автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Импульсный преобразователь постоянного тока в системе электропитания вентильного двигателя

Введение

1. ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ И МЕТОДЫ АНАЛИЗА ПУСКОВЫХ

РЕШОВ ВЕНТИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ.

1.1. Особенности функционирования вентильных двигателей при пуске

1.2. Способы пуска вентильных двигателей

1.3. Методы анализа систем с вентильными двигателями

1.4. Методы численного решения систем дифференциальных уравнений.

Выводы.

2. АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ В ВЕНТИЛЬНОМ ДВИГАТЕЛЕ ПРИ ПУСКЕ

ОТ ИМПУЛЬСНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ.

2.1. Особенности построения математической модели машинно-вентильной системы

2.2. Схема вентильного двигателя. Основные допущения

2.3. Построение математической модели вентильного двигателя.

2.4. Программная реализация математической модели вентильного двигателя.

2.5. Математическая модель датчика положения ротора.

2.6. Результаты расчета.

Выводы.

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В УСТРОЙСТВЕ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ.

3.1. Принципиальная схема импульсного преобразователя для питания ВД.

3.2. Математическая модель силовой части ИП .П

3.3. Моделирование процессов изменения состояния вентиля.

3.4. Программная реализация математической модели

3.5. Расчет силовой схемы ИП

Выводы.

4. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВД В РЕЖИМАХ ПУСКА И РЕВЕРСА ВРАЩЕНИЯ.

4.1. Особенности режима пуска ВД.

4.2. Система управления реверсивного ВД

4.3. Устройство для пуска ВД при питании от источника постоянного напряжения

4.4. Построение выходных устройств СУ ВД.

4.5. Построение датчика положения ротора

4.6. Особенности работы СУ и методы повышения помехоустойчивости

Выводы.

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

5.1. Лабораторный макет ВД и устройства электропитания

5.2. Результаты экспериментальных исследований.

Вывода.

В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981-1985 годы и на период до 1990 года", утвержденных ХХУ1 съездом КПСС, указано на необходимость обеспечить в ближайшее десятилетие "дальнейший экономический прогресс общества, глубокие качественные сдвиги в материально-технической базе на основе ускорения научно-технического прогресса, интенсификации общественного производства, повышения его эффективности". Для решения этих задач перед промышленностью выдвинуты требования значительно увеличить масштабы создания, освоения и внедрения в производство новой высокоэффективной техники, обеспечивающей ростфоизводительности труда, снижение материалоемкости и энергоемкости, улучшение качества выпускаемой продукции, повышение ее конкурентоспособности на внешнем рынке. В частности, необходимо ". обеспечить ускоренное развитие средств автоматизации управления машинами и оборудованием, комплектных электроприводов с ти-ристорными преобразователями, . значительно увеличить производство высокомоментных электродвигателей; . обеспечить создание и начать производство малотоннажных грузовых электромобилей с эффективными источниками тока для внутригородских перевозок; . значительно увеличить выпуск новых видов горнотранспортных машин". При этом подчеркнуто, что особое"внимание необходимо уделить разработке и освоению выпуска электротехнического оборудования, имеющего более высокий коэффициент полезного действия. Большая роль в решении этих задач принадлежит преобразовательной технике, являющейся одной из важных отраслей современного промышленного производства.

Значительные успехи в развитии силовой преобразовательной техники в последние десятилетия определили создание нового класса электрических машин - вентильных машин, которые находят все большее применение в автоматизированном электроприводе промышленных механизмов, тяговом электроприводе и т.п.

Устойчивый интерес к вентильным машинам определяется их высокими эксплуатационными показателями. Обладая электрическими характеристиками, близкими к характеристикам коллекторных машин постоянного тока независимого возбуждения, вентильные двигатели (БД) лишены недостатков, связанных с наличием коллекторно-щеточного узла. Это определяет возможность применения ВД в тех случаях, когда требуется обеспечить характеристики, присущие электроприводу постоянного тока, но машина постоянного тока не может быть применена из-за ограничений, связанных с большой мощностью установки, высокой частотой вращения, высокими рабочими напряжениями, взрыво- и пожа-роопасностью окружающей среды, требованиями по надежности и другими показателями.

Дальнейшее развитие теории и практики применения БД как нового класса электрических машин выдвинули в число наиболее важных задач вопросы повышения технико-экономических, энергетических и весо-габаритных показателей тиристорных преобразователей и в целом вентильных двигателей.

В современных вентильных машинах обычно преобразователь выполняется отдельно от синхронной машины и не составляет вместе с ней единую конструкцию. Это "отчуждение" преобразователя, а также общепромышленный тип используемой синхронной машины не позволяют еще на нынешнем этапе рассматривать вентильную машину как сложившийся, законченный тип электрической машины. Вопросы формирования требований к синхронной машине и преобразователю, диктуемых условиями их совместной работы, рационального проектирования и конструирования синхронной машины, выбора типа, параметров преобразователя и системы управления являются актуальными на настоящем этапе развития вентильных машин и регулируемых электроприводов на их основе [3 ] . Поэтому исследование режимов работы ВД на основе математических моделей, учитывающих особенности функционирования электрической машины в совокупности с конкретными типами преобразователей, учет характеристик и параметров источников питающего напряжения, разработка эффективных алгоритмов управления вентильным двигателем, обеспечивающих высокую надежность и необходимые эксплуатационные параметры, являются важными задачами и требуют своего дальнейшего развития.

В работах советских и зарубежных авторов 3, 22, 36, 55, 109, III ] достаточно полно исследованы установившиеся режимы работы ВД, проведены исследования коммутации, позволившие выявить основные факторы, влияющие на коммутационную устойчивость, и разработать рекомендации по выбору основных коммутационных параметров.

Коммутация тока в цепях ВД может быть выполнена различными способами. Во-первых, возможна коммутация при помощи ЭДС, наведенной в фазных обмотках синхронной машины. Такой способ коммутации может быть осуществлен при частоте вращения не ниже определенного уровня, при котором величина ЭДС достаточна для запирания вентилей преобразователя. Во-вторых, в качестве комцутирующего напряжения можно использовать напряжение питающей сети переменного тока. Возможность использования этого напряжения для коммутации зависит от параметров питающей сети, схемы вентильного преобразователя и соотношения частот напряжений сети и электрической машины. И, наконец, в-третьих, запирание вентилей преобразователя частоты ВД можно осуществить при помощи узлов принудительной коммутации, входящих в состав самого преобразователя. Таким образом, в пусковом режиме, когда величина ЭДС, наведенной в обмотках электрической машины, не в состоянии обеспечить коммутацию вентилей, кроме традиционной для любого типа электрических машин задачи ограничения пускового тока, возникает задача обеспечения коммутационной

Устойчивости.

Большинство работ, посвященных исследованию этого вопроса, выполнены для ВД с зависимым инвертором, питающимся от сети переменного тока через управляемый выпрямитель [з, 23, 98, 109^ В этом случае пуск ВД может быть обеспечен изменением алгоритма управления вентилями преобразователей. Способы моделирования режимов ВД с зависимым инвертором рассмотрены в работах 31, 56, 64 однако вопросам обеспечения устойчивой коммутации вентилей инвертора в пусковом режиме при различных нагрузках не уделено должного внимания.

Наиболее серьезной проблема пуска становится при питании ВД от нерегулируемого источника постоянного напряжения (аккумуляторная батарея, контактная сеть постоянного тока и т.п.). Для коммутации тока в обмотках ВД схецу преобразователя дополняют узлами принудительной коммутации, которые значительно усложняют силовую схему

37, 41, 43 ] . Кроме того, для ограничения пускового тока на входе ВД устанавливают устройства, позволяющие регулировать входное напряжение и осуществлять управляемый пуск [38, 40, 42] . Однако, такие машинно-вентильные системы сложны, громоздки и обладают низкими эксплуатационными параметрами, что сдерживает использование ВД в приводах электромобилей, городского и рудничного электротранспорта и т.п. Усовершенствование существующих и разработка новых схемных решений по обеспечению надежного функционирования ВД при питании от источника постоянного напряжения является актуальной задачей в области использования вентильных двигателей средней мощности, работающих в условиях частых пусков и остановок с различной нагрузкой.

Целью диссертационной работы является разработка устройств электропитания вентильного двигателя при работе от источника постоянного напряжения, исследование свойств и режимов работы преобразователей вентильного двигателя, их связь с другими функциональными узлами с точки зрения построения эффективных алгоритмов управления БД, разработка методики исследования электромагнитных и электромеханических процессов машинно-вентильной системы в пусковом режиме.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:

- анализа и выявления характерных особенностей функционирования ВД при питании от источника постоянного напряжения;

- разработки устройства электропитания ВД, обеспечивающего надежную работу в пусковом режиме и в области низкой частоты вращения;

- разработки методики исследования электромагнитных и электромеханических процессов в неустановившихся режимах работы ВД при питании от импульсного преобразователя;

- создания программ анализа процессов в устройстве электропитания вентильного двигателя при пуске;

- разработки и исследования устройств управления, обеспечивающих надежную работу машинно-вентильной системы и требуемое качество переходных процессов при пуске ВД.

Автор защищает следующие положения:

- структурную схему и результаты проектирования и исследования системы электропитания вентильного двигателя при работе от источника постоянного напряжения;

- методику анализа электромагнитных и электромеханических процессов в сложных машинно-вентильных системах;

- методики расчета переходных процессов в устройстве электропитания и вентильном двигателе при пуске;

- алгоритмы и программы анализа режимов работы вентильного двигателя и устройства электропитания;

- структурные схемы и результаты проектирования и исследования элементов системы управления.

Теоретические исследования выполнены с использованием методов переменных состояния, матричной алгебры, макромоделирования вентильных элементов, координатных преобразований уравнений синхронной машины. При разработке информационно-логической части системы управления использованы элементы алгебры логики и методы синтеза конечных автоматов. Численные расчеты проводились на ЦВМ серии ЕС с привлечением стандартных подпрограмм математического обеспечения. Достоверность теоретических положений и выводов диссертации подтверждена экспериментальными исследованиями в лабораторных и промышленных условиях.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- предложена методика моделирования сложных машинно-вентиль-ных систем, основанная на раздельном анализе процессов, протекающих с существенно различными скоростями;

- предложены принципы запуска вентильного двигателя при питании от источника постоянного напряжения;

- разработана методика анализа переходных процессов в вентильном двигателе при работе от источника постоянного напряжения через импульсный преобразователь;

- получены выражения для определения фазных токов двигателя в режимах принудительной и естественной коммутации вентилей инвертора;

- разработана методика анализа переходных процессов в вентильных преобразователях с емкостной коммутацией на основе макромоделирования вентильных элементов;

- разработаны алгоритмы расчета переходных процессов в машинно-вентильной системе с ВД;

- предложены принципы построения выходных устройств системы управления и датчика положения ротора, обеспечивающих надежное функционирование вентильного двигателя.

Новизна предложенных принципов и положений, реализованных в технических устройствах, подтверждена пятью авторскими свидетельствами.

Практическая ценность диссертационной работы:

- разработанная методика анализа позволяет эффективно и с высокой степенью точности производить расчет электромагнитных и электромеханических процессов в машинно-вентильной системе с БД при питании его от источника постоянного напряжения, предусматривает получение решения для отдельных преобразователей системы при различных режимах работы, что обеспечивает сокращение затрат машинного времени;

- предложенные принципы построения системы электропитания ВД от источника постоянного напряжения обеспечивают получение регулируемых приводов, реализующих широкий диапазон регулирования и требуемое качество переходных процессов в неустановившихся режимах при высокой помехоустойчивости и надежности функционирования машинно-вентильной системы; разработанные алгоритмы и программы анализа процессов в ВД и устройстве электропитания позволяют автоматизировать процесс проектирования и снизить трудоемкость разработки данных устройств.

Реализация полученных результатов:

- результаты теоретических исследований и опытные образцы системы управления и датчика положения ротора внедрены в общую схему управления вентильным двигателем мощностью 40 кВт в СКВ завода "Электромашина" (г.Харьков) с экономическим эффектом более 60 тыс.рублей;

- предложенная методика анализа режимов работы ВД использована при разработке преобразователей частоты для ВД тяговых установок на Запорожском ПО "Преобразователь".

Диссертационная работа, ее отдельные разделы и результаты докладывались на следующих конференциях и семинарах: Второй Всесоюзной научно-технической конференции по бесконтактным машинам постоянного тока (Москва, октябрь, 1975); республиканском семинаре Научного Совета АН УССР "Электромагнитные процессы в системах управления и регулирования энергетических установок" (Харьков, апрель, 1981); Втором межведомственном научно-техническом совещании "Проблемы электромагнитной совместимости силовых полупроводниковых преобразователей" (Таллин, октябрь, 1982); Третьей Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы преобразовательной техники" (Киев, октябрь, 1983); республиканском семинаре Научного Совета АН УССР "Электрические цепи с вентильными элементами" (Киев, 1982-1984); Всесоюзном научно-техническом семинаре "Статические источники питания ответственных потребителей переменного тока" (Москва, март, 1984).

По результатам выполненных исследований опубликовано 7 статей и получено 5 авторских свидетельств СССР на изобретения.

Материалы работы вошли составной частью в научно-технические отчеты по темам: "Разработка и исследование системы управления и силовой части преобразователя бесконтактной машины постоян- „ ного тока (номер государственной регистрации 77047631) и "Разработка и исследование системы управления и регулирования бесконтактным двигателем постоянного тока мощностью 40 кВт" (номер государственной регистрации 78044267).

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, а также содержит список литературы и приложения.

Выводы

1. Экспериментальные исследования режимов работы ВД и устройства электропитания подтвердили правильность разработанной методики анализа сложной машинно-вентильной системы и достоверность основных результатов теоретических исследований, приведенных в предыдущих главах.

2. Разработанные математические модели узлов машинно-вентильной системы с достаточной точностью отражают свойства моделируемых устройств и характер происходящих в них процессов.

- 199

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработаны принципы построения системы электропитания ВД, обеспечивающей регулирование тока двигателя и коммутацию вентилей инвертора в процессе пуска. Система сочетает принудительную коммутацию на начальном этапе пуска с естественной при достижении двигателем определенной частоты вращения.

2. Разработано устройство электропитания ВД, совмещающее в одном функциональном узле свойства регулятора постоянного тока и коммутатора вентилей преобразователя ВД в пусковом режиме.

3. Предложена методика исследования сложных машинно-вентильных систем, основанная на раздельном анализе процессов, скорости протекания которых отличаются на несколько порядков. Методика позволяет исследовать отдельные функциональные элементы системы с учетом их взаимного влияния друг на друга, что существенно упрощает анализ и сокращает затраты машинного времени.

4. Разработана математическая модель ВД в условиях принудительной и естественной коммутации вентилей инвертора. Модель учитывает специфику функционирования синхронной машины в переходных режимах при питании обмоток статора от сложной вентильной структуры с двухкратным преобразованием энергии.

5. Предложена методика моделирования вентильных преобразователей с емкостной коммутацией, основанная на использовании макромодели вентильных элементов. Исследование математической модели устройства электропитания ВД позволило разработать схему импульсного преобразователя, обеспечивающего существенное снижение уровня коммутационных перенапряжений на зажимах вентильного двигателя.

6. На основании численных расчетов, проведенных йа математической модели, даны практические рекомендации по рациональному выбору параметров импульсного преобразователя, нагруженного на вентильный двигатель.

7. Разработаны программы, в которых реализованы алгоритмы анализа сложной преобразовательной системы с ВД и использованы стандартные подпрограммы математического обеспечения ЦВМ. Это позволяет сократить время, затрачиваемое на исследование и автоматизировать процесс проектирования устройств.

8. Предложены принципы запуска ВД и алгоритмы управления преобразователей машинно-вентильной системы при питании ВД от нерегулируемого источника постоянного напряжения. Разработаны схемотехнические решения, позволяющие на современной элементной базе реализовать выбранные алгоритмы функционирования вентильных преобразователей. Основные технические решения, полученные в ходе выполнения работы, защищены пятью авторскими свидетельствами СССР.

9. Эффективность схемотехнических решений, а также достоверность выводов и рекомендаций, полученных в работе, подтверждена при их использовании и промышленном внедрении на Запорожском производственном объединении "Преобразователь" и Харьковском заводе и СКВ "Электромашина" с экономическим эффектом более 80 тыс. руб.

1. Алексеев А.Е. Тяговые электрические машины и преобразователи. - М.: Энергия, 1977. - 444 с.

2. Андреев B.C. Теория нелинейных электрических цепей. М.: Радио и связь, 1982. - 280 с.

3. Аракелян А.К., Афанасьев A.A., Чиликин М.Г. Вентильный электропривод с синхронным двигателем и зависимым инвертором.1. М.: Энергия, 1977. 224 с.

4. A.c. 612355 (СССР). Устройство для пуска вентильной машины постоянного тока/А.В.Черкашин, Ф.И.Пискун, А.И.Тарасенко -Опубл. в Б.И., 1978, № 23.

5. A.c. 718875 (СССР). Устройство для пуска вентильной машины постоянного тока/А.В.Черкашин, З.С.Черкашина, Ф.И.Пискун, А.И.Тарасенко Опубл. в Б.И., 1980, № 8.

6. A.c. 738095 (СССР). Устройство для управления тиристорным преобразователем/А.В.Черкашин, А.И.Тарасенко, Ф.И.Пискун -Опубл. в Б.И., 1980, Я 20.

7. A.c. 868967 (СССР). Устройство для управления статическим преобразователем/А.В.Черкашин, З.С.Черкашина, А.И.Тарасенко, Ф.И.Пискун Опубл. в Б.И., 1981, № 36.

8. A.c. 997219 (СССР). Устройство для пуска вентильного двигателя с зависимым инвертором/А.В.Черкашин, З.С.Черкашина, А.И.Тарасенко, Ф.И.Пискун Опубл. в Б.И., 1983, № 6.

9. Бахвалов Н«С. Численные методы. М.: Наука, 1973. - 632 с.

10. Башарин A.B., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами. Л.: Энергоиздат, 1982. - 392 с.

11. Бедфорд Б., Хофт Р. Теория автономных инверторов. М.: Энергия, 1969. - 280 с.

12. Бессонов Л.А. Нелинейные электрические цепи. М.: Высшаяшкола, 1977. 344 с.

13. Бирзниекс Л.В. Импульсные преобразователи постоянного тока. -М.: Энергия, 1974. 256 с.

14. Бондаренко В.М. Вопросы анализа нелинейных электрических и электронных цепей.-Киев: Наукова думка, 1967. 158 с.

15. Брон Л.П. Интегрирование системы интегро-дифференциальных уравнений произвольной электрической цепи с сосредоточенными параметрами. Известия АН СССР. Энергетика и транспорт, 1974, № 4, с. 98-104.

16. Брускин Д.Е., Зорохович А.Е., Хвостов B.C. Электрические машины и микромашины. М.: Высшая школа, 1981. - 432 с.

17. Букреев И.Н., Мансуров Б.М., Горячев В.И. Микроэлектронные схемы цифровых устройств. М.: Советское радио, 1975. - 368 с.

18. Бурым В.М., Макаров А.М., Михалевич Г.А. Решение уравнений состояния электрических цепей с применением рядов Уолша. -Киев: ИЭД АН УССР. Препринт 104, 1975. - 48 с.

19. Вавилов E.H., Портной Г.П. Синтез схем электронных цифровых машин. М.: Советское радио, 1963. - 440 с.

20. Вахнов А.И. Основы теории переходных процессов синхронной машины. М.: Госэнергоиздат, i960. - 312 с.

21. Веников В.А., Жуков Л.А. Переходные процессы в электрических системах М.: Госэнергоиздат, 1953. - 280 с.

22. Вентильные двигатели и их применение на электропрдвижном транспорте/Под ред. Б.Н.Тихменева. М.: Транспорт, 1976. -280 с.

23. Воскобойник В.Э., Дегтяренко O.A. Математическая модель вентильного двигателя для режима искусственной комцутации. -РЖ. Электротехника и энергетика, 1983, № 3 (3KI65 ДЕЛ).

24. Глазенко Т.А. Полупроводниковые цреобразователи в электроприводах постоянного тока. Л.: Энергия, 1973. - 304 с.

25. Глазенко Т.А., Гончаренко Р.Б. Полупроводниковые преобразователи частоты в электроприводах. Л.: Энергия, 1969. - 184 с.

26. Горев A.A. Переходные процессы синхронной машины. М.: Гос-энергоиздат, 1950. - 552 с.

27. Грабовецкий Г.В. Применение переключающих функций для анализа электромагнитных процессов в силовых цепях вентильных преобразователей частоты. Электричество, 1973, № б, с. 42-46.

28. Гультяев А.Н., Семенов В.В. Электрическая трансмиссия аккумуляторного электромобиля с промежуточным звеном переменного тока и тяговым вентильным двигателем. В кн.: Проблемы преобразовательной техники, ч. 7. - Киев: ИЭД АН УССР, 1983,с. 85-86.

29. Дезоер Ч.А., Ку Э.С. Основы теории цепей. М.: Связь, 1976. -288 с.

30. Демидович Б.П., Марон И.А., Шувалова Э.З. Численные методы анализа. М.: Физматгиз, 1963. - 400 с.

31. Деров А.Н., Сидельников Б.В., Фетисов В.В. Математическая модель вентильного двигателя. ЭП. Электропривод, 1978, вып. 2, с. 12-14.

32. Дижур Д.П. Метод моделирования на ЦВМ вентильных преобразовательных схем. Известия НИИПТ. Сб. 16, 1970, с. 46-53.

33. Дижур Д.П. Моделирование передачи постоянного тока на ЦВМ. -Известия НИИПТ. Сб. 17, 1971, с. 44-50.

34. Долбня В.Т. Топологические методы анализа и синтеза электрических цепей и систем. Харьков: Выща школа, 1974. - 146 с.

35. Жемчугов Г.А., Погосов A.A. Полная система дифференциальных уравнений вентильного двигателя постоянного тока. Электричество, 1977, № 5, с. 55-59.

36. Завалишин Д.А. Вентильный электродвигатель трехфазного переменного тока и уточненное обоснование построения его рабочих37,38,39,40,41,42,43,44