автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Управляемые электромеханические системы с бесконтактными двигателями постоянного тока (разработка, исследование, внедрение)



^ ЛЗЕРБЛИДЖЛНСКИИ НАУЧНО-

^ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ

И ЭПЕРГОПРОЕКТ

УДК 621.313.2:621.316.718.5.078 На правах рукописи

КОХРЕИДЗЕ ТАМАЗ КЛИМЕНТЬЕВИЧ

УПРАВЛЯЕМЫЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ С БЕСКОНТАКТНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ ПОСТОЯННОГО ТОКА (разработка, исследование, внедрение)

Специальность 05.09.03 — электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

БАКУ - 1997

Работа выполнена в Грузинском техническом университете

Научный консультант: академик АН РФ, доктор технических наук, профессор ЛУ'ГИДЗЕ Ш.И.

. Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор БАГИРОВ С.М.

доктор технических наук, профессор ГАШИМОВ М.А.

доктор технических наук, профессор УГРЕЛИДЗЕ H.A.

Ведущая организация - Национальный технический университет .Украины (Киевский политехнический институт)

Защита состоится г. в час

на заседании специализированного Совета Д 004.26.01 при Азербайджанском научно-исследовательском институте Энергетики и Энергопроект по адрессу: 370602, г. Баку, ул. Зардаби, 94

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АзНИИЭ и ЭП.

Автореферат разослан

1997 г.

Ученый секретарь специализированного Совета кандидат технических наук, старший научный сотрудник ^ / ЛАЗИМОВ Т.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Одной из важнейших задач в области энергетики является модернизация существующего оборудования электрических систем и совершенствование их управления в широких масштабах.

В соответствии с этим возрастают, в частности, требования, нредъявлеясмые к оборудованию, используемому для систем собственных нужд (с.п.) тенлопых электростанций. Этим требованиям не всегда успешно удовлетворяют коллекторные машины постоянного тока, неуправляемые асинхронные и синхронные машины, нашедшие широкое применение в системе с.н. электростанций, так как их возможности в известной степени ограничены.

Более широкими возможностями и универсальными свойствами обладают управляемые электромеханические системы с бесконтактными двигателями постоянного тока (УЭМСБДПТ), использование которых в целом ряде случаев может оказаться целесообразным.

УЭМСБДПТ состоит из собственно: асинхронно]'! электрической машины, управляемого полупроводникового коммутатора (УПК) и системы автоматического управления, предназначенной для плавного регулирования электрических и механических величин машин, работающих в различных механизмах с.н. электростанций.

Класс УЭМСБДПТ значительно шире и многообразнее, чем класс коллекторных машин.

Новые возможности по сравнению с коллекторными машинами заключаются в следующем: бесконтактность коммутации, переключение элементов обмотки по любому заданному закону, возможность встраивания коммутатора в статор машины. Все это обусловливает разработку новых типов УЭМСБДПТ с наиболее высокой надежностью, большим сроком службы, способностью работать во взрывоопасной среде, отвечающих наилучшим условиям автоматизации, быстродействия и гибкости регулирования.

Вместе с тем необходимо отметить, что УЭМСБДПТ более сложна, чем асинхронная машина. Поэтому, каждый раз при оценке перспектив применения УЭМСБДПТ, должны быть проведены соответствующие технические сопоставления. Эти сопоставления, разумеется, могут быть успешными только в том случае, когда хорошо изучены свойства 11 характеристики УЭМСБДПТ.

На Всесоюзной научно-технической конференции по электро-мсханотронике (Петербург, 1987 г.) академик И. А.Глебов отметил актуальность проблемы электронизации электрических машин и ее связь с программой научно-технического прогресса стран-членов СЭВ на период до 2000 г.

Изучение проблемы электронизации электрических машин было начато в 60-е годы на основе опубликованных трудов И.А.Глебова, Д.А.Завалишина, И.П.Копылова, Ш.И.Лутидзе, И.Е.Овчинникова, A.A. Эфенднзаде, С.М. Багирова, Р.И. Мустафаева и ряда других специалистов, наметивших пути электронизации электрических машин.

В настоящее время известны электромеханические системы, называемые машинно-вентильными системами (А.Е.Козярук, Е.Г.Пла-хтина и др.), машинами с полупроводниковыми коммутаторами (Ш.И.Лутидзе, И.Х.Ситник и др.), вентильными или бесконтактными машинами (A.A.Бут, И.П.Копылов, Н.И.Лебедев, В.К.Лозенко, А.И.Скороспешкин, И.Е.Овчинников и др.), моментными двигателями (А.Ю.Афанасьев, А.Г.Микеров, Л.И. Столов и др.), работа которых без электронных компонентов является невозможной.

Разработка и производство таких электрических машин, функционально совмещенных с электронными компонентами (полупроводниковыми преобразователями, системами автоматического управления и регулирования), требует использования специальных математических моделей и новых технологий проектирования.

С увеличением мощности машины сложность повышается и, в конце концов, современные технические возможности исчерпываются.

В связи с открытым в 1986 г, явлением высокотемпературной сверхпроводимости, перспектива их использования еще больше расширяется.

Электрические машины с использованием явления сверхпроводимости имеют неоспоримые преимущества по сравнению с машинами традиционного исполнения при больших мощностях, особенно там, где требуются минимальная масса машин и пониженные механические инерционности роторов.

В настоящее время ведутся интенсивные работы по исследованию принципов создания сверхпроводящих управляемых бесконтактных двигателей постоянного тока, в которых роль механического коллектора со щетками выполняет сверхпроводящий переключатель, так называемый - криотрон.

Диссертационная работа посвящена вопросам разрабо! км и псетедоваппя режимов работы УЭМСБДПТ с транзисторным, тирпеторным и крпогроциым коммутаторами. Работа выполнялась в энергетическом институте им. Г.М .Кржижановского и в Грузинском техническом университете.

Автор более 20 лет непосредс гвеппо участвует в работах по созданию н исследованию УЭМСБДПТ в качестве ответственного исполнителяп руководителя работ.

Общее руководство осуществлялось академиком АН РФ, д.т.и., проф. Ш.М.Лутпдзе. Автор выражает глубокую благодарность академику АН РФ, д.т.н.. проф. Ш.П.Лутндзе за оказанную помощь в постановке и проведении данного исследования.

В диссертации осуществлено решение крупной научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью диссертации явилось решение проблемы создания УЭМСБДПТ на базе разработки теоретических основ их синтеза, методов исследования режимов и расчета, внедрения полученных результатов в производство.

ЗАЛАМИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Раз,работка методов исследования переходных электромагнитных, электромеханических и стационарных режомов работы УЭМСБДПТ методом определения мгновенных и усредненных значении переменных с применением комплексного преобразования, с учетом законов управления.

2. Вывод общих комплексных уравнении для УЭМСБДПТ по усредненным значениям переменных, как частный случай из этих общих уравнений, получелне уравнений УЭМСБДПТ с асинхронным вращением ротора, с транзисторным, тнрнсторным и криотронным коммутаторами.

3. Разработка схемы замещения и исследование статических характеристик УЭМСБДПТ при различных законах управления абсолютной частоты скольжения, напряжения и нагрузочного момента.

4. Комплексное исследование динамических характеристик УЭМСБДПТ при различных управляющих воздействиях, в том числе исследование устойчивости и режимов прерывистого тока.

.5. Разработка законов и устройство управления электромагнитными, электромеханическими и стационарными режимами в УЭМСБДПТ.

6. Разработка метода расчета коммутационных процессов по мгновенным значениям переменных в УЭМСБДПТ на тиристорных переключателях.

7. Исследование принципов создания сверхпроводящих УЭМСБДПТ и режимов работы.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Электромагнитные и электромеханические процессы, протекающие в УЭМСБДПТ, носят более сложный характер, чем это имеет место в машинах переменного тока. В отличие от машин переменного тока (синхронных, асинхронных) в УЭМСБДПТ по отдельным интервалам времени происходит переключение элементов обмотки. В каждом интервале времени имеет место несимметричный переходный процесс с определенными граничными условиями. В связи с этим методика расчета должна быть построена только на основе теории переходных процессов в электрических машинах переменного тока и в частности на основе теории несимметричных переходных режимов с учетом специфики, вызванной наличием УПК. В настоящее время как в бывшем Советском Союзе, так и за рубежом достигнуты большие успехи по разработке современной общей теории и теории переходных процессов электрических машин. По теории переходных процессов следует отметить работы бывших советских ученых (Алябьев М.И., Важнов А.И., Горев A.A., Грузов Л.Н., Иосифьян А.Г., Казовский Е.Я., Косгенко М.П., Мамиконянц Л.Г., Михневич Г.В., 'Гафт В.А. и т.д.), а также зарубежных исследователей (Адкинс, Ковач К.П. и Рац И., Конкордия, Корн Г., Лайон В., Парк и др.).

Эти работы имеют решающее значение для построения теории УЭМСБДПТ.

Появление первых теоретических работ по вентильным двигателям относится к 40-м годам и связано с именами ученых Б.Н.Тихменева, Д.А.Завалишина, О.Г.Вагнера, М.И.Губанова, А.С.Димитрадзе, Б.А.Эттингера и др. Ими детально исследованы схемы на основе синхронной машины и ионного коммутатора. Общим для этих исследований является то, что вентильный двигатель рассматривался с позиции теории синхронных машин по первым гармоникам ЭДС, токам и потокам в зазоре машины.

Дальнейшее развитие и углубление теории вентильных двигателей связано с созданием полупроводниковых вентилей. Широкий класс вентильных двигателей, отличающихся по мощности, обусловил

различный подход к их исследованию. Так, анализ вентильных машин малой мощности проводится с использованием методов исследования коллекторных электрических машин. Работы И.Е. Овчинникова, И.Н. Лебедева, И.Л. Вевюрко, Р. Финка, М. Лиска базируются на этых методах.

Применительно к БДПТ средней мощности аналогичный подход содержится в работах Ш.И.Лутидзе, С.Дейха, А.Г.Назикяна, Годвина и др. авторов, в которых рассмотрены электромагнитные установившиеся и переходные процессы в БДПТ с произвольным числом фаз по усредненным значениям величин.

Точный анализ электромагнитных процессов связан с использованием метода мгновенных значений, разработанного Н.Папалекси применительно к выпрямителям и развитого в работах Ш.И.Лугпдзе, В.А.Кучумова применительно к БДПТ.

Из изложенного следует, что теоретические работы в области БДПТ проводятся уже около полувека. Однако, публикации по результатам исследований, носящих обобщающий характер и охватывающих БДПТ различной мощности, различного типа по УПК, отсутствуют. В опубликованных работах затрагиваются, как правило, задачи частного характера, посвященные исследованию того или иного явления. Причем, исследования одних и тех же явлений и режимов зачастую проводятся различными методами, что приводит к разноречивым результатам. Многие вопросы теории БДПТ исследованы не полно (процессы управления и регулирования, дштмичсскне режимы работы, коммутация и др.).

В диссертационной работе использован метод расчета У ЭМСБДП'Г по мгновенным и усредненным значениям переменных с применением комплексного преобразования с учетом новых законов управления.

ОБОСНОВАННОСТЬ И ДОСТОВЕРНОСТЬ ПОЛУЧЕНПЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ. Основные научные результаты основаны па использовании теории электрических машин с управляемым полупроводниковым коммутатором: ме тод расчета но усредненным ц мгновенным значениям переменных с применением комплексного преобразования с учетом новых законов управления, а также проведенных в работе аналитических решении.

Достоверность полученных результатов п выводов подтверждается сопоставлением с результатами экспериментальных исследований стационарных п переходных электромеханических процессов п точных расчетов по методу Рунге-Кутта с помощью ЭВМ ЕС-1045. Исследо-

вались лабораторные и онытпо-промьпллснпые образцы УЭМСБДПТ. Анализ теоретических и экспериментальных материалов показал их удовлетворительное совпадение, что подтвердило правильность выбранной методики.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в следующем.

1. Предложены законы управления электромеханических систем с бесконтактными двигателями постоянного тока по частоте и Скольжению переключения коммутатора и по напряжению регулировании на входе коммутатора.

2. Предложено устройство для управления электромеханических систем с бесконтактными двигателями постоянного тока, транзисторным, тиристорным и криотронным коммутаторами, что позволило получить механические характеристики, подобные характеристикам двигателя постоянного тока, как с последовательным, так и со смешанным возбуждением.

3. Предложен метод для исследования стационарных и переходных электромеханических режимов УЭМСБДПТ на основе применения усредненных значений величин в сочетании с комплексным преобразованием переменных, с учетом законов управления.

4. Разработаны схемы замещения и исследованы статические характеристики УЭМСБДПТ при различных законах управления абсолютной частоты скольжения, напряжения и нагрузочного момента.

5. Исследованы комплексные динамические характеристики УЭМСБДПТ при различных управляющих воздействиях, в том числе исследованы устойчивость и режимы прерывистого тока.

6. Разработана методика расчета коммутационных процессов по мгновенным значениям переменных, которая позволяет рассчитывать мгновенные значения токов во всех фазах машины в коммутационных интервалах. Методика учитывает все параметры машины в переходных режимах, а в установившемся режиме при пренебрежении активными сопротивлениями обмоток, ввиду кратковременности процесса, позволяет получить аналитические выражения токов и углов коммутации.

7. Исследованы принципы создания сверхпроводящих УЭМСБДПТ и предложены следующие оригинальные устройства:

- сверхпроводящие переключатели - криотронов;

- многофазный сверхпроводящий коммутатор; *

-' сверхпроводящие выпрямители;

- устройство для запиткн постоянным током сверхпроводящих магнитных систем;

- сверхпроводящая бесконтактная электрическая машина постоянного тока.

8. Исследованы режимы работы сверхпроводящих УЭМСБДПТ. Показано, что в рассматриваемой системе соединяются преимущества асинхронного двигателя с преимуществами синхронного двигателя.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. Разработанные методы исследований и расчетов режимов УЭМСБДПТ, попользованы при создании п внедрении Ткварчельской ГРЭС N 1, N 2, N 3, N 4, управляемых приводов питателей пыли парового котла N 1 на базе бесконтактных электрических двигателей постоянного тока.

Методика расчета режимов в БДПТ с асинхронно-вращающимся ротором с учетом законов регулирования, применялась в отделе энергетической кибернетики АН Молдавской республики при разработке проекта частотно-регулируемого автоматизированного асинхронного привода питателен пыли парового котла для Молдавской ГРЭС.

Некоторые рекомендации, сделанные в процессе выполнения настоящей работы, реализованы в виде изобретений.

Результаты работы используются в учебных процессах при изучении курса "Переходные электромагнитные и электромеханические процессы в электрических системах".

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертации докладывались на 10-тн Всесоюзных научно-технических конференциях, в том числе, на второй Всесоюзной научно-технической конференции по бесконтактным машинам постоянного тока (г.Москва, МАИ, 1975 г.). на Всесоюзной научно-технической конференции "Современные задачи преобразовательной техники" (г.Киев, 1975 г.), на XIV, XVI, XVII, XVIII. XIX н XXVIII Всесоюзных научно-технических конференциях ученых и специалистов ЭНИН, а им. Г.М.Кржижановского (г.Москва 1974, 1976, 1977, 1978, 1979 н 1988 г.г.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Современные проблемы электромеханики" ) г.Москва, МЭИ, 1989 г.), на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава (г.Тбилиси, ГТУ, 1993 г.).

ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты диссертационной работы отражены в 42-х печатных работах, в том числе, в 2-х монографиях, 32-х статьях и в 8-ми авторских свидетельствах.

СТРУКТУРА 11 ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, шести глав, .включения. списка литературы (2.50 наименований)

и приложения, в котором приведены акты о внедрении результатов работы. Диссертация содержит 180 страниц основного машинописного текста, 144 рисунков п 7 таблиц. Приложение содержит 6 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВО ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность темы диссертации, на основании . обзора основных работ по управлению электромеханических систем с бесконтактными двигателями постоянного тока. Сформулированы цель и задачи исследования, приведены основные положения работы, выносимые на защиту, и практическая ценность результатов работы, даны сведения о внедрении результатов работы.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ даны общие вопросы разработки УЭМСБДПТ. Разработаны новые рациональные законы и устройство управления электромеханических систем с бесконтактным двигателем постоянного тока, в котором в качестве параметров управления выбраны абсолютное скольжение двигателя (cos) и напряжение в звене постоянного тока (Uc). Реализация таких законов управления позволяет создание по существ}' нового класса управляемых электромеханических систем с заранее заданными статическими характеристиками и динамическн мн свойствам11.

Разработана УЭМСБДПТ с асинхронным вращением ротора с транзисторным коммутатором без датчика скорости для электропривода пылепнтателя мощностью 2,2 кВт (рпс.1). Силовая часть схемы состоит из асинхронной машины с к.з. ротором типа 4АМХ90ЫУЗ и УПК. Коммутатор собран по трехфазной мостовой схеме, выполненной на транзисторных ключах КТ834А. Он содержит обратный диодный мост, собранный на диодах КД209А. С фазами обмотки статора УПК соединен по трехфазной мостовой схеме. На вход УПК подается постоянное напряжение от управляемого выпрямителя (У В) через сглаживающий дроссель. УВ собран на оптронных тиристорах ТО 125 по трехфазной мостовой схеме с нулевым диодом. Силовая цепь постоянного тока содержит сглаживающий фильтр п ограничитель напряжения (ОН). Схема управления включает в себя следующие функциональные блоки: блок управления выпрямителем (БУ В), блок управления коммутатором (БУК), блок регулятора (БР), блок логики (БЛ).

Особенностью рассматриваемой системы (рис.1) является то, что частота переключения коммутатора и напряжение на входе коммутатора связаны с частотой изменения реактивного тока двигателя по закону:

/и =/0+^ О

р

ис=к„-/5 (2)

где - частота переключения коммутатора; /0- начальная задаваемая частота скольжения, которая определяет частоту тока ротора при /р=0; /р - частота вращения ротора; /.„ - частота реактивного тока

I тС '

двигателя; и - выпрямленное регулируемое постоянное напряжение па входе коммутатора; ки - коэффициент регулирования напряжения, выбор которого связан с обеспечением постоянства магнитного потока в машине. Физическая модель УЭМСБДПТ с асинхронным вращением ротора с транзисторным коммутатором создана автором настоящей работы па кафедре "Электрических станций п систем" ГТУ по хоз. договору Грузглавэперго и успешно внедрена на ГРЭС г.Ткварчели в системе собственных нужд в качестве управляемых приводов питателей пыли парового котла.

Разработана УЭМСБДПТ с асинхронным вращением ротора с тирнсторпым коммутатором сдатчиком скорости для электропривода многоцелевого назначения мощностью 7,0 кВт. (рнс.2). Силовая часть схемы состоит из асинхронной машины с к.з. ротором типа ЛК61-6 и УПК. Коммутатор выполнен па базе управляемых вентилей Т-150, отсекающих диодов В-200, коммутирующих конденсаторов МБГО напряжением 400 В и обратного диодного моста, собранного па диодах В-200. С фазами обмотки статора коммутатор соединен по трехфазной мостовой схеме. На вход коммутатора подается постоянное напряжение от управляемого выпрямителя через сглаживающий дроссель. Для того, чтобы возвратить рекуперируемую энергию в сеть, в схеме используется второй встречно-параллельно включенный тпристорпый мост, работающий в режиме ведомого инвертора. Второй тнристорпый мост при нормальной работе блокирован и открывается в режиме рекуперации, когда ток статора в цепи постоянного тока изменяет свое направление. Следовательно, схема обеспечивает

УВ

ГРШЮ

БУВ

Уреъ-

^ БР

\Jcm-

из

иу

БП

Оу

Рис. 1. Структурная схема УЭМСБДПТ с асинхронным вращением |хлора с транзисторным коммутатором.

УВ

УПК

СУВ

АО^Нидс БДПТ''

/ис={Рфа/р

сч

СУК

<рп

БАС

БМЧр —1

53^

-а/Р

Ряс.2. Структурная схема УЭМСБДПТ с асинхронным вращением ротора о тнрнсторным коммутатором.

-4/р

— БМЧИ

Рис.3. Структурная схема сверхпроводящей УЭМСБДПТ с асинхронно-синхронным вращением ротора с криофонным коммутатором.

обеспечивает протекание тока в обоих направлениях Система включае! три контура обратном связи: 1. но частоте переключения коммутатора: 2. по напряжению в функции изменения частоты переключения коммутатора; 3. по абсолютной частоте скольжения с целью получения требуемых механических характеристик.

Система работает следующим образом: на вход У11К подается постоянное напряжение от УВ. От импульсного датчика скорости (НДС) и блока алгебраического суммирования (БАС) поступают сигналы в сумматор частоты (СЧ). Результирующая частота с выхода СЧ подается на вход системы управления коммутатора (СУК). СУК в соответствии с поступающими на ее вход сигналами вырабатывает управляющие импульсы; подаваемые на тиристоры коммутатора. Сигнал с выхода НДС поступает также в блок масштабирования частоты вращения ротора (БМЧр). Он вырабатывает сигнал, пропорциональный скорости вращения ротора, который подается на БАС, на второй вход поступает сигнал от блока задания частоты скольжения (БЗЧб).

Результирующая частота с выхода СЧ подается также на вход функционального преобразователя (ФП). Сигнал с выхода ФП подается на вход системы управления выпрямителя (СУВ). СУ В в соответствии с поступающими на ее вход сигналами вырабатывает управляющие импульсы, подаваемые на тиристоры У В.

Особенностью исследуемой системы является то, что частота переключения коммутатора и напряжение на входе коммутатора связано с частотой вращения ротора по закон)':

где - частота переключения коммутатора; Д - частота вращения ротора; /0 - начальная задаваемая частота скольжения; а -коэффициент регулирования скольжения; IIе - выпрямленное регулируемое постоянное напряжение на входе коммутатора; Ь-коэффицнент регулирования напряжения; II£ - пусковое напряжение двигателя.

Выбор составляющих ЬД связан с обеспечением постоянства магнитного потока в двигателе.

/и =/?+ /о- а /:

Ь'с =Ь/Р +

?

(4)

(3)

Физическая модель УЭМСБДПТ с асинхронным вращением ротора с тирисгорным коммутатором исследована и создана автором настоящей работы в лаборатории "Промышленной электроэнергетики" ЭНИН, а им. Г. М. Кржнжа1 ювского.

Разработана элементная база для создания мощной сверхпроводящей (СП) управляемой электромеханической системы с бесконтактным двигателем постоянного тока с криотрониым коммутатором. Предложены новые схемы: управляемых СП персключателей-криотропов, управляемых СП выпрямителей и коммутаторов, устройство для запитки постоянным током СП магнитных систем, СП электрическая машина постоянного тока.

Предложена СП управляемая электромеханическая система с бесконтактным двигателем постоянного тока с асипхропно-сии-хроппым вращением ротора с криотрониым коммутатором (рис.3).

Силовая часть схемы состоит из СП асинхронной машины с к.з. ротором и управляемого СП коммутатора (УСК). Коммутатор выполнен на базе управляемых СП иереключателей-криотропов. На вход УСК подается постоянное напряжение от управляемого СП выпрямителя (УСВ).

Двигатель имеет на статоре трехфазную обмотку из обыкновенного материала и шестпфазиую обмотку из СП материала П рода. Обыкновенные обмотки статора присоединены к УПК, собранному по трехфазной мостовой схеме. СП обмотки статора двигателя соединены с УСК. Обмотки управления крнотропов УСВ и УСК выполнены из обыкновенного материала и включены в соответствующее плечо тиристорпого УВ и УПК последовательно с тиристорами. В системе управления осуществлены законы (3) и (4).

Система управления вырабатывает управляющие импульсы, подаваемые па тиристоры УПК. Во время переключения фаз обыкновенных обмоток статора наводится э.д.с. в фазах роторной обмотки. Наведенная э.д.с. в роторной обмотке в момент пуска двигателя имеет частоту статорпой обмотки. От воздействия э.д.с. в обмотках ротора появляются гистерезисиыс и вихревые потерн, которые наводят ток в обмотках ротора п электродвигатель развивает необходимый пусковой э л ектромап шт п ый м ом с I гг.

Для обеспечения достаточно высокого пускового крутящего момента матрицы СП обмотки ротора включают низкосортную медь пли сплав с удельным сопротивлением, которое незначительно изменяется при криогенных температурах.

При увеличении скорости вращения ротора электродвигателя частота тока в роторных обмотках (частота скольжения) уменьшается и соответственно снижаются полные потери пропорционально скольжению. При низких величинах скольжения обмотки ротора становятся сверхпроводящими, в обмотках ротора наводится постоянный ток и устанавливается снпхроплая скорость. Как только установлена синхронная скорость, электродвигатель начинает вести себя подобно синхронному двигателю и потом в процессе работы двигателя любое изменение нагрузки па валу будет вызывать соответсвепиое изменение тока в основном в СП обмотках статора, а не в обыкновенных обмотках статора, в связи с тем, что СП статориые обмотки и роторные обмотки имеют более сильную магнитную связь относительно друг друга и более слабую магнитную связь с обыкновенными обмотками статора. В этих условиях электромагнитная энергия будет передаваться в ротор в основном от СП обмоток статора. В обыкновенных обмотках статора будет протекать ток приблизительно такой же величины, как до изменения нагрузки двигателя и они будут потреблять реактивную мощность. Потребляемая обыкновенными обмотками реактивная мощность будет зависеть от величины приложенного к этим обмоткам напряжения. При таких условиях обыкновенные обмотки статора выступают в роли обмоток возбуждения, а СП обмотки в роли силовых обмоток.

Таким образом, основной принцип создания сверхпроводящих УЭМСБДПТ - это соединение преимуществ асинхронного двигателя (пусковой момент, легкость работы, незначительный текущий ремонт) с преимуществами синхронного двигателя (независимая от нагрузки скорость, управление выходной мощностью при помощи нагрузочного угла).

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ разработан метод для исследования режимов работы УЭМСБДПТ с асинхронно-синхронным вращающимся ротором па основе применения комплексного преобразования переменных с учетом законов регулирования.

Особенность работы УЭМСБДПТ (рис. 1,2,3) но сравнению с обычными машинами переменного тока состоит в том, что в УЭМСБДПТ, в зависимости от моментов подачи управляющих импульсов па полупроводниковые переключатели (транзисторы, тиристоры) или сверхпроводящие переключатели (крнотроны), происходит периодическое переключение фаз обмотки. Переключение фаз обмотки, в свою очередь, вызывает изменение от интервала к интервалу времени прострапст-

ценного распределения м.д.с., а также изменение параметров машины и действующих э.д.с. При конечном числе фаз для рассмотрения переходного процесса во времени, согласно методики расчета по мгновенным значениям, необходимо определить мгновенные значения величин и о интервалам времени. В каждом из этих отдельных интервалов система находится в переходном несимметричном режиме, при этом в каждом рассматриваемом интервале переходный несимметричный процесс меняется от интервала к интервалу. По истечении определенного времени начальные условия периодически повторяются и переходный процесс устанавливается. В установившемся режиме достаточно рассмотреть только интервал повторяемости процесса.

Смысл комплексного преобразования заключается в том, что токи, напряжения и потокосцепления машины представляются пространственными векторами, модули которых равны мгновенному значению переменных, а аргументы определяются пространственным положением магнитных осей фаз, проводящих ток.

Анализ режимов в УЭМСБДПТпо уравнениям комплексных переменных может быть проведен как но усредненным, так и по мгновенным значениям переменных.

Для определения интегральных характеристик целесообразно применять метод усредненных значений величин в сочетании с комплексным преобразованием переменных. Метод позволяет исследовать электромеханические установившиеся и переходные процессы. При этом существенно упрощаются вычисления, а решение можно получить в общем виде для огибающей по'усредпеным значениям величин внутри временного интервала.

При указанном соединении УПК или УСК с фазами статорпоп

2к

обмотки (рис. 1,2,3) но отдельным интервалам времени ^н = 3(,)С имеют место два режима, чередующиеся друг с другом ^'вне-коммутационный, когда ток протекает по двум последовательно соединенным фазам нагрузки, и коммутационный, когда ток от одной фазы переходит в другую. На рис.4 представлена расчетная схема УЭМСБДПТ. На рис.5 показаны векторы фазных напряжении, токов и потокосцеплспнй в координатных системах dc, jqc; dp, jq().

Фаза обмотки статора имеет: активное сопротивлениегс, активное сопротивление вентиля в прямом направлении гв, активное сопротивление внешней цепигш/2, индуктивности рассеяния l5s, индуктивности

['не.!. Расчетная схема УЭМСБДПТ с полупроводниковым или сверхгцю-подящим переключателем.

Рис.Л. Пскторы фазных напряжении. токов и погокосцсн к'ннп н координатных системах <1с, с1р. ]Цр: УЭМСБДПТ с N'[11-4 или УСК на с 1а юре.

внешней цепи Ц.,/2. взаимные индуктивности относительно фаз статора М'г и относительно фаз ротора М<!\ Фаза обмоткп pompa имеет: активное сопротивление rF. индуктивности рассеяния L'"s. взаимные индуктивности относительно фаз ротора М;\ и относительно фаз статора М*-'. Взаимные индуктивности М'■'-, М"!\ МГ"=МК соответствуют максимальным взаимным нндуктпвностям между двумя «разами при совпадении магнитных осей, рассматриваемых фаз. Магнитные оси фаз статорноп обмотки сдвинуты от продольной осп статора на углы Р^ = ai + J* со, а магнитные осп фаз роторных обмоток сдвинуты от продольной оси ротора на углы • где -угловая скорость вращения управляющих импульсов статорпых полупроводниковых или сверхпроводящих переключателей в пространстве относительно сгаторной обмотки. Угол Р' относится к эквивалентным фазам, положение магнитных осей которых в пространстве непрерывно меняется в результате переключения вентилей.

Общие комплексные уравнения УЭМСБДП'Г в именованных единицах по усредненным значениям неременных имеют вид:

I I « »

Фс = (2+ LPI, + ЗМ )îc +1 k, M С1' IF -1 к, M!Т 1р V -- — к, Мп' Iр+—к. M п' I1' е;,

с

J

11«; • U;

(5)

I

I

А

v и j

К, = SinCO р со |-

М , - M в = JPm ,,,

и

An 2

где через Р обозначаем

с11 "

Для падения активного напряжения и статорпых обмотках в зависимости от состояния проводников статорпых обмоток имеем:

(21г+2гв+гвн)1г- для обычного состояния проводников статорпых обмоток. О - для сверхпроводящего состояния проводников статорпых обмоток без учета магпптпых потерь. (6) Шс, 13е) для сверхпроводящего состояния проводников статорпых обмоток с учетом магнитных потерь.

Для падения активного напряжения в роторных обмотках в зависимости от состояния проводников роторных обмоток имеем:

1Р1Р- для обычного состояния проводников роторных обмоток.

О - для сверхпроводящего состояния проводников роторных ли'= обмоток без учета магпптпых потерь. (7)

IXI1', /р, Вр)-для сверхпроводящего состояния проводников роторных обмоток с учетом магпптпых потерь.

Г - нелинейная функция падения напряжения статорпых и ротор-пых обмоток оттоков Iе, I'', частоты/', ипдукцпн Вс, В1', температуры и других величин.

Считаем, чтоДис иди1'связаны с выделением тепла в проводнике,

дисч дй'\

т.е. .с )0 п - |Р )0 . При наличии экранов на статоре п па роторе,

экран следует рассматривать как обмотку и уравнения (5) включают уравнение экранов, при этом приложенное напряжение к экрану

следует принимать равным нулю. В уравнениях (5) •

- комплексное значение потокосцепленпн магнитного потока со статорпой обмоткой;

- комплексное значение иотокосцеплепип магнитного потока с роторной обмоткой;

1РС/ - комплексное значение дополнительных потокосцеплеппй со статорпой обмоткой, вызванных наличием коммутации.

Líc 1г. I1', представляют комплексные значения напряжения статора п гоков статора п ротора:

(Ор * Узловая скорость вращения ротора;

¡VIэ - электромагнитный момент:

М - внешний момент на валу двигатели:

J - момент инерции.

При выводе уравнений переходных процессов (5) приняты допущения в пределах общей теории .электрических машин, т.е. счи таем, что магнитная система электрической машины не насыщена, отсутствует влияние коммутационных процессов на главное магнитное поле, угол коммутации принят равным нулю, все элементы системы регулирования безпнерционные.

Дифференциальные уравнения (5) являются общими уравнениями УЭМСБДПТ и описывают переходные электромагнитные, электромеханические, и установившиеся режимы. Число уравнении определяется количеством обмоток (а не числом фаз), чем значительно сокращается объем расчетов для многофазных электромеханических систем.

Уравнения (э) даны в именованных единицах. После записи уравнений (5)в относительных единицах и некоторых преоб-разрованнй с учетом равенств (1), (2), (6), (7), получим уравнения УЭМСБДПТ с асинхронным вращением ротора с транзисторным коммутатором (рис. 1).

-

к =

* ир

сс 11 zrp ^ И Zp

РС ' 11 ZVP ^ и 0 *

■РС ' 12 0 7 РГ L' и

I1

(8)

Для операторных сопротивлений в уравнениях (8) имеем следующие выражения

z> (Р<+Р)Х,"|\

Z^fkX^P+Ro J),

2ГГ =[рР Ч-Р +Хсо--сор)]хГГк,, гГГ^к.хГГ^+Ксо^-сор)].

где для индуктивных сопротивлений имеем:

х1Т=2[1-со5(<-а=)Кпр =2[1-со8« -а^)]хт, хм = 2х5 +хвн +3хт = 2хя +хвн +3хт,

гс_2

Х" ~2 т~2Хга' (Ю)

га '

3 3

" 5 2 2 „СС _ ср _ рс _ рр _ ш ~ Лт ~ Лт — лт ~~ лт•

для коэффициента затухания имеем:

2гс+2г„+гв„ 0р=1!1

Г СО > Г рр » Л

Х" (И)

со„ 6/ со,, 6

к, - коэффициент усреднения

В уравнениях (8) и^, и^.и^, " комплексные величины, определяемые начальными условиями:

и^=р(к1х^1:+х1то, (12)

й^рс-мЕе-^^'п+хто,

• •

Iе, |Р- начальные значения комплексных токов статора и ротора.

Для комплексных значений напряжении статора имеем:

Ud = (cosa, - cosa^u1. (13)

U^ = (sina\ - sin aí)uc.

Для упрощения исследования в дальнейшем принимаем ai'=30",aí = 150". тогда

U$=V3ue, Uq=0, (]4)

Уравнения (<8), описывающие переходные процессы вУЭМСВДП'Г с асинхронным вращением ротора с транзпетроны.ч коммутатором, могут быть представлены в координатах d н q в форме, подготовленной для решения на ЭВМ

piS=i/i-k=n(ucd/xn-pcidc+k1MBppi3+k,^«Dpi;).

Prd=-l/l-kin{k1nPU^/xí;-k1nppeIdc+ppIS +

+[о.)р-(15)

Р1^=к, црСсо р - <D Г, >1Л -Рр +CCD р - О Г. )IS» Pop=(Ms-MB)/J,

м,=-к

если Мд - Мв < о , тогда со Р = 0, Uj = л/3ис = \/3kuco,, < и'МДКС,

, • сор " /Ч *

k, = sin—• — . а;, 6/ со;, 6

После записи уравнении (5) в относительных единицах и некоторых преобразований с учетом равенств (3), (4), (В), (7), получим уравнения УЭМСБДПТ с асинхронным вращением ротора с тпрнсторнмм коммутатором (рис.2) в координатах (1п чв форме, подготовленной для решения на ЭВМ:

Р1^=1/1-к1ц(и^/хП-ре1ае+к1церр15+к1цеа)рЦ), Р13=-1/1-к1и(к1цри5/хП-к1рецЧ^+рр1;+

+

к^юр-(1-к^О(со0-а©р)]1

Р1Р= -к,цр(«0 -асог)1:-(®0-аюр)1р-Рр1р,

Рсор = (мз-мв)/:,

М^-к.х^Ц.

если М, - Мв < 0 , тогда СО р = О

и*= 73ис= л/3(Ь©р +исп) <иеШКС.

¡с = ц/Д

(.1 -к1х|1х||/х|1х11,

(16)

к,= бш

о.

71

со.

(1-а)о +©„ 6/ (1-а)со +о,

71 б

со„ /со,

коэффициент регулирования скольжения,

' р.МАКС

СО - начальная задаваемая угловая частота скольжения.

После записи уравнений (5) в относительных единицах и некоторых преобразований с учетом равенств (3), (6), (7) для сверхпроводящего состояния проводников статорных и роторных обмоток без учета магнитных потерь п при учете, что со^ =сор получим уравнения сверхпроводящих УЭМСБДПТ с синхронным вращением ротора с криотронным коммутатором (рис.З).

Для упрощения анализа принято, что а.

Я

К

= ач+т.

Вместо угла регулирования введем угол опережения открывания коммутатора р^ = тг -СЦ •

а5-т, а.

Ниже приводятся уравнения в координатах с1 и я, записанные в форме, удобной для программирования па ЭВМ:

и; = ш-к^т^ди' /Х^ -к.ц'Зт2^ /Хрр --0,5к^ссор8т2рДар),

РЦ = -1 /1 - к^8т2р5{0,5к?|!8т2р5и5 / ХП -

-(1 -к?ц5т2р,ир / Х^ -О^к.ц^три^ / Хрр +

+ [0,5к,81Пр5(|1сцр+0,5к?С0рДс^пр5)1ар]},

Р15 = 1/1-к^п2Р5[к,|1ри^-(о,5к?|1СОр81пр5)1ар],

Ршр = (мэ-мв), Мэ = к,хда,

¡р=21р/3,

и5=Л/Гис8тР„

Ц =л/ГисСо5 р,,

цс = х;р/х^, цр = хрс/хрр,

|1 = |ХС -|1р.

Полученные уравнения (15), (16), (17) позволяют рассчитывать различные электромеханические переходные процессы (пуск, иаброс и сброс нагрузки, торможение, реверс и т.д.) в УЭМСБДПТ с транзисторным, с тиристорным и крпотропмым коммутаторами.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ получены уравнения стационарного режима но усредненным значениям переменных с учетом законов регулирования УЭМСБДПТ с асинхронным вращением ротора с транзисторным, тиристорным и криотргашым коммутаторами, которые позволяют определить выражения токов, мощностей и моментов.

В установившемся режиме следует принять Р=0. Тогда из уравнении (8) для мгновенного значения тока статора получим:

__UC|PP2+(Q,,-COP)2]_ (18)

1 " ХПрс [рр: + (со- СО р): ] + ХП ИРРо)(0)- С) р)

Для момента на вал)' имеем:

ис:Х>рЧ<-шр)[рг:+К-сор):]

М3=7-:-Y-(19)

{х;Трс|рр: + (со- © рJ+х^рро :к-0р) J

Выражения (18) и (19) анализировались на ЭВМ ЕС 1045 для разных значений U и cojj. Напряжение на входе коммутатора U н угловая частота переключения коммутатора ©^ регулировались таким образом, что соблюдались условия

Uc

—7г - COnSt. ®п

Построены скоростныеп механические характеристики УЭМСБДГ1Т с транзисторным коммутатором рис.6. С увеличением частоты переключения коммутатора скоростные п механические характеристики перемешаются вправо и вверх, сохраняя своп прежний вид. Это указывает на то, что, изменяя частоты переключения коммутатора, можно регулировать скорость вращения двигателя в широких диапазонах.

Для УЭМСБДПТ с тпрпсторным коммутатором значение тока статора равно:

С и РрЧ(оз0-а»р):| <

ХП {рсрр: + рс К - асо р+ црр (со 0 - а® р)[ (]-а)сор+со0

М» =

Для электромагнитного момента получим:

_ис:црРК -acop)jpp2 +(cou -ао)р):| (21)

хп {рсрг: + Рс(и о ~ асо р ): + ИРР(к> „ - асо р)[(I - а)ю г + со

Рис.6. Скоростные (а) и механические (6) характеристики УЭМСБДПТ с асинхронным вращением ротора с транзисторным коммутатором.

3Гц

сдР

0,4 0,2 0,3

0,2 0,4 0,6

Рис.7. Механические (а) п скоростные (б) характеристики УЭМСБДПТ с асинхронным вращением ротора с тнрпсторным коммутатором при постоянной частоте скольжения (а=0, и=0,16).

1 1з выражений (20), (21) видно. ч го ток статора п электромагнитный момент кроме параметров двпгаичя зависит от скорости вращения ротора, от частоты скольжения и от коэффициента регулирования скольжения.

По полученным выражениям построены механические, скоростные н регулировочные характеристики, для различных значений параметров управления.

Как экспериментально, так и теоретически показано, что система без контура обратной связи по абсолютной частоте скольжения а=0 имеет механические характеристики, подобные характеристикам двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением (рис.7).

При добавлении контура обратной связи по абсолютной частоте скольжения, а^'. двигатель обеспечивает работу при холостом ходе и механические характеристики его аналогичны характеристикам двигателей постоянного тока со сметанным возбуждением (рпс.8).

Построены электромеханические характеристики системы, то есть зависимости скорости вращения ротора от входного тока коммутатора при атЮ. Показано, что при постоянной нагрузке, частота скольжения определяет величину входного тока. Таким образом, при определенном подборе частоты скольжения двигатель может работать по такой электромеханической характеристике, при которой потери будут минимальными, а коэффициент полезного действия максимальным.

Построенные электромеханические характеристики позволяют судить об электрических и тепловых нагрузках двигателя, они были использованы для выбора аппаратуры коммутатора.

Для сверхпроводящих УЭМС-БДПТ с синхронным вращением ротора с криотронным коммутатором построены зависимости момента двиг ателя от входного тока коммутатора, расчитанная по выражению (22) при различных значениях угла опережения открывания коммутатора р5.

M.-^XÍi'iTosP. (22)

Построены зависимости скорости вращения ротора от входного тока коммутатора i' при различных значениях угла опережения открывания коммутатора, рассчитанная по формуле (23) (рис.9,б)

со„ =

и -^м» 9д/з"

(23)

Механические характеристики двигателя построены по формуле (24) (рис.9,а).

СО., =7

2 г.

2л

вн

А'2 .9 ]Т'К.

М,

и --

РСобР,

(24)

V У

Статические характеристики являются линейными, угол наклона которых зависит от угла опережения открывания коммутатора (3., который является функцией абсолютной частоты скольжения / Механические характеристики аналогичны характеристикам двигателей постоянного тока.

Сверхпроводящая УЭМСБД11Т обладает хорошими регулировочными характеристиками момента и скорости вращения, причем регулирование этих величин можно осуществить регулированием тока ротора путем изменения величины абсолютной частоты скольжения и путем изменения угла опережения открывания коммутатора

Р.- "

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ составлены программы решения системы дифференциальных уравнений (15), (16), (17), описывающих переходные электромеханические процессы в УЭМСБДПТ с транзисторным, тиристорным и крнотронным коммутаторами с учетом законов регулирования и проведены комплексные расчеты переходных электромеханических режимов в разных законах управления.

Построены зависимости токов, моментов, скорости вращения ротора и абсолютной частоты скольжения от времени.

Исследуются динамические свойства объекта регулирования и устанавливается связь между качеством переходных процессов н структурой законов автоматического регулирования систем (рис. 10-МЗ).

На основе проведенных исследований формулируются требования

асинхронным вращением ротора с тпрпсториым коммутатором при регулировании частоты скольжении (а^О, и'( -0,16).

УЭМСБДПТ с асинхронно-синхронным вращением ротора с крпот-

рпппмм коммутатором.

к рациональной структуре законов регулирования. которая обеспечивала бы необходимое качество переходных процессов.

Исследована устойчивость УЭМСЬДПТ при малых моментах сопротивления и показано, что обеспечение устойчивости работтл систем достигается при снижении абсолютной угловой частоты скольжения пропорцнанально угловой частоте вращения ротора, что приводит соответственно к снижению избыточного момента при увеличении скорости двигателя.

Исследован режим прерывистого тока в УЭМС-БДПТ с асинхронным вращением ротора с тиристорным коммутатором. В рассматриваемом режиме длительность интервалов прерывистого тока 1 = 15х2л, что составляет 30°о длительности рассматриваемого переходного процесса ^=50.\2я); амплитуда скорости ротора изменяется от 0.75 до 0,4. Скорость двигателя представляется как непрерывная функция времени, и в среднем двигатель преодолевает момент нагрузки. В режиме прерывистого тока двигатель не потребляет от сети мощность. Работа двигателя в рассматриваемых режимах допускается в том случае, когда не требуется высокая стабилизация скорости.

Во избежание режима прерывистого тока необходимо включение второго тирпсторного моста, работающего в режиме ведомого инвертора (ВИ) (рис.2). ВИ при нормальной работе блокирован и открывается в режиме рекуперации, когда ток статора в цепи постоянного тока изменяет свое направление. При введении ВИ качество переходных процессов существенно улучшается и достигается высокая стабилизация скорости. Длительность срабатывания ВИ в режиме прерывистого тока 1= 1,5x27г.

В ПЯТОЙ ГЛАВЕ проведен расчет коммутационных процессов в УЭМС-БДПТ с асинхронным вращением ротора с тнристорнымп полупроводниковыми переключателями по метод)- мгновенных значений переменных. Учитываются все параметры коммутационного контура в цени двигателя, что дает возможность исследовать коммутационные процессы, как в установившихся, гак и в переходных режимах. Уравнения коммутационных процессов даны для сложных несимметричных режимов при одновременной работе любого количества фаз.

Получены выражения токов статора п ротора двигателя во вне-коммутационном н коммутационном процессе, которые позволяют

сОр 0,5

0,4 -40 / гуФ)

0,2 -2,0 / \т //VПг(Ь)

0 0 {¿»'^ 1 ГТ^ ' Ь

^ \1Рф)

-2,0

Рис.11. Расчетные характеристики пуска УЭМС13ДПТ с асинхронным крашеиием ротора с тпристориым коммутатором при постоянной частоте скольжс-пня («,, = 0,08; а = О. =0,128; Ь = 2,5;и;, =0,513; М„ =0).

Рис. 12. Расчетные характеристики пуска УЭМСБДПТ с асинхронным вращением ротора с тиристор! 1ым коммутатором при регулировании частоты скольжения (со,, = 0,08; а = 0,114; и", =0,12 Ь = 2,5; ц, = 0,513;

М„=0).

Рис,13. Расчетные характеристики пуска сверхпроводящей УЭМСБДПТ с аенпхрошю-еннхропным вращением ротора с крнотронным коммутатором (и' = 0,513; со,, = 0,08; а = 0,114; М „ = 0,75).

оценивать характер изменения токов в каждом отдельном шпервале времени по мгновенным значениям величии.

Определена длительное! >, всего коммутационного процесса. Получены расчетные формулы для определения параметром коммутирующих элементов с таким расчетом, чтобы величина длите.ид 1 осп 1 всего коммутационного процесса пе достигала значении, соизмеримых с длительностью внекоммутацпонпого интервала. Лапа зависимость угла коммутации от параметров двигателя, от начальных значении токов и от входного тока двигателя.

В ШЕСТОП ГЛАВЕ приведены экспериментальные исследования УЭМСБДПТ, которые проводились на ряде лабораторных моделей, созданных в лаборатории промышленной электроэнергетики и криогенной электротехники ЭН]111, а им.Г.М.Кржпжаповского г.Москва, на кафедре электрических станции и систем Грузинского технического университета и на опытно-промышленной установке Ткварчел ГРЭС.

Исследованы УЭМСБДПТ с асинхронным вращением ротора с транзисторным п тпристорным коммутаторами в качестве электропривода пылепптателеи.

Преимущества новых электроприводов по сравнении) с электроприводом постоянного тока позволяют рекомендовать их для применения в системе собственных нужд электростанции. Внедрение разработанной УЭМСБДПТ в качестве электроприводов пыленптателен существенно улучшает режим работы котлоагрегата. вследствие снижения расхода топлива.

Исследован криотрон осеснмметричной конструкции без ферромагнитного сердечника с внешним замкнутым сверхпроводящим экраном. Предлагаемые конструкции крпотронов с повышенной мощностью н быстродействием позволяют построить сверхпроводящие преобразователи рода тока энергетического назначения, они найдут практическое применение для создания сверхпроводящей управляемой электромеханической системы.

Эксперименты, изложенные в данной работе, проведенные в лабораториях п на ГРЭС г.'Гкварчелп, показали хорошее совпадение с расчетными данными и подтвердили обоснованность принятых допущений при разработке-теории УЭМСБДПТ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему.

1. На основе комплексных, исследований электромагнитных и электромеханических процессов в УЭМСБДПТ с асинхронным вращением ротора осуществлено теоретическое обобщение и решение крупной научной проблемы, заключающейся в обосновании принципов построения схем УЭМСБДПТ, в разработке методик расчета и анализе электромагнитных и электромеханических процессов, в синтезировании структурной схемы управления без датчика скорости и с датчиком скорости, что позволило реализовать УЭМСБДПТ с асинхронным вращением ротора с транзисторным, тиристорпым и криогронным коммутаторами, обладающий высокими техническими показателями и имеющие важное народнохозяйственное значение.

2. Разработаны новые рациональные законы и устройство для управления электромеханических систем с бесконтактным двигателем постоянного тока, в котором в качестве параметров управления выбраны абсолютное скольжение двигателя (ш5) и напряжение в звене постоянного тока (ис). Реализация таких законов управления позволяет создание по существу нового класса УЭМСБДПТ с заранее заданными статическими характеристиками и динамическими свойствами.

3. Разработаны схемы УЭМСБДПТ с асинхронным вращением ротора: с транзисторным коммутатором без датчика скорости для электропривода пылепитателя мощностью 2,2 кВт и с тиристорпым коммутатором с датчиком скорости для электропривода многоцелевого назначения мощностью 7,0 кВт.

Разработана элементная база для создания мощной сверхпроводящей УЭМСБДПТ с крнотроииым коммутатором. Предложены новые схемы: управляемых сверхпроводящих иереключателей-криотронов, управляемых сверхпроводящих выпрямителей и коммутаторов, устройство для заниткн постоянным током сверхпроводящих магнитных систем, сверхпроводящая электрическая машина постоянного тока и сверхпроводящая УЭМСБДПТ с криогронным коммутатором с асинхронно-синхронным вращением ротора.

4. Разработай метод для исследования режимов работы ■УЭМСБДПТ па основе применения усредненных значений величин

в сочетании с комплексным преобразованием переменных с учетом законов регулирования. При этом существенно упрощаются вычисления, а решение можно получить в общем виде для огибающей но усредненным значениям величины внутри временного интервала.

5. На основе предложенного метода выведены общие уравнения переходных процессов УЭМСБДПТ. Как частный случаи, из этих общих уравнений получены уравнения УЭМСБДПТ с асинхронным вращением ротора с транзисторным, тнрпсториым и криотронпым коммутаторами, которые позволяют рассчитывать различные электромеханические переходные процессы (нуск, наброс и сброс нагрузки, торможение, реверс и т.д.).

Составлены алгоритмы для расчета пусковых электромеханических переходных процессов па ЭВМ по усредненным значениям переменных, которые позволяют оценивать влияние параметров обратных связей и нагрузки в качестве переходного процесса.

6. Получены уравнения стационарного режима по усредненным значениям переменных с учетом законов регулирования УЭМСБДПТ с асинхронным вращением ротора с транзисторным, тирнсторпым и крнотроиным коммутаторами, которые позволяют определить выражения токов, мощностей и моментов.

Определены выражения тока на входе коммутатора, мощность магнитного поля, электромагнитного момента и максимального пускового момента. Из этих выражений видно, что они кроме параметров двигателя зависят от скорости вращения ротора, от частоты скольжения и от коэффициента регулирования скольжения.

7. По полученным выражениям построены механические, скоростные п регулировочные характеристики, для различных значений параметров управления.

Как экспериментально, так и теоретически показано, что система без контура обратной связи по абсолютной частоте скольжения имеет механические характеристики, подобные характеристикам двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением.

При добавлении контура обратной связи по абсолютной частоте скольжения двигатель обеспечивает работу при холостом ходе и механические характеристики его аналогичны характеристикам двигателей постоянного тока со смешанным возбуждением.

8. Построены электромеханические характеристики УЭМСБДПТ. Показано, что при постоянной нагрузке частота скольжения определяет

величину входного тока. Таким образом, при определенном подборе частоты скольжения двигатель можег работать по такой электромеханической характеристике, при которой гююрн будут минимальными, а коэффициент полезного действия максимальным. Электромеханические характеристики позволяют судить об электрических и тепловых нагрузках двигателя, они были использованы для выбора аппаратуры коммутатора.

9. Показано, что сверхпроводящая УЭМСБДПТ с асинхронно-синхронным вращением ротора с крпотронным коммутатором обладает хорошими регулировочными характеристиками момента и скорости вращения, причем регулирование этих величин можно осуществить следующими способами: регулпваннем напряжения па входе коммутатора, регулированием тока ротора путем изменения величины абсолютной частоты скольжения и путем изменения угла опережения открывания коммутатора. Механические характеристики аналогичны характеристикам двигателей постоянного тока.

10. Составлены программы решения системы дифференциальных уравнении, описывающих переходные электромагнитные и электромеханические процессы в УЭМСБДПТ с асинхронным вращением ротора с транзисторным, тиристорным и крпотронным коммутаторами с учетом законов регулирования.

Проведены комплексные расчеты переходных электромагнитных н электромеханических режимов работа УЭМСБДПТ с асинхронным вращением ротора с транзисторным, тнрнсторным и крпотронным коммутаторами в разных законах регулирования и построены зависимости токов, моментов, скорости вращения ротора и абсолютной частоты скольжения от времени.

11. Исследуются динамические свойства объекта регулирования и устанавливается связь между качеством переходных процессов п структурой законов автоматического регулирования систем. На основе проведенных исследований формулируются требования к рацпональ-ной структуре законов автоматического регулирования, которые обеспечивали бы необходимое качество переходных процессов.

12. Но мгновенным значениям переменных выведены уравнения коммутационных процессов для сложных несимметричных режимов при одновременной работе' любого количества фаз. Получены выражения токов статора и ротора двигателя во внекоммутацпопном н коммутационном процессе, которые позволяют оценивать характер

изменения токов в каждом отдельном интервале времени по мгновенным знамениям величин.

Определена дли тельность всего коммутационного процесса. Получены расчетные формулы для определения параметров коммутирующих элементов с таким расчетом, чтобы величина длительности всего комутацнонного процесса не достигала значении соизмеримых с длительностью внекоммутацпонного интервала.

Дана зависимость угла коммутации от параметров двигателя, от начальных значений токов и от входного тока коммутатора.

13. Приведены экспериментальные исследования УЭМСБДП'Г, которые проводились на ряде лабораторных моделей, созданных в лаборатории промышленной электроэнергетики и криогенной электротехники ЭПИП, а им.Г.М.Кржижановского г.Москва, на кафедре электрических станций и систем Грузинского технического университета п на опытно-промышленной установке Ткварчел ГРЭС.

Исследованы УЭМСБДП'Г с асинхронным вращением ротора с транзисторным и тнрпсторным коммутаторами в качестве электроприводов нылеиптателен. Преимущества новых электроприводов по сравнению с электроприводом постоянного тока позволяют рекомендовать для применения в системе собственных нужд электростанций. Внедрение разработанной УЭМСБДПТ в качестве электроприводов пылегштателсн теплоэлектростанций существенно улучшает режим работы котлоагрегата вследствие снижения расхода топлива.

14. Исследован криогрон осесимметрпчноп конструкции без ферромагнитного сердечника с внешним замкнутым сверхпроводящим экраном. Предлагаемые конструкции крпотропов с повышенной мощностью п быстродействием позволяют построить сверхпроводящие преобразователи рода тока энергетиче ского назначения, они найдут практическое применение для создания сверхпроводящей управляемом a i ектромеха! 111 ческой ci ici ем ы.

Эксперименты, проведенные в лабораториях п на ГРЭС г.Тква-рчелп, показали хорошее совпадение с расчетными данными и подтвердили обоснованность принятых допущений при разработке теории УЭМСБДПТ, изложенной в данной работе.

Основное содержание, диссертации опубликовано в следующих работах

1. ЛушдзеШ.И., КохреидзеТ.К., Кохрепдзе Д.К., КутателадзеЭ. 111. Бесконтактные электрические двигатели постоянного тока. Сабчота Сакартвело, Т.. 1986, 203 с.

2. ЛутндзсШ.И., КохреидзеТ.К. Переходные электромеханические процессы в ре1улпруемых асинхронных двигателях. ГШ1, Т., 1988, 66 с.

3. Лутидзе Ш.П., Кохрепдзе Т.К. Исследование динамики бесконтактного двигателя постоянного тока при автоматическом регулировании скорости. Электричество, 1978, N 10, с.78-81.

А. Лутидзе Ш.И., Кохреидзе Т.К. Исследование характеристик бесконтактного двигателя постоянного тока при автоматическом регулировании скорости. Изв. ЛИ СССР Энергетика и гран-спорт, 1976, N4. с. 59-64.

5. Лутидзе III.И., Кохрепдзе Т.К. Режим прерывистого тока в регулируемом асинхронном двигателе. Изв. АН СССР Энергетика п транспорт, 1989, N4,0.172-175.

6. ЛутндзсШ.И , КохреидзеТ.К. Статические характеристики в системе инвертор тока-аспнхропный двигатель. РЖ Электротехника и энергетика, 1976, N И), реф. 10К85.

7. Лутидзе Ш.П., КохреидзеТ.К. Исследование динамических процессов в двппп еле постоянного тока с полупроводниковым коммутатором. Сб.Докладов Всесоюзной научно-технической конференции. Современные задачи преобразовательной техники. Киев, 4.2,

1975, с. 114-120.

8. Лутидзе IJI.1I., КохреидзеТ.К.. Кохрепдзе Д.К., Зависимость между углами |) в синхронной машине с управляемым полупроводниковым коммутатором. РЖ Электротехника п энергетика.

1976, М11.реф.ПИ120.

9. Лутидзе 111.11., Кохрепдзе Т.К., Кохрепдзе Г.К. Уравнения электромагнитных процессов в статическом преобразователе постоянного напряжения в постоянное. Библ. указатель В11НИТ11, Деп. Рукописи. 1979. N5(79). с.85.

10. Лутндзе III.И., КохропдзеТ.К.. Кохреидзе Г.К. Выбор параметров коммутирующих элементов в преобразователе постоянного напряжения в постоянное. Библ. указатель ВИНИТИ, Леи. рукописи, 1978, N5 (79) с.85.

11. Лутндзе 111.И., Лагвплава Ю.И., КохреидзеТ.К. Установившийся ток статора погружных электрических двигателей при асспметрпп обмоток рогора. Библ. указатель ВИНИТИ, Деп. рукописи. 1978, N5(79) с.85.

12. Лутндзе Ш.И., Лагвплава Ю.И., Кохреидзе Т.К. Решение уравнений переходных процессов симметричных погружных электрических двигателей. Библ. указатель ВИНИТИ. Дел. Рукописи, 1978, N5(79)с.8б.

13. Лутндзе III.И., Лаг вплава Ю.И., Кохреидзе Т.К. Исследование электромеханических переходных процессов в погружном электродвигателе при асспметрпп ротора. Электричество. 1980, N 5, с.64-67.

14. Кохреидзе Т.К., БлохппЛ.И., ДжафаровЭ.Л. Определение величин индуктивности, коэффициента рассеяния сверхпроводящего тороидального трансформатора без ферромагнитного сердечника. Библ. указатель ВИНИТИ, Деп.рук. 1979. N2(88) с.66.

15. Кохреидзе Т.К., Блохин А.И., Некоторые динамические характеристики бесконтактного двигателя постоянного тока. РЖ Электротехника и энергетика, 1977, N6. реф. GKI05. 7 с.

16. Кохреидзе Т.К., Блохин А.П. Управление бесконтактного двигателя постоянного тока. РЖ Электротехника и энергетика, 1976, N10,7 с.

17. Кохреидзе Т.К., Кохреидзе Д.К. Расчет переходного процесса в неявнонолюсной синхронной машине с полупроводниковым коммутатором. РЖ Элетротехнпка и энергетика. 1976, N10. реф. 10И220.

18. Кохреидзе Т. К., Жогленко В.И. Функциональный преобразователь для управления электпрпводом с вентильным коммутатором. Сб. статей, Нефть и газ, МИНХ и ГП им.Губкина. М., 1976, с.236.

19. Кохреидзе Т.К., Лежава К.В. Регулируемый бесконтактный асинхронный электропривод пылепнтеля. Бпбт.указ.ВИНИТИ, Деп.научные работы, М., 1989, N3.c. 159.

20. Кохреидзе Т.К., Лежава К.В. Механические и скоростные характеристики регулируемого бесконтактного асинхронного электро-прнвода нылепптателя. Ден. в БИВУ, ГКНТ ГССР, 1988, N422-Г88, 12 с.

21. Кохреидзе Т.К., Лежава К.В. Математическая модель управляемых электромеханических систем с бесконтактным асинхронным двигателем. Тез. докл. Всесоюзн. конф. Современные проблемы электромеханики. М., 1989, Ч.2с.42.

22. Кохреидзе Т.К., Курцикпдзе Д.Г. Математическая модель управляемых электромеханических систем с асинхронным двигателем с фазным ротором. Тез.докл.Всесоюз.конф. Современные проблемы электромеханики. М., 1989, Ч. 2, с.43.

23. Кохреидзе Т.К. Устойчивость регулируемого бесконтактного асинхронного двигателя при малых моментах сопротивления. Электричество, 1990, N6, с.70-73.

24. Кохреидзе Т.К. Исследование стационарных режимов бесконтактного двигателя постоянного тока с полуппроводнпковым коммутатором. Сб. докладов второй Всесоюзной конференции по бесконтактным машинам постоянного тока. М., 1977, с.116-121.

25. Кохреидзе Т.К. Режим прерывистых токов в бесконтактном двигателе постоянного тока. Деп. в Информэлектро, N 139-Д /80, М., 1980, 12 с.

26. Кохреидзе Т. К. Исследование переходных процессов в статическом преобразователе постоянного напряжения в переменное. Деп. в Информатектро N 140-Д/80, М., 1980,13 с.

27. Кохреидзе Т.К. Определение величины индуктивности сглаживающего дросселя для бесконтактного двигателя постоянного тока при автоматическом регулировании скорости. Библ. указатель ВИНИТИ, Деп.рук., 1979, N5(91)с.98.

28. Кохреидзе Т. К. Установившиеся и переходные процессы в бесконтактном двигателе постоянного тока. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. тех.наук. МЭИ, М., 1979. 19 с.

29. Кохреидзе Т. К. Расчетные характеристики бесконтактного двигателя постоянного тока. Библ.указатель ВИНИТИ, Деп.рук., 1978, N3(77), с. 145.

,'Jt) КохрепдзеТ К. Уравнения переходных процессор, некоторых схем включения трехфазных асинхронных двигателей в однофазную сеть. РЖ Электротехника и энергетика, 1975, N9. реф.9М25.

31. Кохреидзе Т.К Принципы математического описания \Ч1равл немых электромеханических систем с машинами постоянного тока. Научные труды ГНИ, Вклад ученых ВУЗа в ускорение научно-технического прогресса. 1989, с.17.

32. Кохреидзе Т. К. 11сследованпе н разработка элект ромеханпчеекпх устройств, коммутации оптических каналов. Тез.докл.научно-тех-ипчеекпх конференции про(|ххторско-преподатте.тьского состава, ГГУ., 1993,<-.

33. Кохреидзе Т. К. 11сследование п разработка регулируемых бесконтактных асинхронных электроприводов. Тез. докл. научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, ПУ. 1993, с.

34. Кохреидзе Т.К. 1 кследованпе принципов создания бесконтактных сверхпроводящих электрических двигателей постоянного тока. Тез. долк. научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, ГТУ, 1993. с.

35. A.c. 609199 (СССР). Устройство для управления бесконтактным асинхронным двигателем. 111.1! Лутпдзе, Т.К Кохреидзе, В.И.Чурспн. Опубл. в Б.П., 1978, N 20. с. 151.

36. A.c. 980585 (СССР). Электрическая машина постоянного тока. IIJ .11. Лутпдзе, Т.К.Кохреидзе, O.K.Маглаперпдзе, В.Е.11гпатов, О.В.Дудкевпч, В.Л.Петри, В.П.Фпалков, 1982.8с.

37. A.c. 952059 (СССР). Устройство для заппгкп постоянным током сверхпроводящих магнитных систем. Ш.П.Лутидзе, Т. К. Кохреидзе, В.Е.Игнатов. 1982. 5 с.

38. A.c. 766520 (СССР). Многофазный сверхпроводящий коммутатор. II].И.Лутпдзе, Т.К.Кохреидзе. О.К.Маглаперпдзе, А. В.Туганов. 1980. 8 с.

39. A.c. 982474 (СССР). Устройство для передачи электрической энергии переменного тока в сверхпроводящий кабель постоянного тока. III.П.Лутпдзе, Т.К.Кохреидзе, О.К Маглаперпдзе. 1982.7 с.

40. A.c. 984377 (СССР). Устройство для передачи электрической

энергии переменного тока и сверхпроводящий кабель постоянного тока. Ш.И.Лутидзе, Т.К.Кохреидзе, О.К.Маглаперпдзе, A.B. Ту-ганов. 1982. 8 с.

41. A.c. 728612 (СССР). Крнотрон. Ш.И.Лугндзе, Т.К.Кохреидзе, О.К.Маглаперпдзе. 1979. 7 с.

42. A.c. 795361 (СССР). Крнотрон. Ш.И.Лутидзе, Т.К.Кохреидзе. 1980.6 с.

Л ИЧ НЫ Й ВКЛАД АВТОРА

Работы [1 (с.22-24, с.70-93, с. 158-175), 2 (с.4-64), 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31,32, 33, 34] - написаны лично автором.

В работах, выполненных в соавторстве, автору принадлежит: постановка научной проблемы, пути и методы ее решения, теоретический анализ результатов [3-18|, анализ принципов построения п областей применения [19-22]. в изобретениях [35-42] отмечен равный вклад авторов.

ABSTRACT

New modes of controlled electromechanical systems with contactless D.C. engine and asynchronous rotar rotation with a transistor, thyristor and cry otron commutators, as well as the methods of calculations and the results of examination of the system in steady and transient electromechanical conditions are being observed in the thesis.

Chapter one gives the principles and control units of the system. Absolute slip of the engine nnd voltage in D.C. link carry the functions of the actuating error. Schemes of the system with a transistor, thyristor and cryotron commutators arc also given.

Chapter two reveals the methods of analy sis of the system conditions on the basis of application of averaged value quantity in conjunction with a complex-conversion of variables subject to new integral control. The general equations oftransients of the system as well as the equations of the system with a transistor. thyristor and cryotron commutators are derived. Algorithms for the calculation of starting electromechanical transients are developed by means of computers.

Chapter three gives the equations of stationary condition with the help of averaged value of variables taking into consideration the integral control of the system with a transistor, thyristor and cryotron commutators. The expressions for current value, magnetic field power and clcctromagnctic moment power are defined. The characteristics for different values of control parameters are given. The obtained characteristics are similar to the D.C. engine characteristics.

Chapter four shows the programs for solving of equations of transient elcc-tromcchanical processes of the system with a transistor, thyristor and cryotron commutators subjeel to new regulation principles. The calculations of transient electromechanical conditions and their characteristics are carried out. The dinainical properties of regulation are observed and the contact between ado quality of transient conditions and integral control of the system arc established.

Chapter five gives the calculations of commutation processes in the system with a thyristor according to the method based on instantaneous value of variables. The formulae that define the parameters of communication elements are defined.

Chapter six gives the experimental investigations of the system that were carried out under laboratory conditions in pilot commercial plant. The experimental results are fully met with the calculated data . This is a beneficial ground for the assumptions made in the thesis.

ХУЛАСЭ

Днссертасщ'а нппщцэ ротору аснхроы фырланан транзистор, тиристор вэ крнотрон коммутаторлу идароолупап контаксыз сабит чepojaн муЬэррикли елсктро механики системлорип (ИКСЧМЕМС) ]ени типлорнно бахылыр. Ишдо ИКСЧМЕМС -ни горарлаямыш во кечид режимлэршшн Ьссабат усУллЧ>ы вэ тедгиг олупма . иатичолори косторнлмяшднр.

I фосилдо ид ар а етмо парамстрлэри олараг сабит чэрэ]'ан мангасында коркишшк вэ муЬоррнкии мушог суруишаеи квтурмшелэ КСЧМЕМС-ин вдарэ едшшв гануилары вэ гургусу верклмипщир. Транзистор, тиристор вэ крнотрон коммутаторлу ИКСЧМЕМС-ин схсми ишлэнмишдир.

II фосилдо ]ени тонзим ганупларшш нэзере алмагла дэдонмэлэрин комплех чсврнлмэси иле ]анапгы кэмицэтлврин орта гщмэхлэрншш тотбиги эсасында ИКСЧМЕМС-ин режимлэрипип Ьесабат усулу жтлшшшпдир. Транзистор, тиристор во крнотрон коммутатор лу ИКСЧМЕМС -ни топлиглэрп алынмышдыр. Ипга бурахылма слектромеханихн кечид просеслэришга ЕКМ -да Ьесабаты учуй алгоритм тэртиб олуымушдур.

III фвеилдэ транзистор, тристор вэ жриотрон коммутатору ИКСЧМЕМС - ни тонзим еднлмэ гапуплары пэзэрэ алынмагла Д'^'шпашгарил орта гщмэтлэрннэ к.ерэ стасиоиар режимин тэнлнклори альшмшндыр. Чэрэ]ан, магнит саЬпснтш кучу вэ слежлромапшт моментиншт нфадолорн то''рш едшшишднр. Идарэ олуима параметрлоришщ мухтэлиф гщмэтлэрн учуй характеристнкалар сабит моргал муЬиррикнннн характеристик аларыпа охгаарлыгм ташылмышдыр.

IV фесилдэ ]еии тонзим гапуплары позора алынмагла транзистор, тристор вэ крпотроп коммутатору ИКСЧМЕМС-ин електромехаиихи кечид просеслэрн тэнликлэрипнп комплекс Ьесабаты апарылммш во Ьссабы характеристик алар гурушлмушдур. Тонзим олунманып динамик хусуси^отлорн тодгаг олунур вэ кечид про се с лоршшд хефицэш ялэ системдн тешим олупма гапуплары структуру арасьшда влаго japaдылыp. V фэеялдэ дэjишэнлэpип ани гщмэтлэрн усупу нлэ тристор коммутатору ИКСЧМЕМС - да коммутасща проссслэришш Ьесабаты аларылмышдыр. Коммутасща елсмсшлэршшн параметрлершшн Ьесабат дустурлары алынмышдыр.

VI фоснлду лабороторща моделлэри вэ тэчрубэ - сэна]э гургусу узорнВД® ИКСЧМЕМС - шш експернмептал тэдгаги анарылмьшщыр. Експеримснтлэр Ьссабы характеристик ал арла уст - усто кушур кн, бу дэ бу диссертасща ншппдэ бахылан нэзэрицэдэ бурахылмьпп садэлэпщирмолэрян осаслы олдутуну кесторнр.