автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Повышение энергетических показателей электропривода малой мощности на основе торцевого синхронного электродвигателя

На правах рукописи

Митрофанов Андрей Сергеевич

Повышение энергетических показателей электропривода малой мощности на основе торцевого синхронного электродвигателя

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иваново 2005

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина"

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Глазунов В.Ф.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Голубев А.Н. кандидат технических наук, профессор Новиков В Т.

Ведущая организация:

Защита состоится^февраля 2006г. в 11-00 час. в аудитории Б-237 на заседании диссертационного совета Д 212.064.02 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина".

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 153003, г. Иваново, ул. Рабфаковская, 34, Совет ИГЭУ, факс (0932) 38-57-95, E-mail: pikunov@drive.ispu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Ивановского государственного энергетического университета

Автореферат разослан 29 декабря 2005г.

ОАО "НИИЭлектропривод" (г. Иваново)

Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук, доцент

В.В. Тютиков

уШ>6А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Значительное повышение цен на топливо и, как следствие, на электрическую энергию в последнее время, а также ужесточение требований к охране окружающей среды вызывают необходимость в поиске эффективных энергосберегающих технологий. В связи с наличием в промышленности страны большого количества технически и морально устаревшего оборудования с низким коэффициентом полезного действия по оценкам специалистов потенциал энергосбережения составляет 40-45 процентов от уровня потребляемых энергетических ресурсов.

Анализ зарубежной и отечественной литературы позволил установить, что широкое использование техники в быту привело к высокой доле потребления электроэнергии электроприводами малой мощности. Приведенные в литературе данные показывают, что использование экономичных систем управления такими электроприводами позволило бы снизить общее потребление электроэнергии на 6% и более.

Изучение ряда работ по оценке потерь электроэнергии в регулируемых электроприводах показало, что определение энергетических показателей в них основывается на методе гармонического анализа и выполняется, как правило, без учета высших гармонических тока и напряжения, возникающих при использовании преобразовательных устройств. Так неучет высших гармонических приводит к занижению расчетных потерь энергии в двигателе по отношению к реальным до 40%. Это обусловливает необходимость разработки комплексной методики, позволяющей определить потребляемую, полезную и рассеиваемую мощности как всей системой электропривода, так и отдельными ее элементами в различных режимах работы.

В классе электроприводов малой мощности заметное место занимают электроприводы, построенные на базе синхронных электродвигателей с постоянными магнитами. Проведенный анализ литературных источников по использованию таких двигателей с асинхронным пуском показал значительные ограничения, накладываемые на их использование в системах электроприводов, требующих высокого быстродействия и точности отработки сигналов. В этом классе торцевые синхронные электродвигатели, сохраняя преимущества синхронных с постоянными магнитами и асинхронным пуском, обладают большим быстродействием и меньшими потерями, что является основными преимуществами двигателей такого типа.

Они с успехом применяются в системах автоматизированного и следящего электропривода, в различных лентопротяжных устройствах, в аппаратах звуко- и видеозаписи, электропроигрывателях, в приводах программно-управляемых приборов, регистраторов, вычислительной технике,

электрических часах и т.п.

Выполненный анализ показал перспективы широкого практического применения указанных электроприводов с питанием от преобразователей, выполненных на основе транзисторов и оснащенных цифровыми средствами управления, а также комплекс нерешенных задач в этой области. Важнейшие из них связаны с выбором двигателя и преобразователя, а также построением системы управления, обеспечивающих необходимые показатели качества отработки задающего сигнала и оптимальность энергетических характеристик.

Целью работы является повышение энергетических и динамических показателей электропривода малой мощности, построенного на основе торцевого синхронного электродвигателя.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие основные задачи:

- обоснование необходимости сбережения электрической энергии в электроприводах малой мощности, систематизация сведений по перспективным типам используемых в них синхронных двигателей и разработка показателей оценки эффективности электромеханического преобразования энергии;

- разработка методики по определению параметров и математической модели торцевого синхронного электродвигателя с учетом его конструктивных особенностей, исследование его электромеханических характеристик и анализ условий устойчивости;

математическое моделирование синхронного электропривода, направленное на определение показателей эффективности использования электроэнергии его элементами;

- исследование энергетики электропривода на основе разработанной методики определения энергетических показателей и полученных моделей;

- исследование математической модели электропривода, анализ его энергетических и динамических показателей и сопоставление полученных результатов с экспериментом.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались основные положения теории электромеханического преобразования энергии и электропривода, методы математического моделирования электромеханических систем, экспериментальные исследования. Экспериментальные исследования выполнены на опытном образце торцевого синхронного электродвигателя малой мощности.

Научную новизну работы составляют:

методика определения параметров торцевых синхронных электродвигателей, основанная на аналитических зависимостях и экспериментах, позволяющая эффективно реализовать их преимущества и минимизировать недостатки и отличающаяся простотой реализации;

- математическое описание электромагнитных процессов торцевого синхронного электродвигателя, выполненное с учетом особенностей его конструкции;

- математическая модель синхронного электропривода, построенного на основе торцевого синхронного электродвигателя и усилителя мощности с линейным и импульсным режимом работы, позволяющая рассчитать энергетические показатели для любого его элемента на заданном промежутке времени;

- комплексный подход к оценке эффективности электромеханического преобразования энергии в электроприводе на основе разработанных унифицированных энергетических показателей;

- алгоритм управления электроприводом, выполненном на основе торцевого синхронного электродвигателя, позволяющий получить высокие энергетические и динамические показатели.

Практическую ценность работы составляют:

- разработанные программы расчета характеристик электропривода с торцевым синхронным электродвигателем, ориентированные на использование математической системы МаЖСас), позволяющие эффективно выполнять анализ динамики и энергетики электропривода на этапе проектирования;

- разработанные методики и программы для анализа электромагнитных характеристик электроприводов, построенных на основе торцевого синхронного электродвигателя, позволяющие выполнить разработку системы управления, обеспечивающую его оптимальные энергетические показатели с учетом ограничений координат.

Результаты работы могут быть использованы при проектировании, оценке энергоэффективности электроприводов переменного тока и позволяют снижать потребление электроэнергии разрабатываемого оборудования.

Практическая реализация

Основные научные и практические результаты диссертационной работы использованы в научно-исследовательской и проектной практике ОАО "МК Кранэкс" (г. Иваново), а также при оценке энергоэффективности электроприводов переменного тока ООО "ТДЛ Энерго" (г. Иваново), ООО "Льнокомбинат Новописцовский" (п. Новописцово) при разработке мероприятий по снижению потребления электроэнергии оборудованием.

Результаты исследований, приведенные в диссертационной работе, внедрены в учебный процесс кафедры ЭП и АПУ ИГЭУ при чтении курсов: "Теоретические основы синхронного электропривода", "Вентильный электропривод", "Векторное управление электроприводами переменного тока" специальности 140604 - Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов, а также в виде лабораторного

стенда для определения параметров синхронного электродвигателя с постоянными магнитами.

На защиту выносятся

1. Методика определения параметров торцевых синхронных электродвигателей, основанная на аналитических зависимостях и результатах эксперимента.

2. Математическая модель синхронного электропривода, позволяющая исследовать его энергетические показатели.

3. Результаты математического моделирования электромагнитных процессов торцевого синхронного электродвигателя с учетом особенностей его конструкции.

4. Комплексная методика оценки энергопотребления электроприводом на основе разработанных унифицированных энергетических показателей.

5. Рекомендации по повышению энергетических показателей электроприводов на основе торцевого синхронного §Ьектродвигателя.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы были доложены и обсуждались на научном семинаре по электротехнике ИГЭУ (г. Иваново, 2000), научно-технической конференции "Проблемы управления электромеханическими системами" ИГЭУ (г. Иваново, 2000), Межвузовской научно-технической конференции "Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности" (Поиск-2003) ИГТА (г. Иваново, 2003), I Международной научно-технической конференции "Перспективы использования компьютерных технологий в текстильной и легкой промышленности" (Пиктел-2003) ИГТА (г. Иваново, 2003), IV Международной (XV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу "Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития" (АЭП-2004, г. Магнитогорск, 2004г.), Международной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (XII Бенардосовские чтения) (г. Иваново, 2005).

Публикации. По теме диссертации опубликовано десять печатных работ, из них четыре научные статьи и шесть тезисов докладов на научно-технических конференциях. На интеллектуальный продукт "Модель системы "Усилитель мощности - торцевой синхронный двигатель" с учетом энергетических показателей" получено свидетельство о государственной регистрации.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 157 страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка, 3 таблицы, список используемой литературы из 103 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены ее цели и задачи, сформулированы новые научные результаты и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе на основе литературных источников выполнен анализ структуры общего потребления электрической энергии, а также доли ее использования электроприводами малой мощности, применяемыми в промышленных установках и бытовых электроприборах, которая составляет , порядка 16-20%. Показано, что в связи с низким коэффициентом полезного

действия электроприводов малой мощности, не превышающим 50%, и все более широким их использованием в бытовой технике имеют место существенные резервы энергосбережения, сравнимые с электроприводами большой и средней мощности.

Выполненная в работе классификация синхронных электродвигателей малой мощности, анализ их достоинств и недостатков позволили выявить предпочтительные области их применения. Определены типы наиболее перспективных синхронных двигателей, к которым относятся электродвигатели с асинхронным пуском, используемые для общего назначения, а также с частотным пуском, в том числе торцевые синхронные электродвигатели, используемые в бытовой, вычислительной технике и автоматических устройствах.

На основе анализа энергетических характеристик усилителей мощности, используемых в электроприводах рассматриваемого типа, выявлены наиболее перспективные классы усиления АВ и О.

В связи с неоднонаправленностью потока энергии в элементах современного электропривода, а также его многоэлементностью, сложностью временной характеристики процесса преобразования энергии, установлено, что определение коэффициента полезного действия требует уточнения. В этой связи для анализа эффективности электромеханического преобразования энергии в системе электропривода предложено использовать следующие показатели: \ - потребляемая мгновенная мощность - рПОтр п(У\

- полезная мгновенная мощность - рпол„Ц)\

- мгновенная мощность потерь в / элементе системы -

- мгновенное значение энергии в реактивном сопротивлении / - го элемента системы - р-,„Д);

- коэффициент мощности - к1пи, определяемый величиной угла между векторами напряжения и тока;

- коэффициент эффективности использования энергии системой - kin с, зависящий от величины энергий, преобразуемой в элементе системы и нагружающей ее;

- коэффициент эффективности использования энергии элементом системы - к,„ исп, обусловленный накапливаемой в элементе и преобразуемой им энергиями;

- коэффициент эффективности использования энергии, накопленной в электромагнитном поле - kin поля, обусловленный энергиями отрицательного направления и накопления;

- степень колебаний энергии в элементе системы - kin КС, определяемая преобразуемой энергией и величиной колебания ее потока;

- степень колебаний активной энергии в элементе системы - kln зависящая от составляющей мгновенной мощности потерь на активном сопротивлении;

- коэффициент полезного действия /- го элемента системы - i]ln.

Указанные показатели относятся к любому элементу системы

электропривода и характеризуют энергетический процесс на заданном отрезке времени. Им присущи свойства универсальности, гибкости, так как они показывают эффективность процесса преобразования энергии по отношению к произвольному элементу системы электропривода и не зависят от его структуры и сложности, а также позволяют учесть потери в любом числе элементов.

Показано, что комплексный анализ эффективности электромеханического преобразования энергии в электроприводе должен основываться на его математической модели, отражающей особенности конструкции двигателя, преобразователя и требования к его энергетическим показателям.

Вторая глава посвящена анализу конструкции, разработке методики определения параметров и созданию математической модели торцевого синхронного электродвигателя.

К основным особенностям конструкции таких электродвигателей относятся наличие магнитной системы торцевого типа с магнитным потоком, направленным вдоль оси вращения ротора, а также плоских катушек статора, расположенных между магнитом ротора и ярмом статора (рис.1). Здесь РВ -рабочий вал ротора, ПМ - постоянный магнит ротора, Я - ярмо статора, L -обмотки (катушки) статора (L1t L2, L3, Ц), ДР - диск ротора, ДПР - датчики положения ротора, ДС - датчик скорости.

Разработана методика определения параметров торцевых синхронных электродвигателей. В качестве параметров для опытного образца такого электродвигателя, имеющего число фаз /л=2, число пар полюсов zp=4, приняты и определены экспериметальным способом: активное сопротивление

фазы обмотки статора Я=39,81 Ом и ее индуктивность ¿.=7,757 мГн, потокосцепление статора с полем постоянных магнитов Ч/пи=0,061 Вб, а расчетным способом: взаимная индуктивность фаз обмотки статора М=1,728 мГн и момент инерции ротора 1,247~1(Т4 кг м2.

Выполненное сопоставление результатов расчета и эксперимента показало наличие ошибки при определении параметров, не превышающей 3,7%.

РВ

пм

67,5" (270°}

Рис. 1. Конструкция торцевого синхронного электродвигателя.

Сравнение разработанной методики по определению параметров синхронного электродвигателя с постоянными магнитами с известными позволило выявить ее преимущества в плане простоты практической реализации при одновременном достижении приемлемой точности.

На основе анализа конструкции двигателя установлено, что традиционное положение осей координатных систем а,/),у или не

позволяет моделировать электромагнитные процессы в торцевых синхронных электродвигателях, поскольку магнитное поле имеет плоскопараллельную форму. При питании обмотки статора напряжением и=итсо5сЛ в ней протекает переменный ток ¡=1тсоз(аЛ+<рд и создается изменяющееся магнитное поле, направленное вдоль оси обмотки. В этой связи динамические процессы электромагнитных величин указанного

двигателя целесообразно исследовать в системе координат, расположенной по осям Л, f2 обмоток , как показано на рис.2, где 1 - постоянный

магнит ротора; 2 - ярмо статора; ип, ип - напряжения питания обмоток статора двигателя; Я,/2, fЗ, f4 - оси координат; <р - угол положения вала ротора (угол в плоскости статора между линиями от оси машины до вектора потокосцепления статора с полем постоянных магнитов и оси 77); фч - угол между линиями, проведенными в плоскости статора от оси машины до векторов тока и потокосцепления статора с полем постоянных магнитов; Рл -радиальная сила. Углы между линиями, проведенными в плоскости статора от осей П, {2 , и линиями, проведенными в плоскости ротора от осей f4 к центру двигателя, составляет 90° электрических градусов.

Рис. 2. Ориентация векторов тока / и потокосцепления статора с полем постоянных магнитов у/^ в торцевом синхронном электродвигателе.

При составлении уравнений электродвигателя приняты следующие допущения:

отсутствуют гистерезис, насыщение, вихревые токи и потери в

стали;

распределение магнитного поля каждой из обмоток вдоль окружности статора и ротора принимается синусоидальным (высшие пространственные гармоники магнитного поля отсутствуют);

статор имеет электрическую и магнитную симметрию; поле в рабочем зазоре плоскопараллельное.

При математическом описании постоянных магнитов ротора принята постоянной магнитная проницаемость магнитов, равноудаленность осей обмоток статора и постоянных магнитов ротора от оси вращения вала двигателя, а также отсутствие наводимых полем статора токов в теле магнита. Состояние магнитов в произвольном режиме для любого момента времени условно определено точками одной линии возврата.

С учетом принятых допущений получены системы дифференциальных уравнений для торцевого синхронного элетродвигателя в координатных осях Я,О, у и 13, ¿4, у. ^ целью получения уравнений, позволяющих применить классические методы для анализа и синтеза систем управления, а также для определения энергетических показателей в виде, применимом и для других типов электродвигателей, выполнено преобразование полученных систем уравнений в системы координат а,Ду и б,я,у.

Приведенная в координатных осях а,р,у к форме Коши система дифференциальных уравнений для торцевого синхронного элетродвигателя имеет вид:

= и -Ш ;

Д а а'

= ир- Шр; иг — Шг;

J, '-о di

■ z -at;

r»

d<p

—^ = Z • ( dt

ua=Umcos(2!tfct)-, ufi = Um sin(2nfct); ur=0;

. =LWg~ Myrfi - L yfnu cos <p + My/nM sin <p L2~M2

. = Ly/p- My/a - L yrnM sin<p + Му/Ш cos<p lf L2-M2

где и a, Up, Uy, - фазные напряжения питания на зажимах обмоток статора; у/а, V, Wy. '<» b Л ~ соответственно потокосцепления и токи фазных обмоток статора; R, L, М - активное сопротивление фазы обмоток статора, их собственная и взаимная индуктивности, zp - число пар полюсов, т - число

и

фаз, Мс - статический момент на валу двигателя, J - момент инерции ротора, Юг - угловая скорость ротора, 1С - частота напряжения сети, ит- амплитуда напряжения питания.

Анализ представленной системы уравнений позволил установить, что она, по сравнению с уравнениями для синхронного двигателя с постоянными магнитами, отличается наличием дополнительных нелинейных составляющих. В результате исследований уравнения для электромагнитного момента установлено, что он не зависит от формы поля (аксиальное или радиальное).

На основе полученных систем дифференциальных уравнений разработаны программы, ориентированные на использование математической системы МаШСас!. Рассчитаны и построены угловые характеристики торцевого синхронного электродвигателя малой мощности. Анализ расчетных переходных процессов и результатов эксперимента показал адекватность разработанных в координатных системах а,р,у и математических моделей торцевого синхронного электродвигателя.

Выполнено также сравнение электромеханических характеристик, рассчитанных при использовании полученной модели торцевого синхронного двигателя и известной модели синхронного двигателя с постоянными магнитами, которое показало, что в установившемся режиме работы ошибка в результатах расчета характеристик близка к нулю, в переходных режимах не превышает 4 %.

На основе системы линеаризованных уравнений для торцевого синхронного электродвигателя с учетом начальных условий потокосцепления и тока статора с целью выявления ограничений, накладываемых на энергетические показатели двигателя, определены и проанализированы в малом с использованием критерия Рауса условия его устойчивой работы и получены переходные характеристики при изменении момента нагрузки. В результате анализа параметров двигателя установлено, что критерием устойчивой работы синхронного двигателя с постоянными магнитами является положительное значение коэффициента см таблицы Рауса.

Третья глава посвящена определению разработанных энергетических показателей торцевого синхронного электродвигателя, питающего его преобразователя с линейным или импульсным режимами работы, а также созданию их математических моделей.

Рассматриваемый электропривод, функциональная схема которого представлена на рис. 3, включает торцевой синхронный электродвигатель (ТСД), усилитель мощности (УМ), приводной механизм и технологический объект (ПМех и ТО). На рис.3 обозначены: +£„, -£„ - напряжения питания усилителя мощности; иа - напряжения питания обмоток статора двигателя; ПМ- постоянные магниты ротора; ¿.ш ^-обмотки статора, Ма»(*)„

- энергия поступающая из усилителя мощности в двигатель, wyu „, „ -энергия потерь в усилителе мощности и двигателе, WyM „, Wde „, Wc „, -энергия, которая в элементе системы преобразуется в другие виды энергии, Wda, (.)п, W ум (.)п, WnUl (.)п, - энергия, которую элемент / отдает обратно в элемент i-1, Wucn „ - используемая энергия, Wno„M„ - полезная энергия.

Рис. 3. Схема потоков энергии в электроприводе "Усилитель мощности -торцевой синхронный электродвигатель".

Вариантами усилителя мощности для такого типа двигателей являются усилители, работающие в импульсном и линейном режимах. Рассмотрены уравнения баланса мощностей в элементах привода, получены соотношения для определения мгновенных и средних за период потерь мощности, а также потерь мощности в синхронном режиме работы.

Составлены программы для расчета энергетических показателей двигателя. Рассчитаны и исследованы рабочие характеристики синхронного двигателя в функции его параметров. Исследовано влияние параметров на энергетические характеристики. Установлены особенности зависимостей потерь энергии от параметров в торцевом синхронном электродвигателе. Выявлено, что максимум коэффициента полезного действия определяется в основном активным сопротивлением обмотки статора и степенью намагниченности постоянных магнитов двигателя и сравнительно мало зависит от индуктивного сопротивления статора. Увеличение потокосцепления статора с полем постоянных магнитов не приводит к заметному возрастанию электромагнитной мощности.

Для потерь и коэффициента полезного действия усилителя мощности с линейным режимом работы при работе на двигательную и, как частный случай, на активную, активно-индуктивную и емкостную нагрузки получены следующие соотношения:

Р. - Рпа + А, = Ет, ' '

\ + ЕМ

_ _ W _

Т1уМ= — =

m

Т2

Jf«a

TI

1а +Uß iß)da>J

Р. 2 (Um + AUю) ^j+l,. ^

Т1

где рпа, p„ß - соответственно мощности, потребляемые усилителями питающих фаз аир двигателя; Епа, Enß - напряжения питания усилителей; ликэ - падение напряжения на коллекторном переходе транзистора, Т1, Т2 -начальная и конечная точки периода, кратного периоду функции сигнала задания, на котором определяется коэффициент полезного действия преобразователя.

Получены также соотношения для определения статических и динамических потерь мощности в импульсном усилителе.

На основе полученных зависимостей для потерь мощности в двигателе, а также в усилителе мощности с линейным и импульсным режимом работы разработаны программы, позволяющие получить для системы электропривода энергетические показатели в функции времени в различных режимах работы электропривода. Разработан алгоритм и программа для расчета потерь мощности в двигателе и преобразователе в функции угла нагрузки с учетом несинусоидальности напряжения питания двигателя. Выполненные расчеты позволили определить диапазоны углов нагрузки двигателя, при которых целесообразно использовать линейный или импульсный усилители мощности, исходя из условий энергосбережения (рис. 4).

^ ^ в. от I

Рис. 4. Энергетические характеристики системы "Усилитель мощности -торцевой синхронный

7во электродвигатель.

а) Зависимость потерь от угла нагрузки в системе электропривода.

б) Коэффициент полезного действия в функции угла нагрузки

112.5 135 1 57.6 180

Полученный здесь результат в сравнении с данными о максимально возможном коэффициенте полезного действия для линейного и импульсного усилителей мощности, который составляет соответственно 1 и 0,785, также подтверждает необходимость комплексного исследования энергетических показателей системы электропривода.

В четвертой главе определены зависимости, необходимые для оптимизации энергетических показателей электропривода, а также накладываемые ограничения, которые необходимо учитывать при разработке системы электропривода.

Управление торцевым синхронным электродвигателем, как правило, осуществляется за счет регулирования частоты и амплитуды напряжения питания статорных обмоток. В этой связи на основе величины угла нагрузки, оптимального с энергетической точки зрения, и с учетом ограничений получены зависимости амплитуды напряжения и реактивного тока статора от электромеханических переменных электродвигателя.

Для системы электропривода с линейным усилителем мощности установлено, что величина его потерь определяется напряжением, током и сдвигом фаз - <рш между ними. Получена аналитическая зависимость и построена характеристика потерь мощности в усилителе в функции переменной <рш . Анализ полученных характеристик показал, что потери усилителя мощности увеличиваются при увеличении величины угла между векторами напряжения и тока двигателя и минимальны при значении угла, равном нулю.

Установлено, что в режиме работы двигателя, соответствующем минимуму потерь, потери мощности в усилителе не минимальны, а зависят от параметров статорной обмотки двигателя.

С использованием полученных соотношений построены зависимости угла q>ui, потерь в двигателе и его электромагнитной мощности от угла нагрузки, которые приведены на рис 5, где втахзш втШзл, 8ттЛУМ- величины углов нагрузки, соответствующие максимальной электромагнитной мощности двигателя, минимальным электрическим потерям в обмотке статора, минимальным потерям линейного усилителя мощности.

Анализ представленных на рис. 5 зависимостей показывает, что в пределах углов нагрузки втах эи и втт эл существует некоторый угол втт лум, при котором угол <ри1 равен нулю, что соответствует минимальным потерям линейного усилителя мощности.

В связи с громоздкостью соотношения для определения потерь мощности предложено их минимальную величину определять методом перебора значений угла нагрузки в сравнительно небольшом диапазоне от

бщ/п ал ДО в „in пущ .

Ля Вт

Рис. 5. Зависимости угла между векторами напряжения и тока двигателя, электрических потерь в двигателе и

электромагнитной мощности в функции угла нагрузки.

Установлено, что для системы электропривода с питанием торцевого синхронного электродвигателя от импульсного усилителя мощности основным способом снижения потребления электроэнергии является уменьшение высших гармонических тока. При этом наиболее приемлемым способом их уменьшения является использование преобразователей с широтно -импульсной модуляцией.

С использованием коэффициента нелинейных искажений рассчитан коэффициент заполнения импульса выходного напряжения усилителя мощности, соответствующий минимальным потерям энергии, который составил к3=0,742.

Анализ технических решений, направленных на снижение амплитуд гармоник, близких к основной, и основанных на использовании дополнительных переключений, показал их неприменимость в электроприводах с высокими требованиями к динамическим показателям в связи с увеличением гармоник большего порядка, подавление которых требует дополнительного использования параметрических ¿С - фильтров.

В качестве критерия оптимизации энергетических показателей рассматриваемого электропривода может быть принята частота переключения транзисторных ключей импульсного усилителя мощности. Для определения ее оптимальной величины построены зависимости потерь мощности в двигателе и преобразователе от частоты коммутации ключей (рис.6). Оптимальная величина частоты коммутации транзисторных ключей для рассматриваемого двигателя и преобразователя составила ^„«=10 кГц.

Энергосберегающая система рассматриваемого в диссертации электропривода требует, как показано на рис. 7, использования двух каналов управления по координатам б и д. Она является двухконтурной по координате £/, содержащей внешний контур регулирования скорости и подчинённый ему контур регулирования тока ротора (момента), и одноконтурной по координате

I

I

с1, обеспечивающей величины тока и напряжения по оси с7, соответствующим минимальным потерям в системе электропривода.

Рчп. Вт

Луш. ГЦ

О 8000 1 6-104 2 4 104 3 2 104 4-104

Рис. 6. Зависимости потерь мощности в электроприводе на основе торцевого синхронного электродвигателя в функции частоты коммутации транзисторных ключей инвертора напряжения.

Исследуемая система электропривода (рис. 7) включает усилитель мощности, торцевой синхронный электродвигатель, датчиковую систему и регулятор. В систему управления, реализующую прямое векторное управление торцевым синхронным электродвигателем, наряду с регуляторами активного и реактивного токов и блоками ограничения напряжения входят координатные преобразователи векторов тока и напряжения, а также блок управляющих сигналов, формирующий законы управления ключами при использовании усилителя мощности с линейным режимом работы и законы модуляции при использовании импульсного усилителя мощности. Входные сигналы регулятора поступают с датчиков тока двигателя, датчика и задатчика скорости. Выходными сигналами регулятора являются сигналы управления усилителем мощности.

Рис. 7. Структурная схема системы электропривода. 17

На основе выполненного анализа задающие сигналы разработанной системы электропривода, а также режим работы элементов определены оптимальными из условия минимума потерь.

В работе также приведены структурные схемы торцевого синхронного электродвигателя с преобразователем, линеаризованная структурная схема привода с регуляторами, структурные схемы блоков исследуемого привода и их описание.

С использованием разработанной модели электропривода, построенной с учетом рассмотренных в главе рекомендаций по улучшению энергетических показателей, рассчитаны и проанализированы электромагнитные и энергетические характеристики двигателя. Так коэффициент полезного действия при синхронной скорости вращения вала ротора составил 52,6 %. Его увеличение в сравнении с разомкнутой системой электропривода составило более 50 %, а в сравнении с замкнутой системой электропривода без выполненных улучшений более 10 % при удовлетворении требований динамики (пуск при номинальном моменте на максимальную скорость занял по времени 0,08 с, перерегулирование по скорости при пуске, торможении и реверсе не превысило 6%, отклонение скорости при сбросе и набросе момента нагрузки (+ 0,9МН) составило меньше 1,5%).

Экспериментальные исследования выполнены на основе опытного образца электропривода с торцевым синхронным электродвигателем малой мощности лентопротяжного механизма магнитофона. Установлено что расхождение результатов расчетов с экспериментальными в установившемся и переходном режимах скорости вала ротора двигателя, тока статора, потребляемой мощности и мощности потерь не превышает 4%.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. В результате анализа структуры общего потребления электрической энергии, доли ее использования электроприводами малой мощности, применяемыми в промышленных установках и бытовых электроприборах, выявлены существенные резервы энергосбережения, сравнимые с электроприводами большой и средней мощности.

2. На основе анализа конструкции торцевых синхронных электродвигателей разработано математическое описание электромагнитных процессов в фазной системе координат, а также методика определения их параметров, сочетающая аналитические зависимости и результаты эксперимента отличающаяся простотой реализации и приемлемой точностью.

3. Полученное описание энергетических процессов системы электропривода с торцевым синхронным электродвигателем позволяет

выполнить исследование влияния параметров торцевого синхронного электродвигателя на его энергетические показатели, проанализировать и сопоставить энергетические характеристики синхронного электропривода при питании электродвигателя от усилителя мощности с линейным режимом работы и импульсного усилителя мощности, а также использовать для оптимизации его структуры и выбора способа управления, обеспечивающего сбережение электрической энергии.

4. Разработана математическая модель, позволяющая определить потери в синхронном электроприводе в установившемся или близком к нему режиме работы, а также выбрать усилитель мощности в зависимости от углов нагрузки для конкретных применений.

5. Разработаны рекомендации по улучшению энергетических показателей синхронного электропривода с торцевым синхронным электродвигателем. Установлено, что снижение потерь в системе электропривода может быть достигнуто за счет оптимального формирования напряжений управления без использования дополнительных индуктивных и емкостных элементов в силовой схеме привода.

6. Предложен алгоритм управления автоматизированным электроприводом на основе торцевого синхронного электродвигателя, удовлетворяющий повышенным требованиям к его динамическим и энергетическим характеристикам, предъявляемым устройствами автоматики, бытовой и вычислительной техники.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. Глазунов В.Ф., Пикунов В.В., Митрофанов A.C. Методика определения параметров электродвигателя с осевым полем от постоянных магнитов. //Электротехника, №12, 2003, с. 7-11.

2. Глазунов В.Ф., Пикунов В.В., Митрофанов A.C. Системный подход к оценке потерь в синхронном микроэлектроприводе. //Электротехника, №11, 2005, с. 52-55.

3. Глазунов В.Ф., Пикунов В.В., Митрофанов A.C. Математическая модель синхронного двигателя с постоянными магнитами на роторе. Электромеханические системы и комплексы: Межвузовский сб. науч. тр. Вып. 6. / Под ред. A.C. Карандаева, К.Э. Одинцова. - Магнитогорск: МГТУ, 2002. - с. 40-48.

4. Глазунов В.Ф., Пикунов В.В., Митрофанов A.C. Энергопотребление электропривода по системе "автономный инвертор напряжения - синхронный электродвигатель с постоянными магнитами на роторе". В кн. Электротехнические системы и комплексы: Межвузовский сб. науч. тр. Вып. 9.

06-87/

/Под ред. С.И. Лукьянова, Д.В. Швидченко. - Магнитогорск: МГТУ, 2004. - с. 27-34.

5. Глазунов В.Ф., Пикунов В.В., Митрофанов A.C. Энергетика синхронного микроэлектропривода в непрерывном и импульсном режимах работы. Труды IV Международной (XV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу "Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития" (АЭП-2004, Магнитогорск, 14-17 сентября 2004г.). Часть 1. - Магнитогорск, 2004. - с. 307 - 310.

6. Пикунов В.В., Митрофанов A.C. Математическое моделирование синхронного электродвигателя с возбуждением от постоянных магнитов. В кн.: Тезисы докладов научного семинара по электротехнике 3-4-февраля. ./ Под редакцией А.Н. Королева. - Иваново: ИГЭУ, 2000. с. 16.

7. Пикунов В.В., Митрофанов A.C. Моделирование вентильного двигателя. В сбонике тезисов докладов научно-технической конференции "Проблемы управления электромеханическими системами", 18-19 апреля 2000г. Иваново: ИГЭУ, 2000. - с. 12.

8. Глазунов В.Ф., Пикунов В.В., Митрофанов A.C. Определение параметров синхронного двигателя с осевым полем от постоянных магнитов. В кн.: Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности (Поиск-2003). Иваново: ИГТА, 2003. - с. 224-225.

9. Глазунов В.Ф., Пикунов В.В., Митрофанов A.C. Математическое моделирование системы преобразователь - синхронный двигатель с учетом энергетических показателей. В сборнике материалов I Международной научно-технической конференции "Перспективы использования компьютерных технологий в текстильной и легкой промышленности" (Пикгел-2003) -Иваново: ИГТА, 2003. - с.127.

10. Митрофанов A.C. Разработка показателей эффективности преобразования энергии в системе электропривода. В кн.: Тезисы докладов Международной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (XII Бенардосовские чтения), 1 том. Иваново: ИГЭУ, 2005. - с. 197.

11. Глазунов В.Ф., Пикунов В В., Митрофанов A.C. Модель системы "Усилитель мощности - торцевой синхронный двигатель" с учетом энергетических показателей /Свидетельство ФГУП "Всероссийский научно-технический информационный центр" на интеллектуальный продукт. Зарегистрирован 07.02.2005г. №72200500010.

Отпечатано с готовых оригинал-макетов в типографии «X-Press», г. Иваново, пр. Ленина, 19 тел. (0932) 41-56-06

Формат бумаги 60x84 1/16. Печать плоская.

Тираж 100 экз. Заказ от 29.12.05 г

ВВЕДЕНИЕ.

1. ЭНЕРГЕТИКА ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА.

1.1. Место синхронного электропривода малой мощности в общей проблеме энергосбережения.

1.2. Анализ синхронных электродвигателей малой мощности как электромеханических преобразователей энергии.

1.3. К выбору усилителя мощности для использования в синхронном электроприводе малой мощности.

1.4. Оценка эффективности электромеханического преобразования энергии в синхронном электроприводе.

1.5. Выводы.

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТОРЦЕВОГО СИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ.

2.1. Особенности конструкции торцевых синхронных электродвигателей.

2.2. Методика определения параметров торцевого синхронного электродвигателя.

2.3. Математическое моделирование торцевого синхронного электродвигателя в исходной (физической) и у системах координат.

2.4. Уравнения торцевого синхронного электродвигателя в системе координате/, с¡, у.

2.5. Анализ работы двигателя в синхронном режиме работы и при малых возмущениях.

2.6. Выводы.7О

3. АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА.

3.1. Подход к определению качественных показателей энергетических процессов в электроприводе.

3.2. Баланс мощностей в синхронном электродвигателе.

3.3. Потери в импульсном преобразователе.

3.4. Энергетические показатели усилителя мощности с линейным режимом работы при двигательной нагрузке.

3.5. Выбор усилителя мощности по критерию минимума потерь в системе электропривода.

3.6. Выводы.

4. РЕАЛИЗАЦИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ В СИНХРОННОМ

ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ СРЕДСТВАМИ УПРАВЛЕНИЯ КООРДИНАТАМИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ.

4.1. Способы энергосбережения в синхронном электроприводе.

4.2. Управление переменными двигателя, обеспечивающее оптимальность его энергетических показателей.

4.3. Управление переменными двигателя, обеспечивающее оптимальность энергетических показателей питающего его линейного усилителя мощности.

4.4. Управление переменными двигателя, обеспечивающее оптимальность энергетических показателей питающего его импульсного усилителя мощности.

4.5. Управление переменными двигателя, обеспечивающие повышение энергетических показателей системы электропривода.

4.6. Исследование системы электропривода с повышенными энергетическими показателями.

4.7. Экспериментальные исследования торцевого синхронного электродвигателя.

4.8. Выводы.

Актуальность темы. Значительное повышение цен на топливо и, как следствие, на электрическую энергию в последнее время, а также ужесточение требований к охране окружающей среды вызывают необходимость в поиске эффективных энергосберегающих технологий.

По разным оценкам в России сейчас потенциал энергосбережения составляет около от 40 до 45 процентов от современного уровня потребления энергетических ресурсов, который стал результатом неразумного, расточительного их расходования [1-5]. Одной из основных причин низкой эффективности использования энергетических ресурсов является наличие в промышленности страны большого количества технически и морально устаревшего оборудования с низким коэффициентом полезного действия.

Анализ зарубежной и отечественной литературы позволил установить, что широкое использование техники в быту привело к высокой доли потребления электроэнергии электроприводами малой мощности. Так в США и Германии эта доля электроэнергии составляет более 25% от общего ее потребления [6-8]. Коэффициент полезного действия большинства электрических двигателей таких электроприводов не превышает 50%. Приведенные в литературе данные показывают, что использование более экономичных систем таких электроприводов позволило бы снизить общее потребление электроэнергии на 6% и более [1, 6-8]. В этих условиях большое значение имеет повышение эффективности использования электрической энергии как в электроприводах большой и средней мощности, так и электроприводах малой мощности.

Изучение ряда работ по оценке потерь электроэнергии в регулируемых электроприводах [9-15] позволило установить, что определение энергетических показателей в них основывается на методе гармонического анализа и выполняется, как правило, без учета высших гармонических тока и напряжения, возникающих при использовании преобразовательных устройств. Так неучет высших гармонических приводит к занижению расчетных потерь энергии в двигателе по отношению к реальным до 40 %. Это обусловливает необходимость разработки комплексной методики, позволяющей определить потребляемую, полезную и рассеиваемую мощности как всей системой электропривода, так и отдельными ее элементами в различных режимах работы. Решение данной задачи возможно только при использовании средств вычислительной техники.

В классе электроприводов малой мощности заметное место занимают электроприводы, построенные на базе синхронных электродвигателей с постоянными магнитами. В настоящее время большое количество отечественной и зарубежной информации об использовании таких двигателей, а также патентные предложения в области их конструктивного исполнения практически ограничиваются рассмотрением только синхронных двигателей с постоянными магнитами с асинхронным пуском [9, 13, 16-19]. Проведенный анализ литературных источников по использованию таких двигателей с асинхронным пуском показал значительные ограничения, накладываемые на их использование в системах электроприводов, требующих высокого быстродействия и точности отработки сигналов [20-23].

В этом классе торцевые синхронные электродвигатели, сохраняя преимущества синхронных двигателей с постоянными магнитами с асинхронным пуском, обладают значительно меньшим моментом инерции ротора, демпфирующим влиянием на переходные процессы, что является основными преимуществами двигателей такого типа. Это обусловлено дисковой конструкцией двигателей и отсутствием на роторе короткозамкнутой обмотки, а также малой индуктивностью обмотки статора двигателя. Кроме этого, в статоре практически отсутствуют потери мощности на гистерезис и вихревые токи. На статоре двигателя отсутствуют зубцы, что способствует равномерному распределению индукции в зазоре, уменьшению пульсационных потерь и шума при работе двигателя [20, 21, 24-26].

К недостаткам торцевых синхронных электродвигателей следует отнести большую кратность пусковых токов, снижение синхронизирующего момента с ростом момента инерции ротора двигателя, наличие тормозного (генераторного) момента в процессе пуска двигателя, а также повышенную стоимость по сравнению с асинхронным двигателем, которая в настоящее время снижается благодаря удешевлению материалов (феррит, керамика), используемых для изготовления магнитов и применению специальных технологических приемов [27-31 ].

Отмеченные преимущества и недостатки торцевых синхронны:: электродвигателей определяют предпочтительные области их применения. Они могут с успехом применяться в системах автоматизированного и следящего электропривода, в различных лентопротяжных устройствах, в аппаратах звуко- и видеозаписи, электропроигрывателях, в приводах программно-управляющих приборов, регистраторов, вычислительной технике, электрических часах и т.п. [13, 20,29].

Говоря о силовых преобразователях необходимо заметить, что в основном они строятся по схеме "выпрямитель - автономный инвертор напряжения" [321. Требования к влиянию потребителя на питающую сеть постоянно ужесточаются (стандарты 1ЕЕЕ-519, МЭК 555, ГОСТ 13109). Для повышения коэффициента мощности, снижения установленной мощности и стоимости силовых преобразователей применяют управляемые ключи с системой стабилизации напряжения звена постоянного тока, схемы с дополнительной индуктивностью и коммутирующим ключом для высокочастотного импульсного регулирования входного тока. В силовых преобразователях используются современные силовые приборы (М08ГЕТ, ЮВТ, МСТ), имеющие весьма малые динамические потери [32-35].

Выполненный анализ [13, 20, 21, 24-26, 29, 32, 35] показывает перспективы широкого практического применения указанных электроприводов с питанием от преобразователей, выполненных на основе транзисторов и оснащенных цифровыми средствами управления, а также комплекс нерешенных задач в этой области.

Важнейшие из них связаны с выбором двигателя и преобразователя, а также построением системы управления, обеспечивающих необходимые показатели качества отработки задающего сигнала и оптимальность энергетических характеристик [9, 14,21, 32, 34, 35].

Целью работы является повышение энергетических и динамических показателей электропривода малой мощности, построенного на основе торцевого синхронного электродвигателя.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие основные задачи:

- обоснование необходимости сбережения электрической энергии в электроприводах малой мощности, систематизация сведений по перспективным типам используемых в них синхронных двигателей и разработка показателей оценки эффективности электромеханического преобразования энергии;

- разработка методики по определению параметров и математической модели торцевого синхронного электродвигателя с учетом его конструктивных особенностей, исследование его электромеханических характеристик и анализ условий устойчивости; математическое моделирование синхронного электропривода, направленное на определение показателей эффективности использования электроэнергии его элементами;

- исследование энергетики электропривода на основе разработанной методики определения энергетических показателей и полученных моделей;

- исследование математической модели электропривода, анализ его энергетических и динамических показателей и сопоставление полученных результатов с экспериментом.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались основные положения теории электромеханического преобразования энергии и электропривода, методы математического моделирования электромеханических систем, экспериментальные исследования. Экспериментальные исследования выполнены на опытном образце торцевого синхронного электродвигателя малой мощности.

Научную новизну работы составляют: методика определения параметров торцевых синхронных электродвигателей, основанная на аналитических зависимостях и экспериментах, позволяющая эффективно реализовать их преимущества и минимизировать недостатки и отличающаяся простотой реализации;

- математическое описание электромагнитных процессов торцевого синхронного электродвигателя, выполненное с учетом особенностей его конструкции;

- математическая модель синхронного электропривода, построенного на основе торцевого синхронного электродвигателя и усилителя мощности с линейным и импульсным режимом работы, позволяющая рассчитать энергетические показатели для любого его элемента на заданном промежутке времени;

- комплексный подход к оценке эффективности электромеханического преобразования энергии в электроприводе на основе разработанных унифицированных энергетических показателей;

- алгоритм управления электроприводом, выполненном на основе торцевого синхронного электродвигателя, позволяющий получить высокие энергетические и динамические показатели.

Практическую ценность работы составляют:

- разработанные программы расчета характеристик электропривода с торцевым синхронным электродвигателем, ориентированные на использование математической системы МаШСас!, позволяющие эффективно выполнять анализ динамики и энергетики электропривода на этапе проектирования;

- разработанные методики и программы для анализа электромагнитных характеристик электроприводов, построенных на основе торцевого синхронного электродвигателя, позволяющие выполнить разработку системы управления, обеспечивающую его оптимальные энергетические показатели с учетом ограничений координат.

Результаты работы могут быть использованы при проектировании, оценке энергоэффективности электроприводов переменного тока и позволяют снижать потребление электроэнергии разрабатываемого оборудования.

Практическая реализация

Основные научные и практические результаты диссертационной работы использованы в научно-исследовательской и проектной практике ОАО "МК Кранэкс" (г. Иваново), а также при оценке энергоэффективности электроприводов переменного тока ООО "ТДЛ Энерго" (г. Иваново), ООО "Льнокомбинат Новописцовский" (п. Новописцово) при разработке мероприятий по снижению потребления электроэнергии оборудованием.

Результаты исследований, приведенные в диссертационной работе, внедрены в учебный процесс кафедры ЭП и АПУ ИГЭУ при чтении курсов: "Теоретические основы синхронного электропривода", "Вентильный электропривод", "Векторное управление электроприводами переменного тока" специальности 140604 -Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов, а также в виде лабораторного стенда для определения параметров синхронного электродвигателя с постоянными магнитами.

На защиту выносятся

1. Методика определения параметров торцевых синхронных электродвигателей, основанная на аналитических зависимостях и результатах эксперимента.

2. Математическая модель синхронного электропривода, позволяющая исследовать его энергетические показатели.

3. Результаты математического моделирования электромагнитных процессов торцевого синхронного электродвигателя с учетом особенностей его конструкции.

4. Комплексная методика оценки энергопотребления электроприводом на основе разработанных унифицированных энергетических показателей.

5. Рекомендации по повышению энергетических показателей электроприводов на основе торцевого синхронного электродвигателя.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы были доложены и обсуждались на научном семинаре по электротехнике ИГЭУ (г. Иваново, 2000), научно-технической конференции "Проблемы управления электромеханическими системами" ИГЭУ (г. Иваново, 2000), Межвузовской научно-технической конференции "Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности" (Поиск-2003) ИГТА (г. Иваново, 2003), I Международной научно-технической, конференции "Перспективы использования компьютерных технологий в текстильной и легкой промышленности" (Пиктел-2003) ИГТА (г. Иваново, 2003), IV Международной (XV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу "Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития" (АЭП-2004, г. Магнитогорск, 2004г.), Международной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (XII Бенардосовские чтения) (г. Иваново, 2005).

Публикации. По теме диссертации опубликовано десять печатных работ, из них четыре научные статьи и шесть тезисов докладов на научно-технических конференциях. На интеллектуальный продукт "Модель системы "Усилитель мощности - торцевой синхронный двигатель" с учетом энергетических показателей" получено свидетельство о государственной регистрации.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 157 страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка, 3 таблицы, список используемой литературы из 103 наименований.

4.8. Выводы.

1. Выполненный анализ подходов к построению системы электропривода с повышенными энергетическими характеристиками позволил определить рациональный способ решения задач энергосбережения с использованием регулирования в электроприводе.

2. Определены значения углов нагрузки в торцевом синхронном электродвигателе, соответствующие минимуму электрических потерь в обмотке статора, максимальной электромагнитной мощности, проанализирован диапазон углов нагрузки с позиции статической и динамической устойчивости работы двигателя. Получены соотношения, позволяющие определить напряжение питания и ток статора двигателя, соответствующие заданному углу нагрузки, ориентированные на использование их в системе управления синхронным электроприводом для повышения его энергетических показателей.

3. Показана возможность повышения энергетических показателей синхронного электропривода при его питании от линейного усилителя мощности посредством использования энергосберегающего алгоритма управления, реализованного с использованием математических зависимостей потерь мощности системы электропривода от тока, напряжения статора, угла нагрузки, угла между векторами напряжения и тока.

4. Показана возможность повышения энергетических показателей синхронного электропривода при его питании от импульсного усилителя мощности посредством использования энергосберегающего алгоритма управления, реализованного за счет минимизации амплитуд спектра высших гармонических тока статора двигателя, а также определения оптимальной частоты коммутации ключей автономного инвертора напряжения при широтно - импульсной модуляции.

5. В результате экспериментальных исследований электродвигателя в пусковом и установившемся режимах работы установлена адекватность разработанной математической модели реальному объекту, а также подтверждены теоретические положения, принятые при определении его параметров и потерь мощности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена актуальная научно - техническая задача улучшения энергетических показателей электропривода на основе торцевого синхронного электродвигателя малой мощности. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволяют отметить следующие основные результаты и сделать выводы:

1. В результате анализа структуры общего потребления электрической энергии, доли ее использования электроприводами малой мощности, применяемыми в бытовых электроприборах, а также в ряде промышленных установках, выявлены существенные резервы энергосбережения, сравнимые с электроприводами большой и средней мощности.

2. На основе проведенной классификации двигателей малой мощности, исследования их назначения и применения, а также выполненного анализа энергетических и статических характеристик усилителей мощности установлено, что наиболее перспективными типами синхронных двигателей малой мощности для общего назначения являются синхронные электродвигатели с асинхронным пуском, а для использования в автоматических устройствах торцевые синхронные электродвигатели; для использования в источниках вторичного электропитания электроприводов наиболее перспективными классами усиления усилителей мощности являются АВ и£>.

3. Анализ эффективности электромеханического преобразования энергии в системе электропривода целесообразно производить на основе предложенных показателей, обладающих свойствами универсальности, гибкости, однозначности и всеобъемлемости характеристики фактической эффективности энергетического процесса, которые позволяют обоснованно и однозначно характеризовать энергетику системы электропривода на заданном промежутке времени в целом и в любом ее элементе, а также устанавливать детерминированные связи между потерями в отдельных элементах и режимом передачи энергии в рассматриваемом сечении канала системы электропривода, что позволяет сравнивать различные технические решения на всех стадиях их разработки и эксплуатации.

4. На основе анализа конструкции торцевых синхронных электродвигателей разработано математическое описание электромагнитных процессов в фазной системе координат, а также методика определения их параметров, сочетающая аналитические зависимости и результаты эксперимента отличающаяся простотой реализации и приемлемой точностью.

5. На основе системы уравнений, характеризующей работу торцевого синхронного электродвигателя при малых возмущениях нагрузки, определены и проанализированы условия устойчивой работы торцевого синхронного электродвигателя и получены переходные характеристики при малом изменении момента нагрузки. Установлено, что критерием устойчивой работы синхронного двигателя с постоянными магнитами является положительное значение коэффициента си таблицы Рауса.

6. Полученное описание энергетических процессов системы электропривода с торцевым синхронным элетродвигателем позволяет выполнить исследование влияния на энергетические показатели параметров торцевого синхронного электродвигателя, проанализировать и сопоставить энергетические характеристики синхронного микроэлектропривода при питании от усилителя мощности с линейным режимом работы и импульсного усилителя мощности, а также использовать для оптимизации его структуры и выбора способа управления, обеспечивающего сбережение электрической энергии.

7. Получено общее выражение для определения коэффициента полезного действия для усилителя мощности с линейным режимом работы, отличающееся возможностью его применения для случая нагрузки, имеющий произвольный характер: двигательный, активный и активно-индуктивный.

8. Разработана математическая модель, позволяющая определить потери в синхронном электроприводе в установившемся или близком к нему режиме работы, а также выбрать усилитель мощности в зависимости от углов нагрузки для конкретных применений.

9. Разработаны рекомендации по улучшению энергетических показателей синхронного электропривода с торцевым синхронным электродвигателем Установлено, что снижение потерь в системе электропривода может быть достигнуто за счет оптимального формирования напряжений управления без использования дополнительных индуктивных и емкостных элементов в силовой схеме привода.

10. Предложен алгоритм управления автоматизированным электроприводом на основе торцевого синхронного электродвигателя, удовлетворяющий повышенным требованиям к его динамическим и энергетическим характеристикам, предъявляемым устройствами автоматики, бытовой и вычислительной техники.

11. Результаты экспериментальных исследований приведенные в диссертации подтверждают теоретические положения, принятые при разработке математической модели торцевого синхронного электродвигателя, определении его параметров и потерь мощности.

1. Закиров Д.Г. Энергосбережение. Учебное пособие Пермь: Изд-во "Книга", 2000. - 308 с.

2. Савин В.И. Государственная политика в области энергосбережения //Промышленная энергетика. 1994. №1. - С. 2-4.

3. Концепция РАО "ЕЭС России" в области энергосбережения. Энергетический ежегодник: Вып. 2/ Под ред. A.B. Мошкарина . -Иваново: РЭК-ИГЭУ, 1999г. С. 9-25.

4. Сидоров М. Россия все еще остается целиной для энергосберегающих технологий // Финансы и общество. 1996. - 28 мая.

5. Данилов Н.И. Энергосбережение. Екатеринбург, 1999.

6. Эффективность использования электроэнергии /Под. ред. К. Смита: Пер. с англ. под ред. Д.В. Вольфберга М.: Энергоиздат, 1981. - 400 с.

7. Пройс К. X. Пути к умеренности, стратегия на будущее. Пер. с нем. -М., Прогресс, 1984. - 256 с.

8. Левичев П.И. Энергетический менеджмент. Владимир, 2002. - 344с.

9. Осин И. Л., Колесников В.П., Юферов Ф.М. Синхронные микродвигатели с постоянными магнитами. М., Энергия, 1976.

10. Регулируемые экономичные электроприводы переменного и постоянного тока: Тематич. сб. Под. ред. Н.Ф. Ильинского, 1981. 128 с.

11. Москаленко В.В. Электрический привод. М. Высшая школа, 1991.430 с.

12. Ф.М. Юферов Электрические машины автоматических устройств. -М.: Высшая школа, 1976. 416с.

13. A.B. Луговой. К теории энергосбережения средствами промышленного электропривода. // Электротехника №5, 1999, с. 62-67.

14. Халас Ш. Оптимизация управления инверторами напряжения в асинхронном электроприводе. // Электричество №1, 1993, с. 43-48.

15. Испытание электрических микромашин: Учеб. пособие для электротехн. спец. вузов / Астахов Н.В., Лопухина Е.М., Медведев В.Т. и др.; Под ред. Н.В. Астахова. 2-е изд., перераб. И доп. - М.: Высш. шк., 1984.

16. Merrill F. Rotor for synchronous induction motor. Пат. № 2543639 (США).

17. Massar E. Selbstanlaufender Synchronmotor. Пат. № 1093475 (ФРГ).

18. Kinzo Wada, Yokohama. Driving circuit for a d.c. commutatorless motor. Пат. № 4459520 (США).

19. Арменский E.B., Фалк Г.Б. Электрические микромашины. М.: Высш. шк., 1975.-240 с.

20. Штелтинг Г., Байссе А. Электрические микромашины.: Пер. с нем.: -М.: Энергоатомиздат., 1991 -229 с.

21. Вейнгер A.M. Регулируемый синхронный электропривод. М Энергоатомиздат, 1985. -224 с.

22. Слежановский О.В., Дацковский Л.Х., Кузнецов Н.С. Система подчиненного регулирования электроприводов переменного тока с вентильным преобразователями. М.: Энергоатомиздат, 1983.

23. Копылов И.П. Электрические машины: Учеб. для вузов. 2-е изд., перераб. -М.: Высшая школа, Логос, 2000. - 607 с.

24. Дисковый реактивный двигатель с постоянными магнитами А.Л. Нельсов, Мо-Ен Чо. Ассоциация инженеров силовой электроники. Российское отделение международного института электриков и электронщиков. Бюллетень выпуск №2 (30) июнь 2000г.

25. Gieras J.F., Gieras I.A., Szymezak P. Is the Ferromagnetic core in PM brushless motors necessary? Proc. Of 5 th Intern. Conf. On Unconventional

26. Electromechanical and Electrical Systems, v.l. Poland, Szczesin: Technical University Press, 2001.

27. Растегаев B.C., Гудим З.Ю., Андреева И.А. Оптимизация магнитных свойств и снижение экономических затрат при производстве магнитотвердых материалов. // Электротехника № 3, 1997, с. 25-27.

28. Поздеев А.Д. и др. Синхронный двигатель с постоянными магнитами для электропривода металлообрабатывающих станков. // Электротехника, №10, 1983, с. 33-37.

29. Вагане В.Э., Самолевский Г.К. Экспериментальное исследование торцевого синхронного микродвигателя с печатной обмоткой. В кн. Электрические микромашины. / Под. Ред. Прозорова В.A. JI: "Наука", Лен. отд-ие, 1972.-214 с.

30. Артеменко С.Е., Кононенко С.Г., Артеменко А.А. Ресурсосберегающая технология композиционных постоянных магнитов//Материалы международной конференции "Высокие технологии в машиностроении и приборостроении" М.: УРДЗ, 1993. С. 28-31.

31. Аналоговая и цифровая электроника. Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин. А.Н. Гурой. М.: "Горячая Линия - Телеком", 2000. - 768с.

32. Специальные электрические машины. Источники и преобразователи энергии. А.Н. Бертинов, Д.А. Бут и др. / под. ред. Б.Л. Алиевского, 1993.

33. Немцов М.В. Электротехника и электроника: Учебник для вузов. М.-Издательство МЭИ, 2003. - 616 с.

34. Лисицын Н.В. Анализ динамики потребления электроэнергии в России за 1990-2001гг. // Энергетик №1, 2003г., с. 3-7.

35. Осин И.Л., Шакарян Ю.Г. Электрические машины: Синхронные машины. -М.: Высшая школа, 1990. 304с.

36. Кацман М.М. и Юферов Ф.М. Электрические машины автоматических систем. М.: Высшая школа, 1969. - 328 с.

37. Ахматов М.Г. Синхронные машины. Специальный курс: Учеб. Пособие для вузов по спец. "Электрические машины". М.: Высшая школа. 1984.- 135 с.

38. М.П. Костенко, Л.М. Пиоровский. Электрические машины. -Ленинградское отделение. Энергия, 1973г.

39. Хрущев В.В. Электрические микромашины автоматических устройств. М., 1986.

40. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. М.: Высш. школа 1982.-496 с.

41. Преображенский В.И. Полупроводниковые выпрямители. М. Энергия, 1986. 136 с.

42. Башарин А. В., Новиков В. А., Соколовский Г. Г. Управление электроприводами. Л.: Энергоиздат., 1982.

43. Чиликин М. Г., Ключев В. И., Сандлер А. С. Теория автоматизированного электропривода. -М.: Энергия, 1979.

44. Ильинский Н. Ф., Козаченко В.Ф. Общий курс электропривода. М.: Энергия., 1992.

45. Загорский А. Е. Регулируемые электрические машины переменного тока.-М.: Энергоатомиздат, 1991.

46. Изосимов Д.Б., Байда C.B. Алгоритмы векторной широтно-импульсной модуляции трехфазного автономного инвертора напряжения. // Электротехника, № 4, 2004г., с. 21-31.

47. Григорьев М.А. Вентильный электропривод с синхронным реактивным двигателем независимого возбуждения. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Изд. Южно-Уральского государственного университета. - Челябинск, 2004г.

48. Ильинский Н.Ф., Горнов А.О. Критерии эффективности процесса электромеханического преобразования энергии. // Электрическтво №10, 1987, с. 24-29.

49. П.Н. Белый. Коллекторные магнитоэлектрические двигатели постоянного тока дискового типа для сервопривода. // Электротехника №6, 1997, с. 17-19.

50. Осин И.Л., Паншин А.Л. Численный расчет магнитного поля электрических машин с постоянными магнитами. // Электротехника № 11, 1990, с. 9-11.

51. Файсбисович В.А. Определение параметров электрических систем: Новые методы экспериментального определения. М.: Энергоиздат, 1982. -120 с.

52. Вейнгер A.M., И.М. Серый, H.A. Башко и др. Экспериментальное определение параметров компенсированного синхронного двигателя. // Промышленная энергетика №12, 1978. с. 21-24.

53. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин.: Учебн. для вузов 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 2001, -327с.

54. Жемчугов Г.А. Уравнения синхронной машины с постоянными магнитами. // Электротехника №1 , 1975. с. 42-44.

55. Глазунов В.Ф., Пикунов В.В., Митрофанов A.C. Определение параметров синхронного двигателя с осевым полем от постоянных магнитов. Вкн.: Молодые ученые развитию текстильной и легкой промышленности (Поиск-2003). Иваново: ИГТА, 2003. - с. 224-225.

56. Калантаров П.Н, Цейнтлин Л.А. Расчет индуктивностей. Справочная книга. 3-е издание Л.: Энергоатомиздат, 1986.

57. Фаворин М.В. Моменты инерции тел. М.: Машиностроение, 1970.

58. Глазунов В.Ф., Пикунов В.В., Митрофанов А.С. Методика определения параметров электродвигателя с осевым полем от постоянных магнитов. // Электротехника, №12, 2003, с. 7-11.

59. Архангельский Н.Л., Курнышев Б.С. Асинхронный электропривод. Электромагнитные процессы. Иваново, 1999. - 88 с.

60. Пикунов В.В., Митрофанов А.С. Моделирование вентильного двигателя. // В сбонике тезисов докладов научно-технической конференции "Проблемы управления электромеханическими системами", 18-19 апреля 2000г. Иваново: ИГЭУ, 2000. с. 12.

61. Янко-Триницкий А.А. Уравнения переходных электромагнитных процессов асинхронного двигателя и их решения. Электричество, №3, 1951, с. 18-25.

62. Важнов А.И. Основы теории переходных процессов синхронной машины. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960. - 300с.

63. Пикунов В.В. Баринов А.В. Регулируемый синхронный микроэлектропривод. В кн.: Тезисы докладов научно-техн. конф. «Проблемы управления электромеханическими системами» 18-19 апреля 2000 г. Иваново: ИГЭУ, 2000, с. 11.

64. Шрейнер Р.Т., Дмитриенко Ю.А. Оптимальное частотное управление асинхронными электроприводами. Кишинев: Штиинца, 1982. - 224с.

65. Трещев И.И. Электромеханические процессы в машинах переменного тока. Л.: Энергия. Ленинградское отделение, 1980. - 344 с.

66. Важнов А.И. Переходные процессы в машинах переменного тока. -Л.: Энергия. Ленинградское отделение, 1980. -256 с.

67. Рудаков В.В. и др. Асинхронные электроприводы с векторным управлением /В.В. Рудаков, И.М. Столяров, В.А. Дартау. -JL: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1987.

68. A. Consoli, A. Abela. Transient performance of permanent magnet AC motor drives. // IEEE Annual Meeting on IAS, 1984. pp. 458-463.

69. Каасик П.Ю., Кононенко K.E. Влияние параметров на устойчивость работы синхронных двигателей с постоянными магнитами. // Электричество № 11, 1984, с. 69-71.

70. Кононенко К.Е., Шиянов А.И. Устойчивость работы синхронных двигателей малой мощности. Воронеж, 2000. - 182с.

71. Ильинский Н.Ф. Основы электропривода: Учебное пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательство МЭИ, 2003. - 224 с.

72. Энергосберегающая технология электроснабжения народного хозяйства: В 5 кн.: Практ. Пособие/ Под ред. В.А. Веникова. Кн. 2. Энергосбережение в электроприводе/ Н.Ф. Ильинский, Ю.В. Рожанковский, А.О. Горнов. М.: Высш. шк, 1989. - 127с.

73. Кацевич В.Л., Никольский А.А., Чулин В.И. Оптимальное по критерию минимума потерь управление электроприводами постоянного тока. // Электричество №8, 1981, с. 65-68.

74. Цицикян Г.Н. Работы Кваде и некоторые замечания по понятиям электрической мощности. // Электричество №8, 2000, с. 34-41.

75. Вольдек А.И. Электрические машины. М: "Энергия", 1974. 839 с.

76. Проектирование электрических машин. В 2-х кн./ И.П. Курилов, Б.К. Клонов, В.П. Морозкин, Б.Ф. Токарев: Под. ред. Копылова И.П. М.: Энергоатомиздат, 1993.

77. Bout D.A., Kovalev L.K., Kulicoff N.I. Special Electrical Machines -perspectives. Proc. Of 5 th Intern. Conf On Unconventional and Electromechanical and Electrical Systems, v.l. Poland, Szczecin: Technical University Press, 2001.

78. B.C. Моин, Н.И. Лаптев. Стабилизированные транзисторные преобразователи. M.: Энергия, 1972. - 512 с.

79. А.Б. Апаров, В.Г. Еременко, И.Б. Негневицкий. Транзисторные преобразователи для низковольтных источников энергии. М.: Энергия, 1978. -96 с.

80. Брежнева K.M., Гантман Е.И. Транзисторы для аппаратуры широкого применения. / Справочник под. ред. Б.Л. Перельмана. Москва: "Радио и связь", 1981.-656 с.

81. Аксенов А.И., Нефедов A.B. Отечественные полупроводниковые приборы. 3-е изд., перераб. И доп. - М.:Солон-Р. 2002. - 544 с.

82. Зимин E.H., Яковлев В.И. Автоматическое управление-электроприводами. М.: Высш. шк., 1979. - 318 с.

83. И .Я. Браславский. О возможностях энергосбережения при использовании регулируемых асинхронных электроприводов. // Электротехника №8, 1998, с. 2-7.

84. Heumann К. Trends in semiconductor devices and impact on power electronic drives // International Converence "Power electronic motion control". Conference Publication. 1994. Vol.2 P. 1288 1299.

85. Коробко A.B., Коваль М.И. Энергосбережение в электроприводах со случайным перемежающимся характером нагрузки. // Электротехника №5, 2001, с. 50-51.

86. Дьяконов В.П., Абраменкова И.В. MathCAD 7.0 в математике, физике и в Internet. М.:"Нолидж", 1999. - 352 с.

87. Halasz S. Optimal control of PWM inverters for a given number of commutations. -ICEM, 1982, Budapest.

88. Изосимов Д.Б., Рыбкин C.E., Байда C.B. Алгоритм цифрового векторного управления электромагнитным моментом асинхронного двигателя. // Электричество, №2, 2005, с. 37-42.

89. Мануковский Ю.М., Пузаков A.B. Широко регулируемые автономные транзисторные преобразователи частоты. Кишенев: Штиница, 1990.- 152 с.

90. Никитин В.М. Управление значением выходного напряжения трехфазного инвертора. // Электротехника, №4, 1996, с. 34-40.

91. ГОСТ 11828-86. Машины электрические вращающиеся. Общие методы испытаний.

92. Андрианов М.В., Родионов Р.В. Особенности электрических измерений при испытаниях асинхронных электродвигателей, работающих с преобразователями частоты. Электротехника, №3, 2004г. с. 47-50.