автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Электромеханотронная система с высокоскоростным асинхронным двигателем

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи ГАЙНУТДИНОВ МУРАД РАФАИЛОВИЧ

ЭЛЕКТРОМЕХАНОТРОННАЯ СИСТЕМА С ВЫСОКОСКОРОСТНЫМ

АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы,

включая их управление и регулирование

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель -заслуженный деятель науки и техники РТ, доктор технических наук, профессор Л.Я. Зиннер

Научный консультант -кандидат технических наук, доцент Н.Ф. Миляшов

Казань -1999 г.

Содержание. стр

Введение.---------------------------------------------------------------------------------------------------------------5

1. Постановка задачи исследования.------------------------------------------------------------------------------------------9

1.1. Анализ современного этапа развития теории электромеханотронных систем.------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------9

1.2. Анализ состояния практической разработки ЭМТС с АД малой и средней мощности.----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------13

1.3. Выводы.-----------------------------------------------------------------------------

2. Математическая модель ЭМТС с АД.------------------------------------------------------------23

2.1. Особенности математической модели ЭМТС и её блок - схема.------------23

2.2. Вопросы моделирования полупроводниковых элементов в цепях ЭМТС--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------25

2.3. Математическая модель и схема замещения отдельных звеньев ЭМТС------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------31

2.3.1 Источник энергии.----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------31 .

2.3.2 Управляемый выпрямитель.----------------------------------------------------------------------------------------------------------33

2.3.3 Фильтр.------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------40

2.3.4 Преобразователь частоты.--------------------------------------------------------------------------------------------------------------42

2.3.5 Асинхронный двигатель.------------------------------------------------------------------------------------------------------------------45

2.3.6 Электромеханотронная система с асинхронным двигателем.----------------------54

2.4 Уравнение электромагнитного момента. Мгновенные и интегральные характеристики.------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------56

2.5 Выводы------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------59

3. Имитационное моделирование процессов в ЭМТС с АД на ЭВМ.-- 63

3.1. Выбор стратегии, средств и методов численного моделирования.— 63

3.2. Структура и принцип работы вычислительной системы имитационного моделирования динамических режимов электрических цепей с вентилями.--------------------------------------------------------------------------------------------- 69

3.3. Интерфейс общения с ЭВМ при имитационном моделировании.----- 75

3.4. Имитационное моделирование динамики электромагнитных процессов в электрических цепях с вентилями. Результаты расчетов.---------------- 84

3.4.1 Имитационное моделирование в схемах однофазного и трёхфазного управляемых выпрямителей, работающих на статическую Я, Ь нагрузку.— 88

3.4.2 Имитационное моделирование в схемах однофазного и трёхфазного управляемых выпрямителей, работающих через трёхфазный мостовой преобразователь частоты на трёхфазную статическую Я, Ь нагрузку.------------- 95

3.4.3 Имитационное моделирование переходных процессов в ЭМТС с трёхфазными АД.-------------------------------------------------------------------------------- 109

3.4.4 Имитационное моделирование интегральных характеристик ЭМТС с

АД-------------------------------------------------------------------------------------------- 125

3.5 Исследование влияния параметров предвключённых цепей на механические и энергетические характеристики ЭМТС.--------------------------------- 128

3.6 Выводы.----------------------------------------------------------------------------- 134

4. Принцип схемного построения ЭМТС с АД. Результаты практической разработки.------------------------------------------------------------------------- 137

4.1 Классификация ЭМТС с АД.--------------------------------------------------- 137

4.2 Многофазные автогенераторы с улучшенной синхронизацией выходных напряжений.--------------------------------------------------------------------------- 146

4.3 Результаты разработки ЭМТС мощностью 750 Вт на конструктивной

основе серийного двигателя КД-180 для бытового электропривода.------------------154

4.4 ЭМТС мощностью 750 Вт на магнитопроводе двигателя погружного электронасоса серии ПЭД.------------------------------------------------------------— 156

4.5 Разработка ЭМТС с АД мощностью 3,2 кВт для привода автономной холодильной машины 1 АР4-2-ЗУ2.----------------------------------------------------------------------------------------------------158

4.6 Разработка ЭМТС с АД мощностью 60 Вт на магнитопроводе авиационного тахогенератора.----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------160

4.7. Выводы.--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------161

Заключение.----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------163

Библиографический список.----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------166

Приложение 1. Результаты испытания привода деревообрабатывающего

станка.------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------183

Приложение 2. Акт внедрения электропривода автономной холодильной

машины 1 АР4-2-ЗУ2.----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------189

Приложение 3. Акт внедрения ЭМТС с автогенераторным управлением

мощностью 60 Вт.--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------190

Приложение 4. Акт внедрения результатов диссертационной работы в учебном процессе КГТУ (КХТИ).----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------191

Введение

Современный этап развития теории и практики управляемых электротехнических комплексов и систем характеризуется тем, что работа электромеханической части всё больше определяется параметрами цепей её питания и законами управления. В этом случае целесообразно рассматривать электромеханическую часть с предвключёнными цепями в виде единой электромеханотронной системы (ЭМТС),

и и м

характеристики которой в значительной мере определяются каждым из ее звеньев. По мере развития элементной базы силовой преобразовательной техники мощность ЭМТС возрастает, а область применения расширяется. Силовые полупроводниковые ключи на полностью управляемых элементах позволяют уже сейчас создавать ЭМТС малой и средней мощности для специальной, общей и бытовой техники. Комплексный подход к изучению характеристик и проектированию ЭМТС, как единой целостной системы, позволяет значительно поднять технический уровень изделия, добиться оптимальных его характеристик и показателей. Перспективным направлением развития ЭМТС является использование в качестве их силовой основы асинхронного двигателя (АД). В этом случае надёжность, простота, относительно низкая стоимость АД при работе его в составе ЭМТС дополняется возможностями регулирования его частоты вращения, увеличения значения этой частоты в номинальном режиме, подключения трёхфазного АД к однофазной сети и т.д.

Цель работы: учёт влияния предвключённых цепей на характеристики высокоскоростной электромеханотронной системы с асинхронным двигателем.

Достижение указанной цели требует решения следующих основных задач: 1. теоретическое и экспериментальное исследование, разработка и внедрение практических схем и конструкций высокоскоростных ЭМТС с АД малой и средней мощности.

2. разработка методики исследования процессов электромеханического преобразования энергии на основе системы имитационного моделирования электрических цепей с вентилями.

3. разработка специального класса имитационных моделей отдельных частей и всей ЭМТС с АД в целом для анализа динамики электромагнитных процессов.

4. разработка на основе предлагаемых имитационных моделей методик расчёта мгновенных и интегральных характеристик ЭМТС с АД.

5. анализ влияния предвключённых цепей АД на характеристики всей ЭМТС в целом.

6. разработка, проектирование, изготовление и исследование ряда макетных образцов ЭМТС с АД. Сравнение результатов предлагаемой методики исследования с данными эксперимента.

В основу теоретического исследования положен численный метод имитационного моделирования на ЭВМ электромагнитных процессов в ЭМТС с АД, где реальные физические процессы в схеме моделировались ЭВМ самостоятельно в виде систем дифференциальных уравнений. Проведено предварительное аналитическое исследование структуры и отдельных элементов каждого звена и всей ЭМТС в целом, позволяющее без снижения точности и потерь информации значительно упростить расчётную модель системы. Использована математическая модель трёхфазного АД в естественной (фазной) системе координат с переменными коэффициентами. Расчёт мгновенных и интегральных характеристик ЭМТС был выполнен на ЭВМ класса Pentium I с использованием специального пакета программ по имитационному моделированию электрических цепей с вентилями. Для оценки точности результатов имитационного моделирования проведён ряд экспериментальных исследований макетных образцов системы, в ходе которых выполнено осциллографирование токов и напряжений, измерение токов и напряжений, мощности и момента АД.

Научная новизна работы представлена следующими результатами:

1. составлены математические модели отдельных частей ЭМТС и АД в естественной (фазной) системе координат, соответствующие целям имитационного моделирования на ЭВМ.

2. разработаны имитационные модели целого класса электрических цепей с вентилями и в итоге ЭМТС с АД, предназначенные для численного моделирования электромагнитных процессов в них в виде систем дифференциальных уравнений, составляемых и решаемых ЭВМ самостоятельно.

3. разработана методика составления имитационной модели ЭМТС с АД и способы наиболее эффективного задания и выбора её параметров.

4. дана оценка точности применённых методов теоретического исследования, разработаны практические рекомендации, реализованные в опытных образцах.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. разработана одна из эффективных структур высокоскоростных ЭМТС с АД малой и средней мощности, которая отличается простой, надёжной и экономичной автогенераторной схемой системы управления вентилями преобразователя частоты.

2. разработаны рекомендации по составлению имитационных моделей различных ЭМТС, способы задания их параметров и предварительного аналитического исследования с целью наиболее эффективного упрощения.

3. разработаны практические рекомендации по расчёту и конструированию исследуемой структуры ЭМТС с АД, которая учитывает влияние предвключённых цепей на характеристики АД и всей ЭМТС в целом.

4. по результатам теоретических и экспериментальных исследований диссертации изготовлены и испытаны макетные образцы ЭМТС с АД мощностью 100 и 750Вт, частотой вращения соответственно 8000 и 6000 об/мин., дан анализ их технического уровня.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы использованы на Казанском заводе точного машиностроения при проектировании

и изготовлении электропривода автономной холодильной машины 1 АР4-2-ЗУ2,

АО ЭКА при расчёте ЭМТС с автогенераторным управлением мощностью 60 Вт, а так же в учебном процессе КГТУ.

Основные положения работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции с международным участием "Проблемы промышленных электромеханических систем и перспективы их развития" в Техническом Университете г. Ульяновска 1996 г., на республиканской научной конференции "Проблемы энергетики" в филиале МЭИ г. Казань 1997 г., на республиканской научной конференции "Проблемы энергетики" в филиале МЭИ г. Казань 1998 г., на 10-м научно-техническом семинаре "Внутрикамерные процессы в энергетических установках. Акустика, диагностика" в КВАКИУ г. Казань 1998 г.

По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений, содержит 192 страницы машинописного текста, 72 рисунка, 176 наименований использованных литературных источников и 10 страниц приложений.

1. Постановка задачи исследования 1.1. Анализ современного этапа развития теории электромеханотронных

систем

При рассмотрении электромеханического преобразования энергии непосредственно в ЭМ наиболее прогрессивным является анализ, сочетающий в себе теорию поля и теорию цепей [1-12]. Параметры поля и дифференциальные уравнения равновесия напряжения ЭМ, при этом определяются из картины магнитного поля в воздушном зазоре, а через токи или потокосцепления выражается уравнение электромагнитного момента. Подобный подход позволяет рассматривать ЭМ при анализе её поведения в электромеханической системе, как совокупность индуктивно-связанных электрических цепей с сосредоточенными параметрами, описываемых системой дифференциальных уравнений с периодическими коэффициентами.

Слияние воедино электромеханического преобразователя энергии с полупроводниковыми цепями управления и питания в единую ЭМТС, параметры и характеристики которой определяются всеми её звеньями, является одной из главных особенностей современного этапа развития теории и практики электрических машин. Необходимость совершенствования известных и разработки новых специальных математических моделей, ориентированных на применение существующих вычислительных средств и компьютерных технологий становится актуальной также и в связи со значительными усложнениями при моделировании и проектировании ЭМТС. Такой подход к моделированию позволяет исследователю с максимальной точностью учесть все существенные особенности электромагнитных, электромеханических и полупроводниковых устройств, входящих в состав ЭМТС и анализировать динамику процесса электромеханического преобразования энергии с минимальными допущениями [1-6]. В этом случае вопросы рациональной записи системы дифференциальных уравнений ЭМТС приобретают важное значение для организации их эффективного решения на средствах современной, быстро

обновляемой вычислительной техники при создании специальных пакетов программ, позволяющих осуществить имитационное или иное численное моделирование процессов в системе.

Однако не менее важными в теории ЭМТС остаются аналитические и комбинированные, численно-аналитические методы исследования [7-11]. Информацию о поведении множества физических объектов, описываемых однотипными уравнениями, но отличающихся природой явления или значениями параметров в них, даёт только аналитическое решение. Оно позволяет определить общие, интегральные зависимости в работе объектов, выявить физическую сущность процессов, прогнозировать поведение объектов в изменяющихся условиях. Однако, при анализе сложных ЭМТС точные аналитические решения, практически, получить невозможно, и исследования приходится проводить на основе численных методов. Это не исключает применение аналитических преобразований с целью сокращения доли численной переработки на отдельных этапах исследования. Подобные аналитические преобразования эффективны на этапе разработки расчётной электрической схемы ЭМТС. Они преследуют цель снижения порядка системы дифференциальных уравнений и, соответственно, уменьшения времени их решения на ЭВМ.

Классическая теория идеализированной электрической машины ограничивается анализом только тех процессов, которые описываются линейными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами [7,11,12], и считается линейной теорией ЭМ. Дифференциальные уравнения вращающихся ЭМ, записанные в естественных (фазных) координатах, всегда включают в себя переменные коэффициенты. Известными линейными преобразованиями эти уравнения удается свести к уравнениям с постоянными коэффициентами только для полностью симметричных машин или машин с односторонней несимметрией при неизменности магнитных свойств сердечника машины [3,7,10,13]. В машинах с неравномерным зазором (явнополюсностью), в связи с этим, удаётся учесть только действие одной пространственной гармонической магнитодвижущих сил (МДС) обмоток и индукции поля. Учёт же высших временных гармоник поля при несинусоидальном

питании и высших пространственных гармоник поля при несинусоидальном распределении обмоток в воздушном зазоре машины увеличивает значительно объём исследований на основе аналитических методов и делает невозможным их использование без применения ЭВМ. При работе ЭМ в составе сложной ЭМТС вывод аналитических зависимостей становится также невозможным, что ставит под сомнение целесообразность применения широко распространённых на практике линейных преобразований её уравнений. О�