автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Разработка и исследование новых систем управления частотой вращения бесколлекторных машин переменного тока

ГО 0,1

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ЮКЯЙТУГ (технический университет)

На правах рукописи

(ЕШЧЕНКОВ ВЛАДИМИР ПЕТРОВОТ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ НОВЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЧАСТОТОЙ ВРАЩЕНИЯ БЕСКШЕКТОРШХ ШШН ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Специальности; 05.13.05 - элемента и устройства вычислительной

техники и систем управления 05.09.03 - электротехнические комплексы и систе-

мы, включая их управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

л

МОСКВА

1994

Работа выполнена на кафедре Автоматики Московского энергетического института (технического университета).

Научный руководитель - доктор технических наук,- профессор

ЛЬВОВ Евгений Львович Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор РУБЦОВ Виктор Петрович

в аудитории Г-НО в _ /6 час. млн. на заседании специализированного Совета К 053.16.09 Московского энергетического института (технического университета).

Отзывы (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим направлять по адресу: 105835, ГСП, Москва, Е-2Б0, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат'разослан 1694 г.

Ученый секретарь специализированного Совета

кандидат технических наук, доцент СУРКОВ Виктор Васильевич

Ведущая организация - ВНИИЭМ

Защита диссертации состоится

К G53.16.C3 МЭИ, к.т.н., доцент

СЫЧЕВ Ю.В.

ОЭДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Актуальность проблемы. Развитие техники во всех отраслях производства значительно повысила потребность в системах управления электроприводами, позволяющими осуществлять в вирою« прет делах плавное регулирование частоты вращения (ЧИ). В настоящее время происходит аамена систем с двигателями постоянного тока (ДПТ) на регулируемые электроприводы с бесколлекторшми ми переменного тока. Основными конкурентами систем о ДПТ в областях их традиционного применения являются вентильные двигатели на баге синхронных машин (ВД) и системы частотного управления асинхронными двигателями (АЛ) с корогкозамккутш ротором.

Характерной особенностью существующих систем управления Сескодлекторными машинами переменного тока явлкется сложность схем силовой части. Необходимость применения трансформаторов, дросселей и емкостных накопителей, входящих в состав преобразователей частоты, приводит к ухудшению мадсогабаритных показателей и увеличению стоимости привода, снижает его надежность. В этой связи актуальной представляется разработка и исследование систем управления, 'имеющих более простые схемы.'силовых цепей.

Целью работы является исследование новых схем систем управления частотой вращения оесколлекториих мамин переменного тока в каскадной и одномашинной модификациях, не требующих трансформаторов, дросселей и емкостных накопителей в силмшх цепях.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены и эешени следующие основные задачи.

1. Разработка различных модификаций новых систем управле-шя частотой вращения бесколлекторних машин переменного тока, фиеотировашшх на ,серийные типы машин.

2. Получение математического описания разработанных систем I разливших режимах яри вращении с постоянной частотой.

3. Расчет на основе полученного математического описания 1лектроыеханических характеристик приводов, анализ их регулиро-¡очных возможностей.

4. Выбор оптимальных с точки прения использования малин арздетров режима питания.

б. Сопоставление на основе анализа энергетических показа-

гелей разработанных модификаций систем для разных типов сери» кых малин.

6. Техническая реализация и экспериментальное исследовали лабораторных макетов каскадного и одномашинного приводов дл случая питания от однофазной сети.

Методы исследования. При решении задач исследования . ис пользовались известные положения и соотношения из области тео рии электрических малшн, теоретической электротехники, теори дифференциальных уравнений и численных методов их решени промьалениой электроники, теории и техники автоматического уп равления. Достоверность теоретических исследований подтверзден данншк эксперимента.

Научная новизна.

1. Разработаны новые системы управления частотой вращени бескодлекторных машин переменного тока в каскадном и одномаашн ном вариантах. Новизна подтверждена положительным решением п заявке на выдачу патента Российской Федерации.

2. Выявлены режимы, отличакидеся состояниями проводимост силовых вентилей, и их чередование.

3. Получено математическое описание стационарных процессо в каскадном и одномашинном приводах, позволяющее рассчитат мгновенные я действующие значения токов в цепях обмоток, враца К7щий момент в зависимости от угла управления и частоты враще кия, энергетические показатели.

4. Для разработанных вариантов вентильного питания получе 1Ш выражения индукции в статорах асинхронны*- и синхронных маши

5. Получены простые приближенные выражения электромехани ческих характеристик и действующа аначе1шй токов, пригодны для оптимизации режимов питания машин.

6. Разработана методика выбора параметров питания, оСеспе чивавщих наибольший коэффициент использования машин при допус тимых токовых нагрузках и номинальной индукции.

Практическая ценность результатов.

1. Разработанные системы управлеш" имеют предельно прос туи схему силовой части, не требующую применения трансформато ров на полную мощность, дросселей и емкостных накопителей, чт улучшает массогвбаритше показатели и повышает надежность при вода, повволяют в широких пределах регулировать частоту враще ния, обеспечивают устойчивую работу на "ползучих" частотах вра

;ения.

2. Разработаны алгоритмы для определения мгновенных и ¡ействующих значений токов обмоток, расчета электромеханических характеристик и энергетических показателей систем. Алгоритмы >еалиаованы программно.

3. Сформулированные в диссертации рекомендации позволяют ¡ыбрать режим питания обмоток машин, обеспечивающей снятие наи-юльшей мощности.

4. Полученное математическое описание позволяет провести хэпоставлекие различных модификаций систем управления разными :ипами серийных машин и выбрать вариант, имеющий лучшие энерге-'ические показатели. .

Реализация результатов.

Полученные в диссертационной работе методики выбора режи-юв питания машин, расчета электромеханических характеристик и 1нергетических показателей используются в ОКБ "Меркурий" (г. !моленск) при проектировании опытного образца системы упрзвде-[ия асинхронным двигателем с фазным ротором, а также в учебном |роцессе на кафедре автоматики Смоленского филиала МЭИ.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и |бсувдались на XIX конференции "Информационные средства и тех-ологии" (Москва, 1993 г.), на заседании кафедры автоматам МЭИ ; ноября 1993 г.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы 3 печатных работах, получено 1 положительное решение на ыдачу патента Российской Федерации.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена а 207 страницах, из них 140 страниц основного текста, содер-иг 53 рисунка, 7 таблиц и состоит из введения, 5 глав, заклю-енин, списка литературы из 105 наименований и 5 приложений,

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной аботы, сформулирована ее цель, дана обшдя характеристика рабо-ы.

В первой главе проведен обзор схем силовых цепей, сущест-уюшдх систем управления ЧВ бесколлекторных машга переменного ока, нашедших применение на практике. Анализ литературных ио-

- б -

точников ло,1:агдаает, что в настоящее время наибольшее распространение получили три основных типа управляемых вентильных приводов: системы частотного управления АЛ с к-ороткозамкнутым ротором; ВД на базе синхронных мают; системы управления АД с фаакым ротором в каиидных схемах. Отмечена сложность схем их силовых цепей, в состав которых входят трансформаторы, дроссели и емкостные накопители. Кроме того, системы о частотным регулированием нуждаются в дополнительных мерах для обеспечения "ползучих" скоростей вращения. Как следствие - достаточно высокие стоимость и массогабаритные показатели привода. Приведены данные по некоторым отечественным и зарубежным серийным системам. Показано, что в ряде случаев на долю силовых реактивных элементов приходится около половины массы и габаритов всего преобразователя.

Во второй главе рассмотрены новые системы управления кас-кад:шм соединением бесколлекторных машин переменного тока, яе требукгдее'применения силовых трансформаторов, дросселей и.емкостных накопителей (рис. . 1). На данные системы управления получено положительное решение по заявке на выдачу патента рос- . сийсксй Сидерации.

Оси однофазных обмоток У: и V/?. двигателя М1 сдвинуты на к/2. Одноименные выводы трехфазных обмоток и МФ2 соединены через симисторы. Роторы двигателей жестко аакреплены между собой и сдвинуты таким образом, чтобы совпадали оси обмоток Уг и

Питание обмотки Щ осуществляется от управляемого выпрямителя (УВ), который выполнен по симметричной мостовой схеме.. Число плеч моста зависит от фазности сети. На рис. 1 представлен случай питания от однофазной сети, вариант исполнения УВ при питании от трехфазной сети приведен на рис. 2. Обмотки под-магничюзаиия Уз соединены последовательно и питаются постоянным током от источника выпрямленного напряжения.

Разработаны система управления каскадным соединением двух АД с фазным ротором, а без обмотки Уг - г риант привода на базе конструкций синхронных машин или силовых сельсинов. При управ-:• ¡'и-,; асинхронными двигателями в качестве обмотки Ух применяется встречно-последовательное соединение обмоток фаз "а" и "с", (л н качестве обмотки Уг - фага "Ь" статора первого АД; обмотка «V; Образуется встречно-последовательным соединением обмоток фаз

Рис. 1. Система управления каскадными двигателями.

VSk 1/56 I/52,

VSJ VS3 1/55

Рис. 2. Вариант исполнения УВ при питании от трехфазной сети.

"Ь", "а" и "о" статора второго АД. Роль трехфазных обмоток выполняют роторные обмотки.

Пуск и регулирование ЧВ привода осуществляется ва счет одновременного изменения фазы импухыюв управления, подаваемых на симиоторы и пару тиристоров одного плеча УВ. При однофазном питании УВ работает по двухтактному алгоритму, диапазон изменения угла управления V составляет в первом периоде т-я измене-

ния коммутируемого напряжения Чх на выходе УЗ и Л+Х*К/12+Х во втором периоде х. При трехфазном питании УВ работает по трехтактному алгоритму (х-2к/3), диапазоны изменения г составляют тс+гл/З, х+г*2к/з+т: и я+21-2к/3+гх соответственно в первом, втором и третьем периодах х.

Проведен анализ возможных путей ыатематичеосого описания исследуемых систем. Ввиду существенной несинусоадальности токов в обмотках .машин применение метода симметричных составляющих' нерационально вследствие необходимости учета большого количества гармоник. Вы5ран метод, основанный на численном решении систем дифференциальных уравнений.

Установлено, что при постоянной ЧВ имеют место различные режимы работы систем, связанные с изменением состояний проводимости силовьи вентилей. Найдены переменные состояния, пригодные для анализа всех режимов. Это потокосцепление VI обмотки VI и разности вида Уы-^кг (к-а,Ь,с), где " потокосцепления

соответствующих фаз трехфазных обмоток. Получены дифференциальные уравнения .обмоток машин,' разрешенные относительно первых производных от потокосцеилений.

Для режима 1, когда открыты все три симиотора, система дифференциальных уравнений имеет вид:

¿Фы-Ъ'^/Ш—гПа/ы , <КГы-Уь2)/с1иЬ—гПь/и , йУх/йиЬ-Сив^пиЬ-Г!!!.)/« ,

где

11 (У1,г/а1-^а2Л'ы-*»'ь2,в), 1а-ГаС1) (Ъг^Ль^.в),

1ЫГьш ^ы-Ч'ьгЛ 1,12,0), 1с-(1а+1ь), е-бМ+ЯрпОЛ-г)/«^

Для режима 2.Ь, соответствующего закрытому состоянию си-мистора УБ7 фазы "Ь" (1ь -0):

(1)

(2)

где

(Ч'ь <¥*1 -Уай)" , 12,9).

1в-ГвСг>((?в1-*а2)-(?с1-7сй).11. 12.Й). 1с-

Здесь обозначены: П. 1а. 1ь, 1с' тога! соответственно обмотки и фаз "а", "Ь" и

"С" ОбМОТОК ЫФ1И

¡2 - ток подмагничиваяия обмоток Уо и \!з\

Г1, г - активные сопротивления соответственно обмотки V/! и фазы трехфазных обмоток и У.уг;

Цда.ы - амплитуда и частота сетевого напряжения ис; т - угол управления;

8 - угол между осью обмотки V?! и фазы "ах" обмотки рп- число пар полюсов машин; й - частота вращения; ( - некоторые функции.

Дифференциальные уравнения релмма 2.а (1а-0) и 2.с (1с-0) аналогичны (3).

Уравнения получеш при общепринятых допущениях (магнитные системы машин линейны и симметричны, высшие гармоники магнитного поля отсутствуют, вентили ю».дт идеальные характеристики) и позволяют рассчитать мгновенные значения токов обмоток машин в различных режимах при вращении с постоянной частотой (О-сог^).

Вследствие наличия электромагнитных переходных процессов, звяаавных с переключением вентилей, электромагнитный момент зривода имеет пульсирующий характер с не ну лев™ средним значе-теем. Показано, что мгновенные значения электромагнитного мо-¿ента-тп связаны с токами обмоток соотношением:

т-рп СМ111 (1 1ьз1п (в-(1)+1 сз 1п (6+р) )■+

+(Мз+М2)12(1аС058+1ьСОз(в-р)+1сСОЗ(енр))3 , (б)

•де M1.M2.M3- амплитуды взаимоиндуктивностей между обмотками ¡оответственно W1.W2.W3 и фазой трехфазных обмоток МФ1,ИФ2 ;

> - гк/з.

Величина среднего за период х изменения подаваемого к об-

- 10 -

иотке Ух напряжения и1 момента составляет:

1 г+т'

т--] тпскЛ . (в)

X г

Показано, что для начальных условий

и-1а-1ь-1с-0, <Л-г, 0(г)-О, (7)

что соответствует закрытому состоянии вентилей, средний электромагнитный момент макет быть рассчитан по формуле:

й - — [ | тш<1иЬ+ | т<г)лл| , х 1- г «у ■>

(8)

где тС1) и - мгновенные значения момента соответственно в. режимах 1 и 2.Ь; Ф - границы режимов .

На основе полученных соотношений разработан и реализован программно алгоритм расчета электромагнитного момента в зависимости от частоты вращения и параметров режима питания (1)с,г, 1г)•

На рис. 3 приведено семейство электромеханических характеристик (ЭХ), построенное по этому алгоритму для системы управления каскадным соединением сельсинов типа НД-511. Рассмотрен вариант питания от однофазной сети (Кт-127 в, 12-0,76 А,х -«).

Вид семейства ЭХ рассматриваемых систем при т-Уаг сходен о видом семейства ЭХ двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением для различных сопротивлений цепи якоря. К достоинствам таких ЭХ относятся возможность регулирования ЧВ в широких пределах, начиная с нулевой; простота и плавность осуществления пуска; устойчивая работа на "ползучих" частотах вращения .

Получена зависимость ЧВ холостого хода от параметров режима питания:

М1Ищ31ПТ

Я*--, (9)

Рп (1-1+1-31) (Мг+Мз) 12

где 1.1,1-31- индуктивность и индуктивность рассеивания обмотки Щ. Анализ (9) показывает, что в исследуемых системах помимо основного канала (угол управления г) существует дополнительный канал, позволяющий регулировать 48. Это - ток подмагничивания 1г.

гго т ж Ш (20 80 40

О . 200 600 900 ШО то <500 ЪЮЗ '¿100 ЗОЮ

Рис. 3. Семейство электромеханических характеристик каскадного привода с сельсинами НД-511.

Как и в ¡ЕЦГГ, уменьшение тиса подмагничивания 1г в данном случае приводит к увеличению ЧВ теоретически при нулевом трении до бесконечности. С другой стороны, согласно (5) с уменьшением 1г падает развиваемый приводом момент. Поэтому варьированием 1г целесообразно производить регулирование ЧВ при постоянной мощности в диапазоне выше основного.

Приведенные соотношения найдены для случая использования ■ машин с неявнополюсным ротором (АД с фазным ротором). Показано, что для получения математического описания систем на базе машин с явнополюсным ротором (сельсины, синхронные генераторы) достаточно в уравнениях (2), (4), (5), (9) принять Мг-0 и произвести формально замену (31.+2Ь3) на (Ьа+Ьч), где Ь, Ь3 - индуктивность и индуктивность рассеивания фазы обмоток и 1^2; -

индуктивности статорных обмоток соответственно по продольной и поперечной осям.

Отметим также, что применяемые обозначения параметров обмоток соответствуют наиболее общему случаю конструктивного исполнения машин, представленному на рис. 1. При исследовании систем на базе серийных машин необходимо произвести пересчет параметров обмоток в соответствии со схемой их соединения.

Третья глава посвящена исследованию одномашинного варианта ■ предлагаемых систем управления (рис. 4). Отличие одномашинного варианта от каскадного привода заключается только в отсутствии двигателя М2.' Конструкции двигателей М1 и М совпадают. Варианты схем УВ, а также алгоритмы управления включением тиристоров УВ и симисторов VS7-V59 ".акде же как и в системе управления каскадными двигателями. Разработана система управления асинхронным двигателем с фазным ротором, реаливующаи данный способ регулирования ЧВ (рис. 5).

При вращении двигателя вследствие изменения проводящего состояния вентилей, -также имеют место различные режимы работы системы. Дифференциальные уравнения режимов получены при тех же допущениях, что были приняты при анализе каскадной схемы.

Для режима 1, соответствующего проводящему состоянию всех трех симисторов, система дифференциальных уравнений имеет вид:

d¥a/dot— ría/<j , d¥bAfot—rjfc/ы , (10)

dVi/dut-(lU4inut-rili)/u где •

11-У1С1)(*1,*а.!Ь.В). U-Va(1)(Y*. ii.12.0). 1 . ч

f (11)

ib-yb(1)№>,il,b¿,0), ic-(ia+ib). 0-8(r)+fiPn(«t-r)/«.J Для режима 2.b (1ь-0, VS9 закрыт):

d(Va-Vc)/dut— 2ria/w , ]

\ (12) /dut- (Umsiriutt- ri 11) /у , . 1

где

ll-y'l(e)m.(Wc),I2,0), 1 '

и-УА(г)((^а-Ус).11,1г,0), le-la. J

Здесь обозначены: ■

Vi, Ч'ь, *c " потокосцепления-обмоток;

ri, г активные сопротивления соответственно обмотки Wi и фазы обмотки Ыф (рис. 4);

8 - угол между осью обметки Wi и фазы "а" обмотки у - некоторые функции.

Для мгновенных значений электромагнитного момента получено

¿¿г

—

и

м' •Ч]

^а

Ьь

У 53

Рис. 4. Одномашинный вариант системы управления. С

статар

т

ротср

I

а

ис

• т

\/б9

Рис. Б. Схема системы удродлеиня асинхронным двигателем о (разным ротором.

- и -

выражение:

т-рпСМ111(1аз1п&Иьз1г1(в-р)+1сз1п(в+р))+ +М> 12 (1 асоз8+1 ьсоэ (в- р)+1 ссоз (в<-р)) Э .

(Н)

где М1, - амплитуды ьзаимоиндуктивностей между обмоткаии соответственно , Уг и фазой трехфазной обмотки \1Ф (рис. 4).

При расчете среднего момента могут быть использованы формулы (6) и (8). На рис. 6 приведено семейство электромеханических характеристик системы управления АД типа ШТ-ОП-б.

гп, Н-м = 2.Г=99' Ъ.У={08е 4. //Г 5.Х={гб" 6.Х*/35° -теории »эксперимент

о\ X ч!

чЗ4

1

О /г, е7/мин.

£

НОВ

т

ш т /ш то

рио. 6. Семейство электромеханических характеристик системы управления АД типа МТГ-ОИ-б.

Одномашинный вариант системы управления также имеет дополнительный канал регулирования частоты вращения - ток подмагни-чивания 1г. Показано, что ЧВ холостого хода определяется соотношением:

Пх-

М1ищ51пг

(1Б)

Рп (1*1+Ьв1 )Мй12

где индуктивность и индуктивность рассеивания обмотки V/!.

, - 15 -

Сравнение вида семейства ЭХ каскадного и одномашинного иа-рианта (рио. 3-й рис. 6), а также формул (9) и (15) показывает, что по своим регулировочным возможностям обе модификации однотипны. Учитывая, что наличие каскадного соединения двух двигат тслрй, в принципе, следует считать недостатком, одномашинный вариант представляется более перспективным.

В четвертой главе рассмотрены вопросы выбора режима питания и расчета энергетических показателей двигателей.

С целью повышения наглядности и уменьшения затрат на вычисления получены приближенные соотношения для среднего момента (т), электромагнитной мощности (Р) и- действующих значений токов (II. 1а) обмоток.

ш-

ГПп

Кх

(М*)2

£1ап

зяТ"

(5М2х)г.

Р-

Я*2

й(й-йх)г.

(16)

Приближенные соотношения представляют из себя уравнения аппроксимирующих парабол, проходящих через две точки: холостого хода (индекс "х") и пускового режима (индекс "п"). Погрешность аппроксимации точных кривых не превысила: для момента и тока 11 - 2,4 X, для тока 1а - 12 X,

В свою очередь показано, что для режимов пускового и холостого хода средний момент и действующие значения токов могут быть представлены как функции параметров режима питания . (ис. г,. 12 и т):

Нп-

II*-

цс

Цс \/гх

А1х(г)

«Лп-

це

]/гх Ык

т

Аап(Г)

А^г)

(1?)

Здесь А(г) - некоторые коэффициенты, рассчитываемые для каждой конкретной системы управления и заданного г по точному алгоритму, решением дифференциальных уравнений (1), (3) или (10), (12); ис - действующее значение напряжения сети.

- 16 -

В исследуемых системах используются нестандартные схемы включения электрических мзлшн. Поэтому необходимо выработать определенные рекомендации гю выбору параметров режима питания.

Для контроля индукции в статорах машин получены зависимости амплитуды индукции от параметров режима питания.

Подученные результаты позволяют выбрать оптимальные пара- ' - метры режима питания, обеспечивающие наибольший коэффициент использования машин при допустимых токовых нагрузках и номинальной индукции.

Показано, что максимальная мощность, достигаемая на частоте вращения пропорциональна 31пг и квадрату напряжения сети и не зависит от тока подмагничивания 1г. Последний при заданных ис и г определяет величину момента и частоту вращения холостого хода.

Предложена.следующая методика выбора параметров режима питания.

Д. Для данного типа машин выбираем Ис и 1г равными установленным для штатного включения значениям.

2. Задаемся г-Я/2, т-К при питании от однофазной 'сети и Г-21Г/3, Т-21Г/3 при питании от трехфазной сети.

3. Рассчитываем величину и.чдукции в статоре. Если она превышает номинальное значение более чем на несколько процентов, то уменьшаем 1г, либо переходим на меньшее 11с из стандартного ряда.

4. Определяем Ох и Для рассчитываем действую- . дие значения токов: Ь и 1а. •

5. Если рассчитанные И и 1а превышают допустимые по нагреву значения, то либо переходим на меньшую чем номинальная продолжительность включения (ИВ), либо при номинальной П8, увеличивая Я.', находим такое ее значение, при котором превышения

* нет.

6. В случае, если обеспечить таким образом допустимые по нагреву токовые нагрузки не удается, переходим на меньшее ис и. принимая 1г равным номинальному для данного типа машин значению, повторяем расчет с п. 3.

Для анализа энергетики систем выбраны три наиболее важных показателя. Это коэффициент использования, машин по мощности (Кр), к.п.д. (и) и коэффициент сдвига Кс. Коэффициент К0 опре- ' делен как отношение ,

кр-Р/Рн , (18)

где Р - максимальная мощность, которую можно получить при упт равлении от вентильных преобразователей по исследуемым схемам при номинальной для данного типа двигателя ПВ; Рн - номинальная мощность двигателя в штатном включении при номинальной ПВ (в случае каскадных приводов - суммарная номинальная мощюсть Деи-гателей).

К.п.д. и коэффициент сдвига определены, опираясь на общие методы расчета активной, реактивной и полной модности при управлении от вентильных преобразователей.

Пятая глава посвящена расчету характеристик и экспериментальному исследованию различных модификаций- разработанных систем управления для серийных машин.

Осуществлена сборка, наладка, проведены лабораторные испытания и экспериментальное исследование макетов каскадной и одномашинной модификаций приводов для случая питания от однофазной сети. Экспериментальное исследование включало в себя снятие семейства электромеханических характеристик и зависимостей действующих значений токов от частоты вращения.

Макет каскадного привода собран на базе сельсинов типа НД-511. Семейство электромеханических характеристик каскада приведено на рис.3 (ит - 1Е7 В, - 0,76 А). Одномашинный вариант испытан на асинхронном двигателе о фазным ротором типа (ЯГ-011-б. Семейство электромеханических характеристик привода представлено на рис. б (ит-311 в, ¡2- 4,2 А). Погрешность отличия экспериментальных точек от теоретических кривых не превысила для момента - 8 7., для действующих значений токов - 12 X. Таким образом, можно сделать вывод, что предложенное математическое описание позволяет с приемлемой технической точностью рассчитать характеристик исследуемых систем..

Проведены расчет и сопоставление энергетических показателей различных модификаций систем управления для разных типов серийных машин в режиме максимально возможной при номинальной ПВ мощности (см. содержание гл. 4). Результаты расчета сведены в таблицу 1.

Таблица 1. Расчетные значения параметров режима максимально возможной при номинальной Ш мснцности

Параметры Тип двигателя ис, В т, рад 12. А Я. рад/с Ш. Н М Р, кВт Кр

Каскадный привод

ЮТ-111-6 (ПЗ-25Х) 380 660 ТС,'2 2Я/3 9 9 21,6 32,5 11,1 11,1 0,24 0,36 0,029 0,044

4 АК-160 (ПЗ-100%) 380 660 ТГ/2 2Я/3 10 10 22,3 33,5 17,9 16,8 0,40 0,56 0,027 о,оза

ГА5-2 (ПВ-100%) 660 1200 Я/2 21Г/3 7 7 111 168 8,6 9,9 . 0,05 1,66 0.24 0,42

Одномашинный привод

ЮТ-111-6 (ПВ-252) 330 660 я/г 2Я/3 б 10 102 37.4 8,96 16,0 0,01 1,56 0,22 0,38

4 АК-160 (ГО-100%) 380 660 Я/2 2Й/3 0 12 91,1 104 23,2 32,5 2,57 3,38 0,34* 0,45

* Кс - 0,545; П - 78% ; Кс - 0,343; т» - 82%.

Анализ результатов расчета позволяет сделать следующие выводы.

Управление АД с фазным ротором по каскадной схеме нецелесообразно вследствие низких значений снимаемых мощностей. Приме- . нение конструкций синхронных машин связано с необходимость» перепроектирования однофазной обмотки первой машины в расчете на питание ее переменным током. Лучшие энергетические .показатели дает одномашинный вариант системы управления асинхронным двигателем, рассчитанным на непрерывный режим работы (ПВ-100%).

Показано, что энергетические показатели разработанных систем управления могут быть улучшены за счет оптимизации конструкций серийных машин и применения принудительной коммутации тиристоров УВ.

В целом вентильные двигатели или системы частотного управления асинхронным двигателем имеют более высокие энергетические показатели, чем исследуемые системы управления. Однако, меньшая стоимость и-габариты, простота и надежность разработанных сис- 1 тем могут сделать их применение экономически целесообразным.

- 19 - '

Области использования - исполнительный привод систем автоматики, например, следящих систем; автоматизированный электропривод механизмов, требующих непрерывного регулирования ЧВ в широких пределах. Благодаря возможности питания от однофазной сети данные схемы приводов могут найти применение на транспорте,

В заключении изложены основные результаты работы.

В приложениях приведены некоторые используемые при выводах тригонометрические соотнопеиия, алгоритмы расчета электромагнитного момента и действующих значений токов, технические данные и параметры обмоток электрически. машин, а тагасе документы, подтверждающие использование результатов диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработаны новые системы управления частотой вращения Оесколлекторных машин переменного тока в каскадной и одномашинной кодификациях, ориентированные на серийные типы мааин. Сис-.темы обеспечивают регулирование частоты вращения в широких пределах, устойчивую работу на "ползучих" скоростях вращения, имеют предельно простые схемы силовых цепей, не требующие применения трансформаторов, дросселей и емкостных 'накопителей, • что позволяет снизить массу и габариты силовых блоков, повысить надежность их работы. "' •

2. Выявлены режимы, отличающиеся состояниями проводимости силовых вентилей, и их чередование. Для различных режимов работы с постоянной частотой вращения получены в нормальной форме дифференциальные уравнения цепей обмоток. Разработаны алгоритмы расчета среднего электромагнитного момента, мгновенных и действующих значений токов, энергетических показателей.

3. Для разработанных вариантов вентильного питания получены выражения индукции в статорах асинхронных, и синхронных машин, Найдены простые и наглядные приближенные соотношения для электромеханических характеристик и действующих значений токов. Полученные результаты позволили разработать методику выбора параметров режима питания, обеспечивающих максимальное.использование машин при допустим« токовых нагрузках и номинальной индукции.

4. Проведены расчет и сопоставление энергетических показателей различных модификаций систем управления для разных типов

серийных машин. Показано, что лучшие энергетические показатели имеет система управления асинхронным двигателем с фазным ротором, рассчитанным на непрерывный режим работы.

5. Проведены испытание и экспериментальное исследование макетных образцов каскадной и одномашинной модификаций разработанных приводов, которые показали их работоспособность и хорошее совпадение результатов эксперимента и теоретических расчетов.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Фомченков В.П. Управляемые вентильные двигатели//Деп. в ВИНИТИ 30.09.91, N 3338-891.- 36 с.

2. Фомченков В.П. Определение параметров явнополюсной синхронной машины в составе управляемых вентильных двигателей// Тр. ин-та/ Смол. фил. Моск. знерг. ин-та.- 1992.- Вып. 2.-С. 201-204.

.3. Львов Е.Л., Фомченков В.П. Расчет электромеханических характеристик каскадного вентильного двигателя // XIX конференция "Информационные средства и технологии":- Тез. докл. - М.: МЭИ, 1993. - С. 119-120.

ПодиИСйуак печаш Л— // 11м I /¿У 1»!-.ж ЮО _

Тнпшрафйн МЭН. Красноказарменная. 13