автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Регулируемый асинхронный вентильный двигатель с автогенераторным инвертором напряжения

0034Э309 1

На правах рукописи

ХАЙРУЛЛИН ИЛЬГИЗ РАВИЛЕВИЧ

РЕГ УЛИРУЕ МЫЙ АС ИНХ РОННЬШ ВЕНТИЛЬНЫЙ ДВ ИГАТЕЛЬ С АВТОГЕНЕ FAT ОРНЫМ ИНВЕРТОРОМ НАПРЯЖЕНИЯ

Специальность 05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань, 2009

003493091

Диссертация выполнена в ГОУ ВПО «Казанский государственный технологический университет»

Ведущее предприятие: ООО «ПУ Казаньэлектрощит», г. Казань.

Защита состоится « » 2005 г. в 4Ч часов на

заседании диссертационногб-1 совета' Д 212.082.04 при Казанском государственном энергетическом университете по адресу: 420066, РТ, г. Казань, ул. Красносельская, д. 51, ауд. В-202.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения) направлять по адресу: 420066, г. Казань, ул. Красносельская, д. 51, Ученый Совет КГЭУ. Факс: (843) 5438624, 5184464.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет».

С авторефератом можно ознакомиться на сайте ГОУ ВПО КГЭУ - www.kgeu.ru.

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Макаров Валерий Геннадьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Афанасьев Анатолий Юрьевич

кандидат технических наук, доцент Мухаметгалеев Танир Хамитевич

Автореферат разослан

Ученый секретарь /

диссертационного совета Д 212.082.04 {/ IЛ'.В. Лопухова

кандидат педагогических наук, доцент ; ' Л |

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Характерной тенденцией современного этапа развития технологий является расширение применения регулируемых электроприводов переменного тока в различных устройствах специальной и бытовой техники. В качестве силовой основы таких электроприводов выступают .асинхронные двигатели (АД), а в структуре силовой части имеется звено постоянного тока в совокупности с автономным инвертором. Подобная структура электропривода получила название электромеханотронной системы (ЭмТС).

ЭМТС на базе двигателя переменного тока и самовозбуждающегося магнйтно-транзисторного инвертора напряжения (МТИН) получили название автогенераторных. К достоинствам МТИН следует отнести его экономичность в билу потребления реактивного тока, а также совмещение в одном устройстве функции силового инвертора и блока управления частотой. Такие инверторы устойчивы к воздействию магнитных полей и различным механическим нагрузкам.

Автогенераторные схемы управления трехфазных МТИН выполнялись на базе групповых и стержневых трансформаторов, однако наиболее перспективной является совмещенная конструкция, сочетающая в себе асинхронную электрическую машину с размещенными в пазах статора обмотками управления транзисторов инвертора. Такая конструкция получила название асинхронный вентильный двигатель (АВД).

Для систем электропривода малой мощности, особенно для электроприводов бытовой и специальной техники, актуальной является проблема снижения массо-габаритных показателей. Одним из способов решения данной проблемы является создание вентильных машин, имеющих совмещенную конструкцию.

Работа является продолжением исследований в области электромеханотронных систем с автогенераторным управлением, в течение ряда лет проводимых на кафедре электропривода и электротехники Казанского государственного технологического университета.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ - регулируемый асинхронный вентильный двигатель с автогенераторным инвертором напряжения.

ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ - проектирование, математическое моделирование, энергетические показатели асинхронного вентильного двигателя с учетом нелинейности магнитопровода.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ заключается в создании АВД с улучшенными механическими, энергетическими, экономическими,

технологическими показателями для работы в регулируемых электроприводах малой и средней мощности.

ЗАДАЧА НАУЧНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ - разработка схемотехнического решения, математической модели и исследование АВД.

В соответствии с поставленной задачей в работе рассматриваются следующие вопросы:

— разработка схемотехнического решения и конструкции АВД;

— анализ методов исследования автогенераторных ЭМТС;

— разработка математической модели АВД с учетом нелинейности магнитопровода;

— численное исследование процессов электромеханического преобразования энергии в АВД;

— проведение экспериментальных исследований.

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Комплексное

исследование АВД включает в себя качественный анализ с помощью аналитических методов, количественный анализ с помощью численных методов расчета на ЭВМ и эксперимент. В основу аналитических исследований положен математический аппарат теории ориентированных графов, математическая теория электрических машин, теория обобщенной электрической машины, теория электрических цепей, методы мгновенных значений, теории обыкновенных дифференциальных уравнений и матричной алгебре. Численные исследования, проведенные на ЭВМ в системе Turbo Pascal 7.0, базировались на известных методах вычислительной математики. Экспериментальные исследования проводились с использованием пакетаPowerGraçh 3.3 Professional.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ представлена следующими результатами:

— предложено новое схемо-техническое решение АВД;

— на основании теории ориентированных графов разработана математическая модель трехфазного обобщенного преобразователя электрической энергии, отличительной особенностью которой является введение переключающих функций, характеризующих состояние вентилей, непосредственно в топологические матрицы;

— с применением математического аппарата теории обобщенной машины разработана математическая модель АВД с учетом нелинейности магнитопровода, позволяющая исследовать процессы электромеханического преобразования энергии;

— проведено численное исследование процессов электромеханического преобразования энергии в разработанной схеме АВД, определены мгновенные, статические и динамические характеристики;

— проведен качественный и количественный анализ электромагнитных и электромеханических процессов в АВД;

— проведен сравнительный анализ результатов численного и экспериментального исследования.

ОБОСНОВАННОСТЬ И ДОСТОВЕРНОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ подтверждаются возможностью практической реализации предлагаемой схемы АВД. В основе математической модели ЭМТС лежит теория ориентированных графов, теория обобщенных функций, математическое описание АВД с учетом нелинейности магнитопровода, Компьютерное моделирование и исследование производилось с использованием современных численных методов. Установлено, что результаты моделирования

процессов электромеханического преобразования энергии соответствуют реальным процессам ъ АВД.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ состоет в следующем:

— разработана электрическая принципиальная схема и конструкция АВД, предназначенного для работы в регулируемом электроприводе малой и средней мощности;

— разработана методика проектирования АВД;

•—• созданы аналитические математические модели, предназначенные для качественного и количественного а палю а процессов преобразования энергии в АВД;

— для исследования процессов электромеханического преобразования энергии в АВД разработаны численные модели, реализованные в системе программирования Turbo Pascal 7.0;

— по результатам теоретических и экспериментальных исследований спроектированы, изготовлены и испытаны макетные образцы АВД мощностью 750Вт, проведен анализ технического уровня.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Основные результаты диссертационной работы использованы в

ОАО «Нижнекамскнефтехим» завод «Олигомеров», г.Нижнекамск при проектировании электроприводов запорной арматуры, электроприводов типа моггор-колесо и вентиляторов, а также в МПП «ЖКХ», г. Нижнекамск при проектировании и эксплуатации систем вентиляции технических боксов.

ОСНОВ H ЫЕ ПОЛ ОЖ ЕНИЯ, В ЫНОСИМ ЫЕ H А 3 АЩИ ТУ :

-— принципиальная схема и методика проектирования АВД;

— математическая модель АВД с учетом нелинейности магнитопровода;

— методика компьютерного исследования математической модели в системе программирования Turbo Pascal 7.0;

— статические и динамические характеристики АВД;

— результаты экспериментального исследования АВД.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты

диссертационной работы докладывались и обсуждались на V Международной научно-практической конференции

«Информационные технологии и математическое моделирование» (г. Анжеро-Судженск, 2006 г.), иг. XIX и XXI Всероссийской межвузовской научно-технической конференции

«Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и метода контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (г. Казань, 20Д7 г., 2009 г.), на V Международной (XVI Всероссийской) научно'й конференции (г. С.-Петербург, 2007 г.), на Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии» (г. Томск, 2007 г.), на Всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения» (г. Уфа, 2С08 г.), на I и 11 Всероссийской научно-технической конференции «Электротехнологии,

электропривод и электрооборудование предприятий» (г. Уфа, 2007 г., 2009 г.).

ЛИЧНОЕ УЧАСТИЕ АВТОРА заключалось в решении следующих задач:

— анализ возможных направлений совершенствования конструкций АВД;

— разработка математической модели АВД с учетом нелинейности магнитопровода;

— численная реализация разработанной математической модели;

— разработка принципиальной электрической схемы АВД;

— создание методики проектирования АВД;

— исследование статических и динамических характеристик АВД;

— проведение экспериментальных исследований.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 17 печатных

работ, из них 5 опубликованы в издании рекомендованном ВАК, получен патент РФ на изобретение № 2326491 от 10 июня 2008 года.

СТРУКТУРА И ОБЬЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка из 98 наименований. Общий объем диссертации 1/1 страница, из них 155 страниц машинописного текста, 2 приложения, 9 таблиц, 72 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВО ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность темы, определена цель, задачи исследования, изложены основные научные результаты, выносимые на защиту, практическая ценность работы, апробация и реализация результатов, определены ее структура, объем и содержание.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ диссертации «Постановка задачи исследования» проводится а нал] с состояния, перспектив'развития и методов исследования вентильных электрических машин с автогенераторными инверторами напряжения.

В течение ряда лет на кафедэе электропривода и электротехники КГТУ ведутся разработки двух- и трехфазных магнитно-транзисторных инверторов напряжения (МТИН). Для трехфазных электрических машин разработаны, испытаны и внедрены МТИН на групповом и трехстержневом трансформаторах. Идеи, заложенные в МТИН на трехстержневом трансформаторе, получили свое дальнейшее развитие в трехфазном асинхронном вентильном двигателе (АВД). Отличительной особенностью конструкции АВД является объединение полупроводникового преобразователя, цепей управления транзисторами и электрической машины.

На основании изложенного ставится задача разработки, исследования и практической реализации АВД, соответствующего следующим требованиям:

1) построение АВД на основе статора серийной асинхронной машины без изменения геометрии и обмоточных данных;

2) разработка такой схемы соединения обмоток управления АВД, применение которой приведет к тому, что магнитная система

б

статора будет входить в режим насыщения лишь кратковременно, исключая глубокое насыщение.

Проведенный анализ принципа действия АВД показывает, что при исследовании подобных систем необходимо рассматривать электромеханическую, магнитную и коммутационную системы в совокупности. В связи с этим для учета состояния силовых транзисторов предлагается использовать метод обобщенных функций, который применительно к задачам электротехники и электромеханики получил название метода переключающих (коммутационных) функций. Уравнения коммутационной системы АВД предполагается записать с помощью известных в теории графов матрично-топологических соотношений. Для учета нелинейности магнитопровода предлагается использовать методы сплайн аппро кс им ации. „

ВО В ТОГОЙ ГЛАВЕ «Математическая модель асинхронного вентильного двигателя» представлено математическое описание трехфазного идеального источника, неуправляемого выпрямителя, ЬС - фильтра, автономного инвертора напряжения и электрической машины с учетом нелинейности магнитопровода.

Для создания математической модели приведен анализ принцип действия АВД, схема которого приведена на рис. 1.

О

Рис. 1 - Принципиальная электрическая схема АВД

Обмотки фаз статора I соединены в звезду, их начала подключены к выходам А, В, С инвертора. К первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора Т1 приложена третья гармоника напряжения. В цепи этой обмотки протекает третья гармоника тока. Обмотки И, включены последовательно с вторичными обмотками II-IV вольтодобавочного трансформатора (ВТ), позволяют формировать управляющие напряжения транзисторов VTX-VT6 прямоугольной формы за счет введения третьей гармоники напряжения в цепи управления транзисторов. Таким образом, реализуется 180

градусный закон коммутации. В результате фазные напряжения будут иметь двухступенчатую форму с амплитудой первой ступени

и второй ступени - |С/"П.

Математическая модель статического преобразователя формируется на основании эквивалентной схемы трехфазного обобщенного преобразователя электрической энергии (рис. 2) для которой на рис. 3 построен структурный граф.

Матрица инцидентности структурного графа трехфазного обобщенного преобразователя электрической энергии может быть представлена в виде двух подматриц (/^[Л^]. Подматрица содержит коэффициенты инцидентности ветвей дерева, а подматрица ~ коэффициенты инцидентности хорд структурного графа.

о

О......Г

1

5

! I -1 -1 -1

! 1

1 1

: 1

1 Л........ 1

кк

-Ь2 /ь

й.

.........ь*

,----.).. .

I \ >ч

Ч--

Л..____

о\

6 ' А,

а] -л, в'

| С;

На основании известных в теории графов матрично-топологических соотношений записаны матрицы сечений и главных контуров. С использованием этих матриц записаны уравнения обобщенного преобразователя электрической энергии по первому и второму законам Кирхгофа [л][/] = 0, \в\и] = 0, а также по методу контурных токов.

к л

Н дз

/53

«з

"5

X6

««ф*«] "аФ К

• кг =С6 = Се|

• Р 'о Т

Рис. 2 - Эквивалентная схема трехфазного обобщенного преобразователя электрической энергии

8

С/

Рис. 3 - Структурный граф Рис. 4 - Пространственная модель

обобщенной машины

Анализ указанных уравнений позволяет записать выражения напряжений преобразователя через переключающие функции следующим образом:

(- Л, - А3 - й5 К' + (Л2 + }ц + к6 }и(1 и0 --------------------3-----------------'

(РЧ з - К/ + (- 2й2 -Л4+Л6 К

"«---------------------------з------------7;

^ = (- /ц + 2/73 - Л5 + (/г2 .

_ /г\ " /г3 + 2% )«о' + (/г2 + }Ч ~ Щ )!'д

Для записи трехфазного асинхронного двигателя с учетом нелинейности магнитопровода используется математический аппарат теории обобщенной машины. При этом преобразование координат к осям а, [5,0 обобщенной машины выполняем исходя из следующих принципов:

1) эффективное число витков фазы обмотки обобщенной машины равно эффективному числу витков фазы обмотки реальной машины;

2) результирующая МДС, создаваемая двухфазной обмоткой обобщенной машины должна быть равна результирующей МДС, создаваемой трехфазной обмоткой реальной машины;

3) ток нулевой последовательности обобщенной машины определяется как ток в нейтральном проводе реальной машины.

Подобный подход позволяет сохранить величину магнитного потока, приходящегося на один полюс. В процессе преобразования координат получены соотношения между величинами и параметрами трехфазного асинхронного двигателя и обобщенной электрической машины.

Пространственная модель обобщенной машины в осях а, 3 показана на рис. 4.

Для учета нелинейности магнитопровода будем считать., что амплитуда результирующей МДС связана с основным магнитным потоком нелинейной зависимостью - кривой намагничивания. Зависимость Ф = /(Б) задается выражением вида:

Ф = +сд/(р0)2 + а2 ,

гд е а, Ь, с, - эмпирические константы.

Таким образом, система обобщенной машины будет иметь вид:

г

Ща = +

¿Фр сЛ'1Р "из = Щ 'ф + и'э + - ^ ;

о = я212а + М>э ^ + ¿2« + и(и-эФр + 12а'2р )-■ (1)

с/Фр ¿/¿2В I \

О = /?2'2р + + ¿2с ~ " «КФа + ¿2с'2а

Мэ =Рп'и'э(Фа'1р —Фр'1а)> где м1а и Кф - напряжение фаз обмотки статора обобщенной машины; 11а, /¡р, ¡2а, г'2р - ток фаз обмотки статора и ротора

обобщенной машины; Л], ' ¿1а » ¿2а ~ активные сопротивления и индуктивности от потока рассеяния фаз обмоток статора и ротора обобщенной машины; М3, Мс - электромагнитный и статический момент обобщенной машины; и>э - эффективное число витков фазы обмотки обобщенной машины.

Соотношения между параметрами трехфазного асинхронного двигателя и обобщенной машины, полученные в ходе преобразования координат, приводятся в таблице 1.

Благодаря синусоидальному распределению скалярного магнитного потенциала и магнитной индукции вдоль воздушного зазора амплитуда результирующей МДС, скалярного магнитного потенциала и величина основного магнитного потока определяются равенствами:_______________

Ф= >/фа +фр ; Ф^Фа+Фр-Схема замещения магнитной цепи обобщенной электрической машины показана на рис. 5. В соответствии со схемой замещения

построена пространственная векторная диаграмма МДС и магнитных потоков на рис. 6.

Таблица 1 Соотношения параметров реальной асинхронной машиной и параметрами обобщенной машины___

Наименование параметров обобщенной машины Обозначение Соотношение с параметрами трехфазной машины

Параметры обмотки статора

Активное сопротивление фазы ~ - %

Индуктивность фазы от потока рассеяния = ¿1аа = 1 -2/

Индуктивность фазы = 1]а = 2 Ц = + Мт •>

Активное сопротивление фазы нулевой последовательности Я/о Щ о = 3 ^

Индуктивность фазы нулевой последовательности 1>!о / -1/ Но ~ ^

Параметры оЬмотки ротора

Активное сопротивление фазы Я2 = ^2 а = Л2р

Индуктивность фазы от потока рассеяния ¿2а = ¿2аа = ¿2|3сг I ~21 ь2в - 2 вг

Индуктивность фазы £2 = ^2а = ¿2Р 2 к = з^сг + Л/т

Активное сопротивление фазы нулевой последовательности К2о Л2<? = 3 Я/-

Индуктивность фазы нулевой последовательности Ьо Т ^2 о ~ 2 аг

По осям а, р (на один воздушный зазор) действуют МДС, первые гармоники которых имеют следующие амплитудные значения

ра = 2 ^т ('1а + '2а ) ^ ^ = \ И'5т ('ф + <2р)'

где - число витков фазы синусной обмотки статора или ротора обобщенной электрической машины.

«8%

ВС _ _ МП

ВС - векторный сумматор; МП - магнитопровод; - сопротивление воздушного зазора

фа ДБфа

Рис. 5 - Схема замещения магнитной Рис. 6 - Пространственная векторная цепи обобщенной машины диаграмма МДС и магнитных потоков

На основании анализа пространственной векторной диаграммы записаны уравнения компонент магнитного потока:

^ = (лс5йЛ;++^ I+ л х с д ' 2 I л а

(Лд-Ас)-

й7|п <11

2Р

Л л

(¿ф

Л 2 у д 2 \ Л Л )

«й1р (к л 2 ГлГ* Л

(2)

(3)

В уравнениях (2), (3) через Ас и Ад обозначены статическая и дифференциальная магнитные проводимости, приходящиеся на один

Ф »

воздушный зазор: Лс = —■; Лд = ~.

Выразим производные от токов из уравнений системы (1), получим

- -I ^

А

Ш

:1Р

Л

¿<2а = _

л ь2а

л-

2Р А

1

¿2а

1 Г ^Р

¿1с V ™

- Л2;2а - + ¿2а'2р)-

•И',

-И'.

сИ J

¿V

Л ,

(4)

(5)

(6) (7)

Совместное решение уравнений (2), (3), (4)-(7) позволяет определить производные магнитных потоков и токов фаз обобщенной машины. С использованием преобразования координат переходим к токам и напряжениям трехфазного АД.

ТРЕТЬЯ ГЛАВА «Проектирование, моделирование и исследование асинхронного вентильного двигателя» посвящена проектированию и компьютерному моделированию АВД, схема которого представлена на рис. 1.

На основании стандартной методики проектирования асинхронного двигателя разработана методика расчета АВД, особенности которой заключается в том, что коэффициент заполнения паза определяется с учетом обмоток управления, производится расчет частоты коммутации, а также расчет вольтодобавочного трансформатора.

Разработанная методика проектирования позволила установить, что применение схемы АВД, представленной на рис. 6, обеспечивает экономию меди на 18,2% по сравнению со схемой АВД, предложенной в патенте РФ на изобретение № 2147154.

Компьютерное моделирование электромагнитных и электромеханических процессов в АВД производилось по мгновенным значениям токов и напряжений. Результаты компьютерного моделирования показаны на рис.7 - рис. II.

О 0.033 0.1Ю О • 163 0.220

Рис. 7 - Кривая тока, потребляемого инвертором от выпрямителя при пуске АВД с номинальной нагрузкой

Рис. 8 - Кривыё фазного напряжения и тока статора АВД при пуске с номинальной нагрузкой

о о.оз5 о.гло 0.163 о.азо

Рис. 9 - Вбивая фазного тока ротора АВД при пуске с номинальной нагрузкой

Я2, об/мин Л*,,Нм

1250

юоо

750 500 250

;............{.„.'ш^ммЬетт/

О .220 I,с

Рис. 10 - Кривые электромагнитного момента и скорости ротора при пуске АВД с номинальной нагрузкой

п 2 > об/мяп

М„ Нм

Рис. 11 - Динамическая механическая характеристика АВД при пуске с номинальной нагрузкой

С помощью компьютерного моделирования был произведен расчет рабочих характеристик, которые представлены на рис. 12. Буквой с; обозначен коэффициент мощности АВД. На этом же рисунке представлены рабочие характеристики, расчет которых производился на основании разработанной методики проектирования. Следует отметить, что инженерная методика расчета .позволяет анализировать статические режимы работы АВД с учетом нелинейности магнитопровода. Разработанная компьютерная модель позволяет анализировать как динамические, так и статические режимы. Сопоставив представленные на рис. 12 результаты видим, что они достаточно близки.

4

3.5 3 25 /|, А 2 1.5 1

0.5 0

✓

---- .....

.

"2. . об/мин

1600 1400 1200 1000 Ри Вт 800 600 400 200 0

600 Р3. Вт

800 1000 1200

1000 900 800 700 .600 500 400 300 200 100 О

о.е.

200

400 600 800 1000 1200 Рг. Вт

✓

0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 02 0.1 О

200

400 600 800 Рь Вт 6

12 10 8

Мъ Мм 6 4 2 ■ О -

у

/

у

200 400

600 , Рг. Вт

/ г

/

1 1

1 X -ИГ

1. о.е.

800 1000 1200

1

0.9 0,8 0.7 0 6 0.5 0.4 0 3 0.2 0.1 О

200 400

600 800 Рг. Вт

1000 1200

У- —

}

Г-

:

:

200 400

600 Р2. Вт

800 1000 1200

- рабочие характеристики, полученные с помощью моделирования

---- расчетные рабочие характеристики

Рис. 12-Рабочиехарактеристики АВД

Таким образом, можно сделать вывод о приемлемой точности разработанной математической модели, её адекватности, корректности введенных допущений и возможности дальнейшего применения в научных исследованиях.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ «Экспериментальное исследование асинхронного вентильного двигателя» приводятся результаты экспериментального исследования и анализа технического уровня АВД, а также сведения о внедрении.

Объектом исследования является АВД мощностью 750 Вт выполненный по схеме на рис. 1. Трехфазный АВД выполнен на конструктивной основе двигателя АИР80А6УЗ.

Измерение и регистрация мгновенных значений токов, напряжений и частоты вращения ротора осуществлялось с использованием пакета PowerGraph 3.3 Professional. Измерение момента на валу АВД проводилось методом электромагнитного тормоза.

Осциллограммы фазного напряжения и тока приведены на рис. 13 и рис. 14. На осциллограммах, представленных на рис. 13 и рис. 14, приняты следующие масштабы: 200 В/см, 1,2 А/см и 5 мс/см. Осциллограмма напряжения и тока первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора приводятся на рис. 15 и рис. 16, соответственно. Для этих осциллограмм приняты следующие масштабы: 50 В/см, 0,5 А/см и 5 мс/см.

Рис. 13 - Осциллограмма фазного Рис. 14 - Осциллограмма фазного

Рис. 15 - Осциллограмма напряжения Рис. 16 - Осциллограмма тока первичной обмотки ВТ первичной обмотки ВТ

Расхождение результатов численного расчета и экспериментального исследования по мгновенным значениям токов составляет 4-6 %, а напряжений - 5-7 %.

Экспериментально 'установлено, что диапазон регулирования частоты вращения по закону U/f — const макетного образца АВД составил 1:3,8. Экспериментальные рабочие характеристики макетного образца АВД приведены на рис. 17.

14IX 1200 1000

l)j, об/мин 800 Р,.8Т 600

400 200 0

11

N

Ps ч "7

л

2.8 2.4 2

1<Ч А

1.2 Я- °-в-0.8 0.4

200

600

О 1000

400 600 Р3, Вт

Рис. 17 - Рабочие характеристики макетного образца АВД

Относительная погрешность по коэффициенту полезного действия составляет 4-6 %, по фазному току - 7-9 %, а по моменту и скорости вращения - 6-11 %.

Таким образом, сравнительный анализ результатов компьютерного моделирования и экспериментального исследования АВД показал высокую точность математической модели и корректность принятых допущений. Это позволяет сделать вывод о возможности практического применения разработанных методик проектирования и исследования АВД.

Представленные кривые подтверждают, что математическая модель АВД обладает высокой точностью.

Сравнительный анализ экспериментального и численного исследования рабочих характеристик АВД показал, что разработанная методика расчета интегральных характеристик обладает высокой точностью и может успешно применяться при анализе подобных систем. ,

В ходе экспериментальных исследований, значительное внимание уделялось исследованию влияния параметров ВТ „ на характер электромагнитных процессов. Установлено, что .синхронизация определяется третьей гармоникой тока, протекающего по первичной обмотке ВТ.

Проведенный анализ технического уровня разработанного АВД мощностью 750 Вт показывает, что он не уступает уровню серийных образцов асинхронных двигателей и двигателей постоянного тока, что подтверждает его конкурентоспособность.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ обобщены основные результаты работы.

В ПРИЛОЖЕНИИ приведены сведения о внедрении результатов работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Подводя итоги теоретических и экспериментальных исследований проведенных в данной работе, можно сделать следующие, выводы;

1) Разработана электрическая принципиальная схема- АВД защищенная патентом РФ на изобретение № 2326491.

2) Уравнения автономного инвертора записываются с помощью известных в теории графов матрично-топологических соотношений. При

этом коммутационные функции, учитывающие состояние силовых ключей, введены непосредственно в топологические матрицы. Это позволяет формализовать процесс записи уравнений автономного инвертора.

3)С использованием топологических матриц записано матричное уравнение преобразователя по методу контурных токов. Показано, что данное уравнение является универсальным и пригодно для описание электромагнитных процессов как в инверторе напряжения так и в инверторе тока при любом законе управления вентильными элементами.

4)С использованием математического аппарата теории обобщенной электрической машины в осях а, Р разработан подход к описанию электромеханического преобразователя энергии, позволяющий учесть нелинейность магнитопровода. Уравнения обобщенной электрической машины записываются при условиях равенства результирующих МДС, создаваемых двухфазной обмоткой обобщенной машины, и трехфазной обмоткой асинхронного двигателя, а также величины магнитного потока, приходящегося на один полюс.

5) Проведено компьютерное моделирование электромагнитных и электромеханических процессов в .АВД с учетом нелинейности магнитопровода в системе Turbo Pascal 7.0, получены кривые переходных и установившихся процессов, а также рабочие характеристики.

6)Разработана методика проектирования АВД, с использованием которой произведен конструктивный расчет. Результаты расчета показали, что предлагаемая схема АВД обеспечивает экономию меди на 18,2%.

7) Разработанная методика проектирования позволяет анализировать статические режимы работы АВД с учетом нелинейности магнитопровода, а разработанная компьютерная модель - как динамические, так и статические режимы. Сравнительный анализ рабочих характеристик, полученных в результате расчета по разработанной методике проектирования, а также с помощью компьютерной модели показал, что они достаточно близки.

8) Сравнительный анализ результатов компьютерного моделирования и экспериментального исследования макетного образца АВД мощностью 750 Вт показывает, что отклонения по мгновенным значениям токов составляют 4-6 %, по мгновенным значениям напряжений - 5-7 %. Анализ рабочих характеристик показал, что относительная погрешность по коэффициенту полезного действия составляет 4-6 %, по фазному току - 7-9 %, а по моменту и скорости вращения - 6-11 %. Таким образом, сравнительный анализ показал высокую точность математической модели и корректность принятых допущений.

РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Пат. 2326491 Российская Федерация, МПК Н02Р 27/06, И02М 5/275, Н02М 7/53. Вентильная машина переменного тока [Текст] / Хайруллин И.Р., Макаров В.Г., Кропачев Г.Ф.: заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Казанский государственный технологический университет». - № 2007104878/09; заявл. 31.01.2007; опубл. 10.06.2008, Бюл. № 16. - 8 е.: ил.

2. Хайруллин И.Р., Макаров В.Г., Кропачев Г.Ф. Математическая модель электромеханотронной системы с автогенераторным управлением на базе трехфазного синхронного двигателя [Текст] // Известия высших учебных заведений Проблемы энергетики. Казань, КГЭУ, 2007, № 3-4. - С. 83-93.

3. Хайруллин И.Р., Макаров В.Г., ; Кропачев Г.Ф. Электромеханотронная система с высокоскоростным асинхронным двигателем [Текст] // Известия высших учебных заведений Проблемы энергетики. Казань, КГЭУ , 2007, № 5-6.- С. 78-87.

4. Хайруллин И.Р., Макаров В.Г., Кропачев Г.Ф., Атшохин С.С. Анализ состояния и перспективы развития электромеханотронных систем с автогенераторным управлением [Текст] Н Известия высших учебных заведений Проблемы энергетики. Казань, КГЭУ, 2007, № 7-8.-С. 87-99.

5. Хайруллин И.Р., Макаров В.Г., Кропачев Г.Ф., Толмачева A.B. Электромашинно-вентильная система на базе вентильной машины переменного тока [Текст] // Известия высших учебных заведений Проблемы энергетики. Казань, КГЭУ, 2009, JV° 1-2. - С. 77-85.

6. Хайруллин И.Р., Макаров В.Г., Кропачев Г.Ф. Математическая модель трехфазного обобщенного преобразователя электрической энергии, как компонента электрической цепи [Текст] // Известия высших учебных заведений Проблемы энергетики. Казань, КГЭУ, 2009,№3-4. -С. 111-124.

7. Хайруллин И.Р., Макаров В.]"., Кропачев Г.Ф. Моделирование электромагнитных процессов в электромеханических системах с помощью теории графов [Текст] // Информационные технологии и математическое моделирование (ИТММ-2006): Материалы V Международной научно-практической конференции. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2006. Ч. 2. - С. 32-34.

8. Хайруллин И.Р., Макаров В.Г., Кропачев Г.Ф. Трехфазная асинхронная вентильная машина [Текст] // Электромеханические преобразователи энергии: Материалы междунар. науч.-техн. конф. Томск, ТПУ, 2007. С. 30-33.

9. Хайруллин И.Р., Макаров В Г., Цвенгер И.Г., Шаряпов A.M. Электромашинновентильная система с высокоскоростным асинхронным двигателем [Текст] // Электромеханические преобразователи энергии: Материалы междунар. науч.-гехн. конф. Томск, ТПУ, 2007. С. 244-247.

10. Хайруллин И.Р., Макаров В.Г'. Анализ состояния и перспектива развития электромеханотронных систем с автогенераторным управлением [Текст] // Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий: Сб. материалов XIX Всерос. межвуз. научи.-техн. конференции. В 2-х ч. Ч. 1. Казань: Изд-во «Отечество», 2007. - С. 3840.

11. Хайруллин И.Р., Макаров В.Г., Цвенгер И.Г., Шарягюв A.M. Моделирование разомкнутых систем электропривода переменного тока [Текст] // Сб. материалов V Междунар. (XVI Всероссийской) научн. конф. С.-Петербург, 2007. С. 190-191.

12. Хайруллин И.Р., Макаров В.Г., Атшохин С.С. Электромеханотронные системы с автогенераторным управлением

[Текст] // Мавлютовские чтения: Всерос. молодежная научн. конф.: Сб. трудов. В 5-и т. Т.2. - Уфа: изд-во УГАТУ, 2008. - С. 10-11,

13. Хайруллин И.Р., Макаров В.Г., Кропачев Г.Ф. Вентильная машина переменного тока [Текст] // Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий: Сб. научн. трудов Всерос. научн.-техн. конф. В 2-х т. Т.1 - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2007. С. 197-204.

14. Хайруллин И.Р., Макаров В.Г., Кропачев Г.Ф. Преобразователь электрической энергии как компонента электрической цепи [Текст] // Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий: Сб. научн. трудов Всерос. научн.-техн. конф. В 2-х т. Т.1 -Уфа: Изд-во УГНТУ, 2007. С. 204-211.

15. Хайруллин И.Р., Макаров В.Г., Кропачев Г.Ф. Анализ суюсобов задания кривых намагничивания сталей [Текст] // Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий: Сб. научн. трудов Всерос, научн.-техн. конф. В 2-х т. Т.1 - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2007. С. 211-218.

16. Хайруллин И.Р., Макаров В.Г., Толмачева A.B. Вентильная машина с третьей гармоникой тока [Текст] // Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий: Сб. научн. трудов J] Всерос. научн.-техн. конф. В 2-х т. Т.1 - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2009. -С. 104-110.

17. Хайруллин И.Р. Вентильная машина с третьей гармоникой тока [Текст] // Электромеханические й внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий: Сборник материалов XXI Всероссийской межвузовской научно-технической конференции. 4.1. Казань: Изд-во «Отечество», 2009. -С. 60-61.

За каз_423_____________Х.!!раж_100_ экз.

Издательство Казанского государственног о технологического университета

Офсетная лаборатория Казанского государственного технологического университета

420015, г. Казань, ул. К.Маркса, 68

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Анализ состояния и перспективы развития.

1.2 Методы исследования автогенераторных электромеханотронных систем.

1.3 Выводы.

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

АСИНХРОННОГО ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ.

2.1 Описание схемы и принцип действия асинхронного вентильного двигателя.

2.2 Математическое представление выпрямителя.

2.3 Математическое описание LC — фильтра.

2.4 Математическое описание фильтра со средней точкой.

2.5 Математическая модель обобщенного преобразователя электрической энергии.

2.6 Математическая модель трехфазного асинхронного двигателя в фазных осях без учета нелинейности магнитопровода.

2.7 Применение теории обобщенной электрической машины для трехфазного асинхронного двигателя без учета насыщения магнитопровода и потерь в стали.

2.8 Математическая модель обобщенной электрической машины с учетом насыщения магнитопровода.

2.9 Выводы.

ГЛАВА 3 ПРОЕКТИРОВАНИЕ, МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ АСИНХРОННОГО ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ.

3.1 Особенности методики проектирования. Результаты проектирования. Сравнительный анализ.

3.2 Результаты моделирования переходных и установившихся процессов асинхронного вентильного двигателя.

3.3 Выводы.

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

АСИНХРОННОГО ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ.

4.1 Результаты экспериментального исследования асинхронной вентильной машины.

4.2 Анализ сходимости результатов компьютерного моделирования и экспериментального исследования.

4.3 Влияние вольтодобавочного трансформатора на работу асинхронного вентильного двигателя.

4.4 Анализ технического уровня асинхронного вентильного двигателя.

4.5 Выводы.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Характерной тенденцией современного этапа развития технологий является расширение применения регулируемых электроприводов переменного тока в различных устройствах специальной и бытовой техники. В качестве силовой основы таких электроприводов выступают асинхронные двигатели (АД), а в структуре силовой части имеется звено постоянного тока. Подобная структура электропривода -получила название электромеханотронной системы (ЭМТС). Она сочетает в себе высокие регулировочные характеристики приводов постоянного тока и хорошие эксплуатационные свойства машин переменного тока.

ЭМТС на базе двигателя переменного тока и самовозбуждающегося магнитно-транзисторного инвертора напряжения (МТИН) получили название автогенераторных. К достоинствам МТИН следует отнести его экономичность в силу потребления реактивного тока, а также совмещение в одном устройстве функции силового инвертора и блока управления частотой. Такие инверторы устойчивы к воздействию магнитных полей и различным механическим нагрузкам.

Автогенераторные схемы управления трехфазных МТИН выполнялись на базе групповых и стержневых трансформаторов, однако наиболее перспективной является совмещенная конструкция, сочетающая в себе асинхронную электрическую машину и размещенными в пазах статора обмотками управления транзисторов инвертора. Такая конструкция получила название асинхронный вентильный двигатель (АВД).

Для систем электропривода малой мощности, особенно для электроприводов бытовой и специальной техники, актуальной - является проблема снижения массо-габаритных показателей. Одним из способов решения данной проблемы является создание вентильных машин, имеющих совмещенную конструкцию.

Работа является продолжением исследований в области электромеханотронных систем с автогенераторным управлением, в течение ряда лет проводимых на кафедре электропривода и электротехники Казанского государственного технологического университета.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ - регулируемый асинхронный вентильный двигатель с автогенераторным инвертором напряжения.

ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ - проектирование, математическое моделирование, энергетические показатели асинхронного вентильного двигателя с учетом нелинейности магнитопровода.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ заключается в создании АВД с улучшенными механическими, энергетическими, экономическими, технологическими показателями для работы в регулируемых электроприводах малой и средней мощности.

ЗАДАЧА НАУЧНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ - разработка схемотехнического решения, математической модели и исследование АВД.

В соответствии с поставленной задачей в работе рассматриваются следующие вопросы: ' разработка схемо-технического решения и конструкции АВД; анализ методов исследования автогенераторных ЭМТС; разработка математической модели АВД с учетом нелинейности магнитопровода; численное исследование процессов электромеханического преобразования энергии в АВД; проведение экспериментальных исследований.

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Комплексное исследование АВД включает в себя качественный анализ с помощью аналитических методов, количественный анализ с помощью численных методов расчета на ЭВМ и эксперимент. В основу аналитических исследований положен математический аппарат теории ориентированных графов, математическая теория электрических машин, теория обобщенной электрической машины, теория электрических цепей, методы мгновенных значений, теории обыкновенных дифференциальных уравнений и матричной алгебре. Численные исследования, проведенные на ЭВМ в системе Turbo Pascal 7.0, базировались на известных методах вычислительной математики. Экспериментальные исследования проводились с использованием пакета PowerGraph 3.3 Professional.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ представлена следующими результатами: предложено новое схемо-техническое решение АВД; на основании теории ориентированных графов разработана математическая модель трехфазного обобщенного преобразователя электрической энергии, отличительной особенностью которой является введение переключающих функций, характеризующих состояние вентилей, непосредственно в топологические матрицы; с применением математического аппарата теории обобщенной машины разработана математическая модель АВД с учетом нелинейности магнитопровода, позволяющая исследовать процессы электромеханического преобразования энергии; проведено численное исследование процессов электромеханического преобразования энергии в разработанной схеме АВД, определены мгновенные, статические и динамические характеристики; проведен качественный и количественный анализ электромагнитных и электромеханических процессов в АВД; проведен сравнительный анализ результатов численного и экспериментального исследования.

ОБОСНОВАННОСТЬ И ДОСТОВЕРНОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ подтверждаются возможностью практической реализации предлагаемой схемы АВД. В основе математической модели ЭМТС лежит теория ориентированных графов, теория обобщенных функций, математическое описание АВД с учетом нелинейности магнитопровода. Компьютерное моделирование и исследование производилось с использованием современных численных методов. Установлено, что результаты моделирования процессов электромеханического преобразования энергии соответствуют реальным процессам в АВД.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ состоит в следующем: разработана электрическая принципиальная схема и конструкция АВД, предназначенного для работы в регулируемом электроприводе малой и средней мощности; разработана методика проектирования АВД; созданы аналитические математические модели, предназначенные для качественного и количественного анализа процессов преобразования энергии в АВД; для исследования процессов электромеханического преобразования энергии в АВД разработаны численные модели, реализованные в системе программирования Turbo Pascal 7.0; по результатам теоретических и экспериментальных исследований спроектированы, изготовлены и испытаны макетные образцы АВД мощностью 750 Вт, проведен анализ технического уровня.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Основные результаты диссертационной работы использованы в ОАО «Нижнекамскнефтехим» завод «Олигомеров», г. Нижнекамск при проектировании электроприводов запорной арматуры, электроприводов типа мотор-колесо и вентиляторов, а также в МПП «ЖКХ», г. Нижнекамск при проектировании и эксплуатации систем вентиляции технических боксов.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ: принципиальная схема и методика проектирования АВД; математическая модель АВД с учетом нелинейности магнитопровода; методика компьютерного исследования математической модели в системе программирования Turbo Pascal 7.0; статические и динамические характеристики АВД; результаты экспериментального исследования АВД.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на V Международной научно-практической конференции «Информационные технологии и математическое моделирование» (г. Анжеро-Судженск: КГУ, ТГУ, филиал КГУ, 2006 г.), на XIX и XXI Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (г. Казань: КВАКУ, 2007 г., КВВКУ, 2009 г.), на V Международной (XVI Всероссийской) научной конференции (г. С.-Петербург, 2007 г.), на Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии» (г. Томск: ТПУ, 2007 г.), на Всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения» (г. Уфа: УГАТУ, 2008 г.), на I и II Всероссийской научно-технической конференции «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий» (г. Уфа: УГНТУ, 2007 г., 2009 г.).

ПУБЛШ<АЦИИ. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, из них 5 опубликованы в издании рекомендованном ВАК, получен патент РФ на изобретение № 2326491 от 10 июня 2008 года.

СТРУКТУРА И ОБЬЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка из 98 наименований. Общий объем диссертации 171 страница, из них 155 страниц машинописного текста, 2 приложения, 9 таблиц, 72 рисунка.

4.5 Выводы

1) Проведены экспериментальные исследования макетных образцов АВД выполненных на конструктивной основе асинхронного двигателя АИР80А6УЗ. Характер полученных экспериментальных мгновенных характеристик АВД подтверждает выводы качественного анализа и численного моделирования на ЭВМ. При этом отличие между -экспериментальными мгновенными характеристиками АВД и расчетными составляет 3-6 %. Сопоставление результатов сравнительного анализа экспериментального и теоретического исследований свидетельствует о приемлемой для научных исследований точности разработанных -математических моделей. Интегральные характеристики АВД, полученные экспериментальным путем, отличаются от расчетных не более чем на 5-11 %. Экспериментально установлено, что макетные образцы АВД имеют диапазон регулирования 1:3,8.

2) Экспериментальные исследования показали, что введение ВТ в схему АВД позволяет устранить следующие недостатки: отсутствие синхронизации при пуске АВД и произвольная последовательность чередования фаз.

3) Проведено исследование влияния частоты переключения ВТ на характер электромагнитных процессов. Установлено, что синхронизация осуществляется на третьей гармонике тока, протекающей по первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора. Устойчивая синхронизация наблюдается при отклонении от частоты третьей гармоники на ±10 %. Большие отклонения от частоты третьей гармоники приводят к срыву синхронизации.

4) Разработана конструкция и изготовлены макетные образцы АВД мощностью 750 Вт, предназначенные для работы в регулируемом электроприводе малой мощности. Экспериментальное исследование макетных образцов АВД подтвердило их работоспособность, что свидетельствует о правильном выборе инженерных методик проектирования, корректности расчетов и справедливости выводов качественного анализа.

5) На основании проведенного анализа можно сделать вывод о том, что технический уровень разработанного АВД мощностью 750 Вт не уступает уровню серийных образцов асинхронных двигателей и двигателей постоянного тока, что подтверждает его конкурентоспособность.

150

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подводя итоги теоретических и экспериментальных исследований проведенных в данной работе, можно сделать следующие выводы:

1) Проведенный анализ электромагнитных процессов в МТИН показывает, что автогенераторная ЭМТС является нелинейной системой. Нелинейность обусловлена вольт-амперными характеристиками транзисторов, диодов, и электромагнитными характеристиками АД.

2) Из рассмотренной совокупности методов аналитического исследования выбран метод, основанный на теории ориентированных графов, а именно на выявлении матрично-топологических соотношений, позволяющих формализовать процесс записи уравнений электрического состояния.

3) С использованием математического аппарата теории графов разработана математическая модель инвертора, отличительной особенностью которой является введение переключающих функций, описывающих состояние вентильных элементов, непосредственно в топологические матрицы. Выявление матрично-топологических соотношений позволило на основании матрицы инцидентности записать матрицы сечений и главных контуров, а также уравнения преобразователя по первому и второму законам Кирхгофа и методу контурных токов.

4) При анализе электромагнитных процессов в АД и процессов коммутации в МТИН были выбраны методы диакоптики и теории графов, с помощью которых достаточно быстро и наглядно можно получить результаты исследования.

5) На основании проведенного анализа способов аппроксимации кривой намагничивания наиболее подходящим для цепей данного исследования считаем метод кубической сплайн аппроксимации.

6) Разработаны математические модели выпрямителя, фильтра и инвертора с использованием которых получена математическая модель силовой части ЭМТС.

7) Полученное матричное уравнение преобразователя по методу контурных токов является универсальным, поскольку позволяет анализировать электромагнитные процессы, как в инверторе напряжения, так и в инверторе тока. При этом наличие или отсутствие нейтрального провода не накладывает никаких ограничений на применимость уравнения. Кроме того, -матричное уравнение преобразователя может быть использовано при любом законе управления вентильными элементами, например, такими, как 120 или 180-градусный законы коммутации, а также при широтно-импульсном регулировании или широтно-импульсной модуляции.

8) Особенностью инженерной методики расчета АВД является то0 что изменен расчет коэффициента заполнения паза АД с учетом обмоток управления. Предложены формулы расчета частоты МТИН, напряжений управления транзисторов и вольтодобавочного трансформатора.

9) Произведен расчет массы меди, необходимой для изготовления двигателей различными типами обмоток. Результаты расчета свидетельствуют-об экономии 18,2% меди при изготовлении двигателя с обмоткой статора по схеме звезда, чем при изготовлении двигателя, обмотка статора которого разделена на две полуобмотки. Очевидно, что это повлияет на снижение таких показателей как, масса и стоимость. Кроме того, упрощается конструкция.

10) Расчет абсолютных и относительных отклонений рабочих характеристик АВД с обмоткой статора, разделенного на две полуобмотки и АВД с обмоткой статора по схеме звезда показал, что в номинальном режиме двигатель с обмоткой статора по схеме звезда имеет более высокие показатели по следующим параметрам: коэффициент полезного действия rj на 1,86 %; скорость п2 на 0>52 %; при этом снизились следующие показатели: ток 1\ на 1,05%; коэффициент мощности cos(p на 0,84 %; мощность Pj на 1,89%; момент М2 на 0,523 %.

С помощью компьютерного моделирования проведено исследование влияния степени насыщения магнитопровода АВД на форму кривой фазного тока при номинальном моменте на валу. Степень насыщения определялась тремя характерными положениями рабочей точки на кривой намагничивания: до колена, на колене и за коленом. Исследование показало, что при увеличении глубины насыщения пики на кривой фазного тока становятся более выраженными, что ведет к увеличению реактивной составляющей фазного тока статора и, как следствие, к снижению энергетических показателей АВД.

11) Характер полученных -экспериментальных мгновенных характеристик АВД подтверждает выводы качественного анализа и численного моделирования на ЭВМ. При этом отличие между экспериментальными мгновенными характеристиками АВД и расчетными составляет 3-6 %. Сопоставление результатов сравнительного анализа экспериментального и теоретического исследований свидетельствует о достаточной точности предложенных аналитических и численных математических моделей. Интегральные характеристики АВД, полученные экспериментальным путем, отличаются от расчетных на 5-11 %.

12) Экспериментальные исследования показали, что введение ВТ в схему АВД позволяет устранить следующие недостатки: а) отсутствие синхронизации при пуске АВД; б) произвольная последовательность чередования фаз.

13) Проведено исследование влияния частоты переключения ВТ на характер электромагнитных процессов. Установлено, что синхронизация осуществляется на третьей гармонике тока, протекающая по первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора. Устойчивая синхронизация наблюдается при отклонении от частоты третьей гармоники на ±10 %. Большие отклонения от частоты третьей гармоники приводят к срыву синхронизации.

14) Разработана конструкция и изготовлены макетные образцы АВД мощностью 750 Вт, предназначенные для работы в регулируемом электроприводе малой мощности. Экспериментальное исследование макетных образцов АВД свидетельствует о правильном выборе принципа конструктивного выполнения системы управления преобразователя частоты, выполненной с использованием магнитной системы статора АД.

15) На основании проведенного анализа можно сделать вывод о том, что технический уровень разработанного АВД мощностью 750 Вт не уступает уровню серийных образцов асинхронных двигателей и двигателей постоянного тока, что подтверждает его конкурентноспособность.

1. Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. / B.C. Моин, B.C. Лаптев. -М.: Энергия, 1972. 512 с.

2. Ильинский Н.Ф. Транзисторно-магнитные преобразователи непрерывного сигнала в последовательность импульсов. / Н.Ф. Ильинский, В.В. Михайлов. -М.: Энергия, 1966. 168 с.

3. Источники питания на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет. / Под ред. С.Д. Додика, Е.И. Гальперина. М.: Советское радио, 1969. -448 с.

4. Коссов О.А. Усилители мощности на транзисторах в режиме переключений. 2 изд., доп. и перераб. - М.: Энергия, 1971. - 432 с.

5. А.С. 2088037 РФ. Преобразователь постоянного напряжения / Л.Я. Зиннер, Р.Я. Гайнутдинов, В.В. Дорохин, С.Н. Катков, Н.Ф. Миляшов, А.И. Музафаров, В.Н. Тарасов, A.M. Шаряпов. №23; опубл. Б.И., 1997.

6. А.С. 1127060 СССР. Преобразователь постоянного напряжения / P.P. Валиуллин, Л.Я. Зиннер, Г.Ф. Кропачев, Н.Ф. Миляшов, В.Н. Тарасов, А.С. Чемерчев. №44; опубл. Б. И., 1984.

7. Макаров В.Г. Влияние третьих гармоник напряжения, тока и магнитного потока на электромагнитные процессы в автогенераторных электромеханотронных системах: Дис. . канд. тех. наук. 05.09.03. Защищена 24.12.98; Утв. 8.07.99; - Казань, 1998. - 212 с.

8. Газизов P.M. Электромеханическая система с асинхронным вентильным двигателем: Дис. . канд. тех. наук. 05.09.03. Защищена 28.06.00; Утв. 15.03.01; - Казань, 2000. - 201 с.

9. Патент № 2147154 (РФ), М.Кл. 7 Н 02 К 29/00. Вентильная машина переменного тока. // Газизов P.M., Зиннер Л.Я., Кропачев Г.Ф., Макаров В.Г., Толмачева А.В. Опубл. Б.И. 2000, № 9.

10. Шмитц Л., Новотный Д. Введение в электромеханику. М.: Энергия, 1969.-336 с.

11. Сили С. Электромеханическое преобразование энергии. М.: Энергия, 1968.-376 с.

12. Фильц Р.В. Математические основы теории электромеханических преобразователей. Киев: Наукова думка, 1979. - 208 с.

13. Бессонов JI.A. Теоретические основы, электротехники. Электрические цепи. М.: Высшая школа, 1978. - 528 с.

14. Архангельский Б.И. Аналитическое выражение кривой намагничивания электрических машин. // Электричество, 1950. № 3. С. 30-32.

15. Оганян Р.В. Аппроксимация кривой намагничивания стали квадратичной функцией. // Электричество, 1998. № 4. С. 70-73.

16. Кузовлева Ф.Я., Пеккер И.И. Аппроксимация кривых намагничивания при расчетах на ЭЦВМ. // Известия вузов. Электромеханика, 1965. № 6. С. 611— 614.

17. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. — М.: Наука, 1987.-600 с.

18. Фильц Р.В. Аппроксимация характеристик намагничивания сплайнами.// Известия вузов. Энергетика, 1977. №11.

19. Розенфельд А.С, Яхинсон В.И. Переходные процессы и обобщенные функции М.: Наука, 1966. - 400 с.

20. Тафт В.А. Спектральные методы расчета нестационарных цепей и систем.- М.: Энергия, 1978. 272 с.

21. Овчинников И.В. Теория вентильных электродвигателей.- JL: Наука, 1985.- 160 с.

22. Глазенко Т.А., Хрисанов В.И. Полупроводниковые системы импульсного асинхронного электропривода малой мощности. — Л.: Энергоатомиздат, 1983. 176 с.

23. Копылов И.П., Фрумин В.Л. Электромеханическое преобразование энергии в вентильных двигателях. М.: Энергия, 1986. - 400 с.

24. Сабинин Ю.А., Кулешов В.И., Шмырева М.М. Автономные дискретные электроприводы с силовыми шаговыми двигателями. Л.: Энергия, 1980.- 156 с.

25. Лутидзе Ш.И. Расчет электрических машин с управляемым полупроводниковым коммутатором. Известия вузов. Электромеханика, 1973, N 3. С. 26-30.

26. Локтева И.П. Расчет переходных процессов в асинхронных электроприводах с тиристорными коммутаторами в цепях ротора методом конечных разностей. Электротехническая промышленность. Электропривод, 1971. Вып. 7. С. 23-26.

27. Аранчий Г.Ф., Жемерев Г.Г., „ Эпштейн ИИ. Тиристорные преобразователи частоты для регулируемых электроприводов М.: Энергия, 1983.- 128 с.

28. Долинина О.Ф., Кропачев Г.Ф. Математическая модель машинно-полупроводниковой системы. В сб.: Специальные электрические машины. — Куйбышев: КПтИ, 1983. С. 53-62.

29. Кеч В., Теодореску П. Введение в теорию обобщенных функции с приложениями в технике: Пер. с румынского М.: Мир, 1978. - 520 с.

30. Розеноберг Б.М. Применение обобщенного дифференцирования для исследования электромагнитных процессов в цепях с управляемым вентилем. -Электромеханика, 1980, N 1. с. 31-35

31. Булгаков А. А. Частотное управление асинхронными двигателями. -М.: Энергоиздат, 1982. 216 с.

32. Тропилов СВ., Ермилов А.В. Микросхемы, диоды, транзисторы: Справочник. М.: Машиностроение, 1994. - 385 с.

33. Хасаев О.И. Транзисторные преобразователи напряжения и частоты. -М.: Наука, 1968.-176 с.

34. Константинов В.Г. Многофазные преобразователи на транзисторах. -М.: Энергия, 1972. 96 с.

35. Глазенко Т.А., Гончаренка Р.Б. Полупроводниковые преобразователичастоты в электроприводах Д.: Энергия, 1969. - 184 с.

36. Кривицкий С.О., Эпштейн И.И. Динамика частотно-регулируемых электроприводов с автономными инверторами. М.: Энергия, 1970. - 152 сТ

37. Дунаевский С.Я., Крылов О.А., Мазия JI.B. Моделирование элементов электромеханических систем. 2 изд. - М.: Энергия, 1971. — 288 с.

38. Мерабишвили П.Ф. Математическая модель цепей с вентильными преобразователями. — Изв. АН СССР, Энергетика и транспорт, 1980, N 4. -С. 37-40.

39. Кобзев А.В., Лебедев Ю.М., Сидонский И.Б. Применение одной модификации метода коммутационных функций для анализа ключевых схем преобразовательной техники. Электричество, 1983, N 4. - С. 27-33

40. Демерчан К.С., Бутырин П.А. Моделирование и машинный расчет элетрических цепей: Учеб. пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1988. -335 с.

41. Кропачев Г.Ф., Миляшов Н.Ф., Тарасов В.Н. Моделирование процессов в преобразователях постоянного тока с применением аппарата теории обобщенных функций // В сб. Системы и электрооборудование летательных аппаратов. Казань, КАИ, 1985. С. 50 - 51

42. Жуховицкий Б.Я., Негневицкий И.Б. Теоретические основы электротехники. 4.2. Четырехполюсники, длинные линии, нелинейные цепи. -М.: Энергия, 1965. 240 с.

43. Боголюбов Н.Н., Митропольский Ю.А. Асимптотические методы в теории нелинейных колебаний. М.: Физматгиз, 1963. - 412 с.

44. Хаяси Т. Нелинейные колебания в физических системах: Пер. с англ. -М.: Мир, 1968.-432 с.

45. Уайт Д., Вудсон Г. Электромеханическое преобразование энергии. -М.: Энергия, 1964.-528 с.

46. Иванов-Смоленский А.В., Абрамкин Ю.В., и др. Универсальный метод расчета электромагнитных процессов в электрических машинах. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 216 с.

47. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин: Учеб. для вузов. -М.: Высшая школа, 2001. — 327 с.

48. Слежановский О.В. Дацковский JI.X., Кузнецов И.С. Системы подчиненного регулирования электроприводов переменного тока с вентильными преобразователями. -М.: Энергоатомиздат, 1983. -256 с.

49. Сипайлов Г.А., JIooc А.В. Математическое моделирование электрических машин (АВМ): Учебное пособие для студентов вузов. М.: Высшая школа, 1980. - 176 с.

50. Дьяконов В.П. Система MathCAD: Справочник. М.: Радио и связь, 1993.- 128 с.

51. Потемкин В.Г. Система MATLAB. Справочное пособие. М.: Диалог -МИФИ, 1998.-350 с.

52. Манзон Б.М. Maple VPower Edition. М.: Филинъ, 1998. - 240 с.

53. Костырев M.JL, Скороспешкин А.И. Автономные асинхронные генераторы с вентильным возбуждением. -М.: Энергоатомиздат, 1993.- 160 е.

54. Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования MICRO—CAP V. М.: Солон, 1997. - 277 с.

55. Копылов И.П. Применение вычислительных машин в инженеро-экономических расчетах. -М.: Высш. шк., 1980. 256 с.

56. Дьяконов В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке Бейсик для персональных ЭВМ: Справочник. М.: Наука, 1989. - 240 с.

57. Фаронов В.В. Турбо Паскаль. Книга 1. Основы Паскаля. М.: МВТУ -Фесто Дидактик, 1992. - 304 с.

58. Агабеков JI.E., Борисов С.В., Ваулин А.С., и др. Программирование в среде Турбо Паскаль. М.: Высш. шк., 1993. - 142 с.

59. Домбровский В.В., Зайчик В.М. Асинхронные машины: Теория, расчет элементы проектирования. JL: Энергоатомиздат, 1990. - 368 с.

60. Миляшов А.Н. Параметрическая оптимизация механотронной системы с асинхронным двигателем: Дис. . канд. тех. наук. 05.09.03. Защищена 25.04.06; Утв. 14.07.06; - Казань, 2006. - 184 с.

61. Васильев А.В. Вентильно-индукторный электропривод с автогенераторным управлением: Дис. . канд. тех. наук. 05.09.03. Защищена 24.11.05; Утв. 10.02.06; - Казань, 2005. - 164 с. .

62. Борисова О.В. Электромеханическая система точного задания частоты вращения с синхронно-реактивным электроприводом: Дис. . канд. тех. наук. 05.09.03. Защищена 10.06.2003; Утв. 10.10.2003; - Казань, 2003. - 135 с.

63. Вольдек А.И. Электрические машины. М.: Энергия, 1974. - 340 с.

64. Бедфорт Б., Хофт Р. Теория автономных инверторов: Пер. с анг. — М.: Энергия, 1982.-313 с.

65. Розанов Ю.К. Основы силовой преобразовательной техники. М.: Энергия, 1979.-392 с.

66. Сигорский В.П. Математический аппарат инженера. — Киев: Техника, 1975.-768 с.

67. Демирчян К.С., Бутырин П.А. Моделирование и машинный расчет электрических цепей. М.: Высшая школа, 1988. - 335 с.

68. Кениг Г., Блекуэлл В. Теория электромеханических систем. М.: Энергия, 1965.-424 с.

69. Системы подчиненного регулирования электроприводов переменного тока с вентильными преобразователями / О.В. Слежановский, JI.X. Дацковский, И.С. Кузнецов и др. М.: Энергия, 1980. - 928с.

70. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины: Учеб. для вузов. — М.: Энергия, 1980. 928 с.

71. Бессонов JI. А. Нелинейные электрические цепи. М.: Высшая школа, 1964. - 430 с.

72. А.с. № 432642 (СССР), М.Кл. Н 02т 7/48. Трехфазный инвертор. // Войтович И.А., Моин B.C., Лысенко Л.А. Опубл. Б.И. 1974, № 22.

73. Сергеев П.С. Проектирование электрических машин. Изд. 3-е, перераб. и доп. М., «Энергия», 1969.

74. Проектирование электрических машин: Учеб. для вузов. В 2-х кн.: кн1 / И.П. Копылов, Б.К. Клоков, В.П. Морозкин, Б.Ф. Токарев; Под ред. И.П. Копылова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 464с.: ил.

75. Белопольский И.И. Расчет трансформаторов и дросселей малой мощности // И.И. Белопольский, Е.И. Каретникова, Л.Г. Пикалова. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: «Энергия», 1973. - 400с.: ил.

76. Проектирование электрических машин: Учеб. для вузов / И.П. Копылов, Б.К. Клоков, В.П. Морозкин, Б.Ф. Токарев; Под. ред. И.П. Копылова. -3-е изд., ипр. и доп. -М.: Высш. шк., 2002. 757 е.: ил.

77. Автоматизированный электропривод промышленных установок / Онищенко Г.Б и др. М.: РАСХН, - 2001. - 520 с.

78. Гольдберг О.Д. Испытания электрических машин. Учеб. для вузов. — 2-е изд., испр. М.: Высш. шк., 2000. - 255 е.: ил.

79. Ивоботенко И.Н., Ильинский Н.Ф., Копылов И.П. Планирование эксперимента в электромеханике. М.: Энергия, 1975. — 184 с.

80. Ключев В.И. Теория электропривода. М.: Энергоатомиздат, 2001. -704 с.

81. Фигаро Б.И. Теория электропривода // Б.И. Фигаро, Л.Б. Павлячик. -Минск: Техноперспектива, 2004. 527 с.

82. Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 376 с.

83. Хенкок Н. Матричный анализ электрических машин. М.: Энергия, 1967.-225 с.

84. Макаров В.Г., Кропачев Г.Ф., Хайруллин И.Р. Вентильная машина переменного тока // Патент РФ на изобретение № 2326491. М.: РОСПАТЕНТ. Опубл. 10.06.2008, Бюл. № 16.

85. Макаров В.Г., Кропачев Г.Ф., Хайруллин И.Р. Электромеханотронная система с высокоскоростным асинхронным двигателем // Известия высших учебных заведений Проблемы энергетики. Казань, КГЭУ, 2007, № 5-6. С. 7887.

86. Макаров В.Г., Кропачев Г.Ф., Хайруллин И.Р., Атнюхин С.С. Анализ состояния и перспективы развития элёктромеханотронных систем с автогенераторным управлением // Известия высших учебных заведений Проблемы энергетики. Казань, КГЭУ, 2007, № 7-8. С. 87-99.

87. Макаров В.Г., Кропачев Г.Ф., Хайруллин И.Р., Толмачева А.В. Электромашинно-вентильная система на базе вентильной машины переменного тока // Известия высших учебных заведений Проблемы энергетики. Казань, КГЭУ, 2009, № 1-2. С. 77-85.

88. Макаров В.Г., Кропачев Г.Ф., Хайруллин И.Р. Трехфазная асинхронная вентильная машина // Электромеханические преобразователи энергии: Материалы междунар. науч.-техн. конф. Томск, ТПУ, 2007. С. 30-33.

89. Макаров В.Г., Хайруллин И.Р., Атнюхин С.С. Электромеханотронные системы с автогенераторным управлением // Мавлютовские чтения: Всерос. молодежная научн. конф.: Сб. трудов. В 5-и т. Т.2. Уфа: Изд-во УГАТУ, 2008. -С. 10-11.

90. Макаров В.Г., Кропачев Г.Ф., Хайруллин И.Р. Вентильная машина переменного тока // Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий: Сб. научн. трудов Всерос. научн.-техн. конф. В 2-х т. Т.1 Уфа: Изд-во УГНТУ, 2007. С. 197-204.