процессов электромагнитного и электромеханического преобразования энергии в рассматриваемых системах подтверждена адекватность принятых при анализе моделей и правомерность полученных выводов.

Реализация результатов работы

Результаты диссертационной работы использованы при выполнении грантов и научно-технических программ, а именно:

- научно-техническая программа «Научные исследования высшей школы в области транспорта», «Асинхронный электропривод многодвигательных тяговых систем пневмоколёсного транспорта» (2000);

- научно-техническая программа «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма

Архитектура и строительство», «Разработка объектно-ориентированных систем автоматического управления технологическим оборудованием строительной отрасли» (2004).

Полученные результаты исследований используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 22.03.01 «Автоматизация технологических процессов и производств (в строительстве)» в ГОУ ВПО «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет».

Апробация результатов работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, семинарах:

- на региональных научно-технических конференциях «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж, 2002, 2003);

- на ежегодных научных конференциях и семинарах кафедры автоматизации технологических процессов ГОУ ВПО «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет» (Воронеж, 2000 -2009).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 12 научных работ, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1] — проведение сопоставительного анализа систем тягового электропривода; [2] -проведение эксперимента, обработка экспериментальных данных, получение основных электрических параметров трехфазного выпрямителя при питании его от автономного инвертора напряжения; [3] - проведение сопоставительного анализа тяговых систем многоопорных транспортных средств; [4] - анализ систем управления многодвигательными электроприводами; [5-6] — проведение эксперимента и расчета, сопоставление полученных данных.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения, списка литературы, включающего 100 наименований. Основная часть работы изложена на 148 страницах, содержит 57 рисунков и 12 таблиц.

135 Выводы:

1. Экспериментально подтверждены следующие расчетные модели:

- определения статических характеристик трансформатора (внешние характеристики при различном соединении обмоток), ошибка не превышает 6%;

- определения мгновенных значений токов трансформатора при различном соединении обмоток, относительная погрешность не превышает 10%.

2. Подтверждены зависимости (см. табл. 2.2 и 5.6), определяющие энергетическую нагрузку элементов системы «АИН - трехфазный трансформатор - мостовой выпрямитель», позволяющие осуществить выбор необходимых комплектующих. Ошибка составляет не более 10%.

3. Разработаны структуры схем, в среде визуального моделирования Simulink математического пакета Matlab, моделей ЧКЭП, для подтверждения зависимости рекуперативных свойств привода от режима работы АДФ при импульсном регулировании скольжения в ЧКЭП.

4. Математическим и физическим моделированием процессов электромагнитного и электромеханического преобразования энергии в рассматриваемых системах подтверждена адекватность принятых при анализе моделей и правомерность полученных выводов.

5. Разработаны структуры схем в среде визуального моделирования Simulink математического пакета Matlab, позволяющие без проведения физических экспериментов исследовать электромагнитные и электромеханические процессы в рассматриваемых системах, а также энергосберегающие свойства ЧКЭП.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований в диссертационной работе получены основные результаты:

1. Использование частотно-каскадного электропривода в качестве тягового электропривода многодвигательной системы позволяет максимально реализовать требования, предъявляемые к большегрузным автотранспортным средствам за счет реализации двухканального управления.

2. Выявлены особенности и основные закономерности процесса преобразования электрической энергии на примере систем: статической «АИН - трехфазный трансформатор - мостовой выпрямитель» и динамической - частотно-каскадный электропривод.

3. Введение общего угла между осями магнитных потоков одноименных фаз электрической машины <9 позволило получить расчетные зависимости, отличающиеся от известных учетом работы мостового выпрямителя, для определения мгновенных и действующих значений токов, как для статической машины (например, трансформатор), так и для динамической машины (например, АДФ).

4. Получены уточненные формулы для инженерного расчета статических характеристик трансформаторных систем с выпрямителем, отличающиеся от известных учетом активного сопротивления в цепи взаимной индукции Т-образной схемы замещения.

5. Получена формула электромагнитного момента АДФ в частотно-каскадном электроприводе, соответствующая известной формуле Клосса.

6. Разработаны структуры схем в среде визуального моделирования Simulink математического пакета Matlab, позволяющие без проведения физических экспериментов исследовать электромагнитные и электромеханические процессы в рассматриваемых системах, а также энергосберегающие свойства частотно-каскадного электропривода.

7. Математическим и физическим моделированием процессов электромагнитного и электромеханического преобразования энергии в рассматриваемых системах, подтверждена адекватность принятых при анализе моделей и правомерность полученных выводов.

8. Результаты физического и математического моделирования доказывают, что частотно-каскадный электропривод относится к энергосберегающему. Его применение повысит энергоэффективность при использовании в многодвигательном ЭП большегрузного автотранспортного средства.

1. Остриков В.Н., Фатих Огар, Микити Омар. Исследование могосвязной системы частотно-регулируемых асинхронных электроприводов главных механизмов экскаватора-драглайна. // Электротехника, №1, 1988 -С. 14-19.

2. Ю. М. Андреев, Я. А. Брискман, В. В. Селиверстов, Б. Д. Тихомиров, М. Е. Шор. Автоматизированные тяговые электроприводы для большегрузных карьерных автосамосвалов // Электричество №8, 1993 -С.-16-21.

3. Шор М.Е. Системы автоматического управления тяговыми электроприводами автосамосвалов БелАЗ особо большой грузоподъемности\ Автореферат дис. . кандид. техн. наук -М., 1987, 24 с.

4. Б. К. Никитин, В. И. Колесников, В. Д. Корниенко. Цифровое управление электроприводами в бумагоделательном производстве//Электротехника №5, 1989. -С.-20-22.

5. А.Е. Браун, Б.Н. Дралюк, А.Е. Тикоцкий . Электропривод быстроходных нажимных винтов станов холодной прокатки // Электротехника. № 5, 1995. -С.- 43 46.

6. Б.Н. Дралюк, А.Е. Браун, А.С. Валдырев, С.М. Вахрушев, Б.И. Конторович, А.Н. Питкин, А.Е. Тикоцкий. Электроприводы и компьютерные системы управления станов холодной прокатки // Электротехника, № 7 1997, -С. 5-11.

7. Малюк Н.Т. Типовые электроприводы металлорежущих станков и промышленных роботов: Учеб. пособие / Чуваш, ун-та Чебоксары . 1987. 52 с.

8. В.Н. Тарасов, В.П. Ларин, С.Ю. Останин, С.Ф. Позднухов, А.В. Титов. Создание рядов синхронных вентильных электроприводов для роторных и центрифужных технологий // Электротехника №1, 1995. -С. 19— 21.

9. В. Д. Волков, А.В. Смольянинов. Перспективы применения электропривода переменного тока для тяги многоопорных автомобилей// Тез. докл. Материалы международной конференции/ 100 лет Российскому автомобилю. Промышленность и высшая школа.

10. М. :МГААТМ(МАМИ), 1996. -С. 60-61.

11. Смольянинов А.В. Управляемый тяговый электропривод многоопорных транспортных средств. // Электротехнические комплексы и системы управ-ления. сб. науч. тр. Воронеж : ВГТУ, 2003. -С. 113-117.

12. Волков В.Д., Смольянинов А.В. Экспериментальное исследование энергетических характеристик частотно-каскадного электропривода// Межвуз.сб. научн. тр. -М. : МГААТМ (МАМИ), 1997. -с 8-12.

13. Волков В.Д. Ремонтоспособность систем тягового электропривода переменного тока / В.Д. Волков, А.Н. Ивлев, А.В. Полуказаков // Известия ВУЗов. Строительство. 2001. № 11 -С.106 - 109.

14. Волков В.Д., Управление индивидуальным приводом колёс оси транспортного средства /В.Д. Волков //Машиностроитель. 1998. -№ 7. -С.25-27.

15. Волков В.Д., Основы теории тяговых систем большегрузных автотранспортных средств с частотно-каскадным электроприводом: Автореф. дис. . д-ра техн. наук / В.Д. Волков. М. : МГТУ "МАМИ", 1998. - 40 с.

16. Петленко Б.И., Волков В.Д. Электромагнитные процессы в тяговом электродвигателе с фазным ротором в частотно-каскадной схеме регулирования// Материалы I Международной конф. по элек-тромеханике и электротехнологии (МКЭЭ-94) 4.II. -Суздаль. 1994, с. 11.

17. Смольянинов А.В. Асинхронный электропривод управляемых многодвигательных систем: Автореф. дис. . канд. техн. наук / А.В. Смольянинов. -Воронеж : ВГТУ, 2003 —16 с.

18. Митин В.В. Мотор-колёсный электропривод многоопорного транспортного средства: Дис. . канд. техн. наук / В.В. Митин. -М. : МГААТМ (МАМИ), 1997. 213 с.

19. Сергеев В.А., Корнилов П.Ю. Зарубежные транспортные средства для перевозки крупногаба-ритных тяжеловесных грузов. М. : ЦНИИТЭИавтопром, 1998. 42с.

20. Фирменный каталог итальянской фирмы Кометто. Передовые системы транспортировки.

21. Модульный транспортер НИКОЛЯ// За рулем. 1987. №3. - с26.

22. Кагно П. Дорожно-транспортное средство для транспортировки космических кораблей многоразового использования. RTV-SKF, Turin.

23. Модуль наиболее прогрессивная система транспортировки, признанная в 80 странах./ Пер. материалов фирмы Кометто. 1984.

24. Самоходные и не самоходные модули композиционных большегрузных автотранспортных средств./ Пер. материалов фирмы Кометто. 1984.

25. Серия самоходных машин «ОТОМА» ASR-12, ASR-19 ASR-25 фирмы НИКОЛАС / Пер. материалов фирмы НИКОЛАС. 1982.

26. Троицкая Н. А. Перевозка крупно габаритных тяжеловесных грузов автомобильным транспортом. -М. : "Транспорт", 1992 - 155 с. .

27. Орлов В.М. Транспортирование крупногабаритного тяжеловесного оборудования / В.М. Орлов, Л.В. Гришаков, Н.С. Акимушкин и др. М. : ЦНТИ Минмонтажспецстроя, 1985. 32с.

28. Официальный сайт Scheuerle Fahrzeugfabric GmbH Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.scheuerle.com.

29. Официальный сайт Industrie Cometto S.p.A. Электронный ресурс. -Режим доступа: http://www.comettoind.com.

30. Волков В. Д. Динамика криволинейного движения оси транспортного средства / В.Д. Волков // Исследование и расчет колесных землеройных машин: Деп. сб. научн. трудов/ ЦНИИТЭстроймаш. -М. 1989. №57. -С. 89.

31. Волков В. Д. Модель взаимодействия мотор-колёсного движителя с деформируемой опорной поверхностью / В.Д. Волков. //Электротехническиесистемы автотранспортных средств и их роботизированных производств Межвуз. сб. науч. тр. -М. : МГААТМ, 1995.-С.24-28.

32. Петленко Б.И., Волков В.Д. Моделирование движения многоопорной транспортной платформы при повороте// Электроника и автоматическое управление в автотранспортном комплексе: Сб. науч. тр. — М.: МАДИ, 1989. -С.30-37.

33. Спиваковский А.О., Потапов М.Г. Транспортные машины и комплексы открытых горных разработок. -М. : Недра, 1983. -383 с.

34. Шор М.Е. Системы автоматического управления тяговыми электроприводами автосамосвалов Бе-лАЗ особо большой грузоподъемности\ Автореферат дис. . кандид. техн. наук -М., 1987, 24 с.

35. Митин В.В. Мотор-колесный электропривод многоопорного транспортного средства\ Дис. канд. техн. наук. —Москва, 1997. —213с.

36. Петленко Б.И., Волков В.Д. Электронные системы управления большегрузных автотранспортных средств: Уч. пособие. -М. : МАДИ, 1989. -75 с.

37. Митин В.В. Мотор-колесный электропривод многоопорного/' ; транспортного средства\ Автореферат дис. канд. техн. наук. -Москва, 1997. -23с.

38. Смольянинов А.В. Асинхронный электропривод управляемых многодвигательных систем: Диссертация канд. техн. наук / А.В. Смольянинов. -Воронеж : ВГТУ, 2003 -163 с.

39. Ивлев А.Н. Алгоритмическое обеспечение управления индивидуальным электроприводом колес многоопорного транспортного средства: Диссертация канд. техн. наук / А.Н. Ивлев. -Воронеж : ВГТУ, 2005 -147 с.

40. Ивлев А.Н. Алгоритмическое обеспечение управления индивидуальным электроприводом колес многоопорного транспортного средства: Авториферат дис. канд. техн. наук / А.Н. Ивлев. -Воронеж : ВГТУ, 2005 -17 с.

41. Гринев А.А., Диамидов А.С. Перевозка реактора в смешанном автомобильно-водном сообщении Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.transport.rU/2period/Bti/897/9.htm.

42. Петленко Б.И., Волков В.Д. Схема замещения и характеристики асинхронного двигателя в частотно-каскадном электроприводе / Электротехника, №7. 1996. С.58-62.

43. Волков В.Д. Основы теории частотно-каскадного электропривода: Диссертация на соис-кание ученой степени доктора технических наук.

44. Полуказаков А. В. Определение электрических параметров трехфазного выпрямителя в автономных источниках постоянного напряжения // Электротехнические комплексы и системы управления: науч.-техн. журн. -Воронеж. 2009. №2 (14). С. 21-24.

45. Полуказаков А. В. Особенности работы трехфазного выпрямителя в автономных источниках питания // Энергия XXI век: науч.-практ. вестн. -Воронеж: ООО "ЛИО-принт", 2006. №2 (60). С. 15-20.

46. Полуказаков А.В. Электрические параметры трехфазного выпрямителя в устройствах преобразования постоянного напряжения // Энергия XXI век: науч.-практ. вестн. -Воронеж : ООО "ЛИО-принт", 2008. -№2 (68). С. 47-52.

47. Справочник по преобразовательной технике / под. ред. И.М. Чиженко. Киев: Техшка, 1978. 447 с.

48. Чиженко И.М., Руденко B.C., Сенько В.И. Основы преобразовательной техники. Учебное посо-бие для специальности «Промышленная электроника». -М.: Высш. школа, 1974. 480 с.

49. Кацман М.М. Электрические машины и трансформаторы. -М. : Высшая школа, 1967 407с.

50. Волков В.Д. Особенности работы трехфазного выпрямителя в устройствах преобразования постоянного напряжения / В.Д. Волков, А.В. Полуказаков // Электротехнические комплексы и системы управления: науч.-техн. журн. -Воронеж. 2006. №1 С. 51-54.

51. Волков В. Д. Энергетические характеристики трехфазного выпрямителя при питании от автономного инвертора напряжения / Волков В. Д., Полуказаков А. В. // Изв. вузов. Строительство. 2007. - №4 - С. 86-91.

52. Полуказаков А. В. Особенности работы трехфазного выпрямителя в устройствах преобразования постоянного напряжения и его электрические параметры // Энергия XXI век: науч.-практ. вестн. -Воронеж : ООО "ЛИО-принт", 2009. №1 (71). С. 54-58.

53. Волков В. Д., Полуказаков А. В. Экспериментальное определение параметров трансформаторно-выпрямительного блока // Сб. науч. тр. Электротехнические комплексы и системы управления. -Воронеж: ВГТУ, 2003 С. 28-35.

54. Волков В.Д., Белкина Е.В. Новая схема электропривода для многодвигательных электроме-ханических систем / Сб. докладовмеждународной конференции «Нетрадиционные электромеханические и электротехнические системы» Севастополь. 1995 , -С. 379 - 386.

55. Волков В.Д. Основы теории тяговых систем большегрузных автотранспортных средств с частотно-каскадным электроприводом / В.Д. Волков // Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. -М. : МГТУ "МАМИ", 1998. 382 с.

56. Булгаков А.А. Частотное управление асинхронными двигателями. -М.: Изд-во АН СССР. 1955.

57. Сипайлов Г.А., Кононенко Е.В., Хорьков К.А. Электрические машины (специальный курс). М. : Высшая школа, 1987.

58. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. М. : Энергия,1980.

59. Костенко М.П. Электрические машины. М. JI.: Госэнерго-издат, 1944-816с.

60. Горев А.А. Основные уравнения неустановившегося режима синхронной машины, б.м. : Труды ЛИИ, № 5, 1936.

61. Иосифян А.Г. О линейных преобразованиях токов электрических машин: Бюлл. ВЭИ, №8, 1940.

62. Янко-Триницкий А.А. Уравнения переходных процессов асинхронного двигателя и их решение // Электричество № 3. 1950.

63. Ковач К.П., Рац И. Переходные процессы в машинах переменного тока. М.-Л. : Госэнергоиздат, 1963.

64. Трещев И.И. Исследование машин переменного тока при переменной скорости вращения. // Электричество. № 2. 1967. |

65. Трещев И.М. Методы исследования электромагнитных процессов в машинах переменного тока. Л. : Энергия, 1969. -235 с.

66. Иванов-Смоленский. Влияние скорости изменения скольжения на момент асинхронной машины. // Электричество. -№ 6. 1950.

67. Казовский Е.Я. Переходные процессы в электрических машинах переменного тока. M.-JI. : АН СССР, 1962.

68. Мамиконянц Л.Г. Токи и моменты асинхронных и синхронных машин при изменении скорости их вращения. // Электричество. № 8. 1958.

69. Горев А.А. Переходные процессы синхронной машины. M.-JI. : Госэнергоиздат, 1950.

70. Иосифьян А.Г. Теория преобразований дифференциальных уравнений синхронной машины. :Докл. АН АрмССР. Т. VII.- № 3, 1947.

71. Горушкин В.И. Линейные преобразования координат в теории электромашин и матричное исчисление. : Изв. АН СССР, Отд. техн. наук. № 4. 1948.

72. Кривицкий С.О., Эпштейн Й.М. Динамика, частотно-регулируемых электроприводов с автономными инверторами. М. : Энергия, 1975.

73. Костенко М.П. Работа многофазного асинхронного двигателя при переменном числе периодов. // Электричество. № 2. 1925.

74. Онищенко Г.Б., Юньков М.П. Электропривод турбомеханизмов. М. : Энергия, 1972.

75. Бутаев Ф.М., Эттингер Е.Л. Вентильный электропривод. М. : Госэнергоиздат, 1951.

76. Садовский Н.М. Упрощенные преобразования в теории электрических машин // Вестник электропромышленности. № 1. 1949. -С. 39.

77. Садовский Н.М. Некоторые вопросы теории электрических машин //Вестник электропромышленности. № 9. 1949. -С. 1-7.

78. Сандлер А.С., Тарасенко Л.М. Динамика каскадных асинхронных электроприводов. -М. : Энергия, 1977. -200 с.

79. Онищенко Г.Б., Локтева И.Л. Асинхронные вентильные каскады и двигатели двойного питания. -М.: Энергия, 1979.-200 с.

80. Копылов И.П. Электромеханические преобразователи энергии. М.: Энергия, 1973.

81. Касьянов В.Т. Электрическая машина двойного питания как общий случай машин переменного тока. // Электричество. -№21, 1931-С. 1189-1197, №22, 1931-С. 1282-1288.

82. Волков В. Д., Полуказаков А. В. Расчет установившихся токов асинхронного двигателя с выпрямителем в цепи ротора // Сб. науч. тр. Электротехнические комплексы и системы управления. -Воронеж : ВГТУ, 2002 С. 134-140.

83. Кулик Ю.А. Электрические машины. Учеб. Пособие для вузов. — М. : «Высш. школа», 1971. 456с.

84. Артемюк Б.Т. Асинхронные двигатели при периодической нагрузке. Киев : Техшка, 1972. 200 с.

85. Такеути Т. Теория и применение вентильных цепей для регулирования двигателей. Пер. с англ. -JI. : Энергия, 1973. 248 с.

86. Петленко Б.И., Волков В.Д. Характеристики двигателя в каскадной схеме с частотным регулированием // Электричество, № 2. 1995. С. 42-45.

87. Кобзев А.В. Многозонная импульсная модуляция: Теория и применение в системах преобразования параметров электрической энергии. -Новосибирск : Наука, 1979 304 с.

88. Иванов JI.JI. Начала аналитической теории разрывных функций и расчет нелинейных электрических схем. — Электричество, 1960, №9. С. 2329.

89. Костенко М.П. Электрические машины / М.П. Костенко, JI.M. Пиотровский. М. : Энергия, 1965. - 704 с.

90. Takeuchi T.J. Matrix theory of elektrical machinery-Tokyo, Ohm-Sha,1962.

91. Бессонов JI.А. Теоретические основы электротехники. -М. : Высшая школа, 1996. 638с.

92. Волков В.Д. Энергетический баланс системы "асинхронный двигатель трёхфазный мостовой выпрямитель" при анализе характеристик каскадного электропривода / В.Д. Волков.// Энергия XXI век. 2002. - № 1 -С. 18-25.

93. Волков В.Д. Т-образная схема замещения при расчете характеристик асинхронного двигателя в частотно-каскадном электроприводе Л Сб. научн. тр. ВГТУ «Промышленная информатика» . Воронеж : Изд-во института МВД РФ, 2001.

94. Дьяконов В.П. MATLAB 6.5 SP1/7 + Simulink 5/6. Основы применения. -М.: СОЛОН Пресс, 2005. - 800 с.

95. MATLAB Simulink R 2008а. Лицензия № 362989.