автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Математическое моделирование компонентов каскадной системы асинхронного электропривода

00346Т52о

На правах рукописи

КАРАВДЕЙ ВЛАДИМИР ЮРЬЕВИЧ

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КОМПОНЕНТОВ КАСКАДНОЙ СИСТЕМЫ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

05.09,03 - «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

----

Краснодар - 2009

003467526

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Попов Борис Клавдиевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Атрощенко Валерий Александрович;

кандидат технических наук, доцент Кашин Яков Михайлович

Ведущая организация: Открытое акционерное общество

«Армавирский электротехнический завод» (ОАО «АЭТЗ»)

Защита состоится « 05 » мая 2009 года в 14-00 на заседании диссертационного совета Д 212.100.06 в ГОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет» по адресу: 350020, г. Краснодар, ул. Старокубанская, 88/4, ауд. 410

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет» по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2

Автореферат разослан «02» апреля 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.100.06, к.т.н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Образованная постановлением Правительства РФ № 726 комиссия по вопросам развития электроэнергетики выработала энергетическую стратегию России на период до 2020 года, определив одним из основных ориентиров долгосрочной политики государства в электроэнергетике повышение эффективности ее функционирования и обеспечение устойчивого развития на базе современных технологий.

Одной из ключевых, приоритетных задач электротехнической промышленности является повышение качества электроприводов и их компонентов. Значительный вклад в теорию электромеханических систем внесли Костенко М.П., Пиотровский JI.M., Вольдек А.И., Копылов И.П., Шмитц Н., Новотный Д., Нейман JI.P., Гордон A.B., Гайтов Б.Х. и др., трудами которых создана теоретическая база для проектирования систем электроприводов. Исследованию различных видов электроприводов постоянного и переменного тока посвящены работы Чиликина М.Г., Юночева В.И., Соколова М.М., Попова В.К., Сандлера A.C. и др. Анализ выполненных работ показал, что актуальным является совершенствование систем электроприводов.

Обобщенное качество электроприводов традиционно описывается энергетическими и массогабаритными показателями. Внедрение дополнительных научно обоснованных технико-экономических критериев, отражающих эксплуатационную надежность электроприводов (долговечность, технологичность, расходы на эксплуатацию и ремонт и т. д.) способствует ужесточению требований к техническим характеристикам электроприводов. Большое внимание в этом свете уделяется повышению качества электроприводов с асинхронными двигателями (АД), как наиболее массовыми и простыми по конструкции электрическими машинами. Регулирование координат электропривода с АД на сегодняшний день невозможно без широкого применения электронных преобразователей энергии, которые в значительной степени ухудшают качество электроэнергии в системах электроснабжения и увеличивают массогабаритные показатели электропривода в целом. Применение механо-тронных модулей и каскадных систем электропривода с АД позволяет улучшить массогабаритные и энергетические показатели этих электроприводов.

Особый интерес представляют каскадные многодвигательные электроприводы с АД, работающие в номинальном или близком к нему режиме.

В связи с этим актуальны следующие проблемы, анализируемые в нашем исследовании:

- теоретического обоснования моделей магнитных систем АД каскадных электроприводов как совокупности электромагнитов переменного тока;

- создания математической модели, позволяющей определять токи, ЭДС, напряжения, пространственные и электрические углы в электроприводах;

- определения мгновенных значений угловой скорости вращения вала и вращающего момента;

- выявления аналитических зависимостей для расчета магнитных сопротивлений магнитных систем АД каскадных электроприводов.

Итак, актуальность исследования определяется потребностью электротехнической промышленности России в совершенствовании электроприводов станков и инструментов, электрических трансмиссий транспорта, приводов прокатных станов и т. д., так как это позволяет улучшить их качество и технико-экономические показатели.

Объектом исследования являются многодвигательные каскадные системы электропривода с асинхронными электродвигателями.

Целью исследования является математическое моделирование компонентов каскадной системы асинхронного электропривода для решения конкретных практических задач по проектированию и повышению эффективности его эксплуатации.

Задачи исследования. Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи:

- разработать математическую модель электромагнитной системы АД, как компонента каскадного асинхронного электропривода, для определения механических и электромеханических характеристик.

- для полученной математической модели создать программное обеспечение для определения указанных характеристик электропривода.

- усовершенствовать конструкцию управляемого каскадного электрического привода и исследовать его работу с помощью разработанного программного обеспечения.

Методы исследования. В качестве методов исследования использованы положения теории магнитных цепей (для расчета значений сопротивлений магнитному потоку обмоток АД каскадных электроприводов), метод наложения (для получения величин магнитных потоков в магнитных цепях АД каскадных электроприводов), теория электромеханического преобразования энергии, теория электропривода и методы программирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана математическая модель магнитных систем компонентов каскадного асинхронного электропривода;

- разработана математическая модель, описывающая взаимозависимость токов, э.д.с., напряжений статора и ротора, пространственных и электрических углов сдвига в компонентах каскадных систем асинхронного электропривода;

- разработана инженерная методика расчета электромеханических и механических характеристик компонентов каскадного электрического привода, а также пульсаций момента при вращении его вала;

- получен ряд аналитических зависимостей, характеризующих параметры, необходимые для проектирования магнитных систем АД каскадных электроприводов.

Практическая ценность. Разработанные модели реализованы в виде программных продуктов, предназначенных для расчета электромеханических параметров каскадного асинхронного электрического привода. Получены свидетельства об официальной регистрации программ ЭВМ для расчета магнитной системы статора методом магнитных цепей (№ 2006610548 от 8.02.2006 г.), магнитной системы ротора методом магнитных цепей (№ 2008614047 от 25.08.2008 г.), токов статора и ротора в каскадном электрическом приводе (№ 2008614048 от 25.08.2008 г.). Разработана инженерная методика расчета электромеханических и механических характеристик компонентов каскадного асинхронного электропривода. Усовершенствована конструкция управляемого каскадного электрического привода, осуществляющего, как плавную, так и многоступенчатую электромагнитную редукцию скорости и момента.

Положения, выносимые на защиту: математическая модель электромагнитной системы компонентов каскадной системы асинхронного элек-

тропривода; математическая модель, определяющая характеристики компонентов каскадных систем асинхронных электроприводов: токи, э.д.с., напряжения статора и ротора и зависимости пространственных и электрических углов сдвига; результаты инженерных расчетов электромеханических и механических характеристик каскадного электрического привода, а также пульсаций момента, необходимые для проектирования специальных асинхронных систем электроприводов; усовершенствованная конструкция каскадного асинхронного электропривода с жидкостным токосъемом.

Реализация результатов исследования. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом государственных бюджетных научно-исследовательских работ кафедры «Электроснабжения промышленных предприятий» ГОУ ВПО «Кубанского государственного технологического университета» № 5.1 01-05 01200117876 «Повышение эффективности электротехнических комплексов и систем».

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс кафедры «Электропривода и автоматизации промышленных установок и технологических комплексов» ГОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», в учебный процесс кафедры «Электроснабжения промышленных предприятий» ГОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет», в ОАО «Московский узел связи энергетики» и ЗАО «ТМТК». Разработанные методы определения необходимых параметров, программный комплекс, математические и аналитические зависимости могут быть использованы для нахождении механических и электромеханических характеристик, а также пульсаций момента для вновь проектируемых специальных систем электроприводов при курсовом и дипломном проектировании на специализированных кафедрах высших учебных заведений, а также в соответствующих проектных институтах и конструкторских бюро.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на научно-практической конференции «Электроэнергетические комплексы и системы» (ГОУ В ПО «КубГТУ» Краснодар, 28 мая 2005г.), на международной научно-практической конференции «Электроэнергетические комплексы и системы» (ГОУ ВПО «КубГТУ» Краснодар, 25 апреля 2006г.), на всероссийской конференции - конкурсного отбора инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направле-

нию программы «Энергетика и энергосбережение» г. Томск, (ГОУ ВПО «ТПУ» 26-29 сентября 2006г.), на международной научно-практической конференции «Электроэнергетические комплексы и системы» (ГОУ ВПО «КубГТУ» Краснодар, 20-21 марта 2007г.), на пятой Всероссийской научной конференции «Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки» (ГОУ ВПО «КубГТУ» Краснодар, 5-6 апреля 2007г.), на 45-й международной научно-практической конференции «Инновационные технологии -транспорту и промышленности», (г. Хабаровск, ДВГУПС, 7-9 ноября 2007 г.), на 1-ой Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (г. Краснодар, КГАУ, 14-16 ноября 2007 г.), на всероссийской научной конференции «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования» (г. Хабаровск, ДВГУПС, 22-24 апреля 2008 г.), на 3-ей молодежной международной научной конференции «Тинчуринские чтения» (г. Казань, ГОУ ВПО КГЭУ, 24-25 апреля 2008 г.), на международной научно-технической конференции «ЭНЕРГЕТИКА - 2008: инновации, решения, перспективы» (г. Казань, ГОУ ВПО КГЭУ, 15-19 сентября 2008 г.).

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 29-ти печатных работах, из них две статьи в центральных журналах, в том числе одна по рекомендуемому списку ВАК, три свидетельства о регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы, содержащего 123 наименований, и приложений. Общий объем работы 245 страниц, включая 77 рисунков на 72 страницах, 81 страница приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, рассмотрены приоритетные задачи электротехнической промышленности в области асинхронного электропривода, сформулированы цель и задачи, научная новизна результатов исследования, приведены основные положения, выносимые на защиту, сведения о реализации и апробации результатов.

В первой главе рассмотрен "Анализ конструкций, методов математического моделирования механических и электромеханических характеристик асинхронных электроприводов". Представленный обзор основных конструкций электроприводов с АД говорит о том, что в основной массе приводов двигатель часто работает в неоптимальном для него режиме, причем этот режим часто бывает длительным. Это обстоятельство ухудшает мас-согабаритные показатели электроприводов и ухудшает качество электроэнергии в системах электроснабжения. Применение же каскадных систем позволяет достигать широких пределов регулирования координат электропривода при работе компонентов этого привода в номинальном режиме или близком к нему. Поэтому при разработке каскадных систем становится актуальной задачей моделирование компонентов каскадных систем асинхронного электропривода, работающих в номинальном или близком к нему режиме. Такие модели позволят строить суммарные характеристики каскадных систем асинхронного электропривода и разрабатывать соответствующие системы управления.

Обзор ряда публикаций показал, что на сегодняшний день наиболее актуальным для моделирования механических характеристик каскадных систем асинхронного электропривода является энергетический метод. Этот метод основан на анализе преобразования электромагнитной энергии в механическую в рассматриваемой системе электропривода.

Проведенный анализ методов расчета магнитных систем АД с целью моделирования электромеханических характеристик показал, что широко используемый в последнее время метод конечных элементов применим лишь для окончательного поверочного расчета разработанных конструкций. Для целей моделирования электромеханических характеристик, анализа работы электропривода и его оптимизации более приемлем метод теории магнитных цепей и метод наложения в линеаризованных магнитных системах.

Во второй главе "Расчет магнитных цепей АД каскадного электропривода" выведены формулы для расчета магнитных сопротивлений различных конструкций АД. Обосновано использование метода наложения для определения потокораспределения в магнитных системах АД каскадного электропривода.

Магнитная система исследуемых электроприводов имеет незначительные воздушные зазоры, и в номинальном режиме работы значения магнитной индукции не выходят за пределы линейной части кривой намагничивания. Расчет магнитного потока для отдельной катушки в такой системе осуществляется с помощью законов Кирхгофа и Ома для магнитной цепи.

Расчет магнитной системы компонентов асинхронного электропривода со сложными распределенными в пространстве обмотками проведен по авторской методике. Магнитные системы статора и ротора представлены в виде совокупности простейших электромагнитов, магнитные системы которых многократно пересекаются. Рассчитываем магнитные потоки каждой катушки обмоток в предположении, что в момент определения потока остальные катушки выключены. После этого, используя принцип наложения, потоки складываем со сдвигом в пространстве. Магнитную систему рассчитываем, считая линейными ее отдельные участки. Значение величины магнитной индукции на каждом участке уточняется методом последовательных приближений при решении нелинейных задач.

Получены формулы для расчета магнитных сопротивлений от статорных и роторных обмоток для многих конструкций АД каскадных электроприводов - это сопротивления зазора, ярма и зубцовых частей ротора и статора.

Магнитное сопротивление воздушного зазора

--£-, (1)

Мо (9 Ъзс -6Ьшр)1т

где 1т - расчетная длина магнитопровода; Ьзс - ширина зубца статора; Ьшр - ширина шлица паза ротора; 8 - величина воздушного зазора; — 4я10~7(Гн/м).

Магнитное сопротивление ярма ротора

'121 Ъг

„ __2__2 ср р (29060 , т

Р ~ , , ,1 J Ч 1 > V '

/'о МР (</-2Ьзр-(1в)1т

где цр - относительная магнитная проницаемость ярма ротора; (1 -диаметр ротора; с!в - диаметр вала; Изр - высота зубца ротора; Оср р -

среднии диаметр ротора.

Магнитное сопротивление зубцовой части ротора

и =_!__... (3)

V о и 1 ' ( '

8 Ьзр 1т

где Ьзр - ширина зубца ротора; ¡изр - относительная магнитная проницаемость зубцовой части ротора.

Формулы для магнитных сопротивлений ярма и зубцовой части статора рассчитаны аналогично формулам 2, 3.

В третьей главе "Математическое моделирование электромеханических процессов в АД каскадных электроприводов" осуществлено, используя представление обмоток ротора и статора АД каскадного электропривода в виде совокупности электромагнитов с взаимно пересекающимися магнитными системами. Это позволило определить электромеханические и механические характеристики компонентов электропривода.

Для определения этих характеристик необходимо вычисление накопленной АД электромагнитной энергии, токов, электродвижущих сил и соответствующих им потокосцеплений в роторе и статоре, фазных углов этих величин, а также взаиморасположения осей поля статора и ротора.

В соответствии с поставленными задачами исследования разработана математическая модель электрической цепи компонентов каскадной системы асинхронного электропривода. В рамках разработанной математической модели электродвижущая сила взаимоиндукции, наведенной в роторе асинхронного электрического привода полем статора е, и электродвижущая сила взаимоиндукции, наведенной в статоре асинхронного электрического привода полем ротора е]кА + , е\кв + е2кв > е\кс + егкс определяются соотношениями 4-7.

2й//„ги'„

* =-"-(4)

7Г

е1кА + е2кл = -2—1т Т в&пр ч'к (1 + 5та„е;,)8т(й* - ф ) (5) /г

е\кВ + е2кВ =~2~1тт Вапр Щ (1+;;'папер) X ж

хзт(й* + —пвАх-фрз) (6)

г

е\кС +е7кС.=-1 — /„, г Ва 1^(1+з1п« )х 71

7С

хБш(й* +— пс Ах -ф ),

со

К

рэ ) '

где /ш - расчетная длина магнитопровода; х - полюсное деление; п - номер паза; н>К - количество витков катушки; В&пр, В&пр - максимальное значение индукции поля статора, ротора; ф - угол между электродвижущей силой и током ротора; А* - длина одного зубцового деления; пв, пс - число зубцовых делений сдвига фазы В, С; со,со' - угловая частота тока статора, ротора; апср - угол перекрытия первой и второй катушек.

Полный поток и потокосцепление для одного контура ротора асинхронного двигателя Ф;)у, полный поток и потокосцепление для одной катушечной

группы статора асинхронного двигателя ^ка,шр2л определяется формулами 8,9.

где мттр - число витков одной катушки статора, ротора; Iр -ток, протекающий в катушке ротора; Фт — максимальное поток катушки.

Значения э.д.с. взаимоиндукции и величины магнитных потоков, рассчитанные по формулам 4-9, интегрированы в систему уравнений электрических цепей компонентов каскадных асинхронных электроприводов, В результате математических преобразований была получена система уравнений электрических цепей в комплексном виде

[4^-со5(й)'Г-фрз)~ФРо)] (Ю

(9)

/с=-У——-^-, (П)

4сот'. . ¡6м>катм>с 2 ^гат + ^ кат У57 ( 7 Ъ \ У л 2 Л

г ЛЧ 7 (1 + 5'па^)

л- у "/«Я,,

у цкат

+ №

14

<о

V 24

где кс,кр- показывают во сколько раз амплитуда индукции больше средней индукции в одной катушке, в одной фазе; Я/А - магнитное сопротивление потоку контура; Ик - сопротивление контура; фсэ - угол между напряжением и током статора; Скат = 20—м>^ат —-.

9 д

' // кат

Магнитные сопротивления воздушного зазора рассчитываются с использованием величины перекрытия одноименных полюсов при различных углах поворота вектора оси поля ротора относительно вектора оси поля статора.

Расчет мгновенного значения момента каскадного асинхронного электропривода проведен с использованием метода, основанного на электромеханическом преобразовании энергии.

Распределение индукции в зазоре от статорных обмоток, распределение индукции в зазоре от роторной обмотки, углы между электрическими величинами и пространственные углы между векторами осей полей, позволяет определить величину электромагнитной энергии устройства .

Мгновенный момент на валу каскадного асинхронного электропривода определяется численным методом после расчета величины запасенной энергии. Для определения усилия F, развиваемого устройством, дифференцируем по виртуальному перемещению 1¥эм, применяя трехточечный шаблон.

Полученные соотношения позволяют определить электромеханические и механические характеристики каскадного асинхронного электропривода.

В четвертой главе "Разработка программного комплекса, реализующего математические модели электромеханических процессов в АД, и модернизация каскадного электропривода" разработан программный комплекс для расчета магнитных систем и характеристик каскадных электроприводов. Проведена проверка полученных результатов с помощью вычислительного эксперимента. Разработана усовершенствованная конструкция управляемого каскадного электрического привода, а также конструкция токосъемного

устройства, позволяющая передавать большие значения тока и энергии и значительно уменьшить коммутационные процессы.

Разработаны две программы для расчета потокораспределения от обмоток статора и ротора АД каскадного электропривода, рисунок 1, 2, как в численном виде, так и в виде графического интерфейса. Причем программы являются универсальными, так как позволяют задавать любой тип обмотки. Программный комплекс был реализован в среде программирования DELPHI. Алгоритм программ построен на ряде оригинальных принципов расчета. Предложен принцип задания конструкции обмотки и процедура расчета картины распределения магнитного поля в зазоре машины. Применена псевдоанимация, показывающая картину изменения поля в пространстве при повороте трехфазной системы токов во времени.

Разработана программа расчета электромеханических параметров каскадного электрического привода, в которой реализованы предложенные математические модели. Программа позволяет в автоматическом режиме получить значения токов статора и ротора, углы сдвига между током и напряжением в статоре и током и э.д.с. в роторе, моментов и мощности, а также величину перекрытия полюсов. Данная программа позволяет рассчитать электромеханические и механические характеристики каскадного электропривода, рисунок 3,4. Результаты расчета сведены в таблицу 1.

Рисунок 1 - Интерфейс программы для расчета потокораспределения от обмоток статора

Рисунок 2 - Интерфейс программы для расчета потокораспределения от обмоток ротора

Ток ротора, А 400 800 1200 1600 2000

1 0,4

¡в

¡■й

I

Рисунок 3 - Электромеханические характеристики

0

0,2

4»

1 0,4

Л А

1 0,6

'А и

0,8

1

50

»««¡те

Момент, Н*м 100 150 200 250 300

■ гок 12 |ки| гнк 12 рас

- \ Го мен г М |кп|

- Мимсп I \| рас

Рисунок 4 - Механические характеристики

Таблица 1 - Расчетные данные для построения характеристик

Б 1, [кп] I, ¡2 [КП] ¡2 М[кп] М

0,01 14,48 15,12 88,795 92,54 44,23 47,2

ном 0,024 28,44 29,74 204,49 214,19 97,645 102,12

0,03 34,25 34,77 250,5 264,89 117,17 124,13

крит 0,14 96,8 101,85 795,15 834,82 252,9 266,18

0,5 128,2 134,23 1210,42 1273,17 177,71 186,55

1 135,1 143,84 1371,65 1456,06 139,6 146,26

Проведенная проверка разработанного программного комплекса показала, что заложенные в нем математические модели позволяют с погрешностью не более 6% определять электромеханические параметры устройства.

Решена задача определения мгновенных моментов на валу каскадного асинхронного электрического привода, пульсаций момента. Для электропривода с асинхронными двигателями мощностью Р2=15 кВт, напряжением 11=220/380 В, числом полюсов 2р=4 пульсации момента представлены на рисунке 5. Результирующий момент для каскадного асинхронного электрического привода приведен на рисунке 6.

106 а104 £102 « 100

98 96

vyvyvyyywra

0° 36° 72° 108° 144° ISO0 216'- 252° 288е1 324° 360-

Рисунок 5 - Пульсации момента АД

210 м 207

v4 201

198 195

WWYWVWW

_j_i_i_i_i i

0° 36° 72° 108° 144° 180° 216° 252° 288° 324° 360°

Рисунок 6 - Результирующий момент асинхронного электропривода

В результате проведенного научного исследования разработан управляемый каскадный электрический привод, рисунок 7. Основными элементами, характеризующими новизну, являются: электромагнитные муфты 1, 2, 5 с фрикционными прокладками 15, 16, 17. Разработана система

Рисунок 7 - Управляемый каскадный электрический привод

управления асинхронным каскадным электрическим приводом, рисунок 8, позволяющая расширить диапазон регулирования электропривода, рисунок 9,10.

ни

//

2 5

\

управление ЭМ1, ЭМ2, ЭМЗ

18 19 20

-Д (п,„) рА.

("и) -(П,ад)

(Дя)

управление переключением фаз

22

ктр

Л

21

Рисунок 9-Суммарная характеристика электропривода при разных частотах вращения

Рисунок 10-Суммарная характеристика электропривода при одинаковых частотах вращения

Разработанный электрический привод требует большего подвода электрической энергии, по сравнению с прототипом. Для решения этой проблемы было разработано жидкостное токосъемное устройство с магнитным уплотнением, рисунок 11. Основными элементами, характеризующими новизну, являются: магнитопровод 6, постоянные магниты 7, 21, токопроводящая жидкость 9 и феррожидкость 11. Применение токосъемно-го устройства вместо щеточного контакта, позволяет получать большие значения скорости вращения или момента, а также уйти от нежелательных коммутационных процессов, перенапряжений и искрений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Проведенные в данной работе исследования по математическому моделированию компонентов каскадной системы асинхронного электропривода позволяют сделать следующие основные выводы.

1 Проведенный анализ конструкций асинхронных электроприводов показал, что существующие однодвигательные системы электропривода имеют завышенные массогабаритные показатели и ухудшают качество электроэнергии в системах электроснабжения. Применение же предложенной каскадной системы позволит улучшить указанные параметры. Это будет достигнуто за счет того, что исполнительные компоненты этого привода работают в номинальном или близком к нему режиме и в них перенесен ряд функций из системы управления.

2 Разработана математическая модель магнитных систем компонентов каскадной системы асинхронного электропривода. Данная модель, в отличие от существующих, используя теорию магнитных цепей и принцип наложения, позволяет получить картины потокораспределения и величины мак-

Рисунок 11 - Токосъемное устройство

симальной индукции, как статора, так и ротора компонентов асинхронного электропривода.

3 Математическая модель магнитных систем дала возможность осуществить математическое моделирование электромеханических процессов, происходящих в компонентах каскадного асинхронного электропривода. Модель, в отличие от существующих, описывает взаимозависимость в пространстве и во времени магнитных потоков, напряжений, токов, электродвижущих сил самоиндукции и взаимоиндукции в статорных и роторных обмотках АД. Что позволяет определять электромеханические и механические характеристики электропривода.

4 Разработанные математические модели реализованы в виде программ, составленных в среде DELPHI.

5 Расчет электромеханических и механических характеристик, выполненный с помощью разработанных программ, показал, что они совпадают с контрольным примером и с паспортными данными существующих устройств с погрешностью, не превышающей 6 %. Это позволяет использовать разработанную методику для проектирования компонентов каскадных асинхронных систем электроприводов.

6 Рассчитаны, с использованием разработанного пакета прикладных программ, значения момента в процессе поворота вала электропривода на 360°. Результаты расчета показывают, что величина момента пульсирует в процессе поворота вала электропривода. Показано, что пульсации обусловлены пульсациями магнитного потока в процессе вращения магнитного поля из-за наличия пазов в статоре и роторе входящих в привод АД.

7 В результате проведенных исследований усовершенствована конструкция управляемого каскадного электрического привода, в котором расширен диапазон возможного регулирования скорости и момента при работе отдельных компонентов в режимах близких к номинальному. Разрабо-танно жидкостное токосъемное устройство с феррожидкостным магнитным уплотнением, что позволит передавать большие величины тока и энергии, и уменьшить коммутационные процессы и искрения на больших скоростях вращения.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

в рекомендованных ВАК научных журналах и зданиях:

1 Карандей В.Ю. Определение токов статора и ротора в каскадном электрическом приводе [Текст] / В.Ю. Карандей, Б.К. Попов, // Известия высших учебных заведений, Северо-Кавказский регион. Технические науки. - 2008. -№ 4. - С. 91 -96.

2 Карандей В.Ю. Концепция расчета магнитной системы асинхронного двигателя специального электропривода [Текст] / В.Ю. Карандей, Б.К. Попов, // Известия высших учебных заведений, Пищевая технология. Научно-технический журнал. -2008. -№ 1. - С. 101-103.

в других журналах и изданиях:

3 Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2006610548 от 8.02.2006 г. Программа для расчета магнитной системы статора методом магнитных цепей [Текст] / Б.К. Попов, О.Б. Попова, В.Ю. Карандей.

4 Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №

2008614047 от 25.08.2008 г. Программа для расчета магнитной системы ротора методом магнитных цепей [Текст] / Б.К. Попов, В.Ю. Карандей.

5 Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №

2008614048 от 25.08.2008 г. Программа для расчета токов статора и ротора в каскадном электрическом приводе [Текст] / Б.К. Попов, BIO. Карандей.

6 Попов Б.К. Расчет магнитного потока одной катушечной группы ста-торной обмотки асинхронного двигателя [Текст] / Б.К. Попов, О.Б. Попова, В.Ю. Карандей; Кубан. гос. технол. ун-т. Краснодар, 2006. - 8 с. - Деп. в ВИНИТИ 10.01.06, №4-В2006.

7 Попов Б.К. Разработка алгоритма расчета статора асинхронного двигателя методом магнитных цепей [Текст] / Б.К. Попов, О.Б. Попова, В.Ю. Карандей; Кубан. гос. технол. ун-т. Краснодар, 2006. - 16 с. - Деп. в ВИНИТИ 10.01.06, №5-В2006.

8 Попов Б.К. Расчет магнитных сопротивлений для двухслойной петлевой обмотки статора синхронного двигателя Z=36, 2р=4, q=3 [Текст] / Б.К. Попов, О.Б. Попова, BJO. Карандей, А.Н. Лахман; Кубан. гос. технол. ун-т. Краснодар, 2007. - 8 с. - Деп. в ВИНИТИ 16.05.2007, № 530-В2007.

9 Попов Б.К. Расчет магнитных сопротивлений для двухслойной петлевой обмотки статора синхронного двигателя Ъ~24, 2р=4, ц=2 [Текст] / Б.К. Попов, О.Б. Попова, В,Ю. Карандей, А.Н. Лахман; Кубан. гос. технол. ун-т. Краснодар, 2007. - 8 с. - Деп. в ВИНИТИ 17.10.2007, № 975-В2007.

10 Попов Б.К. Расчет магнитных сопротивлений от обмотки возбуждения ротора для статора Ъ-24, 2р=4, q=2 синхронного двигателя [Текст] / Б.К. Попов, О.Б. Попова, В.Ю. Каравдей, А.Н. Лахман; Кубан. гос. технол. ун-т. Краснодар, 2007. - 8 с. - Деп. в ВИНИТИ 17.10.2007, № 974-В2007.

11 Попов Б.К. Определение электродвижущей силы взаимоиндукции, наведенной в роторе асинхронного двигателя полем статора [Текст] / Б.К. Попов, В.Ю. Карандей; Кубан. гос. технол. ун-т. Краснодар, 2008. - 7 с.-Деп. в ВИНИТИ 12.05.2008, № 411-В2008.

12 Попов Б.К. Определение полного потока для одной катушечной группы статора асинхронного двигателя [Текст] / Б.К. Попов, В.Ю. Каравдей; Кубан. гос. технол. ун-т. Краснодар, 2008. - 5 с. - Деп. в ВИНИТИ 09.06.2008, № 494-В2008.

13 Попов Б.К. Определение электродвижущей силы взаимоиндукции, наведенной в статоре асинхронного двигателя полем ротора [Текст] / Б.К. Попов, В.Ю. Каравдей; Кубан. гос. технол. ун-т. Краснодар, 2008. -8с.-Деп. в ВИНИТИ 09.06.2008, № 495-В2008.

14 Попов Б.К. Определение полного потока для одного контура ротора асинхронного двигателя [Текст] / Б.К. Попов, В.Ю. Каравдей; Кубан. гос. технол. ун-т. Краснодар, 2008. - 8 с. - Деп. в ВИНИТИ 09.06.2008, № 496-В2008.

15 Попов Б.К. Исследование применимости рядов и интеграла Фурье к решению полевых задач электротехники [Текст] / Б.К. Попов, О.Б. Попова, В.Ю. Каравдей // Электроэнергетические комплексы и системы: Материалы научно-практической конференции, 28 мая 2005 г./ Краснодар, ГОУ ВПО «КубГТУ», 2005. - С. 45-48.

16 Попов Б.К. Разработка декомпозиционного подхода к решению задач геометрического программирования в области оптимизации электродвигателей [Текст] / Б.К. Попов, О.Б. Попова, В.Ю. Каравдей // Электроэнергетические комплексы и системы: Материалы научно-практической конференции, 28 мая 2005 г./ Краснодар, ГОУ ВПО «КубГТУ», 2005. - С. 49-51.

17 Попов Б.К. Расчет магнитной системы статора асинхронного двигателя методом магнитных цепей [Текст] / Б.К. Попов, О.Б. Попова, В.Ю. Карандей // Электроэнергетические комплексы и системы: Материалы научно-практической конференции, 28 мая 2005 г./ Краснодар, ГОУ ВПО «КубГТУ», 2005. - С. 45-48.

18 Попов Б.К. Расчет магнитного потока одной катушки обмотки статора асинхронного двигателя [Текст] / Б.К. Попов, О.Б. Попова, В.Ю. Карандей, А.Н. Лахман // Электроэнергетические комплексы и системы: Материалы международной научно-практической конференции, 25 апреля 2006 г./ Краснодар, ГОУ ВПО «КубГТУ», 2006. - С. 122-125.

19 Попов Б.К. Обобщенный алгоритм расчета магнитной цепи статора/ Б.К. Попов, О.Б. Попова, В.Ю. Карандей, А.Н. Лахман [Текст] // Электроэнергетические комплексы и системы: Материалы международной научно-практической конференции, 25 апреля 2006 г./ Краснодар, ГОУ ВПО «КубГТУ», 2006.-С. 126-128.

20 Попов Б.К. Исследование сходимости метода последовательных приближений при решении полевой задачи с помощью интеграла Фурье / Б.К. Попов, О.Б. Попова, В.Ю. Карандей [Текст] // Электроэнергетические комплексы и системы: Материалы международной научно-практической конференции, 25 апреля 2006 г./ Краснодар, ГОУ ВПО «КубГТУ», 2006. -С. 129-130.

21 Попов Б.К. Применение теории графов к построению оптимальной системы электроснабжения [Текст] / Б.К. Попов, О.Б. Попова, В.Ю. Карандей // Электроэнергетические комплексы и системы: Материалы международной научно-практической конференции, 25 апреля 2006 г./ Краснодар, ГОУ ВПО «КубГТУ», 2006. - С. 131-132.

22 Карандей В.Ю. Программа для расчета магнитной системы статора методом магнитных цепей [Текст] / В.Ю. Карандей, А.Н. Лахман // Энергетика и энергосбережение: Материалы Всероссийской конференции -конкурсного отбора инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направлению, 26-29 снтября 2006 г./ Томск, Томский политехи. ун-т, 2006. - С. 105-111.

23 Попов Б.К. Расчет магнитных сопротивлений обмоток ротора для синхронного двигателя [Текст] / Б.К, Попов, О.Б. Попова, В.Ю. Карандей,

A.Н. Лахман // Электроэнергетические комплексы и системы: Материалы международной научно-практической конференции, 20-21 марта 2007 г./ Краснодар, ГОУ ВПО «КубГТУ», 2007. - С. 180-183.

24 Попов Б.К. Расчет магнитных сопротивлений для одной катушки обмотки ротора синхронного двигателя [Текст] / Б.К. Попов, О.Б. Попова,

B.Ю. Карандей, А.Н. Лахман // Энерго-и ресурсосберегающие технологии и установки: Энерго-и ресурсосберегающие технологии и установки, 5-6 апреля 2007 г./ Краснодар, КВВАУЛ, 2007. - Том 1 - С. 80-83.

25 Попов Б.К. Расчет магнитного сопротивления для третьей катушки обмотки возбуждения ротора синхронного двигателя [Текст] / Б.К. Попов, О.Б. Попова, В.Ю. Карандей, А.Н. Лахман // Инновационные технологии - транспорту и промышленности: Труды 45-й международной научно-практической конференции, 7-9 ноября 2007 г./ Хабаровск, ДВГУПС, 2007.-Том 2-С. 244.

26 Попов Б.К. Расчет магнитных систем машин переменного тока [Текст] / Б.К. Попов, О.Б. Попова, В.Ю. Карандей, Ю.Ю. Карандей, А.Н. Лахман // Научное обеспечение агропромышленного комплекса: Материалы 1 Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, 14-16 ноября 2007 г./ Краснодар, ГОУ ВПО КГАУ, 2007. -С. 329-331.

27 Карандей В.Ю. Расчет магнитной системы асинхронного двигателя [Текст] / В.Ю. Карандей // Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования: Труды Всероссийской научной конференции, 22-24 апреля 2008 г./Хабаровск, ДВГУПС, 2008. -С. 150-152.

28 Карандей В.Ю. Расчет магнитной системы специального электрического привода [Текст] / BJO. Карандей, А.Н. Лахман // Тинчуринские чтения: Материалы докладов 3-й молодежной международной научной конференции, 24-25 апреля 2008 г./ Казань, Казан, гос. энерг. ун-т, 2008. -С. 85-86.

29 Карандей В.Ю. Определение полного потока для одной катушки статора управляемого каскадного электрического привода [Текст] / В.Ю. Карандей, Б.К. Попов, А.Н. Лахман // Материалы докладов международной научно-технической конференции «Энергетика 2008: инновации, решения, перспективы» 15-19 сентября 2008 г./ Казань, Казан, гос. энерг. унт, 2008.- 4.5, С. 172-174.

Подписано б печать 01.04.09. Печать трафаретная. Формат 60x84 '/)6. Усл. печ. л. 1,36. Тираж 100 экз. Заказ № 143 ООО «Издательский Дом-Юг» 350072, г. Краснодар, ул. Московская 2, корп. «В», оф. В-120 тел. 8-918-41-50-571

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ, МЕТОДОВ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ.

1.1 Анализ конструкций асинхронных электроприводов и их характеристик.

1.2 Анализ методов математического моделирования механических характеристик.

1.3 Анализ методов математического моделирования электромеханических характеристик.

1.4 Формулировка задачи исследования.

1.5 Выводы.

2 РАСЧЕТ МАГНИТНЫХ ЦЕПЕЙ АД КАСКАДНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

2.1 Расчет магнитной системы АД с применением метода наложения.

2.2 Расчет магнитных сопротивлений для статора цилиндрических АД.

2.3 Расчет магнитных сопротивлений для ротора цилиндрических АД.

2.4 Расчет магнитных сопротивлений для статора других конструкций АД

2.5 Расчет магнитных сопротивлений для ротора других конструкций АД.

2.6 Выводы.

3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ В АД КАСКАДНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ.

ЗЛ Общие положения.

3.2 Определение э.д взаимоиндукции в роторе АД кадного электропривода.

3.3 Определение э.д взаимоиндукции ваторе АД кадного электропривода.

3.4 Определение полного потока одного контура ротора АД каскадного электропривода.

3.5 Определение полного потока одной катушечной группы статора АД каскадного электропривода.

3.6 Вывод системы уравнений электрических цепей АД каскадного электропривода.

3.7 Вывод величины перекрытия одноименных магнитных полюсов АД каскадного электропривода.

3.8 Определение момента АД каскадного электропривода.

3.9 Выводы.

4 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА, РЕАЛИЗУЮЩЕГО МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В АД, И МОДЕРНИЗАЦИЯ КАСКАДНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА.

4.1 Общие положения.

4.2 Разработка и описание алгоритма программы расчета магнитной системы статора АД каскадного электропривода методом магнитных цепей.

4.3 Разработка и описание алгоритма программы расчета магнитной системы ротора АД каскадного электропривода методом магнитных цепей.

4.4 Разработка и описание алгоритма программы расчета электромеханических параметров АД каскадного электропривода.

4.5 Экспериментальная проверка полученных результатов.

4.6 Разработка усовершенствованной конструкции управляемого каскадного электрического привода.

4.7 Разработка токосъемного устройства.

4.8 Выводы.

Актуальность темы. Образованная постановлением Правительства РФ №726 комиссия по вопросам развития электроэнергетики выработала энергетическую стратегию России на период до 2020 года, определив одним из основных ориентиров долгосрочной политики государства в электроэнергетике повышение эффективности ее функционирования и обеспечение устойчивого развития на базе современных технологий.

Одной из ключевых, приоритетных задач электротехнической промышленности является повышение качества электроприводов и их компонентов. Значительный вклад в теорию электромеханических систем внесли Костенко М.П., Пиотровский JIM., Вольдек А.И., Копылов И.П., Шмитц Н., Новотный Д., Нейман JI.P., Гордон A.B., Гайтов Б.Х. и др., трудами которых создана теоретическая база для проектирования систем электроприводов. Исследованию различных видов электроприводов постоянного и переменного тока посвящены работы Чили-кина М.Г., Ключева В.И., Соколова М.М., Попова В.К., Сандлера A.C. и др. Анализ выполненных работ показал, что актуальным является совершенствование систем электроприводов.

Обобщенное качество электроприводов традиционно описывается энергетическими и массогабаритными показателями. Внедрение дополнительных научно обоснованных технико-экономических критериев, отражающих эксплуатационную надежность электроприводов (долговечность, технологичность, расходы на эксплуатацию и ремонт и т. д.) способствует ужесточению требований к техническим характеристикам электроприводов. Большое внимание в этом свете уделяется повышению качества электроприводов с асинхронными двигателями (АД), как наиболее массовыми и простыми по конструкции электрическими машинами. Регулирование координат электропривода с АД на сегодняшний день невозможно без широкого применения электронных преобразователей энергии, которые в значительной степени ухудшают качество электроэнергии в системах электроснабжения и увеличивают массогабаритные показатели электропривода в целом. Применение механотронных модулей и каскадных систем электропривода с АД позволяет улучшить массогабаритные и энергетические показатели этих электроприводов.

Особый интерес представляют каскадные многодвигательные электроприводы с АД, работающие в номинальном или близком к нему режиме.

В связи с этим актуальны следующие проблемы, анализируемые в нашем исследовании:

- теоретического обоснования моделей магнитных систем АД каскадных электроприводов как совокупности электромагнитов переменного тока;

- создания математической модели, позволяющей определять токи, ЭДС, напряжения, пространственные и электрические углы в электроприводах;

- определения мгновенных значений угловой скорости вращения вала и вращающего момента;

- выявления аналитических зависимостей для расчета магнитных сопротивлений магнитных систем АД каскадных электроприводов.

Итак, актуальность исследования определяется потребностью электротехнической промышленности России в совершенствовании электроприводов станков и инструментов, электрических трансмиссий транспорта, приводов прокатных станов и т. д., так как это позволяет улучшить их качество и технико-экономические показатели.

Объектом исследования являются мпогодвигательные каскадные системы электропривода с асинхронными электродвигателями.

Целью исследования является математическое моделирование компонентов каскадной системы асинхронного электропривода для решения конкретных практических задач по проектированию и повышению эффективности его эксплуа тации.

Задачи исследования. Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи: разработать математическую модель электромагнитной системы АД, как компонента каскадного асинхронного электропривода, для определения механических и электромеханических характеристик. для полученной математической модели создать программное обеспечение для определения указанных характеристик электропривода. усовершенствовать конструкцию управляемого каскадного электрического привода и исследовать его работу с помощью разработанного программного обеспечения.

Методы исследования. В качестве методов исследования использованы положения теории магннтных цепей (для расчета значений сопротивлений магнитному потоку обмоток АД каскадных электроприводов), метода наложения (для получения величин магнитных потоков в магнитных цепях АД каскадных электроприводов), теории электромеханического преобразования энергии, теории электропривода и методы программирования.

Научная новизна работы заключается в следующем: разработана математическая модель магнитных систем компонентов каскадного асинхронного электропривода; разработана математическая модель, описывающая взаимозависимость токов, э.д.с., напряжений статора и ротора, пространственных и электрических углов сдвига в компонентах каскадных систем асинхронного электропривода; разработана инженерная методика расчета электромеханических и механических характеристик компонентов каскадного электрического привода, а также пульсаций момента при вращении его вала;

- получен ряд аналитических зависимостей, характеризующих параметры, необходимые для проектирования магнитных систем АД каскадных электроприводов.

Практическая ценность. Разработанные модели реализованы в виде программных продуктов, предназначенных для расчета электромеханических параметров каскадного асинхронного электрического привода. Получены свидетельства об официальной регистрации программ ЭВМ для расчета магнитной системы статора методом магнитных цепей (№ 2006610548 от 8.02.2006 г.), магнитной системы ротора методом магнитных цепей (№ 2008614047 от 25.08.2008 г.), токов статора и ротора в каскадном электрическом приводе (№ 2008614048 от 25.08.2008 г.). Разработана инженерная методика расчета электромеханических и механических характеристик компонентов каскадного асинхронного электропривода. Усовершенствована конструкция управляемого каскадного электрического привода, осуществляющего, как плавную, так и многоступенчатую электромагнитную редукцию скорости и момента.

Положения, выносимые на защиту:

- математическая модель электромагнитной системы компонентов каскадной системы асинхронного электропривода;

- математическая модель, определяющая характеристики компонентов каскадных систем асинхронных электроприводов: токи, э.д.с., напряжения статора и ротора и зависимости пространственных и электрических углов сдвига;

- результаты инженерных расчетов электромеханических и механических характеристик каскадного электрического привода, а также пульсаций момента, необходимые для проектирования специальных асинхронных систем электроприводов;

- усовершенствованная конструкция каскадного асинхронного электропривода с жидкостным токосъемом.

Реализация результатов исследования. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом государственных бюджетных научноисследовательских работ кафедры «Электроснабжения промышленных предприятий» ГОУ ВПО «Кубанского государственного технологического университета» № 5.1 01-05 01200117876 «Повышение эффективности электротехнических комплексов и систем».

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс кафедры «Электропривода и автоматизации промышленных установок и технологических комплексов» ГОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», в учебный процесс кафедры «Электроснабжения промышленных предприятий» ГОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет», в ОАО «Московский узел связи энергетики», в ЗАО «ТМТК». Разработанные методы определения необходимых параметров, программный комплекс, математические и аналитические зависимости могут быть использованы для нахождения механических и электромеханических характеристик, а также пульсаций момента для вновь проектируемых специальных систем электроприводов при курсовом и дипломном проектировании на специализированных кафедрах высших учебных заведений, а также в соответствующих проектных институтах и конструкторских бюро.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на паучно-практической конференции «Электроэнергетические комплексы и системы» (ГОУ ВПО «КубГТУ» Краснодар, 28 мая 2005г.), на международной научно-практической конференции «Электроэнергетические комплексы и системы» (ГОУ ВПО «КубГТУ» Краснодар, 25 апреля 2006г.), на всероссийской конференции - конкурсного отбора инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направлению программы «Энергетика и энергосбережение» г. Томск, (ГОУ ВПО «ТПУ» 26-29 сентября 2006г.), на международной научно-практической конференции «Электроэнергетические комплексы и системы» (ГОУ ВПО «КубГТУ» Краснодар, 20-21 марта 2007г.), на пятой Всероссийской научной конференции «Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки» (ГОУ ВПО «КубГТУ» Краснодар, 5-6 апреля 2007г.), на 45-й международной научно-практической конференции «Инновационные технологии — транспорту и промышленности», (г. Хабаровск, ДВГУПС, 7-9 ноября 2007 г.), на 1-ой Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (г. Краснодар, КГАУ, 14-16 ноября 2007 г.), на всероссийской научной конференции «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования» (г. Хабаровск, ДВГУПС, 22-24 апреля 2008 г.), на 3-ей молодежной международной научной конференции «Тинчуринские чтения» (г. Казань, ГОУ ВПО КГЭУ, 24-25 апреля 2008 г.), на международной научно-технической конференции «ЭНЕРГЕТИКА -2008: инновации, решения, перспективы» (г. Казань, ГОУ ВПО КГЭУ, 15-19 сентября 2008 г.).

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 29-ти печатных работах, из них две статьи в центральных журналах, в том числе одна по рекомендуемому списку ВАК, три свидетельства о регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы, содержащего 123 наименований, и приложений. Общий объем работы 245 страниц, включая 77 рисунков на 72 страницах, 81 страница приложений.

4.8 Выводы

1 Полученные в предыдущих разделах математические модели позволили разработать универсальные программы расчета магнитной системы статора и ротора АД каскадного электропривода методом магнитным цепей. Эти программы позволили, благодаря реализованной в ней математической модели и оригинальному алгоритму, получать картины потокораспределения полей статора и ротора, что позволило уточнить величину максимальной индукции для данных типов электроприводов.

2 Разработана программа расчета электромеханических параметров каскадного электрического привода, в которой реализованы предложенные математические модели. Программа позволяет в автоматическом режиме получить значения токов и потоков статора и ротора, углы сдвига между током и напряжением в статоре и током и э.д.с. в роторе, моментов и мощности, а также величину перекрытия полюсов. Данная программа позволяет рассчитать электромеханические и механические характеристики каскадного электропривода.

3 Проведенная проверка разработанного программного комплекса показала, что заложенные в нем математические модели позволяют с погрешностью не более 6% определять электромеханические параметры устройства.

4 С помощью разработанного программного комплекса установлено, что величина момента не является постоянной, а непрерывно пульсируют процессе полного оборота вала на 360°, при этом наибольшее значение амплитуды пульсаций может составлять 10%.

5 Анализ работы каскадного электропривода с АД позволил разработать усовершенствованную конструкцию указанного привода, с применением разработанного жидкостного токосъемного устройства. Это решение позволит передавать большие величины тока и эиергии, значительно уменьшить коммутационные процессы и получать большие величины момента на валу или скоростей вращения. Также предложенная конструкция позволит расширить диапазон регулирования электропривода при работе его компонентов в режимах близких к номинальному.

5 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные в данной работе исследования по математическому моделированию компонентов каскадной системы асинхронного электропривода позволяют сделать следующие основные выводы.

1 Проведенный анализ конструкций асинхронных электроприводов показал, что существующие одно двигательные системы электропривода имеют завышенные массогабаритные показатели и ухудшают качество электроэнергии в системах электроснабжения. Применение же предложенной каскадной системы позволит улучшить указанные параметры. Это будет достигнуто за счет того, что исполнительные компоненты этого привода работают в номинальном или близком к нему режиме и в них перенесен ряд функций из системы управления.

2 Разработана математическая модель магнитных систем компонентов каскадной системы асинхронного электропривода. Данная модель, в отличие от существующих, используя теорию магнитных цепей и принцип наложения, позволяет получить картины потокораспределения и величины максимальной индукции, как статора, так и ротора компонентов асинхронного электропривода.

3 Математическая модель магнитных систем дала возможность осуществить математическое моделирование электромеханических процессов, происходящих в компонентах каскадного асинхронного электропривода. Модель, в отличие от существующих, описывает взаимозависимость в пространстве и во времени магнитных потоков, напряжений, токов, электродвижущих сил самоиндукции и взаимоиндукции в статорных и роторных обмотках АД. Что позволяет определять электромеханические и механические характеристики электропривода.

4 Разработанные математические модели реализованы в виде программ, составленных в среде DELPHI.

5 Расчет электромеханических и механических характеристик, выполненный с помощью разработанных программ, показал, что они совпадают с контрольным примером и с паспортными данными существующих устройств с погрешностью, не превышающей 6 %. Это позволяет использовать разработанную методику для проектирования компонентов каскадных асинхронных систем электроприводов.

6 Рассчитаны, с использованием разработанного пакета прикладных программ, значения момента в процессе поворота вала электропривода на 360°. Результаты расчета показывают, что величина момента пульсирует в процессе поворота вала электропривода. Определены величины пульсаций для как для отдельного АД, так п для привода в целом. Эти пульсации объясняются пульсациями магнитного потока в процессе вращения магнитного поля из-за наличия пазов в статоре и роторе входящих в привод АД.

7 В результате проведенных исследований усовершенствована конструкция управляемого каскадного электрического привода, в котором расширен диапазон возможного регулирования скорости при работе отдельных компонентов в режимах близких к номинальному. Также применено разработанное жидкостное токосъемное устройство с феррожидкостным магнитным уплотнением, что позволит передавать большие величины тока и энергии, и уменьшить коммутационные процессы и искрения на больших скоростях вращения.

1. Москаленко В.В. Автоматизированный электропривод Текст.: учеб. для электротехн. спец. пехн / В.В. Москаленко М.: Высшая школа, 1986. - 416 с.

2. Москаленко В.В. Электрический привод Текст.: учеб. пособие для сред, проф. образования / В.В. Москаленко — 2-е изд. — М.: Издательский центр «Академия», 2004. 368 с.

3. Чиликин М.Г. Теория автоматизированного электропривода Текст.: учеб. пособие для вузов / М.Г. Чиликин, В.И. Ключев, A.C. Сандлер. М.: Энергия, 1979.-616 с.

4. Браславский И .Я. Энергосберегающий асинхронный электропривод Текст.: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / И.Я. Браславский, З.Ш. Ишматов, В.Н. Поляков. М.: Издательский центр «Академия», 2004. -256 с.

5. Леонов В.М. О неравномерности угловой скорости вращения Текст.: / В.М. Леонов // ЗАО «ЦКТБ ЦЭР», Электрика. 2005. - №7. - С. 23-24.

6. Малахов О.С. Разработка автоматизированного электропривода прокатного проволочного блока с промежуточной неприводной клетью: Автореф. дис. канд. техн. наук. Магнитогорск., 2006. - 16 с.

7. Ограничение динамических нагрузок ленточных конвейеров с двухдвигательной приводной станцией Текст. / Л. Я. Теличко, A.C. Тарасов // сб.науч. тр. / Вестник Воронежского государственного технологического университета. Воронеж, 2007. - №5. - С. 115-120.

8. Демин С. А. Разработка электропривода машины центробежного литья валков по системе асинхронного вентильного каскада: Автореф. дис. канд. техн. наук. Магнитогорск, 2006, - 18 с.

9. Лукьянов С.И. Разработка электропривода тянущих роликов машины непрерывного литья Текст. / С.И. Лукьянов, В.Б. Славгородский, Д.В. Швидченко, Е.С. Суспицын, В.Н. Данилов, А.Е. Васильев, А.В. Белый, И.Л. Погорелов // Вест. МГТУ. 2004. - № 3. - С. 82-85.

10. А. с. 2288111 Россия, МПК7 В 60 L 15/08. Многодвигательный электропривод Текст. / А. С. Мазнев, А. М.Евстафьев № 2005116377/11; заявл. 30.05.2005; опубл. 27.11.2006, Бюл. №12-5с.: ил.

11. А. с. 2050672 Россия, МПК7 Н 02 К 17/34. Каскадный электрический привод Текст. / Г. А. Чесноков, Д.П. Колесников, В.А. Котов, В.А.Иванов -№ 5015507/07; заявл. 09.12.1991; опубл. 20.12.1995, Бюл. №11 4с.: ил.

12. Шмитц Н. Введение в электромеханику Текст. / Н. Шмитц, Д. Новотный. М.: Энергия, 1969. - 336 с.

13. Иванов-Смоленский А.В. Электромагнитные силы и преобразование энергии в электрических машинах Текст. / А.В. Иванов-Смоленский. М.: Высшая школа, 1989. - 312 е.: ил.

14. Okamoto Yoshifumi. Minimization of driving force ripple of linear motor for ropeless elevator using topology optimization technique Текст. / Okamoto Yoshifumi, Takahashi Okamoto Norio // J. Mater. Process. Technol. 2007. -№ 1-3 P. 131-135.

15. Ran Zhengyun. Beijing keji daxue xuebao Torque ripple minimization in direct torque control of induction motors Текст. / Ran Zhengyun, Li Huade, Chen Shujin // J. Univ. Sci. and Technol. Beijing. 2006. - № 10. - P. 985-988.

16. Starnberger Bojan. Torque ripple reduction in exterior-rotor permanent magnet synchronous motor Текст. / Starnberger Bojan, Starnberger Gorazd, Hadciselimoviz Miralem, Zagradisnik Ivan // J. Magn. and Magn. Mater. 2006. -№ 2, P. E826-E828.

17. Meng Qing-chun. Моделирование прямого управления моментом асинхронного двигателя при новом способе управления Текст. / Meng Qing-chun, Xu Xue-hai, Liaomng gongcheng jishu daxue xuebao // J. Liaoning Techn. Univ. 2005. - № 6, - P. 881-883.

18. Шишаков K.B. Модель электропривода при наличии пульсаций выходных характеристик Текст. / К.В. Шишаков // Вести. ИжГТУ. 2006. -№2. - С. 42-48.

19. Утенкова М.Г. Электромагнитный момент в двухроторной синхронной машине с дробными зубцовыми обмотками Текст. / М.Г. Утенкова, А.Ф. Шевченко // науч. тр. НГТУ. 2006. - № 2. - С. 113-118.

20. Wu dlan P. Simple expression for optimal current waveforms for permanent-magnet synchronous machine drivers Текст. / P. Wu dlan, L. Chapman Patrick // IEEE Trans. Energy Converse. 2005. - №1.- P. 151-157.

21. Lin Zhengyu. Torque ripple reduction in switched reluctance motor drives using B-spline neural networks Текст. / Lin Zhengyu, Rcay Donald S., Williams Barry W., He Xiangning. // IEEE Trans. Ind. Appl. 2006. - №6. - P. 1445-1453.

22. Темлякова З.С. О новом подходе к проектированию электрических машин на основе численного моделирования Текст. / З.С. Темлякова, М.Г. Персова, Ю.Г. Соловейчик, Р.В. Петров, В.В. Гречкин // Электротехника. — 2007.-№ 9.-С. 15-21.

23. Полумисков М. А. Разработка математических моделей для расчета электромагнитного поля с применением сингулярных интегральных уравнении и их численное исследование: Автореф. дис. канд. техн. наук. М., 2007, - 20 с.

24. Буль О.Б. Простейшие методы расчета магнитных проводимостей Текст. / О.Б. Буль // Электротехника. 2007. - № 1. - С. 17-24.

25. Зирнит Д.В. Моделирование магнитных полей асинхронного двигателя Текст. / Д.В. Зирнит. Омск, 2007. - 12 с.

26. Repo A. Numerical impulse response test to estimate circuit-model parameters for induction machines Текст. / A. Repo, A. Arkkio II IEEE Proc. Elee. Power Appl. 2006. - № 6. - P. 883-890.

27. Drabek Tomasz. Modelowanie maszyn elektrycynych z magnesami trwatymi Текст. / Anderzej Matras, Jerzy Skwarczynski // Prz. elektrotechn. -2007. №6. - C. 95-98.

28. Петрушин B.C. Математична модель асинхронного двигуна у нестацюнарних режимах роботи Текст. / B.C. Петрушин // 13 МАжнародна науково-практична конференщя "Проблеми автоматизованого електроприводу. TeopiH i практика", Одесса, 2006. № 66. - С. 223-225.

29. Исмагилов Ф.Р. Исследование электромагнитных процессов в вибрационных электромеханических преобразователях Текст. / Ф.Р. Исмагилов, P.P. Саттаров, A.B. Трофимов // Вести. УГАТУ. 2006. - № 1. - С. 160-165.

30. Печенков А.Н. Расчет трехмерного магнитного поля круглой катушки с прямоугольным сечением pi постоянным током Текст. / А.Н. Печенков // Дефектоскопия. 2006. - № 9. - С. 65-71.

31. Kakinoki Toshio. Kagoshima daigaku kogakubu kenkyu hokoku Текст. / Toshio Kakinoki, Katsuji Shonohara, Shingo Fukumaru // Res. Repts Fac. Eng. Kagoshima Univ. 2005. - № 47. - P. 35-39.

32. Иванова E.C. Математические модели асинхронного трехфазного двигателя с короткозамкнутым ротором Текст. / Е.С. Иванова // Приборы и управление: сборник статей молодых ученых / ТулГУ. Вып. 4. Тула, 2006. — С. 72-76.

33. А. с. 7148594 США, МПК7 Н 02 К 7/02. Электрическая машина с аксиальным воздушным зазором Текст. = Axial gap electrical machine / Rajasingham Arjuna Indraeswaran № 10/364640; заявл. 12.02.2003; опубл. 12.12.2006 Бюл. № 14 - 12c.: ил.

34. Сарваров А.С. Математическая модель электропривода машины центробежного литья валков на базе системы АВК Текст. / А.С. Сарваров, С.А. Демин // Вест. МГТУ Магнитогорск, 2006. - № 2. - С. 50-53.

35. Титов М.П. Математическое описание электромеханических процессов преобразования энергии в асинхронном двигателе Текст. / М.П. Титов: тез. докл. // Брат. гос. техн. ун-та., Братск., 2006. - С. 144-149. - Библ. 2.

36. Одилов Г. Магнитное поле в зазоре и дифференциальное рассеяние обмотки фазного ротора асинхронного двигателя Текст. / Г. Одилов // Электричество.- 2006. № 6. - С. 42-47.

37. Афонин А.А. Формирование функции распределения магнитного поля в магнитных системах с внутренним ротором Текст. / А.А. Афонин // Доп. Нац. АН Украши. 2005. - № 11. - С. 78-85.

38. Квашнин В.О. Моделирование асинхронных электродвигателей с использованием пакета программ DELPHI Текст. / В.О. Квашнин, A.M. Наливайко // Електпро-машинобудування та електрообладнання. — 2006. -№66.-С. 219-220.

39. Rinkeviuiene R. Моделирование асинхронного привода с помощью программы Текст. = PSpice. Modelling AC induction drive in PSpice. Rinkeviuiene R., Petrovas A. / R. Rinkeviuiene, A. Petrovas // Elektron, ir elektrotech. 2007. -№ l.-C. 29-32.

40. Горская И.Ю. Ферромагнитный сердечник в поле статорной обмотки Текст. / И.Ю. Горская, А.В Фурсенко // Техн. Електродинам. 2006. - №3. -С. 26-30.

41. Одилов Г. Магнитное поле в зазоре и дифференциальное решение обмотки фазного ротора асинхронного двигателя Текст. / Г. Одилов // Электричество. 2006. - №6. - С. 42-47.

42. Болте Э. Анализ асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с учетом двумерного распределения поля Текст. / Э. Болте, М.К. Бобожанов // Электрика. 2006. - №9. - С. 14-22.

43. Cheng Ming. Анализ нелинейной магнитной цепи обращенного синхронного генератора с сосредоточенными обмотками Текст. / Ming Cheng, Yunliang Wang, Ju Ye, Dognan daxue xuebao // J. Southeast Univ. Natur. Sci. Ed. -2006. 36. №2. - P. 252-256.

44. Осташевский H.A. Исследование магнитного поля безпазового двигателя постоянного тока с магнитоэлектрическим возбуждением при холостом ходе Текст. / Н.А. Осташевский, В.Н. Иваненко, А.Н. Ковган // Електрохн. i електротех. 2005. - №3. - С. 33-37.

45. Варламов Ю.В. Численный электромагнитный анализ торцевой зоны мощных турбогенераторов Текст. / Ю.В. Варламов, М.Б. Райтгард, B.JI. Чечурин // Пробл. Создания и эксплуотац.нов.тинов электроэнерг. Оборуд. 2004. - №6. - С. 60-78.

46. Варламов Ю.В. Численный электромагнитный анализ торцевой зоны мощных турбогенераторов Текст. / Ю.В. Варламов, М.Б. Райтгард,

47. B.JL Чечурин // Проблема создания и эксплуатации новых типов электроэнергетического оборудования: Сборник трудов. Вып. 6. СПБ, 2004. —1. C. 60-78.

48. Глухов Д.М. Моделирование электромагнитных и тепловых процессов многофазных асинхронных двигателей Текст. / Д.М. Глухов, О.О. Муравьева; Политехнический ун-т. Томск, 2005. - 14с. - Библиогр.: с.7. - Деп. В ВИНИТИ 18.10.2005, №1336-В2005.

49. Анненков A.H. Распределение электромагнитного поля в массивном зубчатом роторе с короткозамкнутой стержневой обмоткой Текст. / А.Н. Анненков, P.O. Нюхин // Энергия — XXI век. 2005. - №1-2. - С.25-30.

50. Вербовой А.П. Определение коэффициентов магнитной проводимости рассеяния в воздушном зазоре и по коронкам зубцов Текст. / А.П. Вербовой // Электротехника и электроэнергетика. 2005. - №1. — С. 29-32.

51. Golebiowski Leslaw. Анализ волновых процессов в асинхронной машине Текст. = Analiza falkowa przebiegow maszyny asynchronicznej / Leslaw Golebiowski // 41 Miedzynarodowe sympozjum maszyn elektrycznych: тез. докл. -Opole-Jamoltowek, 2005 №10. - P.30-35.

52. Петров P.B. Автоматизация вычисления трёхмерной коррекции магнитных потоков в электродвигателе с выделением двухмерной части поля Текст. / Р.В. Петров // Сб. науч. тр. НГТУ 2005. №4. - С. 169-174.

53. Lin Tsung-Kun. Анализ динамической модели линейногоиндукционного двигателя трехкоординатным методом конечных элементов

54. Текст. = Analysis of dynamic model with 3-D finite element method for linearinduction motor / Lin Tsung-Kun // Proceedings of the 3 Moscow Internationalth

55. Symposium on Magnrtism dedicated to the 250 Anniversary of M.V., Lomonosov Moscow State Univ. 2005. - P. 126-129.

56. Абдуллаев Я. P. Расчет магнитных систем с левитационными обмотками Текст. / Я.Р. Абдуллаев // Электротехника. 2003. - №7. - С. 52-55.

57. Самойлов Г.А. Универсальная программа анализа любых типов трехфазных обмоток Текст. / Г.А. Самойлов // Електротехн. i елекромех. — 2003. №4. - С.77-78.

58. Заякин И.И. Постановка граничных условий для расчета магнитного поля в пазу электрической машины с учетом конструктивных особенностей и насыщения магнитопровода Текст. / Заякин И.И. // Сб. науч. тр. НГТУ. 2003. - №2. - С.99-102.

59. Wei Qun. Изучение характеристик распределения магнитного поля катушек Текст. / Wei Qun // College of Communication Engineering. China., 2003. -№3.-C. 68-70.

60. Соломин В.А. Электромагнитное поле в пазу электрической машины при произвольном расположении в нем проводника с током Текст. / В.А. Соломин, JI.JL Замшина, А.В. Соломин // Вестн. Ростов.гос.ун-та путей сообщ. 2002. - №2. - С. 56-59.

61. Шрейиер Р.Т. Анализ и синтез магнитодвижущей силы несимметричных многофазных обмоток электрических машин переменноготока Текст. / Р.Т. Щрейнер // Вестник Уральского государственного технологического университета. УГТУ-УПИ. — 2000. С. 296-315.

62. Кобристый С.Ю. Моделирование электромагнитного поля в области лобовых частей обмоток асинхронного двигателя Текст. /С.Ю. Кобристый // Электротехнические комплексы и системы управления: сборник научных трудов. Воронеж,2003. - С 42-47.

63. Гордон А.В. Электромагниты переменного тока Текст. / А.В. Гордон, А.Г. Сливииская. М.: «Энергия», 1968. - 200 с.

64. Гордон А.В. Поляризованные электромагниты Текст. / А.В. Гордон, А.Г. Сливинская. М.-Л.:"Энергия", 1964. - 120с.

65. Гордон А.В. Электромагниты постоянного тока Текст. / А.В. Гордон, А.Г. Сливинская. М.: Госэнергоиздат, 1960. - 98с.

66. Поливанов К.М. Энергия постоянных магнитов в сб. "Униполярные машины и машины с постоянными магнитами" Текст. / Поливанов К.М. АН СССР, 1938.- 112с.

67. Попов Б.К. Оптимизация геометрических параметров электромагнитных механизмов переменного тока и систем управления Текст.: дис. канд. техн. наук: / Попов Борис Клавдиевич. Ташкент, 1979. - 203 с.

68. Нейман JI.P. Теоретическая электротехника Текст.: Избранные труды / Нейман Л.Р. // Л.: Наука, 1988. 334с.

69. Нейман JI.P. Теоретические основы электротехники Текст.: ч. 1,2,3 / J1.P. Нейман, П.Л. Калантаров. М.: Госэнергоиздат, 1959.

70. Шимони К. Теоретическая электротехника Текст. / К. Шимони перевод с немецкого, под редакцией проф. К.М. Поливанова. -М.: «Мир», 1964.-320с.

71. Нейман JI.P. Теоретические основы электротехники Текст.: Учеб. для вузов в 2-х т. / JI.P. Нейман, К.С. Демирчан 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоиздат, 1981. — 165с.

72. Simonyi К. Villamossagtan, Theoretische elektroteclinik Текст. / Simonyi К.-Budapest, 1964.- 143с.

73. Зевеке Г.В. Основы теории цепей Текст. / Г.В. Зевеке, П.А. Ионкин, А.В. Нетушил, С.В. Страхов . -5-е изд., перераб. М.: Энергоатомиздат, 1989.528 с.

74. Cioska Andrzej. Анализ обмоток машин переменного тока Текст. = Analiza uzwojen maszyn pradu przemiennego / Cioska Andrzej // Prz. elektrotechn. -2006. 82.- № 7-8.-P. 18-23.

75. Инкин А.И. Магнитное поле и параметры клиновидного полуоткрытого паза асинхронной машины с композитным сердечником Текст. / А.И. Инкин, И.И Заякин // Электричество. 2006. - №1. - С. 44- 48.

76. Вольдек А.И. Электрические машины. Машины переменного тока Текст.: учебник для вузов / А.И.Вольдек, В.В. Попов. СПб.: Питер, 2008. -350 с.

77. Копылов И.П. Электрические машины Текст.: учеб. Для вузов / И.П. Копылов.-2-e изд., перераб. М.: Высш. шк., Логос, 2000. - 607 с.

78. Костенко М.П. Электрические машины Текст.: учебник для студентов высш. техн. учеб. заведений. / М. П. Костенко, Л. М. Пиотровский. -Изд. 3-е, перераб. Л.: "Энергия", 1972. - 540 с.

79. Иванов-Смоленский А. В. Электрические машины Текст.: учебник для вузов / A.B. Иванов-Смоленский. М.: Энергия, 1980.-928 с.

80. Вольдек А. И. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. -3-е изд., перераб. Л.: Энергия, 1978.-832 с.

81. Копылов И.П. Проектирование электрических машин Текст.: учеб. Для вузов /И.П.Копылов.-3-е изд., испр. и доп.-М.: Высш. шк., 2002.-757 с.

82. Костенко М.П. Электрические машины Текст.: учебник для студентов высш. техн. учеб. заведений / М.П. Костенко, Л.М. Пиотровский -Изд. 3-е, перераб. Л., Энергия, 1973. - 230с.

83. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2006610548 от 08 февраля 2006 г. Программа для расчета магнитной системы статора методом магнитных цепей / Попов Б.К., Попова О.Б., Карандей В.Ю.

84. Киреев В.И. Численные методы в примерах и задачах Текст. / В.И. Киреев, A.B. Пантелеев. М.: Высш. шк., 2004. - 480 с.

85. Епанешников А. Программирование в среде Turbo Pascal 7.0 Текст. / А. Епанешников, В. Епанешников 3-е изд., стер,- М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1996.288 с.

86. Епанешников А. Программирование в среде Delphi 2.0 Текст. / А. Епанешников, В. Епанешников ч. 2. - М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1996.-188 с.

87. Епанешников А. Язык Object Pascal 9.0 Текст. / А. Епанешников, В. Епанешников ч. 2. - М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1996.-320 с.

88. Попова О.Б. Оптимизация геометрических параметров электромагнитных механизмов переменного тока и систем управления Текст.: дис. канд. техн. наук: / Попова Ольга Борисовна. Краснодар, 2002. - 220 с.

89. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2008614047 от 25 августа 2008 г Программа для расчета магнитной системы ротора методом магнитных цепей / Попов Б.К., Карандей В.Ю.

90. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2008614048 от 25 августа 2008 г Программа для расчета токов статора и ротора в каскадном электрическим приводе / Попов Б.К., Карандей В.Ю.