автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Многофазный асинхронный электропривод для автономных систем

Т8 ОЯ

г Сей 1358

На правах рукописи

ЛОПАТИН Павел Николаевич

МНОГОФАЗНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ДЛЯ АВТОНОМНЫХ СИСТЕМ

Специальность - 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иваново 1998

Работа выполнена в Ивановском государственном энергетическом уни-'".и гете.

Научный руководитель-

доктор технических наук, профессор Голубев А.Н.

Официальные оппоненты:

доктор технических ьаук, профессор Староверов Б.А., кандидат технически< наук Карандашев А.П.

Ведущая организация-

Ивановский филиал научно-исследовательского и проектно-конст-рукторского института по автоматизированному электроприводу (ИвФНИИЭлектропривэд).

Защита диссертации состоится ............................С..................1998 г.

в 11 часов в аудитории Б-237 на заседании диссертационного совета Д 063.10.01 в Ивановском энергетическом университете по адресу: 153003, Ивансво, ул. Рабфаковская, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГЭУ.

% еяи^лЖх^

Автореферат разослан ".............".................л7Г...1998 года.

Ученый секретарь диссертацио нного совета

ТАРАРЫКИН С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Автоматизированный электропривод (ЭП), являясь необходимым элементом многих машин и механизмов, непосредственно определяет их технические и энергетические показатели. Одной из областей применения ЭП являются механизмы с автономным источником питания, которые включают в себя автономные роботы, автоматы для сваривания и склеивания, автономные измерительно-контрольные приборы, мобильные установки, транспортные системы, шахтное и судовое оборудование и так далее. Анализ требований, предъявляемых к приводам таких устройств, показывает, что важнейшими из них являются повышенные энергетические характеристики, надежность, а также высокое качество формирования статических и динамических процессов, что наиболее важно для следящих систем.

На основании сравнительного технико-экономического анализа электромеханических систем можно сделать вывод о том, что одним из перспективных направлений является разработка ЭП переменного тока, выполненного на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (АД) при его питании от преобразователя частоты (ПЧ) с транзисторным автономным инвертором (АИ). Обладая высокими массогабаритными, динамическими показателями и надежностью, АД наиболее полно удовлетворяет специфическим требованиям автономных систем. Создание высококачественного асинхронного ЭП продолжает оставаться актуальной научно-технической проблемой. В первую очередь, это связано со сложностью АД как объекта управления, что определяет дальнейший поиск эффективных способов и алгоритмов управления им. Специфика автономных систем вносит в данную проблему дополнительные аспекты. Использование низковольтного силового источника, достаточно широко применяемого для питания автономных ЭП, выдвигает задачи увеличения пропускной способности по току силового преобразователя и компенсации появляющейся существенной несимметрии в системе фазных напряжений. Повышенные требования к энергетическим и массогабаритным показателям ужесточают требования комплексного подхода к решению вопроса улучшения электромагнитной совместимости ЭП с силовым источником питания с учетом утилизации энергии в тормозных режимах. При этом указанные задачи должны решаться в сочетании с необходимостью повышения надежности электромеханической системы в целом.

Анализ литературы показывает, что проектировщики и исследователи уделяют большое внимание разработке многофазного регулируемого асинхронного ЭП. Это связано с тем, что увеличение числа фаз АД приводит к улучшению целого ряда характеристик ЭП. Известно, что число фаз АД является конструктивно-консервативным параметром системы. Однако необходимость применения специального многофазного АД оправдывается качественными и конструктивно-техническими требованиями, предъявляемыми к системам в целом. Исследования, проведенные отечественными и зарубежными специалистами, позволяют констатировать целый ряд преимуществ асинхронного ЭП с увеличенным числом фаз статорной обмотки исполнительного АД по сравнению с 3-фазным. Это позволяет считать перспективным подход к решению задачи построения автономного ЭП на базе многофазного АД.

Цель диссертации - разработка комплекса вопросов по созданию ЭП переменного тока с улучшенными регулировочными характеристиками для автономных систем на основе многофазных АД с короткозамкнутым ротором.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1 .Обоснование перспективности построения ЭП для автономных систем на базе многофазных АД с питанием от транзисторного ПЧ.

2. Исследование режимов работы многофазного АД при несимметрии в системе фазных напряжений, связанной с разбросом параметров силовых коммутаторов и алгоритмом работы автономного инвертора.

3.Разработка модели для исследования работы многофазного АД при отключении отдельных фаз статорной обмотки и исследования его характеристик в указанных режимах.

4.Разработка принципа и структуры системы управления многофазным АД с учетом его специфики как объекта управления.

5. Исследование электромагнитной совместимости элементов многофазного ЭП.

6.Исследование режимов комбинированного торможения многофазного ЭП.

7.Разработка структуры ПЧ, реализующей преимущества многофазного варианта построения ЭП.

Основные методы исследований. Работа выполнена с использованием методов координатных преобразований, дифференциального исчисления, гармонического анализа, численного интегрирования на ЭВМ.

Научная новизна.

1 .Разработана математическая модель для исследования работы многофазного АД в режимах с отключением произвольных сочетаний фаз.

2.Разработана структура системы управления ЭП с ориентацией на спектральный вектор тока статора, защищенная патентом РФ.

3.Проведены исследования специальных комбинированных тормозных режимов многофазного АД.

На защиту выносятся:

1 .Структура многофазного ЭП по системе ПЧ-АД с ориентацией управления на спектральный вектор тока статора.

2.Комбинированные тормозные режимы многофазного ЭП и результаты их исследования.

3. Математическая модель многофазного АД в режимах работы с неполным числом фаз статорной обмотки.

Практическая значимость работы.

•Получена математическая модель многофазного АД в режимах работы с неполным числом фаз, позволяющая исследовать электромагнитные процессы в асинхронной машине при произвольных сочетаниях отключенных фаз. Выявлены особенности эксплуатации многофазного АД в этих режимах.

•Сформулированы принципы построения ЭП переменного тока на основе многофазного АД, учитывающие особенности последнего как объекта управления. Разработан многофазный асинхронный ЭП переменного тока, удовлетворяющий требованиям широкого класса автономных систем.

•Предложены способы и проведен анализ комбинированных тормозных режимов многофазного АД, обеспечивающих улучшение массогабаритных характеристик силовой части ЭП.

•Проведены исследования регулировочных характеристик многофазного АД при несимметрии в системе фазных напряжений и анализ электромагнитной совместимости с источником питания.

•Разработана структура многофазного ПЧ с блочно-модульной конструкцией, позволяющая осуществлять комбинированное торможение.

•Разработан помехоподавляющий фильтр и датчик момента на вращающихся валах.

По результатам работы получено 5 актов внедрения.

Апробация работы. Основные положения работы и ее результаты докладывались на 4 Международных научно-технических конференциях "Бенардосовские чтения" (Иваново, 1989,1992,1995,1997 гг.), научно-технической конференции " Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири" (Иркутск, 1994 г.), II Международной конференции по электромеханике и электротехнологии (Москва, 1996 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 11 работ, получен патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Содержит 149 страниц основного машинописного текста, 7 приложений на 30 страницах, 115 рисунков и таблиц на 80 страницах и перечень использованной литературы из 165 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность проводимых исследований, определены основные цели и задачи работы, сформулированы научные положения, выносимые автором на защиту.

В первой главе сформулированы основные требования к широкому классу ЭП для автономных систем. Показано, что автономная система предъявляет повышенные требования к надежности, массогабаритным и стоимостным характеристикам, электромагнитной совместимости с источником питания. Сравнительный анализ обнаружил, что специфике автономных устройств в полной мере отвечает система ПЧ-АД на транзисторной базе. При разработке ЭП с автономным источником необходимо уделять особое внимание электромагнитной совместимости и рациональному выбору силовых элементов ПЧ, а также выбору способа утилизации энергии, генерируемой при торможении АД. Продемонстрировано, что число фаз можно рассматривать как фактор оптимизации силового канала ЭП и всей электромеханической системы в целом. Сформулированы требования к многофазному ПЧ. Показано, что унификация узлов ПЧ повышает его надежность при снижении затрат на разработку и производство.

Вторая глава посвящена разработке модели для исследования работы многофазного АД на неполном числе фаз и анализу аномальных режимов. Одним из достоинств многофазного ЭП является его более высокая функциональная надежность и меньшая критичность к качеству формируемых на АД воздействий. Это особенно важно для установок с автономными источниками питания. При выходе из строя группы фаз сохраняется работоспособность АД в целом, так как в т-фаз-ном (т>3) АД продолжает создаваться вращающееся магнитное поле. Кроме этого, дробление электрической мощности по фазам делает регулировочные характерис-ти '1! АД менее критичными к асимметрии по амплитуде и фазе питающего напря-•'ссчия, что с увеличением числа фаз, в конечном итоге, упрощает систему управле-чич и повышает надежность ЭП. Следует отметить, что работоспособность многофазного АД сохраняется и при подключении его к 3-фазному источнику питания. Указанные режимы следует отнести к аномальным, так как их реализация приводит к ухудшению регулировочных и энергетических характеристик ЭП. Поэтому необходима оценка последних в отношении допустимости таких режимов для ЭП с учетом технологических требований.

Анализ аномальных режимов проведен путем численного моделирования на ЭВМ с использованием математического описания т-фазного АД, разработанного профессором А. Н. Голубевым. Наиболее характерные аномальные (несимметричные) режимы работы т-фазного АД определяют следующие факторы:

- асимметрия по амплитуде в системе фазных напряжений;

- несоответствие временных сдвигов в системе фазных напряжений пространственному сдвигу обмоток статора;

- обрыв фазы или аварийное отключение группы фаз;

- несимметричные режимы, специально формируемые системой автоматического управления (например, комбинированные тормозные режимы, возможность осуществления которых является уникальным свойством многофазных систем ).

Вопросам исследования регулировочных и энергетических характеристик т-фазных АД в режимах с отключением групп фаз посвящен ряд работ . Однако они ограничиваются рассмотрением указанных режимов для случаев отключения Ы-фазных групп (3-фазной группы) целиком, не касаясь более общего случая - отключения отдельных фаз в различных М-фазных группах при их произвольных сочетаниях. Актуальность последней задачи обусловлена тем, что именно в этих режимах возникает существенное различие в величине токов отдельных фаз и, следовательно, отклонение регулировочных характеристик от номинальных значительнее, чем в случае отключения М-фазных групп целиком.

Разработка модели для исследования режима отключения к-й фазы в ¡-й 1\1-фазной группе основывается на том, что отсутствие тока в отключенной фазе имитируется приложением к ней напряжения, равного наводимой в этой фазе ЭДС. Дачное напряжение учитывается в спектральных векторах, подающихся на входы подструктур модели т-фазного АД. Принципиально ЭДС может быть определена путем численного дифференцирования на ЭВМ потока, сцепленного с откпючен-чоч фазой. Однако такой подход приводит при положительной обратной связи по ЭДС к накоплению существенной числовой ошибки. Поэтому в разработанной модели предложено вычисление наводимой ЭДС на основании полученного аналитического соотношения без использования операции дифференцирования в явном виде.

Обобщенный приведенный вектор напряжения определяется, как:

4^=^(4^)+%)),

N1

где и,(,) =—

ГТ1 ¡^1 1,1,

(1) (2)

т/ММ 1яу12(|{_1)+1(|_1)]

ий(у) = ЦРЧ'.мв N

¡=1 к=1

тм n

X К

¡=1 К-Н1.

т V Л

N 1фКп)

14 П = 1

Ее

П = 1

. ,¡-1 2(к-1» н

. 1-1 2(к-1)>

Ф1(п)(и,(у) -Т8(у)к»)+Ф2(п)^Я0>

^ Т

(V) +; ■в(у)

1-г(п)

(3)

В приведенных уравнениях р - символ дифференцирования; у - номер пространственной гармоники потока в воздушном зазоре; 1Ч-число гальванически связанных фаз т-фазного АД; к - порядковые номера отключенных фаз;

Шт(п)

Ф

1(п)

1--

1 + -

Цп) ~ ф3(п)'-т

.Ф

2(п)

+ 1-,

т(п)

[^-б! + 1-т(п)][|-г1 - Фз(п)^т(п)] '

Ф

3(п)

-т(п)

1-31 + Ь,

т(п)

-г(п)

и + ц

т(п) I

Мв(у)- приведенный вектор напряжения статора, определяемый на основе напряжений функционирующих фаз; ^ - приведенный вектор тока статора; Ч7^)-приведенный вектор потокосцепления ротора; , , Ц,, Ц, 1-т{п) -параметры схемы замещения АД; п = у + 2ЫО, где О - натуральное число.

Полученной модели соответствует структура, представленная на рис. 1. Расчетные кривые пульсаций электромагнитного момента для ряда вариантов отключения фаз 9-фазного АД мощностью Рн=2,5 кВт представлены на рис. 2. Исследования позволяют сделать вывод о том, что отключение фаз статора многофазного АД является принципиально возможным как в двигательном (если обеспечивается необходимый момент на валу), так и в тормозном режиме. Однако при этом снижается перегрузочная способность АД, происходит общее ухудшение его энергетических и регулировочных характеристик. Проведены исследования электромагнитных процессов и регулировочных характеристик низковольтного т-фазного АД при несимметрии по амплитуде и по фазе в системе питающих напряжений. Выявлены наиболее неблагоприятные сочетания несимметрично питаемых фаз. Установлено, что в указанных режимах регулировочные характеристики т-фазного (т>3) АД даже

1

Рис.1. Структура модели т-фазного АД для исследования режимов работы при неполном числе фаз статора

.00

6.00

4.00

2.00

М,Нм 1 2 А. .

V/ з\ / V/ 1, с

0.040

0.041

0.042

0.043

0.044

0.045

Рис.2. Кривые пульсаций электромагнитного момента при обрыве 1-й фазы (кривая 1), 1-й и 2-й фазы (кривая 2) и 1-, 2- и 3-й фаз (кривая 3) 9-фазного АД мощностью Р„=2,5 кВт (11н=10,5 В; ^=200 Гц; 2=2)

8.00

4.00

0.00

М, Нм \ _1

и

0.001

0.003

0.005

Рис.3. Графики пульсаций электромагнитного момента 3-фазного АД (кривая 1) и эквивалентного ему 9-фазного АД (кривая 2) мощностью Рн=2,5 кВт, при снижении напряжения в фазе В 3-фазного и в фазе А1 9-фазного АД на 20 %

при наиболее неблагоприятной асимметрии не уступают характеристикам 3-фаз-ного АД в симметричном режиме при питании несинусоидальным напряжением. В качестве иллюстрации на рис. 3 приведены расчетные графики пульсаций электромагнитного момента 3-фазного АД и эквивалентного ему 9-фазного АД при снижении напряжения в фазе на 20 %.

Третья глава посвящена разработке системы управления т-Фазным ЭП. При решении данной задачи необходимо учитывать следующие основные факторы:

- увеличение числа фаз статорной обмотки исполнительного АД принципиально освобождает от необходимости формирования фазных токов по специальным, в частности синусоидальному, законам, без уменьшения диапазона плавного регулирования скорости и практически (при т>7...9) без ухудшения энергетических показателей;

- разрежение спектра асинхронных гармоник электромагнитного потока с возрастанием т и снижение амплитуды потокосцепления (в первую очередь при симметричном исполнении обмотки) при сохранении его действующего значения снижают актуальность его непосредственного регулирования; кроме того, в специально формируемых несимметричных режимах, в частности комбинированных тормозных, непосредственное регулирование потокосцепления связано с усложнением системы управления и настройки ее параметров;

- подход к числу фаз АД как вариативному параметру требует, с позиций унификации системы управления ЭП, выбора структуры последней и её выходных координат, инвариантных к т;

-основное влияние на характер протекания электромагнитных процессов в многофазном АД имеют переменные, связанные с первой пространственной гармоникой поля.

При этом применительно к построению ЭП для автономных систем необходимо учитывать дополнительный специфический фактор, связанный с нестабильностью в общем случае выходного напряжения силового источника.

Необходимость ограничения инвариантного к ш модуля обобщённого вектора тока статора с учетом относительной простоты его восстановления позволяет считать целесообразным синтез системы управления т-фазным ЭПпри представлении АД как объекта регулирования в координатах, связанных с 1з(1). Вместе с тем прямое регулирование электромагнитного момента обеспечивает получение необходимого качества формирования электромеханических переходных процессов. Анализ соотношений для АД в указанной системе координат:

где р - абсолютное скольжение вектора ^и относительно ротора, приводит к выводу о том, что сочетание регулируемых переменных и М(1) не обладает необходимой полнотой. Как показали проведенные исследования, это обусловливает существенное превышение значения модуля |^г(1)| от номинального при соответствующем уменьшении р. Введение в систему управления функции непосредственного формирования величины абсолютного скольжения в совокупности с ¡¡¡^ и

М(1) - ~ "5"^Р'<Г(1)'5(1)^Г(1)У I

(4)

(5)

позволяет привести количество уравнений вида (4),(5) и входящих в них неизвестных в необходимое соответствие и реализовать косвенное регулирование потока.

На основании изложенного разработана защищенная патентом РФ №2101846 структура т-фазного ЭП, представленная на рис.4. В данной структуре величина одной изортогональных составляющих вектора напряжения статора, коллинеарной сектору , определяет его модуль, величина другой - задаётся контуром регулирования момента; при этом абсолютное скольжение р формируется с использованием выходного сигнала регулятора скорости. Введение в структуру регуляторов составляющих вектора напряжения обеспечивает отслеживание действительного фазового положения , а также необходимую компенсацию возмущающих воздействий со стороны источника питания ограниченной мощности.

Результаты исследований разработанного ЭП подтвердили корректность принятых при его структурном синтезе теоретических предпосылок и показали, что по своим характеристикам он удовлетворяет требованиям широкого класса автономных систем.

В четвертой главе рассмотрены вопросы электромагнитной совместимости и предложены варианты режимов специального комбинированного торможения и результаты их исследований. При проектировании регулируемого асинхронного ЭП для автономных установок в особой степени возникает проблема энергетической совместимости ЭП с источником питания при ограниченных массогабаритных показателях фильтра в звене постоянного тока ПЧ. Величина емкости конденсатора фильтра Сф в значительной степени определяет массогабаритные и стоимостные показатели ПЧ. При заданной установленной мощности ПЧ величина емкости Сф зависит от допустимой величины пульсаций напряжения в звене постоянного тока. Величина и спектральный состав колебаний напряжения на конденсаторе фильтра определяется следующими основными причинами:

- величиной и частотой пульсаций напряжения на выходе выпрямителя;

- процессами циркуляции энергии в звене АИ - АД;

- возвратом энергии в генераторном режиме работы АД при его торможении.

Совместное исследование первых двух из перечисленных факторов при различном числе фаз АД, различных частотах питающей сети и различной пульсности выпрямителей проводилось путем численного моделирования. В целом проведенный анализ показывает на улучшение энергетической совместимости многофазного ЭП с силовым источником по сравнению с 3-фазным. Это позволяет оптимизировать параметры фильтра в звене постоянного тока. При этом необходимо отметить, что указанная оптимизация, в основе которой лежит выявленная тенденция уменьшения требуемой энергоемкости фильтра с ростом числа фаз, должна проводиться с учетом соблюдения необходимого сочетания значений индуктивности и емкости фильтра, обеспечивающих устойчивую работу. Величина и частота пульсаций напряжения на выходе выпрямителя непосредственно зависит от частоты и числа фаз питающей сети. Обычно данные параметры являются конструктивно заданными, но в настоящее время отмечается тенденция расширения использования мостовых многофазных вентильных преобразователей для улучшения гармонического состава напряжения и тока источника. Необходимо отметить, что питание ПЧ от сети повышенной частоты, например бортовой сети с ^=200; 400 Гц,

соответственно; ФП1, ФП2 - функциональные преобразователи; БПК - блок преобразования координат; ДОС - датчики обратных связей

является более благоприятным по энергетической совместимости со звеном постоянного тока, так как при повышении частоты питающей сети возрастают фильтрующие свойства L-C фильтра.

Для ограничения уровня кондуктивных помех, распространяющихся по проводам сетей питания, необходимо применение помехоподавляющих фильтров. Разработанный автором фильтр на сдвоенном дросселе можно применять в звене постоянного тока совместно с защитным воздушным дросселем на входе АИ. Такое схемное решение, во-первых, улучшает эффективность подавления помех в т-фаз-ном ПЧ и, во-вторых, улучшает защиту АИ от сквозных токов. При этом увеличение числа фаз АД, приводящее к повышению частоты пульсаций тока ¡п на входе АИ, существенно улучшает эффективность подавления помех и результирующую электромагнитную совместимость ПЧ с сетью. Результаты расчетных значений амплитудного спектра для кривой тока in в ПЧ с 3- и 9-фазным АД показывают, что звено постоянного тока ПЧ с 9-фазным АД характеризуется более низким уровнем электромагнитного излучения.

Односторонняя проводимость выпрямителя преобразователя частоты препятствует возврату энергии в сеть переменного тока при торможении двигателя. Известные способы отвода энергии торможения приводят к ухудшению массогабарит-ных показателей преобразователя или его электромагнитной совместимости с источником. Формирование специальных комбинированных режимов торможения т-фазного АД заключается в использовании энергии, генерируемой группой фаз, другими фазами, переводимыми в режимы торможения с возбуждением от внешнего источника. В сочетании с генераторным наиболее целесообразными, как показали исследования, являются динамическое и магнитное торможения. При генератор-но-динамическом торможении (ГДТ) за счет перераспределения составляющих электромагнитного момента появляется возможность компенсации относительно малой эффективности динамического торможения в зоне высоких скоростей, а также регулирования степени насыщения магнитной системы, что особенно важно при низких частотах вращения. При магнитно-генераторном торможении (МГТ) за счет поддержания магнитного потока группой фаз, работающих в генераторном режиме, режим магнитного торможения для отключаемых от источника и замыкаемых накоротко остальных фаз может продолжаться до полного останова АД. Последнее практически исключено при реализации собственно магнитного торможения, которое, действуя в зоне высоких скоростей, создает кратковременный тормозной момент. Следует отметить, что в данном случае название режимов отражает в основном только сторону практической реализации комбинированного способа, так как при чисто магнитном торможении возбуждение тормозного режима осуществляется затухающим, а не поддерживаемым магнитным полем при отключении АД от источника питания. Следует отметить, что динамическое и особенно магнитное торможения достаточно просты в отношении практической реализации. В сочетании с генераторным они обеспечивают комбинированные тормозные режимы, управляемые как по каналу напряжения, так и по каналу частоты.

Исследование комбинированных тормозных режимов работы m-фазных АД проводилось с использованием моделирования на ЭВМ. При таком подходе имеется возможность получения целостной энергетической картины процессов с учетом тех электромагнитных переменных, измерение которых в АД связано с определенными техническими сложностями или (как, например, разделение тормозного момента на отдельные составляющие) нереализуемо. Однако ряд важных закономер-

ностей может быть выявлен на основании аналитического анализа, базирующегося на принятии бесконечно большим приведённого момента инерции. Математическое описание т-фазного АД, основанное на аппарате приведенных спектральных векторов, позволяет представить структуру АД в виде совокупности В = т[(М -1) / 2 + 0.5] / N идентичных подструктур для отдельных пространственных гармонических у, что формализует процесс моделирования АД. Ограничиваясь рассмотрением основного характера энергетических процессов, то есть положив у=1, и вводя параметр абсолютного скольжения р = 0 -<0^оон . получаем уравнения статики:

- ¡-(¡-1) _ 1—(1-1) в _ _ (к-1)

и„е т =(Я, + ]ах1)1^е т + ]ахт + и)е т ; (6)

к = 1

- 1—С-1) 8 - - (*-1)

О = ]ах2)1пе т + ]ахт £ (15к + 'гк)е т , (7)

Р к = 1

где а = со 0 / со он относительная частота; х,= ю0н1-51; х2 = юон1-г1 и хт= со0НМ1_т/2.

Поскольку при ш=сопз1 уравнения вида (6), (7) и соответствующая им на рис.5 схема замещения линейны, то последняя может быть рассчитана методом наложения. При этом следует подчеркнуть, что предложенный подход к анализу комбинированных режимов справедлив для случая существования установившегося тормозного режима, то есть, когда можно говорить о соответствующих ему статических характеристиках.

ГДТ практически может быть реализовано в двух вариантах:

- при подключении 1М-фазных групп к источнику постоянного напряжения ио;

- при обеспечении протекания в 1М-фазных группах постоянного тока 1о.

Данные способы отличаются друг от друга качественно и в количественном отношении. Это определяется тем, что при подключении М-фазной группы (групп) к источнику постоянного напряжения и отсутствии слежения за токами в ней в АД практически имеет место комбинация не двух, как во втором варианте, а трех режимов: генераторного, динамического и магнитного. Последний режим связан с протеканием переменного тока в фазах этой группы под действием вращающегося поля от Ы-фазных систем, переводимых в режим генераторного торможения. Рассмотрены условия реализации вариантов ГДТ. На основании результатов их исследования показано, что второй способ обеспечивает лучшие по сравнению с первым динамические показатели.

Основным недостатком ГДТ является наличие переменной составляющей электромагнитного момента, обусловленной самим принципом, лежащим в основе данного комбинированного режима. Это влияет как на характеристики динамического электромеханического процесса, так и на показатели электромагнитной совместимости системы АИ-АД со звеном постоянного тока. Такого недостатка принципиально лишен способ МГТ. Это объясняется нулевым значением принужденной постоянной составляющей в токах вследствие отсутствия, в отличие от ГДТ, возбуждения от источника постоянного напряжения, а следовательно, и взаимодействия с ней изменяющегося во времени магнитного потока, которое определяет пульсации электромагнитного момента и соответственно мощности.

M

Z2

Рис.5. Схема замещения т-фазного АД для аналитического исследования режимов комбинированного торможения

Отсутствие потребления извне мощности замыкаемыми накоротко фазами определяет и другую характерную особенность рассмотренного типа торможения. Здесь, в отличие от ГДТ, условие выхода энергии торможения из системы АИ-АД в звено постоянного тока или соответственно ее утилизации в самом АД определяется только величиной абсолютного скольжения: в первом случае | р | > | Рпр |, во втором - | р | < | р |, где р определяется в соответствии с

Re

Zi +

1

В

В-1

,-1

^т —2(рпр )

(8)

j

Это достаточно наглядно объясняет физическую сторону МГТ. Энергия, необходимая для поддержания магнитного торможения в течение всего динамического процесса (при осуществлении классического магнитного торможения, как показывают результаты моделирования, например для 9-фазного АД мощностью Рн=2,5 кВт, электромагнитный момент затухает менее чем за 0,02 с), рекуперируется группой фаз генераторного режима и непосредственно передается потребляющим фазам через магнитный поток АД. Таким образом, реализация условия IРI < IР I принципиально снимает вопрос об утилизации энергии торможения в конденсаторе фильтра. Результаты моделирования на ЭВМ МГТ при законе частотного управления

и = М + и0 9-фазного (N=3) АД мощностью Рн=2,5 кВт (ин=10,5 В; ^=200 Гц; 1=2) представлены на рис.6.

В соответствии с сформулированными требованиями разработан блочно-мо-дульный многофазный ПЧ. Схема системы управления ПЧ разделена на два вида функциональных блоков:

- общую, синхронизирующую часть;

- локальную схему управления одной Ы-фазной (N=3) группой.

Синхронизирующая часть системы управления обеспечивает распределение тактовых импульсов по локальным системам отдельных групп с соблюдением порядка чередования фаз в 3-фазных группах и заданного временного сдвига в системе фазных напряжений между отдельными группами. Локальная система управления может функционировать в следующих режимах:

1.В режиме записи кода, сформированного общей системой синхронизации. При этом происходит жесткая фиксация порядка чередования фаз и временного сдвига между системами.

2.В режиме счета с синхронизацией внешними импульсами, что также сохраняет жесткий порядок чередования фаз в 1Ч-фазных системах. Однако при этом может быть реализован практически любой временной сдвиг между локальными системами. Кроме этого, возможно изменение направления вращения вектора напряжения в любой 1Ч-фазной системе.

3.В режиме счета с внутренней синхронизацией. При этом появляется возможность наиболее гибкого управления ПЧ. В этом случае каждая система напряжений М-фазных групп может иметь свое направление вращения и свою частоту, что позволяет реализовать алгоритмы формирования специальных тормозных режимов.

Для стендовых испытаний ЭП разработан торсионный датчик крутящего момента на вращающихся валах на основе двух фазовращателей с вращающимся полем. Предложенный датчик позволяет, кроме крутящего момента, измерять скорость вращения и угловое перемещение вала двигателя.

Приложения содержат:

•материалы по разработке модели звена постоянного тока;

•материалы по расчету амплитудного спектра и построения его огибающей;

•принципиальные схемы и внешний вид разработанного ПЧ;

•акты технических внедрений (пять актов).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 .Анализ требований к исполнительному ЭП широкого класса автономных установок и результаты технико-экономического сравнения электромеханических систем для установок с автономным источником питания позволили сделать вывод о целесообразности использования в них ЭП на базе АД при подходе к числу фаз его статорной обмотки как вариативному параметру. 2. Разработана математическая модель т-фазного АД для анализа режимов его работы с неполным числом фаз статорной обмотки, позволяющая проводить ис-

А 2

1

А \ Ч .

\

0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16

I, С

^ С

% С

Рис.6. Результаты моделирования на ЭВМ МГТ 9-фазного (N=3) АД мощностью Рн=2,5 кВт (11н=10,5 В; ^=200 Гц; 2р=2): а - кривые электромагнитного момента от Ы-фазных систем, работающих в режиме генераторного (1, 2) и магнитного (3) торможения; б - результирующая кривая электромагнитного момента на валу АД; в - кривая частоты вращения вала АД

следования электромагнитных процессов в АД и регулировочных характеристик ЭП при произвольном сочетании отключенных фаз.

3.Проведены исследования несимметричных режимов работы т-фазного АД, связанных с асимметрией по питанию и аварийным отключением отдельных фаз, которые показали снижение критичности т-фазного АД к аномальным режимам и повышение надежности ЭП в целом.

4.На основе возможности структурного разделения математической модели т-фазного АД как объекта управления на отдельные энергетические каналы обоснован принцип управления с непосредственным регулированием вектора тока статора и момента по основному энергетическому каналу, связанного с первой пространственной гармоникой, с дополнительным воздействием на абсолютное скольжение, являющееся доопределяющим фактором при формировании электромагнитных процессов. Разработана защищенная патентом РФ структура многофазного ЭП, реализующая предложенный принцип управления.

5.На основе предложенной математической модели звена постоянного тока, учитывающей одностороннюю проводимость выпрямителя, проведены исследования электромагнитных процессов в нем при питании асинхронного ЭП от сети переменного тока, которые показали, что увеличение числа фаз статорной обмотки АД в целом улучшает электромагнитную совместимость элементов силового канала и снижает уровень электромагнитных излучений.

6.Показано, что увеличение числа фаз статорной обмотки АД, расширяя его возможности как объекта управления, позволяет реализовать специальные режимы работы асинхронной машины с обеспечением различных законов частотного управления для отдельных групп статорной обмотки, в том числе комбинированные тормозные режимы. Проведены исследования комбинированных тормозных режимов, позволяющие считать наиболее эффективными вариантами их реализации генераторно-динамическое и магнитно-генераторное торможения, которые, обеспечивая снижение или полное устранение рекуперации энергии в звено постоянного тока, позволяют более полно реализовать преимущество многофазных (т>3) систем АИ-АД, связанное со снижением энергоемкости фильтра и соответственно улучшением массогабаритных и стоимостных характеристик ПЧ.

7.Разработана структура т-фазного ПЧ, реализующего блочно-модульный принцип его построения с обеспечением автономной работы отдельных групп фаз статорной обмотки, что расширяет его функциональные возможности и позволяет реализовать, в частности, режимы комбинированного торможения. Разработан поме-хоподавляющий фильтр для т-фазного асинхронного ЭП.

8.Результаты исследований разработанного ЭП позволяют сделать вывод о корректности основных теоретических предпосылок, принятых при его синтезе, и показывают, что по своим характеристикам он удовлетворяет требованиям широкого класса автономных систем.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1.Голубев А.Н., Королев А.Н., Лопатин П.Н. Структуры систем управления 6-фазным асинхронным электроприводом // Тезисы докладов международной науч.-техн. конференции "Состояние и перспективы развития электротехнологии" / Иван, энерг. ин-т. -Иваново, 1992.-С. 10.

2.Голубев А.Н., Королев А.Н., Лопатин П.Н. Специальные тормозные режимы многофазного асинхронного электропривода // Тезисы докладов международной науч.-техн. конференции "Состояние и перспективы развития электротехнологии" / Иван. гос. энерг. ун-т.-Иваново,1994.-Т.1.-С.116.

3.Голубев А.Н., Игнатенко C.B., Лопатин П.Н. Модель для исследования специальных тормозных режимов в многофазном асинхронном электродвигателе // Тезисы докладов международной науч.-техн. конференции "Состояние и перспективы развития электротехнологии" / Иван. гос. энерг. ун-т.-Иваново,1995.-С.10.

4.Голубев А.Н., Игнатенко C.B., Лопатин П.Н. Комбинированное торможение многофазным двигателем II Тезисы докладов международной науч.-техн. конференции "VIII Бенардосовские чтения" / Иван. гос. энерг. ун-т.-Иваново,1997.-С.29.

5.Лопатин П.Н. Датчик крутящего момента на вращающихся валах // Тезисы докладов международной науч.-техн. конференции "Состояние и перспективы развития электротехнологии"/ Иван, энерг. ин-т. -Иваново,1989.-Т.Н.-С.170.

6.Бесколлекторный электропривод для сложной бытовой техники и электрического инструмента/В.Ф. Глазунов, А.Н. Голубев, П.Н. Лопатин, A.B. Панов // Тезисы докладов международной науч.-техн. конференции "Состояние и перспективы развития электротехнологии"/ Иван. гос. энерг. ун-т.-Иваново,1994.-Т.1.-С.114.

7.Голубев А.Н., Лопатин П.Н. Аномальные режимы в многофазном асинхронном электроприводе/ Иван. гос. энерг. ун-т.-Иваново,1994.-10 с.-Деп. в ИНФОРМЭЛЕКТРО 12.07.94, №39-эт 94, название опубл. в журнале "Электротехника", 1994, №10.

8.Голубев А.Н., Лопатин П.Н., Игнатенко C.B. Комбинированные тормозные режимы в m-фазном асинхронном электроприводе / Иван. гос. энерг. ун-т.-Ивано-во, 1997.-20 с.-Деп. в ИНФОРМЭЛЕКТРО 14.03.97, №801-В97., реф. опубл. в библ. ук. ВИНИТИ 1997 №5 б/о 199.

Э.Лопатин П.Н. Оценка электромагнитной совместимости элементов в звене постоянного тока многофазного преобразователя частоты // Тез. докл. II международной конф. по электромеханике и электротехнологии.-М.:МЭИ,1996.-Ч.II.-С.104.

Ю.Глазунов В.Ф., Голубев А.Н., Лопатин П.Н. Исследование энергетической совместимости многофазного асинхронного электропривода с автономным источником питания// Тез. докл. науч.-техн. конференции "Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири."-Иркутск:ИрГТУ,1994.

11.Голубев А.Н., Игнатенко C.B., Лопатин П.Н. Режимы комбинированного торможения в многофазном асинхронном электроприводе // Электротехника.-1997.-№10.-С. 16-20.

12.Пат. РФ №2101846. Электропривод переменного тока/ М.Б. Бабаев, А.Н. Голубев, П.Н. Лопатин, К.В. Куликов, А.Н. Королев, C.B. Игнатенко.-Опубл. в Бюл. №1,1998.