автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Исследование вентильно-индукторных электроприводов насосных агрегатов подводных лодок

На правах рукописи

003053727

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЕНТИЛЫЮ-ИНДУКТОРНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ ПОДВОДНЫХ ЛОДОК

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2007

003053727

Работа выполнена на кафедре «Судовой электроэнергетики и электротехники» Филиала «СЕВМАШВТУЗ» государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет» в г. Северодвинске.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

ВИЛЕСОВ Дмитрий Васильевич

Научный руководитель: кандидат технических наук

НИКИФОРОВ Борис Владимирович

Научный консультант:

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

КОРНЕВ Александр Сергеевич

кандидат технических наук, доцент ТОМАСОВ Валентин Сергеевич

Ведущая организация: ФГУП НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЕ

ПРОЕКТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ БЮРО «ОНЕГА»

Защита состоится « 26 » февраля 2007г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.228.03 при Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете по адресу: 190008, Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, 3

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного морского технического университета.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направлять по адресу: 190008, Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, д.З

Автореферат разослан « 22 » января 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор техн. наук, профессор

А.П. Сеньков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Сложившееся состояние отечественного флота, непрерывный рост требований к его эффективности, уменьшение количества строящихся заказов выдвигает настоятельную необходимость повысить надежность и качество вновь строящейся, эксплуатируемой и ремонтируемой техники.

Одной из ключевых является проблема создания регулируемого высокоэкономичного привода вспомогательных механизмов, в частности, насосных агрегатов ПЛ с традиционно повышенными требованиями в части экономических, массогабаритных и виброакустических характеристик.

Значительные успехи силовой электроники, а именно промышленное производство биполярных транзисторов с изолированным затвором (ЮВТ), силовых модулей на их основе, силовых интеллектуальных модулей (1РМ) со встроенными средствами зашиты ключей и интерфейсами для непосредственного подключения к микропроцессорным системам управления, а также рост степени интеграции в микропроцессорной технике и переход от микропроцессоров к микроконтроллерам со встроенным набором специализированных периферийных устройств сделали возможным использование сложных и более эффективных оптимальных законов управления. Это позволило создать новый тип регулируемых электроприводов - электромашинно-вентильные системы (ЭМВС), представляющих собой совокупность электромеханического преобразователя энергии и нескольких полупроводниковых преобразователей энергии с цепями их управления и питания. Переход от нерегулируемых электроприводов с релейно-контакгорными цепями управления и защиты к регулируемым приводам на базе интеллектуальных силовых преобразователей дает экономию от 25% до 70% энергии, снижает пусковые токи и токи коротких замыканий.

Получившие широкое распространение в различных отраслях производства частотно-регулируемые электроприводы на базе традиционных электромеханических и электронных преобразователей не удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым к корабельным электроприводам.

Одним из радикальных путей улучшения характеристик установок для ПЛ является применение вентильно-индукторных электроприводов (ВИП), что позволит существенно снизить электропотребление, повысить надежность и управляемость механизмов. По сравнению с асинхронными двигателями они конструктивно проще, технологичнее в изготовлении и обладают более высоким КПД. К тому же они способны использовать токи повышенной частоты, имеют простую конструкцию ротора, обладают высокой надежностью, хорошо регулируются и способны работать в тяжелых условиях эксплуатации.

Принципиальной особенностью вентильных индукторных электроприводов является то, что реализация их потенциально высоких технических показателей возможна только за счет совместного целенаправленного проектирования как собственно электромеханического преобразователя, так и системы управления и автоматики, без которых работа этого электрооборудования в условиях ПЛ принципиально невозможна.

Все это определяет актуальность темы диссертационной работы, в которой решается научно-техническая проблема - повышение технического уровня и эффективности работы корабельных регулируемых электроприводов ПЛ за счет нового поколения средств автоматизации, принципиально отличающихся от известных как по элементной базе, так и по принципам построения. Это обеспечивает

повышение тактико-технических характеристик ПЛ, имеющих важное значение для боеспособности ВМФ и обороны РФ.

Цель работы. Повышение качества ЭЭС ПЛ с помощью вентильно- индукторного электропривода насосного агрегата с улучшенными энергетическими, массогабаритными и виброакустическими характеристиками.

Для достижения указанной цели решаются следующие задачи:

• сравнительный анализ регулируемых электроприводов с точки зрения работоспособности в корабельных условиях;

• анализ перспективности вентильно- индукторного привода для ЭЭС ПЛ;

• исследование математической модели системы ВИП;

• проработка вопросов оптимального проектирования и управления ВИП;

• разработка алгоритма проектирования ВИП и его программная реализация;

• разработка математической модели для комплексного проектирования электронасосного агрегата с ВИП, позволяющей исследовать статические и динамические режимы;

• исследования алгоритмов управления ВИП;

• теоретическое и экспериментальное исследование насосных установок с вентильно- индукторным приводом;

• исследование виброакустических характеристик и разработка методов снижения шума и вибрации насосных агрегатов с ВИП.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы физического и математического моделирования, положения теории электрических машин, практические аспекты промышленной электроники и вычислительной техники. Для решения поставленных задач систематизированы знания в области виброакустических исследований электрических машин, теоретических основ электротехники, математического моделирования, системных методов решения дифференциальных уравнений, методов оптимизации. Выполнены вычислительный, лабораторный и натурный эксперименты с использованием современного виброакустического измерительного оборудования.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

• проведен подробный анализ конструкций и конструктивных параметров индукторных машин;

• разработана методика построения математической модели для выполнения оптимизационных расчетов при проектировании ВИД с использованием информации, получаемой на основе расчета электромагнитных процессов;

• проведена численная реализация данной математической модели и проверка адекватности на примере ВИД мощностью 5,5 кВт;

• разработан алгоритм расчета математической модели в среде MathCAD;

• проведены исследования управляющих воздействий вентильно- индукторного привода;

• реализована средствами компьютерного моделирования математическая модель единой электрогидромеханической системы «индукторный двигатель - насос»;

• рассмотрена возможность снижения гидравлического удара в корабельных системах за счет оптимизации управляющих воздействий ВИП;

• разработана методика создания малошумных насосных агрегатов на основе индукторного двигателя;

• проведено сравнение результатов уровней шума и вибрации исследуемого привода с испытаниями в натурных условиях заказов.

Практическая ценность. Результаты имеют практическую ценность при создании корабельных регулируемых электроприводов за счет совместного целенаправленного проектирования электромеханического преобразователя и системы управления, при котором расширяются функциональные возможности этих систем, обеспечивается реализация сложных и более эффективных алгоритмов управления, что позволяет улучшить массогабаритные, энергетические, акустические и другие показатели разрабатываемого оборудования.

Реализация результатов работы. Теоретические и практические результаты диссертации используются при разработке перспективных технологий ремонта и при ремонте кораблей на ФГУП «Машиностроительное предприятие «Звездочка», а также в учебном процессе на кафедре «Судовой электроэнергетики и электротехники» Филиала «СЕВМАШВТУЗ» государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет» в г. Северодвинске при подготовке специалистов по дисциплине «Судовые электроэнергетические комплексы». Научные положения, выносимые на защиту:

• сравнительный анализ основных типов электрических машин с учетом особенностей работы в составе корабельных электроэнергетических систем;

• методика построения математической модели для выполнения оптимизационных расчетов при проектировании ВИД с использованием информации, получаемой на основе расчета электромагнитных процессов, позволяющая оперативно учитывать изменение геометрических параметров, числа зубцов и фаз ИД, обеспечивающая при этом достаточную точность расчета электромагнитных процессов;

• реализованная средствами компьютерного моделирования математическая модель единой электрогидромеханической системы «индукторный двигатель - насос»;

• методы и средства снижения уровня шума и вибрации электрогидромеханической системы «индукторный двигатель - насос» при использовании эффективного энергосберегающего управления.

Достоверность и обоснованность основных полученных результатов диссертационной работы обусловлена:

• применением современного математического аппарата, вычислительной техники и программного обеспечения;

• согласованностью теоретических положений и результатов расчетов с данными, полученными при натурных экспериментах, а также с теоретическими положениями, приведенными в технической литературе. Апробация работы. Основные материалы и результаты диссертационной

работы докладывались и обсуждались:

• на XXIII сессии семинара «Электроснабжение промышленных предприятий: Кибернетика электрических систем». -Новочеркасск: 25-28 сентября 2002г.;

• на конференции Северного отделения научно-технического общества судостроителей им. академика А.Н. Крылова «Вопросы технологии, эффективности производства и надежности». -Северодвинск: 19 ноября 2001г.;

• на региональной научно-практической конференции «ОКЕАНОТЕХНИКА И ГЕОЛОГИЯ: ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ ШЕЛЬФА» ОКЕАНГЕО-2005. -Северодвинск: 24-25 июня 2005г.;

• на научно-технической конференции «Проблемы корабельной энергетики и электроники». -Северодвинск: 21 ноября 2005г.;

• на межотраслевом научно-техническом семинаре «Силовая электроника корабельных электротехнических комплексов». - Новочеркасск: 22 мая 2006 г.

• на научно-практической конференции «Роль науки и образования в развитии производительных сил предприятий ГРЦАС» (в рамках XXXV Ломоносовских чтений), //секция «Электроэнергетика, электротехника и системы автоматики», -Северодвинск: 15-16 ноября 2006г.;

• обсуждены на заседаниях кафедр «Электротехника и электрооборудование судов» СПбГМТУ и «Судовая электроэнергетика и электротехника» филиала «СЕВМАШВТУЗ» СПбГМТУ.

Публикации. Основные научные результаты диссертационной работы отражены в 10 статьях, 1 учебно-методическом пособии и одних тезисах доклада.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы из 91 наименования и 3 приложений. Общий объем работы 197 страница текста, 159 рисунков, 17 таблиц и 13 страниц приложений.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, а также вопросы научной новизны и практической ценности результатов исследований. Изложены основные положения, выносимые на защиту, описана структура диссертации и приведены данные по внедрению полученных результатов.

В первой главе выполнен детальный обзор работ, опубликованных в отечественной и зарубежной технической литературе и посвященных созданию современных регулируемых электроприводов (РЭП). Рассмотрены тенденции развития и важные показатели РЭП с распространенными машинами переменного и постоянного тока. Произведен сравнительный анализ электродвигателей с точки зрения работоспособности в корабельных условиях.

Приведена общая характеристика, условия эксплуатации и данные о конструкции и управляемости индукторных электродвигателей (ИД). В результате определилась уверенная перспектива ИД для применения в качестве приводов вспомогательных механизмов ПЛ по всем определенным критериям.

Произведена оценка возможности применения индукторного двигателя в составе насосного агрегата. Приведены результаты исследований энергетической и экономической эффективности работы насосного агрегата с ИД. Приведены сравнительные данные по энергозатратам и КПД насосных агрегатов при работе с регулируемым ИД и штатными асинхронными двигателями, которые показали явное преимущество ИД.

Проведенный анализ показал, что применение ИД для привода насосных агрегатов (НА) позволяет получить и ряд других преимуществ, таких как:

• устранение гидравлического удара при плавном пуске, что важно для общекорабельных систем ПЛ при необходимости замещения резких изменений масс;

• возможность дистанционного управления одним или более агрегатами по заданной программе;

• снижение нагрузки на электросеть при пуске двигателя, что продлевает срок эксплуатации не только сети, но и привода;

• увеличенное количество функций защиты - от перегрева двигателя, «сухого хода», пуска двигателя с заклиненным ротором, пониженного или повышенного напряжения и т. д.

Рассмотрены особенности проектирования малошумных ВИМ и намечены пути снижения шума и вибрации индукторных машин.

На основе анализа теоретических и практических работ в области структур электропривода и машин с переменным магнитным сопротивлением были сформулированы основные задачи данной работы.

Во второй главе изложены результаты исследования математической модели системы вентильно-индукторного электропривода, рассмотрены структура и основные уравнения ВИП, осуществлен анализ методов исследования ВИД. Проработаны вопросы оптимального проектирования и управления ВИП. Разработаны алгоритм проектирования ВИП и его компьютерная реализация.

Полное математическое описание системы ВИП (рис.1) в соответствии с определением электропривода как электромеханической системы, состоящей из взаимодействующих электрических, электромеханических и механических преобразователей, управляющих и информационных устройств и устройств сопряжения с внешними системами, является достаточно сложным. Это связано с нелинейным характером взаимосвязей и непостоянством параметров отдельных элементов, большим числом взаимосвязанных накопителей электрической и магнитной энергии, дискретностью работы силовых преобразователей и информационно-управляющих подсистем. Одновременное протекание электромагнитных, механических и тепловых процессов предполагает создание соответствующих моделей, адекватно отражающих реальные физические процессы.

Рис. 1. Структура вентильно-индукторного электропривода

Приведена методика построения математической модели, позволяющей оперативно учитывать изменение геометрических размеров, числа зубцов и фаз двигателя и при этом обеспечивает достаточную точность расчёта электромагнитного момента. Выполнена ее численная реализация и проверка адекватности на примере ВИД мощностью 5,5 кВт.

При исследовании созданной модели электромагнитный момент рассчитывается по изменению коэнергии или энергии ¿ДО',,, в функции угловой координаты с/9, в пределах которой ток г или потокосцепление (^считаются постоянными:

М =*

ао

ёв

Уравнение электрического равновесия для любой./-ой фазы {]- 2.

(¡0

. — : и (____— и I <->-/_

'МО

= Г,Я, + -—---+ -

(1)

(2)

ч'' <й ч" 0 Л где 1 - напряжение и ток фазной обмотки; /?,■ = Д - полное сопротивление цепи фазы.

От временной зависимости в (2) удобнее перейти к угловой с учетом того, что в= ш/. а коммутация фаз происходит в дискретные моменты времени /„ по сигналам датчика положения ротора 9„

. (3)

Выражение для баланса энергии в процессе очередного цикла коммутации

ИД

и,-ФУ

Л Ж 2 У Г

1 .2 сИ{0) -—г—о.

2 (¡в

(4)

Эскиз магнитной системы четырехфазного ВИД-5,5 представлен на рис. 2.

Рис. 2. Разрез магнитной системы ВИД I - обмотка статора; 2 - статор; 3 - ротор;4 - датчик положения ротора; 5 - вентилятор

На рис. 3. приведена схема замещения магнитной цепи 4-х фаз но го ВИД, где Ф - магнитный поток, проходяший по зубцу статора, ротора и через воздушный зазор; Йд- переменное линейное сопротивление воздушного зазора; - нелинейное магнитное сопротивление воздушного зазора ВИД; Л, - нелинейное магнитное сопротивление зубца статора; Кщ, - нелинейное магнитное сопротивление ярма ротора; - нелинейное магнитное сопротивление ярма статора; /-ток в фазной катушке ВИД; IV - число витков фазной катушки ВИД. Принимается, что на одну из фаз двигателя подается питающее напряжение.

Схема замещения получена при определенных допущениях, связанных с наличием магнитной связи только в фазных катушках и симметрией магнитной системы. Анализ магнитной цепи (рис. 3) позволяет эквивалентировать ее более простой схемой замещения (рис. 4), что приводит к увеличению быстродействия расчетов при численной реализации модели.

Рис. 3. Схема замещения магнитной системы ВИД

Ф

Ям

■с*

Рис. 4. Эквивалентная схема замещения магнитной цепи

Вебер-амперные характеристики нелинейных магнитных сопротивлений схемы рис. 3 получаются стандартным образом путем пересчета основной кривой намагничивания В(Н) в кривую Ф(С/т), где Ф = В*Б, ит = Н*1. Здесь и / - соответственно сечение и длина средней линии элементов магнитной системы. 11м на схеме получается стандартным суммированием ВАХ Яр, Яяр, Я,,,.

Для получения тока и момента ВИД на уровне мгновенных значений запишем уравнения 2-го закона Кирхгофа для электрической и магнитной цепей ВИД:

где у/- потокосцепление обмотки катушки статора, ц/ = мФ; и - напряжение источника питания; / — ток в катушке зубца статора; Я„б — сопротивление (омическое) обмотки, намотанной на зубец статора; м> - число витков одной катушки статора; сопротивление воздушного зазора; ит(Ф)~ магнитное напряжение на нелинейном магнитном сопротивлении Ям.

Электромагнитный момент определим через изменение энергии, запасенной магнитным полем путем численного дифференцирования магнитной энергии, запасенной в катушке зубца статора, по углу.

(6)

м> = 2 Лгф + ит(ф),

где М— мгновенный момент ВИД; 0 — угловая координата положения ротора относительно статора; у/- потокосцепление катушки зубца статора. Средний момент:

где Т - период питания двигателя.

Для расчета магнитного поля в воздушном зазоре ВИД используется метод Поля, позволяющий получать простые аналитические формулы. Учет насыщения стали ВИД производится на стадии численных экспериментов путем введения в формулы эмпирических коэффициентов.

Сопротивление зазора Яз вычисляется в пределах зубцового деления статора для нескольких промежуточных положений ротора.

Автором разработан алгоритм проектирования ВИП, который при определенных допущениях связывает существенные признаки (геометрические размеры, обмоточные данные, характеристики материалов, параметры электронного коммутатора и др.) с главными функциональными и энергетическими характеристиками машины.

Основные результаты расчетов по разработанному алгоритму с использованием возможностей программного пакета МаШСАБ представлены на рис. 5-6.

Рис. 5. Семейство кривых ц/(1\\>) при изменении положения ротора в интервале в

о

(8)

м.н>

I. А

Рис. 6. Кривые изменения тока, потока, момента и проводимости зазора

на такте коммутации

Рассмотрены вопросы оптимального проектирования и управления ВИП, в частности, оценено влияние числа фаз, основных геометрических размеров, потерь в стали и меди.

Представлены рекомендуемые значения отношения Х = 13/т (полюсное деление г = пИ/Nр) и удельной силы Гуд в зависимости от номинальной частоты

вращения, области изменений удельной силы в зависимости от номинальной частоты вращения двигателя, зависимости числа зубцов статора от номинальной частоты вращения двигателя, рекомендуемые области изменения индукции в ярмах для электропривода малой и средней мощности.

Рассмотренная методика поиска оптимальной геометрии зубцовой зоны и закона управления может быть применена для широкого диапазона мощностей ИД, может обеспечить низкий уровень пульсации момента в сочетании с высоким значением КПД, обеспечить низкий уровень ВШХ, а также служить основой разработки методики определения минимальных массогабаритных показателей электропривода, что важно для ПЛ.

Главной электромагнитной причиной возникновения вибрации и шума являются пульсации радиальных сил. Основными способами снижения вибрации и шума являются: увеличение жесткости магнитопровода, снижение электромагнитных нагрузок и правильный подбор параметров импульсов напряжения, подаваемых на обмотку ИД.

Расчет изменения радиальной силы в функции углового положения ротора строится на основе энергетического подхода. Значение силы для углового положения а одной фазы определяется как частная производная энергии контуров по перемещению в радиальном направлении при условии постоянства потоков:

рук = —ТГ I ф*= соШ> к = 1>—т ' (9)

ад

где Гук - значение радиальной силы, создаваемой полюсами с катушками к-й фазы; W^ — магнитная энергия катушек к-й фазы, обусловленная магнитным полем воздушного зазора Ф*.; 8- воздушный зазор; т - число фаз.

Практически сила определяется применением разностной схемы:

Гуь -Ъ(-Х) +Щ.2;) , (Ю)

где Л8 - шаг дифференцирования в мм; ~ магнитная энергия к-й

фазы, при расстоянии зубцов статора от зубцов ротора на - -2А5...+2Л8, соответственно.

Минимальные пульсации момента достигаются за счет значительного увеличения числа фаз. Поэтому достижение минимума радиальных сил становится основной задачей по снижению вибрации и шума.

В третьей главе рассмотрены вопросы моделирования насосных установок с вентильно- индукторными приводами.

В задачу данной главы входит разработка методики формирования базы данных, дающей обобщенное представление об энергетических, виброакустических, массогабаритных и других показателях системы «статический преобразователь — индукторный двигатель - центробежный насос». Необходимо установить связь между расходом (производительностью) центробежного насоса и системой электропитания двигателя для использования как в управлении производительностью насоса, так и для измерения текущего расхода. Кроме того, нужно установить связь между КПД, массой, габаритами и виброакустическими свойствами

системы «статический преобразователь - индукторный двигатель — центробежный насос».

Для этого производились расчетно-экспериментальное определение параметров вентильно-индукторного привода насосного агрегата.

Исходными данными для экспериментального получения кривой намагничивания являются оцифрованные значения осциллограмм напряжения и(у') и тока Щ в фазе, полученных при фиксированном положении ротора в. Предварительно должно быть измерено активное сопротивление фазы /ф.

Значение ЭДС фазы рассчитывается по формуле

е(1)=и(1)-Щ)-гф. (11)

Значения потокосцепления находятся численным интегрированием сигнала ЭДС

Г(0 = )е(1)Л = У0+ £е(к)Л1, (12)

X к=I

'о

где /0 - момент времени, в который значение тока изменяет знак (переходит через ноль); Д/ - интервал между соседними замерами мгновенных значений величин; N = (/- /о) / А? - число замеров от до текущего момента времени

Исходные осциллограммы 1/(0, ¡(7) и расчетные графики е(() показаны на рис.7 для двух случаев питания обмотки: непосредственно от источника переменного напряжения (автотрансформатора) и при однополупериодном выпрямлении.

Начальное значение потокосцепления % = заранее неизвестно и на начальном этапе расчета задается равным нулю.

а) синусоидальное питание б) однополупериодный выпрямитель

Рис. 7. Исходные осциллограммы

На рис.8 показаны расчетные графики Ч\п), п= 1 ...1Я. В данном случае использовался интервал измерения Д/=15мкс (период сети 20мс дает N=1333).

По значениям ¡(0 -и 4'(/) строится фазовый портрет 1Р(/) цикла перемагничи-вания (рис. 9), по которому может быть произведена оценка энергии и мощности предельного цикла коммутации и потерь в стали.

а) % = 0

б) <Р0 = -ДУо

I - -50 -30

Двуполярный так

Рис. 9. Кривые намагничивания

Следует отметить, что дополнительно приведение графика ¥(/) фазы к кривой намагничивания стали В(Н) позволит не только проверить соответствие реальных параметров стали расчетным значениям и техническим нормам, но и обоснованно сравнивать между собой ВИМ различной конфигурации, размеров и исполнений.

Для приведения кривой Ч/(/) к кривой В(Н) необходимо знать геометрические размеры магнитной системы. С помощью упрощенного соотношения Ч*=\уФ кривая Ч\г) может быть пересчитана в эквивалентную ей по энергетическим показателям кривую <£(/и>). Причем, поток Ф является расчетной величиной и совпадает с рабочим потоком Ф& только если пренебречь потоками рассеяния Фа. Более строгое определение потокосцепления обмотки

Г = = ХК+ФЛ= + (13)

*=1 к=1 к=1

предполагает, что Ф& связан со всеми витками обмотки, а Ф„ имеет для каждого витка собственное значение.

Если допустить, что весь поток Фв проходит через торцевую поверхность зубца, то среднее значение индукции в воздушном зазоре находится:

Вв=Фе!5г. (14)

На рис.10 приведены графики и В15 в функции от МДС обмотки 1п\ Там же приведены графики составляющих МДС фазы Н1„ и #4. Падение МДС на воздушном зазоре рассчитывается по формуле

Н1е=В^/р0, (15)

а падение МДС в стали находится как разность

Н1„ = 1м< - Щ • (16)

111, А 4000 ■■ 3000 2000 1000 -

В,Тд

1000

2000

¡\г=ПП, А

Рис. 10. Зависимости В(Ы) и Н1(Ы) для различных участков магнитной цепи

Следующим этапом исследования единой электрогидромеханической системы «статический преобразователь - индукторный двигатель - центробежный насос» является создание математической модели насосного агрегата с ВИП. Расчетная схема представлена на рис.11

Рис. 11. Расчетная многомассовая схема насоса как динамического объекта

На рис. 11 обозначено: 1— пружина первого торцевого уплотнения с жесткостью си1; 2- масса первого подвижного патрона с уплотнительным кольцом и пружиной; 3, 4- левое и правое кольца первого торцевого уплотнения, между которыми существуют силы вязкого трения с коэффициентом кт\, 5- колеса 1-й и 2-й ступеней и камерой разгрузки от осевых сил; 6- масса колес и вала насоса; 7, 8-левое и правое кольца второго торцевого уплотнения, между которыми существуют силы вязкого трения с коэффициентом кт2; 9 - масса второго подвижного патрона с уплотнительным кольцом и пружиной; 10— пружина второго торцевого уплотнения с жесткостью ст2; 11- корпус насоса; 12- радиально-упорный подшипник электродвигателя как податливое звено вала; 13- инерционная масса ротора двигателя; 14- корпус ИД.

С участием автора создана оболочка программы для исследований насоса, как динамического объекта, с дальнейшим уточнением численных значений параметров.

При создании математической модели приняты следующие допущения: между уплотнительными кольцами торцевого типа всегда есть водяная пленка тол-

щиной 5, играющая роль смазки. Равновесие сил обеспечивается соответствующим усилием пружин, сжатых при сборке насоса. Одним из результатов численного эксперимента расчетной модели является, например, переходный процесс изменения осевого усилия на радиальном подшипнике.

Математический анализ конструкции центробежного насоса для которого проведены расчеты, позволяет разрабатывать рекомендации для совершенствования конструкции как привода, так и насоса. Причем эффективность предложенных рекомендаций можно проверить с помощью данной математической модели.

В четвертой главе проведены экспериментальные исследования управляющих воздействий вентильно-индукторного привода в зависимости от режимов работы в условиях стенда с электромагнитным нагрузочным устройством и на гидродинамическом стенде в составе насосного агрегата. Полученные результаты должны служить основанием для создания алгоритма управления фазными обмотками и проектирования системы электроснабжения ИД корабельных насосных агрегатов.

Исследовалось влияние нагрузки на форму тока при постоянстве скорости и влияние скорости на форму токов при постоянстве момента. Проводились исследования механических характеристик при постоянных управляющих воздействиях и зависимости КПД и составляющих потерь от режима работы, а также исследование законов управления в зависимости от возмущающих и задающих воздействий.

Некоторые результаты исследований приведены на рисунках 12-16.

Рис. 12. Ток фазы при в„,а2 = -23°, разных значениях напряжения и нагрузки

1, А

Рис.13. Осциллограммы /(У при в„к,2, М= 9,7 Нм и разных значениях скорости

Рис. 14. Механические характеристики при разных углах включения и напряжениях питания

КПД, °л

~в= -24 йк= 150 В 0= -24 V =15 В 0= -23 ик= 75 В 0= -24 и = 50 В

ШИМ = 50 В 0= -24 и = 50 В 0= -17 У = 50 В

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 рг Вт Рис. 15. Зависимости КПД для механических характеристик рис. 14

Рис. 16. Зависимости напряжения от момента нагрузи при поддержании постоянства п = 1000 об/мин и разных углах включения фаз

Исследовалась работа ВИД в составе насосного агрегата на режиме пуска на холостом ходу с изменяемой настройкой преобразователя и под нагрузкой с изменением углов коммутации фаз и напряжения в процессе пуска в составе насосного агрегата. В качестве примера приведен один из результатов исследования на рис.17.

I, А

20

JO

( Л.

H

'i

¿Lúiü

m\i........*

<H M 'jul/Mi

550 57S 600 625 650 675 mSec

Рис. 17. Начальный участок разгона под нагрузкой

На установившихся режимах проводилось исследование изменения токов при различной скорости вращения и устанавливалась взаимосвязь сигналов тока, напряжения и датчика положения ротора (ДПР).

I, А и, в.

500

-500

J2L

.....

/

/Ч

BZ1

BZ1

ir

10 и 12tnSec

Рис.18. Осциллограмма тока /с, напряжения мс и ДПР (и=1500 об/мин)

По результатам проведенных исследований можно отметить следующее:

• формирование требуемых механических характеристик в ВИП может осуществляться посредством изменения напряжения питания, изменением углов включения и отключения фаз, способом коммутации фаз;

• искусственные характеристики, получаемые изменением одного из параметров, позволяют осуществлять регулирование скорости вверх и вниз от номинальной, но не обеспечивают оптимальной формы тока во всех режимах;

• из рассмотренных осциллограмм и результатов их обработки можно считать, что существует оптимальное значение угла включения фазы при котором процесс электромеханического преобразования энергии протекает наиболее эффективно.

Пятая глава содержит результаты исследований виброакустических характеристик насосных установок с вентильно-индукторными электроприводами.

Исследования проводились в стендовых условиях. Интерес представляют результаты сравнения ВШХ насосных агрегатов с ВИП и насосных агрегатов со штатным приводом в условиях заказов.

С участием автора разработана методика доводки виброакустических характеристик корабельных насосных агрегатов на основе ИД. Она заключается в следующем (рис.19): после получения ВШХ агрегата в целом, необходимо определить частоты, на которых ВШХ превышает установленную норму, и доминирующий источник шума на частотах превышения. В случае повышенного шума электропривода необходима его доводка (даже при условии, что ВИП имеет ВШХ лучшее, чем существующие электроприводы), при этом необходимо проводить

идентификацию причин происхождения шума. В результате идентификации происходит определение доминирующего источника шума на частотах превышения и возникает необходимость доработки конструкции либо оптимизации алгоритмов управления фазными обмотками.

Рис. 19. Методика доводки виброакустических характеристик корабельных насосных агрегатов на основе ИД

Применение данной методики для различных ИД позволит провести доработку ИД в соответствие с требованиями ВШХ.

Схема стенда оптимизации алгоритма управления фазами ИД в различных нагрузочных режимах приведена на рис.20. На стенде были проведены испытания ВИП насосного агрегата в различных режимах работы с различными углами включения и отключения фазы ИД.

С целью нахождения путей снижения уровней шума и вибрации гидроэлектромеханической системы «центробежный насос - вентнльно- индукторный двигатель» производилась оценка влияний зависимостей углов включения и отключения фазы в функции частоты вращения ротора, углов начальной установки ДПР, способов формирования токов фазы и пульсаций выходного напряжения ШИМ-преобразователя на спектрограммы вибраций.

Испытания показали широкие возможности настройки ВИД с целью улучшения виброакустических характеристик насосного агрегата в целом, что осуществимо благодаря большому количеству регулируемых параметров управления ВИД.

в различных нагрузочных режимах

Были проведены исследования виброакустических характеристик на холостом ходу, которые позволили сделать вывод о том, что электромагнитные процессы на холостом ходу не являются причиной возникновения вибраций. Это подтверждает осциллограмма виброускорения непосредственно после отключения преобразователя (рис.21).

О 10 20 30 40 5О НО 'О ЯП т.Ч/с

Рис.21. Осциллограмма виброускорения при выбеге ИД-5,5 на холостом ходе при ЗООО об/мин (сразу после подачи команды СТОП)

Экспериментально определялись зависимости перемещений ротора двигателя от действий внешних осевых усилий, а также выявлялось влияние электромагнитных сил при работе двигателя при различных частотах вращения ротора. Эксперимент показал, что при изменении частоты вращения на холостом ходу ИД от 0 до 3000 об/мин осевое смещение отсутствует. Это свидетельствует об отсутствии электромагнитных составляющих осевого усилия двигателя.

Кроме того был создан гидродинамический стенд для испытания насосных агрегатов, схема которого представлена на рис. 22. Стенд соответствует требованиям МКШС-81.

ИД испытывался в рабочем положении. Во время испытаний проводились замеры уровней гидродинамического, воздушного и структурного шума. Определение вибрационной характеристики насосного агрегата осуществлялось по координатам X, У., 2, при помощи технических средств в третьоктавных полосах частот в диапазоне от 5 до 10000 Гц .

Рис. 22. Схема стенда для испытания насосных агрегатов

Проводились испытания насосных агрегатов со штатными приводами ЭП-1 и ЭП-2 и с вентильным приводом (порядок мощностей одинаков). Спектрограммы исследования виброакустических характеристик, проведенных в соответствии с рекомендациями МКШС-81 представлены на рис. 23 (для примера приведена спектрограмма вибраций насосных агрегатов по оси Т).

По результатам испытаний можно сделать вывод, что насосный агрегат с вентильным приводом имеет меньшие уровни гидродинамического и структурного шума практически во всем диапазоне исследованных частот.

Представляет практический интерес сравнение результатов виброакустических характеристик, полученных при испытаниях на стенде с результатами испытаний, проведенных в условиях заказа на существующих штатных насосных агрегатах, т.к. существенно отличаются масса и жесткость фундаментов, взаимовлияние работающих механизмов и др. Результаты представлены на рис. 24 (для примера приведена спектрограмма вибраций насосных агрегатов по оси Т).

ГТТТ-ГТ-ГТ1-ГТ I I I' I I I I I . Т-| . 1-Г-1—г-т-г-1—I—Г1

Л 10 20 40 80 260 315 630 1,25 2,5 5 ]П

/, Гц,кГц

Рис. 23. Спектрограммы электронасоса ЦН-319 с ЭП-5.5/о =25 Гц (направление 7)

Из сравнения видно, что результаты, полученные в стендовых условиях во всем исследуемом диапазоне частот имеют более низкие уровни, т.к. работа насосных агрегатов в условиях заказа резко отличается от стендовых.

; | ! 1

1 | и-"

„ 1 ! /

- - - -- И'" / '/ Л у

$\ № ; I

1 - А

■н : | -норма -ЦН4-ОДО гост -цнДО/25 порем -цнЮ/20 лерем -ВИД 11111)1111)

и ; :

1- 1-Н н -( Ч н ч н н -Н Н и 1- Н н 1-

(П - (Ч П й и

Рис.24. Спектрограммы сравнения уровней вибрации штатных насосных агрегатов с насосным агрегатом с ВИД (по оси 7)

Спектрограмма по оси Ъ — вдоль оси вращения агрегата, имеет почти одинаковые значения со штатными агрегатами в области частот от 0 до 315 Гц, т.к. ос-

новное влияние в этой области спектра оказывает гидравлическая часть насосных агрегатов, поскольку условия для работы насосов одинаковы. Частоты 125 и 160 Гц ниже частоты коммутации фазы = 320 Гц, следовательно, превышения на этих частотах не могут быть связаны с электромагнитными силами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные в диссертационной работе исследования показали перспективность использования вентильно-индукторных двигателей в качестве привода корабельных насосных агрегатов, что подтверждается следующими полученными результатами:

1. Разработан эффективный метод электромагнитного расчета ВИД, который реализован в системе МаШСАО. Достоинства метода: высокое быстродействие; пригодность для многовариантных расчетов; высокая точность расчета по току и моменту на уровне мгновенных значений; не требует экспериментальных данных; не требует высокой квалификации расчетчиков.

2. Для снижения пульсаций момента и улучшения ВШХ необходимо наряду с оптимизацией геометрии двигателя (основные размеры, число фаз, число зубцов на статоре и роторе) осуществлять соответствующее изменение законов управления, в качестве варьируемых параметров которого рекомендуется использовать следующие параметры питающего напряжения: величину напряжения, угол опережения, длительность положительного импульса напряжения и значение оконечной паузы.

3. Предложенный способ расчета радиальных сил на основе энергетического подхода позволяет сформулировать рекомендации по снижению шума и вибрации проектируемого ВИД.

4. Впервые разработана математическая модель центробежного насоса как динамического объекта и создана оболочка программы для ее исследований с дальнейшим уточнением численных значений параметров.

5. Приведена схема многомассовой системы центробежного насоса для исследования математической модели единой электрогидромеханической системы «индукторный двигатель - насос».

6. Экспериментальные исследования управляющих воздействий ВИП показали, что существует оптимальное значение угла включения фазы при котором процесс электромеханического преобразования энергии протекает наиболее эффективно.

7. Виброакустические испытания насосных агрегатов с вентильно- индукторным приводом показали широкие возможности изменения параметров управления ВИД с целью улучшения виброакустических характеристик насосного агрегата в целом.

8. Разработана методика создания малошумных насосных агрегатов на основе индукторного двигателя.

9. Проведен сравнительный анализ результатов стендовых испытаний насосных агрегатов на базе ВИД и натурных испытаний в условиях заказов со штатными приводами.

В совокупности результаты работы представляют теоретическое и экспериментальное обобщение задачи создания малошумного ВИП насосных агрегатов ПЛ с заданными виброакустическими и массогабаритными характеристиками.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Основные результаты выполненного исследования отражены в следующих

публикациях автора:

а) в изданиях, входящих в Перечень ВАК РФ:

1. Федотова A.A. Разработка регулируемого электропривода переменного тока для автономных электроэнергетических систем. //Силовая электроника корабельных электротехнических комплексов: Материалы межотраслевого научно-технического семинара г. Новочеркасск, 21-22 мая 2005г., /Юж.-Рос.гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: Ред. журнала «Известия вузов: Электромеханика», 2006 г., - стр. 430-436. автор -100%

2. Анисимов A.B., Водяник Г.М., Мирхаликов К.В., Федотова A.A., Цветков A.A., Шошиашвили М.Э. Создание гидравлического стенда для испытаний электронасосных агрегатов. //Силовая электроника корабельных электротехнических комплексов: Материалы межотраслевого научно- технического семинара г. Новочеркасск, 21-22 мая 2005г. /Юж.-Рос.гос.техн. ун-т. -Новочеркасск: Ред. журнала «Известия вузов: Электромеханика», 2006г., -стр.175-178, автор -20%.

3. Михайлова С.А., Федотова A.A. Методология исследования виброакустических характеристик судовых механизмов на базе индукторного двигателя. // Силовая электроника корабельных электротехнических комплексов: Материалы межотраслевого научно-технического семинара г. Новочеркасск, 21-22 мая 2005г., /Юж.-Рос.гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: Ред. журнала «Известия вузов: Электромеханика», 2006 г., - стр. 323-333, автор - 50%.

4. Никифоров Б.В., Анисимов A.B., Водяник Г.М., Лозицкий O.E., Федотова A.A., Шошиашвили М.Э., Цветков A.A. Создание конструкции альтернативного электронасосного агрегата ЦН-319. //Силовая электроника корабельных электротехнических комплексов: Материалы межотраслевого научно- технического семинара г. Новочеркасск, 21-22 мая 2005г., /Юж.-Рос.гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: Ред. журнала «Известия вузов: Электромеханика», 2006 г., - стр. 169-174, автор-15%.

5. Никифоров Б.В., Лозицкий O.E., Луговец В.А., Федотова A.A., Цветков A.A. Результаты экспериментального исследования индукторного регулируемого электропривода ИРЭП-30 для машины холодильной морской винтовой МХМВ-0,1. //Силовая электроника корабельных электротехнических комплексов: Материалы межотраслевого научно- технического семинара г. Новочеркасск, 21-22 мая 2005г., /Юж.-Рос.гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: Ред. журнала «Известия вузов: Электромеханика», 2006 г., - стр. 380-385, автор- 20%.

б) прочие публикации:

6. Киреев Ю.Н., Лычакова (Федотова) A.A., Агунов A.B., Солуянов П.В. Электроснабжение промышленных предприятий. //Учебно-методическое пособие, Изд-во СПбГМТУ, 2001. -85 с.ил.:, автор - 25%.

7. Федотова A.A., Байков В.П., Темирев А.П. Обоснование выбора элементной базы для полупроводниковых преобразователей частотно- регулируемых приводов переменного тока. //Вопросы технологии эффективности производства и надежности. /Ежег. издание Северного отделения НТО судостроителей им. акад. А.Н.Крылова. Вып. 18, -Северодвинск: Севмашвтуз, 2001, -стр. 36-39, автор - 50%.

24 ¡С/

8. Федотова A.A. Статические преобразователи частотно-управляемых электроприводов на базе АД. //Вопросы технологии эффективности производства и надежности. /Ежег. издание Северного отделения НТО судостроителей им. акад. А.Н.Крылова. Вып.18, -Северодвинск: Севмашвтуз, 2001, - стр.40-44, автор- 100%

9. Банков В.П., Темирев А.П., Липидов К .С., Федотова A.A. Новое поколение высокоэффективных приборов силовой электроники. //Кибернетика электрических систем. Материалы XXIII сессии семинара «Электроснабжение промышленных предприятий», -Новочеркасск, 2002, - стр.66, автор - 40%.

Ю.Темирев А.П., Федотова A.A. Электромагнитные источники вибрации судовых электрических машин. //Проблемы корабельной энергетики и электроники, -Северодвинск: Севмашвтуз; Северодвинское отделение Ломоносовского фонда. 2005г.,-стр.35-38, автор - 50%.

П.Осташков Е.В., Федотова A.A. Реализация закона векторного управления в системе ПЧ-АД на основе пакета прикладных программ. //Проблемы корабельной энергетики и электроники, -Северодвинск: Севмашвтуз; Северодвинское отделение Ломоносовского фонда. 2005г., -стр.39-43, автор - 80%.

12.Федотова A.A. Регулируемый высокоэкономичный малошумный электропривод на базе асинхронного двигателя. //Тезисы докладов НПК «ОКЕАНГЕО-2005» Региональная научно-техническая конференция «Океанотехника и геология: проблемы освоения шельфа», -СПб: ИЦ СПбГМТУ, 2005г. -стр. 31-32, автор -100%.

Подписано в печать 29.12.06. Зак. № 1629. Тир.ЮО. 1,4 печ.л.

Редакционно-издательский отдел Севмашвтуза 164500, г.Северодвинск, ул. Воронина,6

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Проблемы создания регулируемых электроприводов корабельных механизмов.

1.1. Тенденции развития корабельных регулируемых электроприводов.

1.2. Сравнительный анализ регулируемых электродвигателей.

1.3. Перспективность вентильно- индукторного привода для ЭЭС ПЛ.

1.3.1. Устройство и принцип работы индукторных двигателей.

1.3.2. Основные типы индукторных машин.

1.3.3. Анализ возможностей применения ВИП.

1.4. Вопросы проектирования вентильно- индукторных приводов.

1.5. Особенности проектирования малошумных ВИМ.

В современных условиях, как показывает проведенный технико- экономический анализ, становится все труднее поддерживать затраты на эксплуатацию судов и кораблей в заданных пределах. Сложившееся состояние отечественного флота, непрерывный рост требований к его эффективности, уменьшение количества строящихся заказов выдвигает настоятельную необходимость повысить надежность и качество вновь строящейся, эксплуатируемой и ремонтируемой техники.

При проектировании электроэнергетических систем (ЭЭС) подводных лодок (ПЛ) одной из ключевых проблем является проблема создания регулируемого высокоэкономичного привода с традиционно повышенными требованиями в части экономических, массогабаритных и виброакустических характеристик. К тому же постоянное возрастание требований по таким показателям, как надежность, точность, быстродействие, качество воспроизведения движения, энергетическая эффективность, ресурсоемкость, электромагнитная и информационная совместимость, вызывает необходимость совершенствования всех элементов, составляющих электропривод.

Значительные успехи силовой электроники, а именно промышленное производство биполярных транзисторов с изолированным затвором (ГСВТ), силовых модулей на их основе, силовых интеллектуальных модулей (1РМ) со встроенными средствами зашиты ключей и интерфейсами для непосредственного подключения к микропроцессорным системам управления, а также рост степени интеграции в микропроцессорной технике и переход от микропроцессоров к микроконтроллерам со встроенным набором специализированных периферийных устройств сделали возможным использование сложных и более эффективных оптимизированных законов управления. Это позволило создать новый тип регулируемых электроприводов -электромашинно-вентильные системы (ЭМВС), представляющих собой совокупность электромеханического преобразователя энергии и нескольких полупроводниковых преобразователей энергии с цепями их управления и питания. Переход от нерегулируемых электроприводов с релейно-контакторными цепями управления и защиты к регулируемым приводам на базе интеллектуальных силовых преобразователей дает экономию от 25% до 70% энергии, снижает пусковые токи и токи коротких замыканий.

Получившие широкое распространение в различных отраслях производства частотно-регулируемые электроприводы на базе традиционных электромеханических и электронных преобразователей не удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым к корабельным электроприводам.

В отличие от наземной энергетической системы, энергосистема любого автономного объекта является системой конечной мощности, сопоставимой с мощностью потребителей. Поэтому потребители в силу своего многообразия и характера действия могут оказывать определяющее влияние [80] на отдельные показатели качества электроэнергии в судовых ЭЭС. Так, например, приемники с импульсно-циклическим потреблением электроэнергии создают амплитудно-частотную модуляцию напряжения в судовых ЭЭС.

Большинство приемников электрической энергии очень критично относятся к изменению качества питающего напряжения в аварийных режимах работы энергосистемы. Отклонения напряжения, усугублённые резкопере-менным характером, ещё более снижают эффективность работы и срок службы оборудования, способствуют отключению автоматических систем управления и повреждению оборудования. Так, например, колебания амплитуды и, в большей мере, фазы напряжения вызывают вибрации электродвигателей, приводимых механизмов и систем. В частности, это ведёт к снижению усталостной прочности трубопроводов и снижению срока их службы.

На протяжении многих лет основными причинами повышенной вибрации судовых ЭМВС являлись недостатки конструкции и технологии изготовления отдельных узлов. В результате широких исследований, заложивших основы современных методов расчета вибрации электромеханических систем, были определены пути снижения их вибрации. Совершенствование конструкции и технологии изготовления привело к существенному уменьшению их виброактивности [10, 24,45, 78].

Вибрация современного электропривода в значительной степени зависит от внешних факторов, качества электроэнергии в СЭЭС, качества технологических операций его сборки, появления износа механических узлов, дефектов в электрических и магнитных цепях, в системах охлаждения. Систематизация и учет основных результатов исследований в этом направлении может привести к дальнейшему снижению вибрации судовых ЭМВС [5, 6,26, 4]. В электромеханизмах и аппаратах с системами автоматического управления отказы могут определяться дефектами каналов управления [41,44,49].

Все изложенное определяет большую важность выполнения расчетов, проведения исследований и разработки специализированных регулируемых электроприводов для корабельных систем и является актуальной задачей, требующей комплексного подхода к проектированию, как отдельных элементов электропривода, так и всей системы в целом.

Одним из важнейших направлений создания перспективной техники для ПЛ нового поколения является применение вентильно-индукторных электроприводов (ВИЛ), что позволит существенно снизить электропотребление, повысить надежность и управляемость механизмов. По сравнению с асинхронными двигателями они конструктивно проще, технологичнее в изготовлении и обладают более высоким КПД.

Принципиальной особенностью вентильных индукторных электроприводов является то, что реализация их потенциально высоких технических показателей возможна только за счет совместного целенаправленного проектирования как собственно электромеханического преобразователя, так и системы управления и автоматики, без которых работа этого электрооборудования в условиях современной ПЛ принципиально невозможна. Применение микропроцессорной техники в регулируемом электроприводе расширяет функциональные возможности этих систем, обеспечивает реализацию сложных и более эффективных алгоритмов управления, расширяет возможности интеграции функций устройств автоматики, с возможностью их перераспределения в системах управления различного уровня, что позволяет улучшить мас-согабаритные, энергетические, виброакустические показатели и другие важные характеристики разрабатываемого оборудования.

Известные работы, как правило, содержат решение отдельных частных вопросов и задач, выполнены на различной методологической основе и не имеют системного характера.

Все это определяет актуальность темы диссертационной работы, в которой решается научно-техническая проблема - повышение технического уровня и эффективности работы корабельных регулируемых электроприводов ПЛ за счет нового поколения средств автоматизации, принципиально отличающихся от известных как по элементной базе, так и по принципам построения. Это обеспечивает повышение тактико-технических характеристик ГШ, имеющих важное значение для боеспособности ВМФ и обороны РФ.

Цель работы. Повышение качества ЭЭС ГШ с помощью вентильно-индукторного электропривода насосного агрегата с улучшенными энергетическими, массогабаритными и виброакустическими характеристиками. Для достижения указанной цели решаются следующие задачи:

• сравнительный анализ регулируемых электроприводов с точки зрения работоспособности в корабельных условиях;

• анализ перспективности вентильно-индукторного привода для ЭЭС ПЛ;

• исследование математической модели системы ВИП;

• проработка вопросов оптимального проектирования и управления ВИП;

• разработка алгоритма проектирования вентильно-индукторного привода и его программная реализация;

• разработка математической модели для комплексного проектирования электронасосного агрегата с ВИП, позволяющей исследовать статические и динамические режимы;

• исследования алгоритмов управления вентильно-индукторного электропривода;

• теоретическое и экспериментальное исследование насосных установок с вентильно-индукторным приводом;

• исследование виброакустических характеристик и разработка методов снижения шума и вибрации насосных агрегатов с ВИП.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы физического и математического моделирования, положения теории электрических машин, практические аспекты промышленной электроники и вычислительной техники. Для решения поставленных задач систематизированы знания в области виброакустических исследований электрических машин, теоретических основ электротехники, математического моделирования, системных методов решения дифференциальных уравнений, методов оптимизации. Выполнены натурный, вычислительный, лабораторный эксперименты. Экспериментальные результаты получены при использовании современного виброакустического измерительного оборудования.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

• проведен подробный анализ конструкций и конструктивных параметров индукторных машин;

• разработана методика построения математической модели для выполнения оптимизационных расчетов при проектировании ВИД с использованием информации, получаемой на основе расчета электромагнитных процессов;

• проведена численная реализация данной математической модели и проверка адекватности на примере ВИД мощностью 5,5 кВт;

• разработан алгоритм расчета математической модели в среде МаЛСАБ;

• проведены исследования управляющих воздействий вентильно- индукторного привода;

• реализована средствами компьютерного моделирования математическая модель единой электрогидромеханической системы «индукторный двигатель - насос»;

• рассмотрена возможность снижения гидравлического удара в корабельных системах за счет оптимизации управляющих воздействий ВИЛ;

• разработана методика создания малошумных насосных агрегатов на основе индукторного двигателя;

• проведено сравнение результатов уровней шума и вибрации исследуемого привода с испытаниями в натурных условиях заказов. Практическая ценность. Результаты имеют практическую ценность при создании корабельных регулируемых электроприводов за счет совместного целенаправленного проектирования электромеханического преобразователя и системы управления, при котором расширяются функциональные возможности этих систем, обеспечивается реализация сложных и более эффективных алгоритмов управления, что позволяет улучшить массогабаритные, энергетические, акустические и другие показатели разрабатываемого оборудования.

Реализация результатов работы. Теоретические и практические результаты диссертации используются при разработке перспективных технологий ремонта и при ремонте кораблей на ФГУП «Машиностроительное предприятие «Звездочка», а также в учебном процессе на кафедре «Судовой электроэнергетики и электротехники» Филиала «СЕВМАШВТУЗ» государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет» в г. Северодвинске при подготовке специалистов по дисциплине «Судовые электроэнергетические комплексы».

Научные положения, выносимые на защиту:

• сравнительный анализ основных типов электрических машин с учетом особенностей работы в составе корабельных ЭЭС;

• методика построения математической модели для выполнения оптимизационных расчетов при проектировании ВИД с использованием информации, получаемой на основе расчета электромагнитных процессов, позволяющая оперативно учитывать изменение геометрических параметров, числа зубцов и фаз ИД, обеспечивающая при этом достаточную точность расчета электромагнитных процессов;

• реализованная средствами компьютерного моделирования математическая модель единой электрогидромеханической системы «индукторный двигатель - насос»;

• методы и средства снижения уровня шума и вибрации электрогидромеханической системы «индукторный двигатель - насос» при использовании эффективного энергосберегающего управления. Достоверность и обоснованность основных полученных результатов диссертационной работы обусловлена:

• применением современного математического аппарата, вычислительной техники и программного обеспечения;

• согласованностью теоретических положений и результатов расчетов с данными, полученными при натурных экспериментах, а также с результатами расчетов, приведенных в технической литературе. Апробация работы. Основные материалы и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

• на XXIII сессии семинара «Электроснабжение промышленных предприятий: Кибернетика электрических систем». -Новочеркасск: 25-28 сентября 2002г.;

• на конференции Северного отделения научно-технического общества судостроителей им. академика А.Н. Крылова «Вопросы технологии, эффективности производства и надежности». -Северодвинск: 19 ноября 2001г.;

• на региональной научно-практической конференции «ОКЕАНОТЕХНИКА И ГЕОЛОГИЯ: ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ ШЕЛЬФА» ОКЕАНГЕО-2005. -Северодвинск: 24-25 июня 2005г.;

• на научно-технической конференции «Проблемы корабельной энергетики и электроники». -Северодвинск: 21 ноября 2005г.;

• на межотраслевом научно-техническом семинаре «Силовая электроника корабельных электротехнических комплексов». - Новочеркасск: 22мая 2006г.

• на научно-практической конференции «Роль науки и образования в развитии производительных сил предприятий ГРЦАС» (в рамках XXXV Ломоносовских чтений), //секция «Электроэнергетика, электротехника и системы автоматики», -Северодвинск: 15-16 ноября 2006г.;

• обсуждены на заседаниях кафедр «Электротехника и электрооборудование судов» СПбГМТУ и «Судовая электроэнергетика и электротехника» филиала «СЕВМАШВТУЗ» СПбГМТУ.

Публикации. Содержание диссертационной работы опубликовано в 10 статьях, 1 учебно-методическом пособии и 1 тезисах докладов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы из 91 наименования и 3 приложений. Общий объем работы 197 страница текста, 159 рисунков, 17 таблиц и 13 страниц приложений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные в диссертационной работе исследования показали перспективность использования вентильно-индукторных двигателей в качестве привода корабельных насосных агрегатов, что подтверждается следующими результатами проведенных исследований:

1. Разработан эффективный метод электромагнитного расчета ВИД, который реализован в системе MathCAD 8/2000 PRO. Достоинства метода: высокое быстродействие; пригодность для многовариантных расчетов; высокая точность расчета по току и моменту на уровне мгновенных значений; не требует экспериментальных данных; не требует высокой квалификации расчетчиков.

2. Для снижения пульсаций момента и улучшения ВШХ необходимо наряду с оптимизацией геометрии двигателя (основные размеры, число фаз, число зубцов на статоре и роторе) осуществлять соответствующее изменение законов управления, в качестве варьируемых параметров которого рекомендуется использовать следующие параметры питающего напряжения: величину напряжения, угол опережения, длительность положительного импульса напряжения и значение оконечной паузы.

3. Предложенный способ расчета радиальных сил на основе энергетического подхода позволяет сформулировать рекомендации по снижению шума и вибрации проектируемого ВИД.

4. Впервые разработана математическая модель центробежного насоса как динамического объекта и создана оболочка программы для ее исследований с дальнейшим уточнением численных значений параметров.

5. Приведена схема многомассовой системы центробежного насоса для исследования математической модели единой электрогидромеханической системы «индукторный двигатель - насос».

6. Экспериментальные исследования управляющих воздействий ВИП показали, что существует оптимальное значение угла включения фазы при котором процесс электромеханического преобразования энергии протекает наиболее эффективно.

7. Виброакустические испытания насосных агрегатов с вентильно- индукторным приводом показали широкие возможности изменения параметров управления ВИД с целью улучшения виброакустических характеристик насосного агрегата в целом.

8. Разработана методика создания малошумных насосных агрегатов на основе индукторного двигателя.

9. Проведен сравнительный анализ результатов стендовых испытаний насосных агрегатов на базе ВИД и натурных испытаний в условиях заказов со штатными приводами.

В совокупности результаты работы представляют теоретическое и экспериментальное обобщение задачи создания малошумного ВИП насосных агрегатов ПЛ с заданными виброакустическими и массогабаритными характеристиками.

1. A.C. 936240 (СССР). Статор электрической машины /Авт. A.B. Барков, В.А. Косенков, Е.С. Родионов и др. - Заявл. 17.10.80, № 2994611. -Опубл в БИ, 1982, №22.

2. Анучин A.C. Разработка системы управления многофазного вентильно-индукторного привода с промежуточным регулируемым звеном постоянного тока /Дисс. кандидата технических наук. Москва, 2004 г.

3. Барков A.B., Александров A.A., Баркова H.A., Шаффинский В.А. Вибрация и вибродиагностика судового энергетического оборудования. -Л.: Судостроение." 1986.-276с.

4. Барков A.B., Александров A.A., Атрашкевич E.H. и др. Влияние несимметричных режимов работы на вибрацию электрических машин переменного тока. //Вопросы судостроения. Сер. Судовая электротехника и связь, 1981, вып.ЗЗ, с.41-50.

5. Барков A.B., Косенков В.А., Родионов Е.С. и др. Влияние формы напряжения на вибрацию судовых электрических машин. //Вопросы судостроения. Сер. Судовая электротехника и связь, 1983, вып. 39, с. 38-51.

6. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины. -М.: Высш. школа, 1990. -416 с.:ил.

7. Бычков М. Г. Основы теории, управление и проектирование вентильно-индукторного электропривода: Дисс. д. техн. наук. М.: 1999. - 354 с.

8. Вилесов Д.В., Галка В.Л., Киреев Ю.Н. и др. Электрооборудование судов: Учебник для вузов. СПб.: Элмор/Фонд СЭТ, 1996. - 414 с

9. О.Волков Л.К., Ковалев Р.Н., Никифорова Г.Н. и др. Вибрации и шум электрических машин малой мощности. -Л.: Энергия, 1979. -е.: ил

10. П.Гаинцев Ю.В. Новый экономичный регулируемый привод на основе управляемого реактивного двигателя. //Регулируемые электродвигатели переменного тока: Материалы Всесоюз.науч.-техн.совещания. Владимир, ВНИПТИЭМ, 1988 - с. 72 - 86.

11. Гемке Р.Г. Неисправности электрических машин. -Л.: Энергия, 1975.

12. Голландцев Ю.А. Пульсации пускового момента вентильного индукторно-реактивного двигателя //Электричество. 2003, № 6, с.37-42.

13. Гольдберг О.Д. Испытания электрических машин. -М.: Высшая школа,2000.-255 е.: ил.

14. Гольдберг О.Д., Буль О.Б., Свириденко И.С., Хелемская С.П. Переходные процессы в электрических машинах и аппаратах. -М.: Высшая школа,2001.-512с.: ил.

15. Гольдберг О.Д., Турин Я.С., Свириденко И.С. Проектирование электрических машин. -М.: Высшая школа, 2001. 430 е.: ил.

16. Дроздов П.А. Разработка новых алгоритмов управления вентильно-индукторныхэлектроприводов: Дисс. канд. техн. наук -М.: 2002.-120 с.

17. Ильинский Н.Ф. Вентильно- индукторные машины в современном электроприводе. //Тез. докл. Научно-технического семинара «Вентильно- индукторный электропривод проблемы развития и перспективы применения» - М.: МЭИ. - 1996.

18. Ильинский Н.Ф. Перспективы применения вентильно-индукторного электропривода в современных технологиях. //Электротехника.-1997,№2.-с.1-3

19. Исакович М.М., Клейман Л.И., Перчанок Б.Х. Устранение вибраций электрических машин. -JI.: Энергия, 1979. -е.: ил

20. Киреев A.B. Разработка алгоритмов эффективного управления тяговым вентильно-индукторным электроприводом электропоезда / Дис. канд.техн. наук Новочеркасск, 2004 г., 187 с.

21. Коллакот P.A. Диагностирование механического оборудования. -JL: Судостроение, 1980. -е.: ил

22. Коломейцев Л.Ф., Квятковский И.А., Пахомин С.А., Реднов Ф.А. Оптимизация реактивного индукторного двигателя с автономным электропитанием. //Известия вузов. Электромеханика. 1999, №2. - с. 12-15.

23. Коломейцев Л.Ф., Пахомин С.А. и др. Выбор соотношения зубцов статора и ротора в тяговом реактивном двигателе. //Электровозостроение. 1997 г. -Т.38 -С 223-234.

24. Коломейцев Л.Ф., Пахомин С.А. и др. Математическая модель для расчета электромагнитных процессов в многофазном управляемом реактивном индукторном двигателе. //Электромеханика. 1998, №1. - с. 49-53.

25. Коломейцев Л.Ф., Пахомин С.А. и др. Расчет пускового момента в тяговом индукторном двигателе. //Электромеханика. 1993 г. №4 -с. 23-26.

26. Коломейцев Л.Ф., Пахомин С.А., Гребенюк Е.И., Колпахчьян Г.И. Анализ способов регулирования момента в реактивном индукторном двигателе// Электровозостроение. Новочеркасск, 2002. Т.44. - с. 31-38.

27. Коломейцев Л.Ф., Пахомин С.А., Квятковский И.А. К расчету реактивного индукторного двигателя //Изв. вузов. Электромеханика. 1999, №1. с. 15-17.

28. Коломейцев Л.Ф., Пахомин С.А., Прокопец И.А., Звездунов Д.А., Павлю-ков В.М., Захаров В.И. Выбор соотношения зубцов статора и ротора в тяговом индукторном двигателе. //Электровозостроение. 1997, Т.38. -с.223-234.

29. Коломейцев Л.Ф., Прокопец И.А., Пахомин С.А., и др. Режимы работы тягового электропривода рудничного электровоза с трехфазным индукторным двигателем. //Изв. Вузов. Электромеханика. 2002, №2, с. 18-22.

30. Колпахчьян Г.И., Захаров В.И. Электроприводы перспективного подвижного состава. //Электровозостроение: Сб. науч. тр. -Т.45, Новочеркасск: /Всерос. н.и., и проектно-констр. ин-т электровозостроения, 2002. -с.82-92.

31. Крайнов Д.В. Вентильно-индукторный электропривод алгоритмы и микропроцессорные системы управления. /Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. технич. наук-Новочеркасск, 2001 г.

32. Красовский А.Б., Бычков М.Г. Исследование пульсаций момента в вен-тильно-индукторном электроприводе. //Электричество. -2001,№10,с.З 3-43.

33. Кузьмин Р.В. Техническое состояние и надежность судовых механизмов. -JL: Судостроение, 1974. -е.: ил

34. Курбасов A.C. Параметры синхронных реактивных электродвигателей // Электричество. 1994. - №12. -с. 58-62.

35. Кучинский В.Г., Прасолин А.П., Шишкин Д.Ю. Системы электродвижения на основе вентильных двигателей // Электроэнергетические системы. Вып. 12. ФГУП «ЦКБ МТ «Рубин». 2000. С. 44-53

36. Лазаревский H.A., Шафранский В.А. Дефектация судовых электрических машин. -Л.: Судостроение, 1981. -е.: ил

37. Лазароиу Д.Ф., Бикир Н. Шум электрических машин и трансформаторов. -М.: Энергия, 1973. -е.: ил

38. Лебедев A.C., Остриров В.Н., Садовский Л.А. Электроприводы для станков и промышленных роботов. -М.: Изд-во МЭИ, 1991. -100с.:ил.

39. Павлов Б.В. Акустическая диагностика механизмов. -М.: Машиностроение, 1971. -е.: ил

40. Пахомин С.А. О пульсациях электромагнитного момента в трехфазном индукторном двигателе. //Электромеханика. 2000, №3, с.34-37.

41. Пахомин С.А. Электротехнические системы с реактивными индукторными двигателями. Вопросы проекирования и управления: Дис.докт. техн. наук. Новочеркасск, 2001. - 341 с.

42. Пахомин С.А., Киреев A.B. Пульсации момента тягового реактивного индукторного двигателя в режиме ограничения тока. //Изв. вузов. Электромеханика, 2004, №1, с.25-28.

43. Постников С.Г. Разработка и исследование электропривода на базе индукторного двигателя с независимым возбуждением. /Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: 2002.

44. Применение реактивных индукторных двигателей на перспективном ЭПС/ В.Г.Щербаков, Г.И. Колпахчьян, Б.И. Хоменко и др. // Электровозостроение: Сб. науч. тр. -Т.40, Новочеркасск: /Всерос. н.и., и проектно-констр. ин-т электровозостроения, 1998. с. 45-57.

45. Птах Г.К. Развитие методов расчета электромагнитных процессов в электромеханических системах //Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Новочеркасск. 2003.

46. Реактивный индукторный двигатель с пониженным акустическим шумом / Патент 2202143, РФ, МПК Н02К 19/10. ООО "Научно- производственное предприятие "Эметрон". Заявл. 01. 08.2000.

47. Рубцов В.П. Анализ перспективности разработки и применения вентильно-индукторного электропривода //Тез. докл. Научно-технического семинара

48. Вентильно-индукторный электропривод проблемы развития и перспективы применения» - М.: МЭИ. - 1996.

49. Садовский JI. А., Виноградов В. JI. Электродвигатели с переменным магнитным сопротивлением для современного регулируемого ЭП. // Электротехника. 2000. №2. с. 54 - 59.

50. Садовский J1.A., Виноградов B.JL, Максимов A.A., Темирев А.П. Развитие регулируемого электропривода с новыми типами машин переменного тока. Приводная техника, 2001, № 2, с. 35-44.

51. Сергиенко Л.И., Миронов В.В. Электроэнергетические системы морских судов. М.: Транспорт. - 1991.

52. Темирёв А.П. Разработка проблемно-ориентированных компонентов электротехнических комплексов дизель-электрической подводной лодки и систем управления ими: Дисс. на соискание ученой степени д-ра техн. наук. -СПб.: 2006.-354 с.

53. Темирев А.П. Теория и практика разработки судовых систем электроснабжения и бортовых блоков управления электродвигателей. Ростов-на-Дону: Изд-во Ростовского университета, 2004.-250 с.

54. Уткин С.Ю. Разработка электронных коммутаторов вентильно- индукторных электроприводов широкого применения. /Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 2002.

55. Рос.гос. техн. ун-т. Новочеркасск: Ред. журнала «Известия вузов: Электромеханика», 2006 г., - стр. 430-436.

56. Федотова A.A., Темирев А.П. Электромагнитные источники вибрации судовых электрических машин. //Проблемы корабельной энергетики и электроники. Сб.статей, -Северодвинск: Севмашвтуз; Северодвинское отделение Ломоносовского фонда. 2005г.,-стр.35-38.

57. Шубов И.Г. Шум и вибрация электрических машин. -Л.: Энергия, 1974

58. Ясаков Г.С. Корабельные электроэнергетические системы. Часть 1. СПб.: Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова. - 1999.-640 с

59. Byrne J.V. Tangential Forces Overlapped Pole Geometries Incorporating Ideally Saturable Materials// IEEE Trans. On Magnetics, Mag-8,1972, No.l, -P-9.

60. Byrne J.V., Lacy J.G. Electrodynamic System Comprising a Variable Reluctance Machine// British Patent No. 1321110,1973.

61. Byrne J.V., O'Dwyer J.B. Saturable Variable Reluctance Machine Simulation Using Expotential Function// Proc. Of International Conference on Stepping Motors and Systems. Leeds. England. 1976, -P. 11-16.

62. Development of automatic vibration ruolucer. ZOSEN, December, 1979.

63. Harris M.R, Miller T.J.E. Comparison of design and performance parameters in SR and induction motors IEE EMD Conference 1989, pp. 303-307

64. Lawrenson P. and al. Variable-Speed SRM. IEEE Proc., Vol.127, No.4, July 1980.

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

66. Lawrenson P.J. et al. "Controlled-speed switched-reluctance motors: Present status and future potencial," Drives/Motors/Controls, 1982.

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

68. Miller Т., Mc Gilp M. Nonlinear Theory of the SRM for Rapid Computer-aided design. -Proc. IEE, 1990, 137, Pt.B, No. 6, p.337-347.

69. Van de Broeck H. Gerling D., Bolte E. SR drive and PWM inductance motor drive compared for low cost applications EPE 1993, pp. 71-76.