автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Вличние третьих гармоник напряжения, тока и магнитного потока на электромагнитные процессы в автогенераторных электромеханотронных системах

Л / - • ' Л / / ■ ■ X

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

Казанский ордена Трудового Красного Знамени государственный технологический университет

На правах рукописи

МАКАРОВ ВАЛЕРИЙ ГЕННАДЬЕВИЧ

ВЛИЯНИЕ ТРЕТЬИХ ГАРМОНИК НАПРЯЖЕНИЯ, ТОКА И МАГНИТНОГО ПОТОКА НА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В АВТОГЕНЕРАТОРНЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНОТРОННЫХ СИСТЕМАХ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и

системы, включая их управление и регулирование

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Л.Я. Зиннер

Научный консультант - кандидат технических наук, доцент Г.Ф. Кропачев

Казань 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение........................................................4

Глава первая. Состояние вопроса и постановка задачи исследования...................................................11

1.1. Вопросы разработки автогенераторных ЭМТС.............11

1.2. Методы теоретического анализа........................41

1.3. Выводы...............................................51

Глава вторая. Математическая модель силовой части

магнитно-транзисторного инвертора..............................53

2.1. Разработка математической модели о^бщенного преобразователя.................................53

2.2. Математическая модель силовой части трехфазного магнитно-транзисторного

инвертора с учетом нелинейностей.....................75

2.3. Выводы...................................,............85

Глава третья. Разработка, проектирование и исследование схем магнитно-транзисторных инверторов, их сравнительный анализ.....86

3.1. Трехфазный самовозбуждающийся инвертор...............86

3.2. Анализ электромагнитных процессов в трехфазном самовозбуждающемся инверторе на трехстержневом трансформаторе.......................................88

3.3. Трехфазный самовозбуждающийся инвертор с третьей гармоникой напряжения................................95

3.4. Методика проектирования трехфазного самовозбуждающегося инвертора на

трехстержневом трансформаторе........................99

3.5. Численная модель для расчета на ПЭВМ................112

3.6. Сравнительный анализ схем трехфазных самовозбуждающихся инверторов.......................119

3.7. Выводы..............................................129

Глава четвертая. Вопросы экспериментального исследования автогенераторных ЭМТС.........................................131

4.1. Описание экспериментальной установки................131

4.2. Влияние несимметрии магнитной системы на электромагнитные процессы в МТИ.....................132

4.3. Влияние вольтодобавочного трансформатора на электромагнитные процессы в МТИ.....................139

4.4. Сравнительный анализ результатов экспериментального

и теоретического исследования.......................153

4.5. Анализ технического уровня автогенераторных ЭМТС____159

4.6. Выводы..............................................160

Заключение....................................................162

Список использованных источников..............................166

Приложение 1. Конструктивный расчет преобразователей..........175

Приложение 2. Программа по моделированию силовой части

МТИ на трехстержневом трансформаторе с ВТ.......203

Приложение 3. Сведения о внедрении............................210

ВВЕДЕНИЕ

Электромеханотронные системы (ЭУТС) малой мощности с транзисторными преобразователями и высокоскоростными асинхронными двигателями (АД) получают в последние годы все большее практическое применение. Подобные ЭМТС отличаются высокими энергетическими показателями, малыми габаритами и массой, стабильностью характеристик /1, 2/.

Особое значение ЭМТС с высокоскоростными АД и транзисторными преобразователями приобретают при использовании их в установках с автономными источниками постоянного тока (аккумуляторы, солнечные батареи, топливные элементы и др.) ив нестационарных объектах (электромобили, космические объекты, летательные аппараты, специальные робототехнические комплексы и др.), в которых особенно остро стоит и сложно решается проблема минимизации расхода энергоресурсов и снижения массо-габаритных показателей /1/.

Анализ таких систем показывает, что определенные преимущества имеет ЭМТС, содержащая асинхронный короткозамкнутый двигатель (АКД) и транзисторный преобразователь, выполненный по принципу автономного инвертора напряжения (АИН). Один из вариантов построения АИН - создание самовозбуждающегося магнитно-транзисторного инвертора (МТИ). Здесь и далее условимся называть подобные ЭМТС автогенераторными.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Применение магнитно-транзисторных инверторов позволяет строить автогенераторные ЭМТС, отвечающие требованиям высокого КПД и коэффициента мощности, малых габаритов и массы, стабильности характеристик. Наибольший интерес представляют трехфазные мостовые МТИ при 180 градусном управлении транзис-

торами. Так в МТИ на групповом трансформаторе /3/ для обеспечения синхронизации фаз вводится трехфазная синхронизирующая обмотка, включенная последовательно и согласно с трехфазной первичной обмоткой. Это приводит к возникновению третьих гармоник в кривых магнитных потоков, вследствие чего третьи гармоники содержатся в кривых фазных напряжений инвертора. Третьи гармоники, содержащиеся в кривой напряжения, повышают потери в стали и снижают КПД инвертора. В связи с этим возникает проблема подавления третьих гармоник в кривых фазных напряжений и магнитных потоков.

От выбора магнитной системы трансформатора в трехфазном МТИ зависят КПД, вес и габариты инвертора, а от способа соединения обмоток - наличие или отсутствие третьей гармоники в кривой магнитного потока. Применение трехстержневого трансформатора при соединении обмоток в звезду позволяет значительно ослабить третьи гармоники магнитного потока, которые во всех трех стержнях выступают из сердечника и замыкаются от ярма к ярму через воздух, а также через крепежные детали. Вследствие этого возникают дополнительные потери на вихревые токи. Однако, применение нейтрального провода позволяет уменьшить эти потери за счет образования контура для третьих гармоник тока. Следует отметить, что в сравнении с групповым трехстержневой трансформатор имеет меньшие массу и габариты.

Таким образом, проблема третьих гармоник напряжения, тока и магнитного потока тесно связана с энергетическими и массо-габаритными показателями, а также с проблемой синхронизации фаз.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: создание трехфазных МТИ на трехстержневом трансформаторе, предназначенных для работы в составе автогенераторных ЭМТС, применение которых позволяет подавить третьи гармоники напряжения и магнитного потока.

ЗАДАЧА ИССЛЕДОВАНИЯ: разработка, теоретический и экспериментальный анализ схем автогенераторных ЗМТС.

В соответствии с поставленной задачей в работе рассматриваются следующие вопросы:

- разработка математической модели силовой части трехфазного

МТИ;

- анализ с помощью построенной модели влияния третьих гармоник тока, магнитного потока и напряжения на электромагнитные процессы;

- определение способов подавления третьих гармоник в кривых фазных напряжений и магнитных потоков;

- разработка схем, конструкции и методики проектирования МТИ, применение которых позволяет подавить третьи гармоники напряжения и магнитного потока;

- экспериментальное исследование схем трехфазных МТИ, работающих в составе автогенераторных ЭМТС.

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Исследование автогенераторных ЭМТС включает в себя качественный анализ с помощью аналитических методов, численный расчет на ПЭВМ и эксперимент. В основу аналитических исследований положен математический аппарат теории графов, матричная алгебра. Численное исследование осуществлено на ПЭВМ с процессором Реп1лщ1-1б6 ММХ. Точность результатов численного расчета оценивается с помощью экспериментальных исследований, которые иллюстрируются осциллограммами токов и напряжений, а

также рабочими характеристиками автогенераторных ЭМТС.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА представлена следующими результатами:

- на основании теории графов разработана математическая модель обобщенного трехфазного преобразователя, позволяющая исследовать различные типы инверторов;

- с учетом нелинейностей записаны дифференциальные уравнения, позволяющие анализировать электромагнитные процессы в трехфазном МТИ на трехстержневом трансформаторе;

- с помощью численной модели проведено исследование различных схем МТИ, а также количественный и качественный анализ электромагнитных процессов;

- проведен сравнительный анализ результатов численного и экспериментального исследования, разработаны практические рекомендации, реализованные в опытных образцах.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ состоит в следующем:

- разработаны схемы и конструкции МТИ, предназначенных для работы в высокоскоростном электроприводе малой мощности;

- на основании теоретических методов, изложенных в данной работе, проведен расчет электромагнитных процессов в силовой части трехфазного МТИ на трехстержневом трансформаторе;

- разработана методика исследования электромагнитных процессов в силовой части трехфазного МТИ на трехстержневом трансформаторе с помощью численной модели;

- по результатам теоретических и экспериментальных исследований спроектированы, изготовлены и испытаны макетные образцы автогенераторных ЭМТС мощностью 90 Вт, проведен анализ их технического уровня.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Настоящая диссертационная ра-

бота является продолжением одного из ведущих научных направлений кафедры Электропривода и электротехники Казанского государственного технологического университета по созданию МТИ, внедренных во Всероссийском научно-исследовательском институте расходометрии, заводе точного машиностроения им. М.И. Калинина, АО "ЭКА" г. Казани. Разработанный трехфазный мостовой МТИ на трехстержневом трансформаторе предназначен для замены МТИ на групповом трансформаторе.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры Электротехники и электропривода КГТУ (КХТИ), г. Казань, 1994-1998 г.г.; научно-технической конференции "Проблемы промышленных электромеханических систем и перспективы их развития", г. Ульяновск, 1996 г.; республиканских научных конференциях "Проблемы энергетики", г. Казань, 1997, 1998 г.г.; 10-м научно-техническом семинаре "Внутрикамерные процессы в энергетических установках. Акустика, диагностика", г. Казань, 1998 г.

ПУБЛИКАЦИИ. Основное содержание работы опубликовано в пяти печатных работах.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников (90 наименований) и трех приложений. Общий объем диссертации 212 с., в том числе 116 с. машинописного текста, 40 с. иллюстраций, 9 с. таблиц, 9 с. списка использованных источников, 38 с. приложений.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ проведен анализ ЭМТС, работающих в электроприводе постоянного тока. Показаны достоинства системы трехфазный асинхронный короткозамкнутый двигатель - автономный инвертор напряжения. Рассмотрены общие вопросы построения МТИ. Обоснована ак-

туальность поставленных задач. Проведен анализ теоретических методов исследования, на основании которого для исследования автогенераторных ЭМТС предложен математический аппарат теории графов. Обоснован выбор математического аппарата.

Во ВТОРОЙ ГЛАВЕ с применением математического аппарата теории графов обоснован выбор системы независимых переменных и построено дерево графа. С учетом системы внутренних переменных построен структурный граф обобщенного трехфазного преобразователя, на основании которого записаны уравнения по первому и второму законам Кирхгофа, методу контурных токов, а также законы изменения во времени выходных напряжений инвертора. На основании уравнений обобщенного преобразователя записаны дифференциальные уравнения силовой части трехфазного МТИ с учетом нелинейностей.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ разработаны схемы и методика проектирования трехфазных МТИ на трехстержневом трансформаторе, применение которых позволяет подавить третьи гармоники напряжения и магнитного потока. С целью формирования прямоугольных управляющих напряжений в схему инвертора на трехстержневом трансформаторе вводится маломощный вольтодобавочный трансформатор.

На основании математической модели, предложенной во второй главе, создана численная модель для ПЭВМ, с помощью которой проведено моделирование электромагнитных процессов в трехфазном МТИ на трехстержневом трансформаторе. Проведен качественный анализ электромагнитных процессов, а также сравнительный анализ расхода активных материалов в инверторах на трехстержневом и групповом трансформаторах.

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА посвящена вопросам экспериментального исследования, сравнительному анализу расчетных и экспериментальных

данных, а также анализу технического уровня разработанных автогенераторных ЭМТС.

В ПРИЛОЖЕНИИ 1 приведен конструктивный расчет трехфазных самовозбуждающихся инверторов.

В ПРИЛОЖЕНИИ 2 приводится программа по моделированию силовой части трехфазного МТИ на трехстержневом трансформаторе.

В ПРИЛОЖЕНИИ 3 содержатся сведения о внедрении.

Диссертационная работа выполнена под руководством: научный руководитель - заслуженный деятель науки и техники РТ, доктор технических наук, профессор Л.Я. Зиннер; научный консультант - кандидат технических наук, доцент Г.Ф. Кропачев.

При создании численной модели большую помощь оказал кандидат технических наук И.Г. Цвенгер.

ГЛАВА ПЕРВАЯ. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Вопросы разработки автогенераторных ЗМТС

1.1.1. Задача разработки ЭМТС

Электропривод постоянного тока используется в общепромышленной, сельскохозяйственной, бытовой и специальной технике. Потребности этого электропривода удовлетворяются, в основном, за счет массового выпуска коллекторных двигателей постоянного тока (ДПТ) /4-6/. Номенклатура ДПТ, производимых в странах СНГ, включает в себя около 400 наименований машин /7/. Из них 67 % являются исполнительными, 24 % - силовыми и 9 % имеют стабилизированную частоту вращения. Образцы серий, отличающиеся наилучшими техническими показателями, представлены в табл. 1.1,

Таблица 1.1

Тип двигателя Номинальные данные Удельная мощность, Вт/кг Время гарантийной наработки, час

ин, В Рн, Вт пн, мин"1 КПД, %

ДП40-25 27 25 6000 74 50 800

ДИ-180-7,5 27 180 7500 70 40 1000

СД-75Д-7,5 27 75 7500 52 50 1000

ДПМ-ЗО-НЗ 27 6,47 9000 24 23,4 1000

ДРВ-20 27 20 10000 30 25 1000

где ин - номинальное напряжение питания; пн - номинальная частота вращения; Рн/в - удельная мощность, отношение номинальной мощности к весу машины.

Анализ этих данных показывает, что лучшие показатели по частоте вращения имеют двигатели серии ДРВ (пн=ЮООО мин-1) при низкой удельной мощности (Рн/0=25 Вт/кг) и малом КПД (т]н=30 %). Двигатели серии ДП отличаются достаточно высокими значениями удельной мощности (РНДЗ=50 Вт/кг) и КПД (т»н=74 %), однако частота вращения составляет 6000 мин-1.

Лучшие образцы коллекторных ДПТ, производимых в странах дальнего зарубежья, представлены в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Фирма-производитель , страна Шифр изделия Номинальные данные Удельная мощность, Вт/кг

Рн, Вт пн, мин 1 КПД, %

Pullin Controls (Англия) 11PM 3,6-21,6 6000 46-53 65

The Singer Company (США) 62100A 44-220 6000 68-80 63

Tanaka (Япония) PK 18-40 10000 36,4 40

Marx Luder (Германия) M 22-100 5000-10000 55 53

CIiffton Division (США) 42100А 19-31,7 12000 —•о. 63

Наиболее высокоскоростными из них являются двигатели фирмы Cliffton Division (США), развивающие частоту вращения 12000 мин-1 при диапазоне мощностей от 19,0 до 31,7 Вт. Двигатели фирмы The Singer Company (США) имеют частоту вращения 6000 мин-1 и характеризуются диапазоном мощностей от 44 до 220 Вт.

Сравнительный анализ по КПД показывает, что лучшими являются

двигатели фирмы The Singer Company (США) и образцы серий ДП, ДИ, СД (СНГ), которые превосходят двигатели фирмы Pullin Controls (Англия) и образцы серий ДПМ и ДРВ производства стран СНГ, а также двигатели фирмы Tanaka (Япония).

Сравнение по удельной мощности показывает преимущество двигателей фирмы Pullin Controls (Англия) и The Singer Company (США) и отставание двигателей серий ДП, СД, ДИ, а также фирм Marx Luder (Германия) и Tanaka (Япония).

Сравнение проводилось также по времени гарантийной наработки. Двигатели производства стран дальнего зарубежья, для которых известны данные по этому показателю, имеют время гарантийной наработки 500 часов. Лучшие образцы производства стран СНГ имеют наработку до 1000 часов (двигатели серий ДИ, СД, ДРВ).

Проведенный сравнительный анализ технического уровня ДПТ малой мощности показывает, что последние обладают низким КПД и имеют малый ресурс работы. Кроме того, область применения коллекторных машин постоянного тока ограничивается условиями эксплуатации.

В связи с этим возникает проблема создания бесконтактного электропривода постоянного тока, которая успешно решается путем разработки ЭМТС. Согласно классификации, приведенной в /8/, ЭМТС делятся на два класса:

1) бесконтактные двигатели постоянного тока (БДПТ);

2) ЭМТС с автономными преобразователями.

БДПТ пре�