автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Импульсный генератор на базе асинхронной машины с вентильным возбуждением

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ ИАВГ.

1.1. Общие вопросы построения и краткий обзор ЭМН.

1.2. Принцип действия ИАВГ.

1.3. Выводы и постановка задачи исследования.

2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ИАВГ.

2.1. Общие положения.

2.2. Технические ограничения.

2.3. Основные принципы управления.

2.4. Определение значений основных электромеханических величин в генераторном и двигательном режимах.

2.5. Учет насыщения магнитной цепи машины в генераторном режиме.

2.6. Расчет потерь мощности.

2.7. Энергетический расчет.

2.8. Определение времени разгона и момента инерции маховика.

2.9. Расчет элементов ПУ.

2.10. Вентильное возбуждение асинхронного генератора.

2.11. Выводы.

3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ВАМ.

3.1. Общие положения.

3.2. Тепловой расчет АМ при рассмотрении ее как однородного тела.

3.3. Тепловой расчет АМ при рассмотрении ее как системы из трех тел.

3.4. Выводы.

4. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ

В ИАВГ.

4.1. Электромагнитные переходные процессы в АМ.

4.2. Динамические модели ИАВГ в генераторном режиме.

4.3. Расчет регулятора напряжения.

4.4. Динамическая модель ИАВГ в двигательном режиме.

4.5. Расчет регулятора абсолютного скольжения.

4.6. Выводы.

5. ЗАКОНЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ АМ И АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ ИАВГ. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ИАВГ.

5.1. Законы регулирования частоты напряжения при торможении.

5.2. Законы регулирования амплитуды и частоты напряжения при разгоне в квазиустановившемся режиме.

5.3. Законы регулирования амплитуды и частоты напряжения при начальном разгоне.

5.4. Моделирование работы ИАВГ на основе полученных динамических моделей и законов регулирования напряжения.

5.5. Алгоритмы управления.

5.6. Методика расчета ИАВГ.

5.7. Выводы.

6. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ УУ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИАВГ.

6.1. Практическая реализация УУ.

6.1.1. Требования к УУ.

6.1.2. Описание МУУ, используемого в экспериментальных установках.

6.2. Экспериментальные исследования ИАВГ.

6.2.1. Описание экспериментальных установок.

6.2.2. Исследование отдаваемой мощности.

6.2.3. Исследование тепловых переходных процессов в АМ.

6.2.4. Исследование электромагнитных переходных процессов.

6.2.5. Исследование электромеханических переходных процессов при торможении.

6.3. Выводы.

Актуальность проблемы. Производство и потребление различных видов энергии в мире растет быстрыми темпами, определяя прогресс во всех областях жизнедеятельности человека. Одновременно усложняются процессы преобразования энергии, расширяется многообразие энергетических установок и агрегатов, обеспечивающих наиболее рациональные режимы энергопитания разнородных потребителей. В последние десятилетия наиболее интенсивно развиваются импульсные электроэнергетика и электротёхника, для которых характерна дискретизация энергии, подводимой к потребителю.

Количество потребителей импульсной энергии в различных областях науки и техники непрерывно возрастает. Экспериментальные установки для получения и удержания плазмы, мощные лазерные системы и другая электрофизическая аппаратура работают в импульсных режимах в связи с высокими уровнями потребляемой энергии. Производственное оборудование для электроэрозионной, лазерной, электрогидравлической обработки материалов, импульсной сварки принципиально требуют импульсного питания и дают значительные преимущества по сравнению с оборудованием, работающим в непрерывном режиме при постоянной потребляемой мощности /1-4/. Широкое распространение получили импульсные методы в радиотехнике, в частности в системах радиолокации и связи /2, 3/, а также в автономных электроэнергетических установках для питания потребителей в системе электроснабжения /5/. Для крупномасштабных применений характерно использование инерционных накопителей больших размеров и массы, предназначенных для сглаживания пиков потребляемой мощности в электроэнергетических системах /6-8/.

Системы импульсного питания указанных групп потребителей выполняются, как правило, связанными с электрической сетью не непосредственно, а через промежуточные накопители энергии различных типов. Основными характеристиками импульсных систем с НЭ являются: количество, плотность и стоимость запасаемой энергии в импульсном режиме, коэффициенты ее преобразования в импульсном режиме, параметры генерируемых электрических импульсов - напряжение, ток, длительность, частота повторения, скважность.

В настоящее время широко используются электрохимические, емкостные, индуктивные, механические и электромеханические НЭ. Каждый их них имеет свою область предпочтительного применения, обусловленную его характеристиками. Наиболее энергоемкими и экономичными накопителями из указанных являются инерционные накопители, способные запасать до Ю10 Дж кинетической энергии при плотности порядка 100 Дж/г /9/. Импульсное преобразование кинетической энергии в инерционных НЭ осуществляется, как правило, с помощью специальных ЭМ.

Уникальным свойством ЭМН, выделяющим их из ряда НЭ других типов, является возможность их непосредственного использования для питания импульсных потребителей на подвижных объектах с отбором механической мощности с вала, т. е. в полностью автономных системах. Это свойство определяет особую важность проблемы совершенствования методов электромашинного генерирования импульсной мощности.

Наиболее широко для импульсного преобразования кинетической энергии в электромагнитную и питания потребителей в ударных и кратковременных режимах применяются синхронные генераторы переменного тока /10-13/ и униполярные генераторы /14-17/, реже используются ЭМН на базе машин постоянного тока /18, 19/.

С давних пор внимание исследователей привлекает идея применения асинхронных машин в автономных системах. Известно, что АМ с ко-роткозамкнутым ротором наиболее проста по устройству, в 1,5-3 легче бесконтактной регулируемой СМ и может быть использована как в генераторном, так и в стартерном режимах. Главная проблема, затрудняющая применение асинхронных генераторов, состоит в разработке компактного регулируемого источника реактивной мощности. Давно известно применение для этой цели синхронных машин и конденсаторов /20-24/. Новые возможности по использованию асинхронных генераторов открыла реализация идеи их возбуждения с помощью полупроводникового преобразователя/25-33/.

Несмотря на то, что в настоящее время установившиеся режимы работы асинхронных генераторов с вентильным возбуждением исследованы достаточно хорошо /33/, в качестве источников импульсной мощности АМ используются до сих пор очень редко.

Данная диссертационная работа посвящена исследованию ЭМН на базе АМ с вентильным возбуждением - импульсного асинхронного вентильного генератора.

Целью работы является определение законов регулирования напряжения при торможении и разгоне ЭМН на базе АМ с вентильным возбуждением, являющейся одновременно генератором и двигателем, которые обеспечивают отдачу в нагрузку максимально возможной для данной машины импульсной электрической мощности при заданных значениях длительности, периода повторения импульсов и неизменном напряжении на нагрузке.

Методы исследований. При выполнении работы использовались теоретические и экспериментальные методы исследований.

Теоретические исследования основывались, главным образом, на теории частотного управления асинхронными двигателями, а также общей теории электрических машин. Математические модели рассчитывались на персональном компьютере с использованием пакета МаШсас! Р1иэ 5.0.

Экспериментальные исследования проводились на специальных установках, представляющих собой макеты ИАВГ с микропроцессорным управлением, созданных автором на кафедре робототехнических и электромеханических систем ГУАП.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1) разработаны математические модели электромеханических и энергетических процессов в ИАВГ с учетом взаимосвязи генераторного и двигательного режимов, которые позволяют определять значения электромеханических и энергетических величин при торможении и разгоне, параметры и характеристики импульсного генератора;

2) разработаны математические модели тепловых процессов в АМ в квазиустановившемся режиме и методика определения предельно допустимых по перегреву значений относительной частоты статора в конце разгона и времени разгона при рассмотрении машины как однородного тела и системы из трех тел;

3) созданы нелинейная и линеаризованная динамические модели ЭМН на базе АМ при торможении с учетом автоматического регулятора напряжения;

4) определены законы регулирования напряжения АМ и разработаны алгоритмы, позволяющие управлять работой ИАВГ в генераторном и двигательном режимах и генерировать униполярные импульсы электрической энергии с формой, близкой к идеальной прямоугольной;

5) создана методика расчета ИАВГ, с помощью которой можно определять параметры, характеристики и законы регулирования напряжения импульсного генератора, построенного на базе данной АМ, соответствующие максимально возможной отдаваемой мощности.

Практическая ценность диссертационной работы.

Полученные в работе математические модели, законы и алгоритмы управления позволяют проектировать и создавать ЭМН на базе АМ с вентильным возбуждением для питания импульсных потребителей энергии в различных областях науки и техники.

Разработанная на основе проведенных исследований, реализованная с помощью пакета МаШсас! Р1иэ 5.0 и экспериментально проверенная методика расчета ИАВГ может быть использована в системах автоматизированного проектирования импульсных асинхронных генераторов.

Экспериментальные установки, созданные при выполнении работы, могут использоваться для отладки новых микропроцессорных устройств и алгоритмов управления ИАВГ и, вообще, асинхронным электроприводом широким кругом разработчиков, а также в учебном процессе.

Реализация работы. Теоретические результаты работы и экспериментальные установки использовались при выполнении госбюджетной НИР отделом интегрированных электромеханических комплексов ГУАП, что подтверждено соответствующим актом. Полученные результаты используются также в учебном процессе на кафедре робототехнических и электромеханических систем ГУАП.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) аналитические выражения для электромеханических и энергетических величин в генераторном и двигательном режимах, параметров и характеристик ИАВГ;

2) математические модели тепловых процессов в АМ в квазиустано-вившемся режиме и методика определения предельно допустимых по перегреву значений относительной частоты статора в конце разгона и времени разгона;

3) нелинейная и линеаризованная динамические модели ЭМН на базе АМ при торможении с учетом автоматического регулятора напряжения;

4) законы регулирования напряжения АМ и алгоритмы управления ИАВГ в генераторном и двигательном режимах;

5) методика расчета импульсного асинхронного генератора.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на I научной сессии аспирантов ГУАП, посвященной Дню космонавтики (г. Санкт-Петербург, апрель 1998 г.) и научных семинарах кафедры робототехнических и электромеханических систем ГУАП.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 4 печатные работы (научно-технические статьи) и одна работа (тезисы доклада на конференции) находится в печати.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов и заключения, содержащих 104 страницы машинописного текста и 50 рисунков на 46 страницах; списка использован

4. Результаты исследования кривой нагревания машины показали, что тепловая модель АМ правильно отражает реальные тепловые переходные процессы в машине при условии точного определения тепловых

Зависимости относительных напряжения (а) и скорости (б) от времени в генераторном режиме при различных значениях задающего воздействия по частоте для ЭУ1

Зависимости относительных напряжения (а) и скорости (б) от времени в генераторном режиме при различных значениях задающего воздействия по частоте для ЭУ2 а) б)

Зависимости относительных напряжения (а) и скорости (б) от времени в генераторном режиме при изменении задающего воздействия по частоте по различным законам для ЭУ1

У 1

0.0 0.6 0.4 0.2

32^)

0.1

0.2

0.3

0.4 1,с а) 1 г

- расчет; х,о - эксперимент Рис. 6.9

Зависимости относительных напряжения (а) и скорости (б) от времени в генераторном режиме при изменении задающего воздействия по частоте по различным законам для ЭУ2 а) о б)

148 сопротивлений, что возможно, в большинстве случаев, только при проведении соответствующих экспериментов,

5. Экспериментальные исследования электромагнитных переходных процессов продемонстрировали устойчивую работу ИАВГ в генераторном режиме, а также подтвердили справедливость пренебрежения электромагнитными переходными процессами при достаточно большой длительности импульса.

6. Экспериментальные исследования электромеханических переходных процессов показали, что динамическая модель ИАВГ в генераторном режиме правильно отражает реальные переходные процессы в импульсном генераторе при различных законах изменения задающего воздействия по частоте.

7. Все вышесказанное, а также экспериментальные исследования импульсного генератора в двигательном режиме позволяют сделать вывод о том, что разработанные в диссертации математические модели и законы управления напряжением ИАВГ верно отражают действительность и могут быть использованы при проектировании и создании ЭМН на базе АМ с вентильным возбуждением.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Прогресс в области техники научных исследований и развитие производства на основе применения новых промышленных технологий тесно связаны с совершенствованием систем электроснабжения экспериментальных установок и производственного оборудования. Значительное место в решении возникающих при этом проблем отводится НЭ, являющихся важным промежуточным звеном между системами генерирования и потребления энергии.

В диссертационной работе исследовался ЭМН на базе АМ с вентильным возбуждением, являющейся одновременно генератором и двигателем, предназначенный для питания различных импульсных потребителей энергии.

Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные в данной работе, позволили получить математические модели, законы и алгоритмы управления, методику расчета ИАВГ при рассмотрении процессов торможения и разгона с учетом их взаимосвязи. Полученные результаты, вследствие общности физических процессов в машинах, могут быть использованы для построения импульсных генераторов на базе АМ различных типов не только малой, но и большой мощности (с учетом характерных для них особенностей). Учитывая, что конкретные результаты каждого раздела исследования изложены в выводах по этим разделам, остановимся на наиболее важных результатах работы.

1. Разработаны математические модели электромеханических и энергетических процессов в ИАВГ. Полученные аналитические выражения позволяют определять значения основных электромеханических и энергетических величин в генераторном и двигательном режимах с учетом насыщения магнитной цепи машины, а также рассчитывать параметры и характеристики импульсного генератора.

2. Разработаны математические модели тепловых процессов в АМ в квазиустановившемся режиме при рассмотрении ее как однородного тела и системы из трех тел, на основании которых получены кривые нагревания и охлаждения машины в генераторном и двигательном режимах и создана методика, которая позволяет определять предельно допустимые по перегреву значения относительной частоты статора в конце разгона и времени разгона.

3. Разработаны динамические модели ИАВГ в генераторном и двигательном режимах с учетом автоматических регуляторов напряжения и абсолютного скольжения, которые позволяют исследовать электромеханические переходные процессы в ЭМН на базе АМ, а также, при необхо

150 димости, находить мгновенные значения всех величин импульсного генератора при торможении и разгоне путем подстановки в соответствующие формулы значений относительных напряжения, частоты статора и параметра абсолютного скольжения.

4. Определены законы регулирования напряжения АМ в генераторном и двигательном режимах и разработаны алгоритмы, которые позволяют управлять работой ИАВГ в квазиустановившёмся режиме, при начальном разгоне и окончательном торможении, и генерировать униполярные импульсы электрической энергии с формой, близкой к идеальной прямоугольной.

5. Создана методика расчета ИАВГ, которая позволяет определять параметры, характеристики и законы регулирования напряжения импульсного генератора, построенного на базе данной АМ, соответствующие максимально возможной отдаваемой мощности с учетом заданных требований к параметрам генерируемых импульсов и системы технических ограничений.

6. Экспериментальные исследования ИАВГ и проверка основных теоретических положений и методики расчета показали, что ЭМН на базе АМ с вентильным возбуждением устойчиво работает в генераторном и двигательном режимах, и полученные в диссертации результаты верно отражают действительность. Это дает возможность использовать их при проектировании и создании импульсных асинхронных генераторов для потребителей в различных областях науки и техники.

Таким образом, на основании изложенного выше можно сделать вывод, что поставленные задачи решены и цель диссертационной работы достигнута.

1. Сипайлов Г. А. и др. Электромашинное генерирование импульсных мощностей в автономных инверторах. М.: Энергоатомиздат, 1990.

2. Лившица. Л. и др. Генераторы импульсов. М.: Энергия, 1970.

3. Лившица. Л., Otto м. А. Импульсная электротехника. м.: Энергия, 1975.

4. Лазеры в технологии / Под ред. Ф. М. Стельмаха. М.: Энергия, 1975.

5. Электроборудование транспорта // реферативный журнал "Электротехника". 1986. № 7. Рефераты 7Л167, 7Л183, 7Л184, 7Л235-7Л239.

6. Гулиа Н. В. Маховичные двигатели. М.: Машиностроение, 1976.

7. Гулиа Н. В. Накопители энергии. М.: Наука, 1980.

8. Гулиа Н. В. Инерция. М.: Наука, 1982.

9. Сюсюкин А. И. Сравнительная характеристика возможностей импульсных источников электроэнергии // Техническая электродинамика. 1984. № 3. С. 77-82.

10. Глебов И. А. и др. Синхронные генераторы кратковременного и ударного действия. Л.: Наука, 1985.

11. Сипайлов Г. А., Хорьков К. А. Генераторы ударной мощности. М.: Энергия, 1979.

12. Глебов И. А. и др. Синхронные генераторы в электрофизических установках. Л.: Наука, 1977.

13. Сипайлов Г. А. и др. Электричесие машины. М.: Высшая школа, 1987.

14. Харитонов В. В. и др. Переходные процессы в ударных униполярных генераторах. М.: Атомиздат, 1980.

15. Вудсон Г. и др. Импульсная энергия инерционного накопителя с униполярным преобразователем // Импульсные системы большой мощности: Пер. с англ. / Под ред. Э. Н. Асинского. М.: Мир, 1981.

16. Ударные униполярные генераторы / В. А. Глухих, Г. А. Баранов, Б. Г. Карасев, В. В. Харитонов. Л.: Энергоатомиздат, 1987.

17. Копылов И. П. Электрические машины. М.: Энергоатомиздат, 1986.

18. Манн Э. Г., Тиунчик В. М. Кольцевые электромеханические инерционные аккумуляторы // Электричество. 1986. № 4. С. 19-24.

19. Торопцев Н. Д. Авиационные асинхронные генераторы. М.: Транспорт, 1974.

20. Алюшин Г. Н., Торопцев Н. Д. Асинхронные генераторы повышенной частоты: Основы теории и проектирования. М.: Машиностроение, 1974.

21. Радин В. И. и др. Применение асихронных генераторов как автономных источников переменного тока // Электротехника. 1967. № 8. С. 17-20.

22. Постников И. М. и др. Теория и методы расчета асинхронных турбогенераторов. Киев: Наукова думка, 1977.

23. Красношапка М. Н. Генераторы переменного тока стабильной и регулируемой частоты. Киев. Технка, 1974.

24. Радин В. И. и др. Электромеханические устройства стабилизации частоты. М.: Энергоиздат, 1981.

25. Онищенко Г. Б., Локтева И. Л. Асинхронные вентильные каскады и двигатели двойного питания. М.: Энергия, 1979.

26. Хватов С. В. и др. Асинхронный нагрузочный генератор с компенсационным вентильным преобразователем // Электричество. 1978.

27. Костырев М. Л., Скороспешкин А. И. Уравнения асинхронного вентильного стартер-генератора // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1975. № 3. С. 36-44.

28. Костырев М. Л. и др. Анализ электромагнитных процессов в асинхронных вентильных генераторах для автономных систем // Современные задачи преобразовательной техники. Тр. ИЭД АН УССР. Киев, 1975. Т. 2. С. 28-35.

29. Костырев М. Л. Математические модели асинхронных генераторов с вентильным возбуждением // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1981. № 2. С. 82- 90.

30. Костырев М. Л., Мотовилов Н. В. Вентильное возбуждение асинхронных генераторов с короткозамкнытым ротором // Электричество. 1983. № 10. С. 58-60.

31. Костырев М. Л. Области вентильного самовозбуждения асинхронного генератора с короткозамкнытым ротором // Электричество. 1987. № 9. С. 25-29.

32. Костырев М. Л., Скороспешкин. А. И. Автономные асинхронные генераторы с вентильным возбуждением. М.: Энергоатомиздат, 1991.

33. Накопители энергии: Учеб. пособие для вузов / Д. А. Бут, Б. Л. Алиевский, С. Р. Мизюрин, П. В. Васюкевич; Под ред. Д. А. Бута. М.: Энергоатомиздат, 1991.

34. Джента Д. Накопление кинетической энергии / Пер. с англ. под ред. Г. Г. Портнова. М.: Мир, 1988.

35. Астахов Ю. Н. и др. Накопители энергии в электрических системах. М. Высшая школа, 1989.

36. Сергеев М. Ю., Хрущев В. В. Импульсный асинхронный вентильный генератор. / ГААП. СПб., 1997. 7с. Деп. в ВИНИТИ 19.06.97, № 1998-В97.

37. Сергеев М. Ю. Микропроцессорное устройство управления импульсным накопителем энергии // Информатика и управление: Сб. науч. тр. / ГУАП. СПб., 1998. С. 107-113.

38. Костенко М. П., Пиотровский Л. М. Электрические машины. Ч. 2. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1958.

39. Вольдек А. И. Электрические машины. М.: Энергия, 1966.

40. Сергеев М. Ю., Хрущев В. В. Основные принципы управления импульсным асинхронным вентильным генератором. / ГУАП. СПб., 1998. 6с. Деп. в ВИНИТИ 12.11.98, № 3278-В98.

41. Сандлер А. С. Сарбатов Р. С. Автоматическое частотное управление асинхронными электродвигателями. М.: Энергия, 1974.

42. Булгаков А. А. Частотное управление асинхронными электродвигателями. М.: Наука, 1966.

43. Булгаков А. А. Частотное управление асинхронными двигателями. 3-е перераб. изд. М.: Энергоиздат, 1982.

44. Сергеев М. Ю. Управление импульсным асинхронным вентильным генератором // Материалы I научной сессии аспирантов ГУАП, посвященной Дню космонавтики / ГУАП. СПб., 1999 (находится в печати).

45. Цифровые электроприводы с транзисторными преобразователями / С. Г. Герман-Галкин, В. Д. Лебедев, Б. А. Марков, Н. И. Чичерин. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1986.

46. Разработка методики расчета автономного инвертора напряжения с группой вентилей обратного тока, междуфазовой коммутацией и отсекающими диодами: Отчет о НИР-701 / ЛИАП. Номер государственной регистрации №71050584. Л., 1974.

47. Брускин Д. Э. и др. Электрические машины. М.: Высшая школа, 1981.

48. Иванов-Смоленский А. В. Электрические машины: Учебник для вузов. М.: Энергия, 1980.

49. Лопухина Е. М., Сомихина Г. С. Проектирование асинхронных микромашин с полым ротором. М.: Энергия, 1968.

50. Шуйский В. П. Расчет электрических машин / Пер. с нем. Б. А. Цветкова и И. 3. Богуславского. М.: Энергия, 1968.

51. Готтер Г. Нагревание и охлаждение электрических машин / Пер. с нем. А. И. Молдавера. М.-Л.: 1961.154

52. Хрущев В. В. Электрические микромашины. П.: Энергия, 1969.

53. Пискунов Н. О. Дифференциальное и интегральное исчисления для втузов. Т. 2. М.: Наука, 1968.

54. Ковач К. П., Рац И. Переходные процессы в машинах переменного тока / Пер. с венгер. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963.

55. Бессекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического регулирования. М. Наука, 1972.

56. Сергеев М. Ю., Хрущев В. В. Микропроцессорное устройство управления импульсным асинхронным вентильным генератором. / ГААП. СПб., 1997. 7с. Деп. в ВИНИТИ 19.06.97, № 1997-В97.

57. Чиженко И. М., Руденко В. С., Сенько В. И. Основы преобразовательной техники. М.: Высш. школа, 1974.