автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Высокочастотные электромагнитные процессы и перенапряжения в частотно-регулируемых асинхронных электродвигателях с короткозамкнутым ротором

□034850 Ю

На правах рукописи

Ватаев Андрей Сергеевич

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯХ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ

Специальность 05.09.01- электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 С НОЯ ?1]гд

Санкт-Петербург-2009 г.

003485010

Работа выполнена на кафедре «Электрические машины» государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Попов Виктор Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Коськин Юрий Павлович

кандидат технических наук Кади-Оглы Евгений Федорович

Ведущая организация: ОАО «Силовые машины» филиал «Электросила»

Защита состоится « 11 » декабря 2009 г. в 12°° часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.11 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д.29. Главное здание, ауд. 325.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Автореферат разослан « 6 » ММ&рЯ 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.229.11 кандидат технических наук, доцент

Попов М.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Важной современной тенденцией развития промышленности и транспорта является внедрение энергоэффективных и ресурсосберегающих технологий. К их числу относится широкое применение частотно-регулируемых электроприводов на базе асинхронных двигателей (АД) с короткозамкнутым ротором и преобразователей частоты (ПЧ) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) напряжения. Этому способствуют высокий КПД, простота конструкции и надежность АД, а также возможность реализовывать с помощью ПЧ и встроенной в него системы управления эффективные с точки зрения экономии электроэнергии алгоритмы управления двигателем.

Известно, что для достижения высоких энергетических и эксплуатационных показателей частотно-регулируемых электроприводов необходимо, чтобы частота модуляции напряжения, формируемого ПЧ, была высокой, т.к. в этом случае уменьшаются несинусоидальность кривой выходного тока ПЧ и, как следствие, потери в АД от высших гармоник. Вместе с тем, увеличение частоты модуляции приводит к возрастанию потерь в самом ПЧ. Частично это можно предотвратить за счет использования быстродействующих транзисторов с малым временем переключения. Однако, при этом происходит значительное снижение длительности (до 100-500 не) фронта импульсов ШИМ, формируемых ПЧ, в результате чего в обмотке статора АД возникают высокочастотные электромагнитные процессы и перенапряжения, которые являются причиной ускоренного старения изоляции и снижения срока службы АД. Следует учесть и тот факт, что при подключении АД к ПЧ через кабель длиной более 50-100 м (например, в электроприводах морских буровых установок, погружных насосов и т.д.) из-за явлений преломления и отражения волн напряжения в кабеле величина перенапряжений в обмотке статора АД увеличивается практически в два раза.

Исследования высокочастотных электромагнитных процессов, проведенные в работах В.Я. Беспалова, К.Н. Зверева, Ю.П. Коськина, А. Могаго, В.8. Oyegoke и др. позволили разработать методы защиты обмотки статора АД от перенапряжений, которые в основном сводятся к установке фильтров, увеличивающих длительность фронта импульса и снижающих высшие гармоники напряжения. Однако, из-за высокой стоимости фильтров (до 80% стоимости ПЧ) и необходимости подбора их характеристик в зависимости от параметров АД, ПЧ и кабеля возникает потребность в разработке рекомендаций по снижению перенапряжений в обмотке статора АД путем изменения ее волновых параметров. Для линейных АД такого рода рекомендации были разработаны в СПбГЭТУ под

руководством Ю.П. Коськина. Вместе с тем, в силу различий в конструкции линейных АД и АД традиционного исполнения, эти рекомендации следует дополнить и адаптировать применительно к АД традиционного исполнения. Поэтому исследования высокочастотных электромагнитных процессов и перенапряжений в обмотке статора частотно-регулируемого АД при питании его от ПЧ с ШИМ являются актуальной научно-технической задачей.

Цель работы и задачи исследования. Целью настоящей работы является исследование высокочастотных электромагнитных процессов и перенапряжений в частотно-регулируемых АД традиционного исполнения и разработка на этой основе рекомендаций по снижению перенапряжений в обмотке статора АД путем соответствующего выбора ее конструкции, материалов и параметров.

Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие научно-технические задачи:

1) Выполнить экспериментальные исследования распределения напряжения по обмотке статора АД традиционного исполнения при подаче на нее импульсов напряжения с крутым фронтом.

2) Разработать математическую модель обмотки статора АД, более полно учитывающую особенности амплитудно-частотной (АЧХ) и фазо-частотной (ФЧХ) характеристик реальной обмотки в области высоких частот.

3) Разработать методику расчета параметров схемы замещения обмотки статора на основе использования экспериментальных данных.

4) Провести анализ влияния отдельных параметров схемы замещения обмотки на величины перенапряжений в ней.

5) Выполнить моделирование высокочастотных электромагнитных процессов и перенапряжений в обмотке статора АД традиционного исполнения при подключении обмотки к ПЧ с ШИМ напряжения непосредственно и через питающий кабель.

6) Разработать рекомендации по снижению перенапряжений в обмотке статора АД традиционного исполнения путем соответствующего выбора ее конструкции, материалов и параметров.

Методы исследований. При решении поставленных задач были использованы теоретические и экспериментальные методы исследований. Теоретические методы, основывающиеся на базовых положениях теоретических основ электротехники и теории электрических машин, реализованы с помощью программных пакетов MathCad, Matlab, а также системы имитационного моделирования Simulink Power System Blockset, входящей в пакет Matlab.

Экспериментальные исследования были проведены на специально разработанных на кафедрах электрических машин СПбГПУ и робототехники и автоматизации производственных систем СПбГЭТУ стендах для линейного АД и АД традиционного исполнения. Обработка результатов эксперимента проведена с помощью программ MS Excel и Matlab.

Научная новизна;

- Разработана усовершенствованная схема замещения обмотки статора АД с постоянными параметрами структура которой, позволяет более полно учитывать особенности АЧХ и ФЧХ реальной статорной обмотки двигателя в области высоких частот.

- Исследовано влияние отдельных параметров схемы замещения на величину перенапряжений в обмотке.

Практическая ценность:

- Уточнена методика определения параметров схемы замещения обмотки статора АД на основе использования экспериментальных данных.

- Сформулированы рекомендации по выбору конструкции, материалов и параметров обмотки статора АД традиционного исполнения малой мощности с целью снижения перенапряжений в обмотке статора АД при питании от инвертора с ШИМ напряжения.

Достоверность_полученных_результатов подтверждается

удовлетворительным совпадением теоретических и экспериментальных результатов исследований высокочастотных электромагнитных процессов и перенапряжений в обмотке статора АД, а также использованием современных методов численного анализа высокочастотных электромагнитных процессов.

На защиту выносятся следующие положения:

- Разработанная методика определения параметров схемы замещения обмотки статора на основе использования экспериментальных данных.

- Усовершенствованная схема замещения обмотки статора АД с постоянными параметрами, структура которой позволяет учитывать особенности АЧХ и ФЧХ реальной статорной обмотки в области высоких частот.

- Результаты выполненных численных и экспериментальных исследований перенапряжений в обмотке статора, оценки влияния отдельных параметров схемы замещения на величину перенапряжений в обмотке и практические рекомендации по их снижению.

Публикации: По теме диссертации опубликовано 9 работ. Из них 2 в журналах, рекомендованных ВАК.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты работы докладывались на Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях студентов и аспирантов "XXXV" и "XXXVI неделя науки СПбГПУ" (Санкт-Петербург, 2006г., 2007г.); XI и XII Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах» (Санкт-Петербург, 2007г., 2008г.); 1-й Международной научной конференции «Автоматизация, Энергетика, Компьютерные технологии» (Псков, 2007г.); Всероссийском форуме студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и инновации в технических университетах» (Санкт-Петербург, 2007г.)

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 91 наименования и 8 приложений. Работа содержит 188 страниц, включая 84 рисунка и 60 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи планируемых исследований.

В первой главе на основе обзора литературы дан анализ современного состояния экспериментальных и расчетных исследований высокочастотных электромагнитных процессов в обмотках электрических машин, питаемых от ПЧ с ШИМ. Отмечено, что основными объектами такого рода исследований являлись до настоящего времени машины средней и большой мощности. Вместе с тем, практически отсутствуют результаты экспериментальных исследований перенапряжений в АД малой мощности со всыпными однослойными концентрическими обмотками, хотя эти машины наиболее часто подключают к ПЧ с ШИМ в системах электроприводов общепромышленного назначения.

Отмечено, что разработка рекомендаций по снижению перенапряжений применительно к АД традиционного исполнения существенно затруднена с одной стороны в силу недостаточности экспериментальных данных о характере протекания высокочастотных электромагнитных процессов в обмотках этих машин, а с другой стороны - вследствие ограниченности используемых в большинстве численных исследований однофазных математических моделей обмотки, не позволяющих учитывать в полной мере взаимные индуктивные и емкостные связи между катушками, а также особенности АЧХ и ФЧХ обмотки в области высоких частот. Если учет взаимных связей между катушками при применении однофазной модели обмотки частично возможен при использовании волновых параметров, определяемых на основе эксперимента, то задача учета

АЧХ и ФЧХ обмотки в области высоких частот остается практически нерешенной вследствие того, что применяемые методы (организация итерационных процессов) неэффективны из-за низкой точности и значительных затрат машинного времени.

Вторая глава посвящена экспериментальным исследованиям импульсных перенапряжений в обмотке. Исследование выполнено на экспериментальной установке, созданной на кафедре электрических машин СПбГПУ. В качестве объекта исследования выбран типовой АД серии А02-41-4 со всыпной однослойной концентрической обмоткой статора. Для проведения эксперимента к выводам катушек обмотки статора исследуемого АД подключали измерительные кабели. Машины с таким типом обмотки наиболее часто работают с ПЧ общепромышленного назначения, и исследование перенапряжений в их статорных обмотках имеет высокую практическую ценность.

Представлены результаты экспериментальных исследований распределения напряжения по обмотке при подаче импульсов напряжения как на одну фазу, так и на все три фазы, соединенные в звезду при изолированной и заземленной нейтрали. Установлено, что при подаче на обмотку статора АД импульса напряжения с малой длительностью фронта на катушках обмотки возникают перенапряжения, величина которых зависит от длительности фронта импульса и длины провода катушки. В качестве примера на рис. 1 приведены кривые изменения напряжения на катушках обмотки статора АД А02-41-4 при подаче на

нее импульса амплитудой 10 В с длительностью фронта 0.3 мкс

Выявлено, что при малой длительности фронта максимальные перенапряжения возникают на первой катушке, что ранее отмечалось в работах Г.Н. Петрова, А.И. Абрамова, Рис. 1. Кривые изменения напряжений на В.Я. Беспалова, К.Н. Зверева, Доан катушках обмотки. Амплитуда импульса Ань Туана, B.S. Oyegoke и др. Наряду 10 В. Цифрами обозначены номера катушек, С этим показано, ЧТО частота считая от начала обмотки. периодических составляющих кривых

напряжения на катушках уменьшается по направлению к нейтрали. Увеличение длительности фронта импульса приводит к снижению перенапряжений, причем на первой катушке они уменьшаются более значительно чем на остальных. Так, при увеличении длительности фронта с 0.3 до 6.3 мкс перенапряжения на первой

катушке АД А02-41-4 уменьшались почти в 3 раза, тогда как на последней только на 20%. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что возникновение перенапряжений в АД со всыпной обмоткой связано с изменением гармонического состава кривой напряжения при его прохождении по обмотке.

Также было обнаружено, что максимальные по величине перенапряжения возникают при подаче импульсов в обмотку с концентрическими катушками со стороны катушки с меньшей длиной провода.

Выявлено, что в случае подключения одной фазы обмотки с заземленной нейтралью к источнику импульсного напряжения воздействия на изоляцию будут выше, чем при соединении трех фаз в звезду. Незначительное расхождение (около 5 %) установившихся и пиковых значений напряжения на катушках позволяет сделать вывод о том, что вместо трех фаз, соединенных в звезду достаточно ограничиться рассмотрением одной фазы при заземленной нейтрали. Важно отметить, что в данном случае амплитуда импульса входного напряжения должна быть на треть меньше чем при соединении фаз в звезду. Полученные результаты позволяют значительно упростить расчетные модели, используемые для исследования распределения напряжения по обмоткам.

В третьей главе рассмотрены существующие методы расчета перенапряжений в обмотке статора АД при питании от ПЧ с ШИМ.

Показано, что большинство методов расчета перенапряжений основано на использовании однофазных моделей обмотки, построенных на базе однородной и линейной схемы замещения ее участка, структура которой представлена на рис.2.

Рис.2 Структурная схема замещения участка обмотки АД единичной длины для анализа

Ь - индуктивность участка обмотки с учетом собственной и взаимной индуктивности проводников, Гн/м; г- активное сопротивление участка обмотки с учетом потерь в стали, Ом/м; К- продольная емкость между смежными элементами участка обмотки (витками, катушками и т.д.), Ф м; С- емкость проводников участка обмотки относительно корпуса Ф/м; в- активная проводимость, эквивалентная электрическим потерям в корпусной изоляции См/м.

Составленная для указанной схемы замещения система дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитные процессы в обмотке, имеет вид:

г I

импульсных процессов.

ах ot /п

3U di 1г,Уи . K>

--= L—+LK-- + r-i + rK —-

dx ot дхд t oxot

Решение системы (1) для высокочастотных электромагнитных процессов в

обмотке статора АД, питаемого от ПЧ с ШИМ, было впервые получено в работах,

проведенных в МЭИ под руководством В.Я. Беспалова. Однако, в виду того, что в

этих работах импульс ШИМ был представлен в виде линейной комбинации

экспонент, полученные результаты недостаточно полно учитывают особенности

частотных характеристики обмотки в области высоких частот. В диссертации

решения системы (1) с учетом указанных характеристик, получены с помощью

аналитических методов (операторного и разделения переменных), а также

численного метода переменных состояния. Установлено, что для учета

особенностей частотных характеристик обмотки при использовании

аналитических методов рационально применять разложение кривой питающего

напряжения в ряд Фурье. Определять параметры схемы замещения и

рассчитывать распределение напряжения следует по отдельности для каждой

гармоники входного напряжения.

Решение системы (1), полученное методом разделения переменных, имеет

вид:

и(!,х) = ±{и^)х+ ¿Л(0.шм1, (2)

т=\ \ ' Л-1,3.5 )

где vk =-у> к = 1,3,5,..., Um - амплитуда гармоники с номером т, В, шт - угловая

частота гармоники, рад/с, I - длина провода обмотки, м, <pk(t) - вспомогательная функция для пространственной гармоники порядка к, которая определяет характер изменения амплитуды гармоники напряжения во времени и имеет вид: cpk(t) = е~"1' (Aik cos(£ji) +A2t sin(ftr))+A3i sin(û*) +A4t cos(iUf), <pk{t) = [a^ kec'' +e~c,')+ + Ait sin(û*) + Ait cos(ûx) , <pt (t) = Aike~at' + Au sin(<w) + Ait cos(ar) соответственно при

fl2t2 _4aua3t < °2t2 ~4aikaU > 0 И aU ~4aitaU = 0

где aik=LKvk2 +LC, au=RKvk1 +CR + LG, alk=vk+RG, crt=-^i-,

2a, t

I 4

^ ->JlJL , Alk, A2k, A3k, A4k - постоянные, определяемые по формулам:

2аи

—Um со&{лк)(а1касот*-(alkGR-au{RC + LG)+auCL)û)J + GRan)

A* =—-—,-^-(3)

—ия со(вм (ЛС + 1С)+ (аи (С/, + С«) - в„ О,) - в„ Сл)

л" =-п-I*-■ (4)

При а2к -4ди.а3, > 0 постоянные Аи, А1к определяются по формулам А1к = -0.5(А3* сот + Ап (сгк + д1))-дк~\ А2к = 0.5(Аиа)т + А4к(сгк-дк))-дк~\ при

а2*2"4а1»аз» <° ~ А1к=-А4к и А1к=-(А3к<ит+А4к<тк)-дк'\ а если агк -4а1ка1к =0, то

Л» = •

Решение системы (1), полученное операторным методом имеет вид:

где у{р) = ^(рЬ + г){рС + С)(р2К1+ рКг + \У - коэффициент распространения. Для перехода от операторного изображения к его оригиналу необходимо использование теоремы разложения.

Опыт использования аналитических методов для расчета перенапряжений в обмотке статора АД показал, что недостатками этих методов являются сложность их реализации при усложнении структуры схемы замещения, необходимость обособленного решения дифференциального уравнения для расчета тока в обмотке статора, а также возможность их использования только при исследовании электромагнитных процессов в обмотке статора АД, подключенной непосредственно к ГТЧ. Перечисленных недостатков лишены численные методы расчета, в частности метод переменных состояния. При расчете напряжения с помощью указанного метода обмотку представляют в виде цепной схемы, число звеньев которой равно числу последовательно соединенных витков или катушек обмотки. В этом случае уравнения состояния, записанные для звена схемы замещения обмотки с номером т и структурой, представленной на рис. 2, при непосредственном подключении ПЧ к АД имеют вид: дит_1т-1т+1 Си Э/„ _ иКт-1ыгсЬ Эг й С " Эг Ых ' Эг К

где ит - напряжение на конденсаторе поперечной ветви С, В, //„-ток в продольной ветви, содержащей индуктивность, А, иКт - напряжение на конденсаторе продольной ветви К, В, 1п = (ит_1-ит-иКт\г^х)~1 - входной ток

звена с номером от, А, г0 — добавочное сопротивление, подключаемое последовательно на входе в звено и используемое для улучшения сходимости и ограничения величины входного тока.

Таким образом, с помощью численных методов удобно рассчитывать распределение напряжения в обмотках АД, являющихся частью сложных электротехнических систем, например при подключении кабелей, других обмоток

и т.д. Кроме того, при использовании этих методов расчет тока значительно упрощается, т.к. уравнение для его определения входит в общий алгоритм расчета напряжения. Вместе с тем, для учета особенностей частотных характеристик обмотки в области высоких частот при использовании численных методов целесообразно применять схемы замещения с постоянными параметрами и структурой, позволяющей учитывать особенности указанных характеристик.

В четвертой главе рассмотрены вопросы построения структуры схемы замещения обмотки статора АД, используемой при моделировании высокочастотных электромагнитных процессов и перенапряжений, а также представлена методика расчета ее параметров.

Предлагаемая методика расчета параметров схемы замещения катушки обмотки статора АД на основе результатов эксперимента является развитием методики, разработанной в СПбГЭТУ под руководством Ю.П. Коськина. В разработанной в диссертации методике фаза обмотки статора представлена в виде цепной схемы с числом звеньев равным числу последовательно соединенных катушек в фазе. Структурная схема замещения каждого из звеньев цепи имеет вид, представленный на рис. 2. Исходными данными для расчета являются частотные зависимости эквивалентных активного Лг и реактивного Хб сопротивлений фазы обмотки АД, определенные при подключении измерителя иммитанса ее к началу и концу, а также эквивалентных активного сопротивления Яр и реактивной проводимости Ур фазы, полученные при подключении измерителя между корпусом и началом фазы при изолированной нейтрали. Частотные зависимости параметров схемы замещения катушки за исключением продольной емкости К, которая считается постоянной во всем рассматриваемом частотном диапазоне (1 кГц - 1 МГц), задаются в соответствии с формулами:

- для емкости поперечной ветви:

С(/) = Л + £-(1 + /2/))"' (6)

- для активного сопротивления продольной ветви:

г(/) = А(0.001/)в, (7)

- для активной проводимости поперечной ветви:

С(/) = (л + ^ё(/)+Е1Е2(/)+0123(/)Г. (8)

- для индуктивности продольной ветви:

£(/) = А(в + е • (2лг ■ Г)"2)+ 018(/) + Е, (9) ¿(/) = Л + В1ё(/)+Я1§2(/)+£>1§3(/), (10)

где А, В, Д Е, Т, (2 - постоянные, определяемые по опытным данным в процессе расчета.

Следует заметить, что формулы (6) и (7) являются известными, а (8)—(10) предложены впервые.

На основе (6)-(10) рассчитываются зависимости эквивалентных сопротивлений Rs, Xs, Rp и проводимости Yp фазы от частоты, определяется среднеквадратичное отклонение расчетных значений Rs, Xs, Rp и Yp от экспериментальных во всем рассматриваемом частотном диапазоне После этого заданные частотные зависимости параметров катушки корректируются с целью минимизации указанного отклонения.

Отметим, что отличительной особенностью разработанной методики от методик МЭИ, СибНИИЭ и СПбГЭТУ, где параметры фазы рассчитываются аналитически, является имитационное моделирование эксперимента в системе Power System Blockset и расчет с ее помощью частотных зависимостей Rs, Xs, Rp и Yp комплексным методом. Это позволяет автоматизировать указанные расчеты и повысить их точность.

Расчет параметров катушки по данной методике был проведен для АД традиционного исполнения А02-41-4, а также для плоского линейного АД (ПЛАД), разработанного в СПбГЭТУ под руководством Ю.П. Коськина. Было выявлено, что при использовании формулы (9) для аппроксимации частотной зависимости индуктивности катушки обмотки АД традиционного исполнения, а формулы (10) - для аппроксимации частотной зависимости индуктивности катушки ПЛАД, имеет место более точное совпадение расчетных и экспериментальных зависимостей Rs, Xs, Rp и Yp от частоты. Так, с помощью разработанной методики получены следующие эмпирические частотные зависимости параметров схемы замещения катушки АД А02-41-4:

- активного сопротивления продольной ветви, Ом

г(/) = 33(0.001/)°'4; (11)

- индуктивности продольной ветви, Гн:

L(f) = 3 • 10"4 • (l .08 + 4.5 • • 0.49 • 10"5 )+ 2.5 • 10" lg(/) ■+ 0.0015; (12)

- продольной емкости, Ф:

K{f)~ 90 • 10~11 = const-, (13)

- емкости поперечной ветви, Ф:

С(/) = 409.2 ■ 1042 +30.8 • 10"12 • (l + (0.001 /)2)"'; (14)

- активной проводимости поперечной ветви, См:

G(/) = (9.04 ■ 106 +3.52 • 107 lg(/)-2.01-107 lg2(/)+2.76-106 lg3(/)) '.

При/> 5300 Гц G(f) = 3.9 ■ 10~7 = const. l j

Соответствующие расчетные и экспериментальные значения Xs, Rs, Yp и Rp отличаются на 30 - 40%, что более чем в два раза ниже, чем при их определении с

помощью методов, описанных в литературе.

Выполненное на примере АД А02-41-4 исследование влияния отдельных параметров схемы замещения обмотки статора на величину перенапряжений в ней позволило установить, что при уменьшении поперечной емкости обмотки в 2 раза величина перенапряжений уменьшается на 22%, а при таком же увеличении продольной емкости и индуктивности перенапряжения снижаются на 17 и 1% соответственно. Уменьшение активного сопротивления продольной ветви схемы замещения приводит к возрастанию перенапряжений на последней катушке обмотки, а изменение величины проводимости поперечной ветви на величину перенапряжений практически не влияет.

Было также исследовано также влияние конструкции обмотки статора на величину перенапряжений. Это позволило, наряду с подтверждением эффективности известных рекомендаций по снижению перенапряжений в обмотках линейных АД и АД традиционного исполнения (применение двухслойных обмоток, увеличение числа пазов статора, усиление корпусной изоляции), рекомендовать ряд дополнительных мер по снижению перенапряжений в обмотке статора АД традиционного исполнения. Так, в частности, предложено:

- использовать однослойные обмотки с равной длиной проводников, что позволило, например, уменьшить перенапряжения на первой катушке АД А02-41-4 на 11%;

- применять корпусную изоляцию с низкой диэлектрической проницаемостью-уменыпение ее на 20% привело к снижению перенапряжений на первой катушке указанного АД на 7%

- использовать провода с усиленной изоляцией и классом нагревостойкости Б или Н.

Следует, однако, отметить, что полученные формулы (11)-(15) непосредственно могут быть использованы только в аналитических методах расчета, где для учета особенностей частотных характеристик обмотки статора применяют разложение кривой входного напряжения в ряд Фурье и расчет распределения напряжения проводится отдельно для каждой гармоники. В то же время, как уже отмечалось, при использовании численных методов данный подход не является рациональным из-за значительного возрастания затрат машинного времени, а поэтому становится целесообразным применение схем замещения катушек с постоянными параметрами и структурой, позволяющей учитывать особенности частотных характеристик обмотки. В настоящей работе

предложена такого рода схема замещения катушки, которая может быть использована при расчетах перенапряжений численными методами. Ее структура представлена на рис. 3. Здесь особенности АЧХ и ФЧХ обмотки учтены путем использования в поперечной ветви схемы замещения системы параллельно -последовательно соединенных активных сопротивлений и конденсаторов, а в продольной ветви - системы последовательно-параллельно соединенных активных сопротивлений и индуктивностей.

Рис. 3. Схема замещения катушки АД с рассчитанных с использованием постоянными параметрами, применяемая для приведенной на рис. 3 схемы расчета распределения напряжения по замещения И определенных по (14) И

отклонения между ними не превышает 15 %. Вместе с тем, отклонение активно-индуктивных параметров продольной ветви, рассчитанных по (11) и (12) и определенных с использованием рассматриваемой схемы замещения, составляет примерно 30-40%. Полученные значения погрешностей в определении параметров схемы замещения катушки являются, однако, допустимыми, так как расчет перенапряжений с этих случаях обеспечивается с точностью, приемлемой для инженерных расчетов.

В пятой главе рассмотрены результаты проведенных с помощью системы имитационного моделирования Power System Blockset и численных исследований распределения напряжения по обмотке статора АД А02-41-4 при импульсных электромагнитных процессах. Так, расчет распределения напряжения по обмотке статора исследуемого АД при соединении фаз обмотки в звезду и треугольник показал, что при соединении в треугольник пиковые значения напряжений, полученные на третьей и четвертой катушках фазы, конец которой подключен к той фазе, концы которой замкнуты транзисторами ПЧ накоротко, в 1,5 раза выше, чем при соединении фаз в звезду. На последней катушке фазы, начало которой подключено к короткозамкнутой фазе, пиковое значение напряжения, полученное при соединении в треугольник в 5 раз выше, чем при соединении в звезду.

При изучении влияния числа параллельных ветвей обмотки на величину перенапряжений было установлено, что увеличение числа параллельных ветвей приводит к возрастанию перенапряжений. Так, для АД А02-41-4 увеличение числа параллельных ветвей с 1 до 2 ведет к возрастанию пикового значения

Сравнение частотных зависимостей эквивалентных емкости и активной проводимости поперечной ветви,

обмотке численными методами

(15), показало, что среднее значение

напряжения на первой катушке на 7%, на второй и третьей-на 71%, а на четвертой - почти в 2 раза.

Исследование перенапряжений в обмотке статора АД А02-41-4 при подаче на нее импульсов ШИМ с различной частотой модуляции и длительностью фронта непосредственно и через кабель показало, что величина перенапряжений, возникающих на первой катушке при подаче импульса, приблизительно на 60 % выше, чем величина перенапряжений, возникающих после снятия импульса. Установлено, что при высокой частоте модуляции на величину перенапряжений оказывает влияние соотношение длительностей импульсов ШИМ и пауз между ними. Например, при длительности фронта импульса 0,3 мкс и частоте модуляции 25 кГц напряжения на первой катушке, определенные при непосредственной подаче на обмотку импульсов длительностью 10 и 90 % периода ШИМ отличаются на 15%, а при подаче их через кабель длиной 100 м - на 31 %. При частоте модуляции 1 кГц указанные значения напряжений, рассчитанные при наличии и отсутствии кабеля, практически равны. Поскольку при использовании ШИМ напряжения соотношения длительностей импульса и паузы непрерывно меняются, то воздействия на изоляцию обмотки при высокой частоте модуляции и наличии достаточно длинного кабеля могут периодически возрастать. Для борьбы с этим явлением необходимо уменьшать длину кабеля или же использовать ПЧ с меньшим значением частоты модуляции.

Реализация разработанной математической модели обмотки и сопоставление результатов численных исследований с экспериментальными данными показали ее адекватность при расчете импульсных перенапряжений, возникающих в обмотке статора АД традиционного исполнения при подаче на нее импульсов от ПЧ с ШИМ. Расхождение между экспериментальным и расчетным пиковыми значениями напряжений на первой катушке обмотки статора АД А02-41-4 составляет 5%, а на второй - 33%. Данные значения погрешностей можно считать допустимыми, поскольку с наибольшей точностью определяются напряжения на первой катушке, которая является наиболее опасным участком обмотки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решены следующие научно-технические задачи исследования высокочастотных электромагнитных процессов и перенапряжений в обмотке статора АД малой мощности, питаемого от инвертора с ШИМ напряжения.

1. Выполнены экспериментальные исследования перенапряжений в обмотке статора АД традиционного исполнения малой мощности. Экспериментально

обоснована возможность при расчетных оценках перенапряжений ограничиться рассмотрением электромагнитных процессов в одной фазе с заземленной нейтралью вместо трех фаз, соединенных в звезду. Установлено, что возникновение перенапряжений в АД малой мощности связано с изменением гармонического состава кривой питающего напряжения, причем максимальные по величине перенапряжения возникают при подаче импульса в обмотку со стороны катушки с меньшей длиной провода.

2. Предложена усовершенствованная схема замещения обмотки статора АД с постоянными параметрами и структурой, позволяющей более точно учитывать особенности частотных характеристик статорной обмотки реального АД в области высоких частот.

3. Разработана методика расчета параметров схемы замещения обмотки статора АД на основе экспериментально определенных АЧХ и ФЧХ обмотки статора реального АД с использованием системы имитационного моделирования Power System Blockset.

4. Проведена оценка влияния отдельных параметров схемы замещения обмотки на величины перенапряжений в ней. Показано, что наиболее заметно перенапряжения снижаются при уменьшении емкости поперечной ветви.

5. Проведено численное исследование влияния соотношения длительностей импульсов ШИМ и пауз между ними на величину перенапряжений в обмотке статора частотно-регулируемого АД традиционного исполнения при подключении обмотки к ПЧ с ШИМ непосредственно и через питающий кабель. Выявлено, что при высокой частоте модуляции увеличение длительности импульса приводит к возрастанию перенапряжений. Указанное возрастание тем сильнее, чем больше длина кабеля. В связи с тем, что при использовании ШИМ напряжения соотношения длительностей импульса и паузы непрерывно меняются, рассмотренные воздействия на изоляцию обмотки также являются периодическими. При уменьшении частоты модуляции и длины кабеля воздействия на изоляцию, вызванные периодическим возрастанием напряжения, ослабляются.

6. Сформулированы рекомендации по снижению перенапряжений в статорных обмотках АД традиционного исполнения малой мощности, ориентированные на:

а) изменение волновых параметров обмотки статора путем: - применения двухслойных обмоток вместо однослойных. Там где использование подобных обмоток по технико-экономическим

соображениям нецелесообразно, необходимо использовать однослойные шаблонные обмотки с равной длиной проводников;

- увеличения числа пазов статора до максимально возможного и уменьшение числа эффективных проводников в катушке (в пазу);

- использования материалов для изготовления корпусной изоляции с меньшим значением диэлектрической проницаемости;

- увеличения толщины корпусной изоляции. Этот способ следует применять с осторожностью из-за ухудшения теплового состояния обмотки статора;

- применения проводов с усиленной изоляцией и классом нагревостойкости F или Н. Использование этих проводов приводит к незначительному (менее 5%) снижению перенапряжений, однако повышенное значение пробивного напряжения изоляции таких проводов способствует увеличению срока службы частотно-регулируемого АД из-за более высокой устойчивости к воздействию перенапряжений.

б) использование схем соединения, позволяющих уменьшить напряжения на катушках обмотки посредством:

- подключения АД с однослойной всыпной концентрической обмоткой к ПЧ со стороны катушки с большей длиной провода (это требует соответствующей маркировки выводов АД на производстве);

- соединения фаз обмотки статора АД в звезду и отказ от использования соединения в треугольник;

- уменьшения числа параллельных ветвей в обмотке статора АД.

ПУБЛИКАЦИИ

1. Ватаев A.C. К проблеме расчета импульсных перенапряжений в обмотке статора асинхронного электродвигателя при питании от инвертора с широтно-импульсной модуляцией / A.C. Ватаев // Проблемы создания и эксплуатации новых типов электроэнергетического оборудования / ОЭЭП РАН - ИХС РАН. -СПб., 2006.-Вып.7.-С. 117-126.

2. Ватаев A.C. Исследование импульсных перенапряжений в обмотке статора асинхронного двигателя при питании от инвертора с широтно-импульсной модуляцией / A.C. Ватаев, В.В. Попов // XXXV Неделя науки СПбГПУ: материалы Всерос. межвузовской научно-техн. конф. студентов и аспирантов. / СПбГПУ. - СПб., 2007. - 4.2. - С. 44-45.

3. Ватаев A.C. Расчет импульсных перенапряжений в обмотке статора асинхронного электродвигателя при питании от инвертора с широтно-

импульсной модуляцией /A.C. Ватаев, В.В. Попов, И.И. Талья // Научно-технические ведомости СПбГПУ.- СПб., 2007. - № 2. - С. 203-207.

4. Ватаев A.C. Исследование влияния свойств и конструкции изоляции на характер распределения импульсов напряжения по обмотке статора асинхронного двигателя, питаемого от инвертора с широтно-импульсной модуляцией / A.C. Ватаев // Автоматизация, энергетика, компьютерные технологии: Сборник научных трудов. - Псков, 2007- Вып. 1. - С. 102-106.

5. Ватаев A.C.. К проблеме экспериментального определения параметров схемы замещения обмотки статора асинхронного электродвигателя при анализе импульсных перенапряжений / A.C. Ватаев, В.В. Попов // Наука и инновации в технических университетах: материалы Всероссийского форума студентов, аспирантов и молодых ученых. - СПб., 2007. - С. 19-20.

6. Ватаев A.C. К проблеме математического моделирования импульсных перенапряжений в обмотке статора асинхронного двигателя при его питании от инвертора с широтно-импульсной модуляцией напряжения / A.C. Ватаев, В.В. Попов // Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах: материалы XI Всерос. конф. по проблемам науки и высшей школы. / СПбГПУ. - СПб., 2007. - С. 525-526.

7. Ватаев A.C. Определение параметров схемы замещения обмотки статора асинхронного электродвигателя при анализе импульсных процессов на основе экспериментальных данных / A.C. Ватаев, В.В. Попов // XXXVI Неделя науки СПбГПУ: материалы Всерос. межвузовской научно-техн. конф. студентов и аспирантов. / СПбГПУ. - СПб., 2008. - 4.2. - С. 59-60.

8. Ватаев A.C. Расчет распределения напряжения по обмотке статора асинхронного электродвигателя, питаемого от преобразователя частоты с широтно-импульсной модуляцией напряжения через длинный кабель / A.C. Ватаев // Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах: материалы XII Всерос. конф. по проблемам науки и высшей школы. / СПбГПУ. - СПб., 2008. - С. 165-166.

9. Ватаев A.C. Напряжения в обмотке статора асинхронного электродвигателя при питании от инвертора с широтно-импульсной модуляцией напряжения через длинный кабель / A.C. Ватаев // Научно-технические ведомости СПбГПУ.- СПб., 2008. - № 3. - С. 252-256.

Лицензия ЛР № 020593 от 07.08.97

Подписано в печать 05.11.2009. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 5124Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812) 550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

Введение

Глава 1 Особенности питания АД от преобразователей частоты и методы исследований высокочастотных электромагнитных процессов и перенапряжений в обмотке статора АД, возникающих при питании от ПЧ с ШИМ напряжения

1.1 Основные тенденции развития современных ПЧ

1.2 Современное состояние исследований высокочастотных электромагнитных процессов и перенапряжений в статорных обмотках частотно-регулируемых АД, питаемых от ПЧ с ШИМ напряжения

Выводы

Глава 2 Экспериментальное исследование распределения напряжения в обмотке статора АД при импульсных электромагнитных процессах

2.1 Общие принципы проведения эксперимента

2.2 Особенности конструкции обмотки статора АД с концентрическими катушками

2.3 Описание экспериментальной установки для исследования распределения напряжения по обмотке статора АД

2.4 Исследование распределения напряжения по одной фазе обмотки при изолированной нейтральной точке

2.5 Исследование распределения напряжения по одной фазе обмотки при заземленной нейтральной точке

2.6 Исследование влияния длительности фронта импульса на распределение напряжения по одной фазе обмотки при 43 заземленной нейтрали

2.7 Исследование распределения напряжения по обмотке статора при соединении фаз обмотки в звезду

2.8 Исследование влияния длины провода катушки на характер распределения напряжения по обмотке статора

Выводы

Глава 3 Математическое моделирование высокочастотных электромагнитных процессов в обмотке статора частотно- 54 регулируемого АД

3.1 Общие принципы построения и реализации математических моделей обмоток АД для расчёта в них импульсных напряжений

3.2 Расчёт распределения напряжения в обмотке статора АД методом разделения переменных

3.3 Расчёт распределения напряжения в обмотке статора АД операторным методом

3.4 Расчёт распределения напряжения в обмотках с помощью метода переменных состояния

3.5 Использование систем имитационного моделирования для расчета распределения напряжения по обмотке Выводы

Глава 4 Структура и параметры схемы замещения обмотки статора

АД при анализе высокочастотных электромагнитных процессов и перенапряжений

4.1 Общие сведения о методах определения параметров схем замещения обмотки статора

4.2 Общие принципы определения параметров схемы замещения обмотки на основе экспериментальных данных

4.3 Определение параметров схемы замещения катушек обмотки на основе экспериментальных данных с помощью системы 86 имитационного моделирования Power System Blockset

4.4 Определение активно-индуктивных параметров продольной ветви схемы замещения обмотки статора АД

4.5 Оценка влияния отдельных параметров схемы замещения на распределение напряжения по обмотке статора

4.6 Оценка влияния конструкции обмотки статора на распределение напряжения по обмотке

Выводы

Глава 5 Численные исследования распределения напряжения по обмотке статора АД при импульсных электромагнитных 122 процессах

5.1 Оценка адекватности используемой математической модели обмотки статора АД для расчета импульсных перенапряжений

5.2 Расчет распределения напряжения по обмотке статора АД при соединении фаз в звезду

5.3 Исследование влияния схемы соединения фаз обмотки статора на величину перенапряжений

5.4 Исследование влияния числа параллельных ветвей обмотки статора АД на величину перенапряжений

5.5 Исследование перенапряжений в обмотке статора АД традиционного исполнения при подаче непосредственно на нее импульсов ШИМ с различной частотой модуляции и длительностью фронта импульса

5.6 Исследование перенапряжений в обмотке статора АД традиционного исполнения при подаче на нее от ПЧ через кабель импульсов ШИМ с различной частотой модуляции и длительностью фронта импульса

Выводы

В настоящее время в промышленности и на транспорте широко внедряются энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии. К их числу относится широкое применение частотно-регулируемых электроприводов на базе асинхронных двигателей (АД) с короткозамкнутым ротором и преобразователей частоты (ПЧ) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) напряжения [13, 43, 52]. Этому способствуют высокий КПД, простота конструкции, надежность АД и возможность реализовывать с помощью ПЧ и встроенной в него системы управления эффективные с точки зрения экономии электроэнергии алгоритмы управления двигателем.

Известно [4, 61, 64], что для достижения высоких энергетических и эксплуатационных показателей частотно-регулируемых электроприводов необходимо, чтобы частота модуляции напряжения, формируемого ПЧ, была высокой, т.к. в этом случае уменьшаются несинусоидальность кривой выходного тока ПЧ и, как следствие, потери в АД от высших гармоник. Вместе с тем, увеличение частоты модуляции приводит к возрастанию потерь в самом ПЧ. Частично это можно предотвратить при использовании быстродействующих транзисторов с малым временем переключения [64]. Однако, при этом происходит значительное снижение длительности (до 100— 500 не) фронта импульсов ШИМ, формируемых ПЧ, в результате чего в обмотке статора АД возникают высокочастотные электромагнитные процессы и перенапряжения, которые являются причиной ускоренного старения изоляции и снижения срока службы АД [11]. Следует учесть и тот факт, что при подключении АД к ПЧ через кабель длиной более 50-100 м (например, в электроприводах морских буровых установок, погружных насосов и т.д.) из-за явлений преломления и отражения волн напряжения в кабеле величина перенапряжений в обмотке статора АД может увеличиться практически в два раза [10, 49, 58, 81].

Исследования высокочастотных электромагнитных процессов, проведенные в работах В.Я. Беспалова, К.Н. Зверева, Ю.П. Коськина, А. Moreiro, B.S. Oyegoke и др. позволили разработать методы защиты обмотки статора АД от перенапряжений, которые в основном сводятся к установке фильтров, снижающих высшие гармоники напряжения и увеличивающих длительность фронта импульса. Однако, из-за высокой стоимости фильтров (до 80% стоимости ПЧ) и необходимости подбора их характеристик в зависимости от параметров АД, ПЧ и кабеля возникает потребность в разработке рекомендаций по снижению перенапряжений в обмотке статора АД путем изменения ее волновых параметров. Для линейных АД такого рода рекомендации были разработаны под руководством Ю.П. Коськина в СПбГЭТУ М.Н. Беналлалом и Доан Ан Туаном [10, 38-39, 53]. Вместе с тем, в силу различий в конструкции линейных АД и АД традиционного исполнения, эти рекомендации целесообразно дополнить и адаптировать применительно к АД традиционного исполнения. Таким образом, исследование высокочастотных электромагнитных процессов и перенапряжений в обмотке статора частотно-регулируемого АД при питании от ПЧ с ШИМ является актуальной научно-технической задачей

Цель работы и задачи исследования. Целью настоящей работы является исследование высокочастотных электромагнитных процессов и перенапряжений в частотно-регулируемых АД традиционного исполнения и разработка на этой основе рекомендаций по снижению перенапряжений в обмотке статора АД путем соответствующего выбора ее конструкции, материалов и параметров.

Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие научно-технические задачи:

1. Выполнить экспериментальные исследования распределения напряжения по обмотке статора АД традиционного исполнения при подаче на нее импульсов напряжения с крутым фронтом.

2. Разработать математическую модель обмотки статора АД, более полно учитывающую особенности амплитудно-частотной (АЧХ) и фазо-частотной (ФЧХ) характеристик реальной обмотки в области высоких частот.

3. Разработать методику расчета параметров схемы замещения обмотки статора на основе использования экспериментальных данных.

4. Провести анализ влияния отдельных параметров схемы замещения обмотки на величины перенапряжений в ней.

5. Выполнить моделирование высокочастотных электромагнитных процессов и перенапряжений в обмотке статора АД традиционного исполнения при подключении обмотки к ПЧ с ШИМ напряжения непосредственно и через питающий кабель.

6. Разработать рекомендации по снижению перенапряжений в обмотке статора АД традиционного исполнения путем соответствующего выбора ее конструкции, материалов и параметров.

Методы исследований. При решении поставленных задач были использованы теоретические и экспериментальные методы исследований. Теоретические методы, основывающиеся на базовых положениях теоретических основ электротехники и теории электрических машин, реализованы с помощью программных пакетов MathCad, Matlab, а также системы имитационного моделирования Simulink Power System Blockset, входящей в пакет Matlab. Экспериментальные исследования были проведены на специально разработанных на кафедрах электрических машин СПбГПУ и робототехники и автоматизации производственных систем СПбГЭТУ (ЛЭТИ) стендах для АД традиционного исполнения и линейного АД. Обработка результатов эксперимента проведена с помощью программ MS Exel и Matlab.

Научная,новизна: Разработана усовершенствованная схема замещения обмотки статора АД с постоянными параметрами структура которой, позволяет более полно учитывать особенности АЧХ и ФЧХ реальной статорной обмотки двигателя в области высоких частот.

Исследовано влияние отдельных параметров схемы замещения на величину перенапряжений в обмотке. Практическая ценность:

Уточнена методика определения параметров схемы замещения обмотки статора АД на основе использования экспериментальных данных. Сформулированы рекомендации по выбору конструкции, материалов и параметров обмотки статора АД традиционного исполнения малой мощности с целью снижения перенапряжений в обмотке статора АД при питании от инвертора с ШИМ напряжения.

Достоверностьполученных результатов подтверждается удовлетворительным совпадением теоретических и экспериментальных результатов исследований высокочастотных электромагнитных процессов и перенапряжений в обмотке статора АД, а также использованием современных методов численного анализа высокочастотных электромагнитных процессов.

На защиту выносятся следующие положения: Разработанная методика определения параметров схемы замещения обмотки статора на основе использования экспериментальных данных. Усовершенствованная схема замещения обмотки статора АД с постоянными параметрами, структура которой позволяет учитывать особенности АЧХ и ФЧХ реальной статорной обмотки в области высоких частот.

Результаты выполненных численных и экспериментальных исследований перенапряжений в обмотке статора, оценки- влияния* отдельных параметров схемы замещения, на величину перенапряжений в обмотке и практические рекомендации по их снижению.

Публикации: По теме диссертации опубликовано 9 работ. Из них 2 в журналах, рекомендованных ВАК.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты работы докладывались на Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях студентов и аспирантов «XXXV» и «XXXVI неделя науки СПбГПУ» (Санкт-Петербург, 2006г., 2007г.); XI и XII Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах» (Санкт-Петербург, 2007г., 2008г.); 1-й Международной научной конференции «Автоматизация, Энергетика, Компьютерные технологии» (Псков, 2007г.); Всероссийском форуме студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и инновации в технических университетах» (Санкт-Петербург, 2007г.)

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 91 наименования и 8 приложений. Работа содержит 188 страниц, включая 84 рисунка и 60 таблиц.

ВЫВОДЫ

1. Апробация математической модели обмотки статора АД для анализа высокочастотных электромагнитных процессов, проведенная на примере А02-41-4 показала, что качественный характер кривых напряжения, рассчитанных в характерных точках обмотки и полученных экспериментально совпадает. Расхождение между экспериментальным и расчетным пиковыми значениями напряжений на первой катушке составляет 5%, а на второй - 33%. Данные значения погрешностей можно считать допустимыми, поскольку с наибольшей точностью определяются напряжения на наиболее опасном участке обмотки.

2. Выполненный с использованием разработанной математической модели расчет распределения напряжения по обмотке статора АД А02-41-4 при соединении фаз обмотки статора в звезду и треугольник показал, что при соединении в треугольник пиковые значения напряжений, полученные на третьей и четвертой катушках фазы, конец которой подключен к замыкаемой накоротко фазе, примерно в 1,5 раза выше, чем при соединении фаз в звезду. На последней катушке фазы, начало которой подключено к короткозамкнутой фазе, пиковое значение напряжения, полученное при соединении в треугольник практически в 5 раз выше, чем при соединении фаз в звезду. На остальных катушках фазы В пиковые значения напряжений, рассчитанные при соединении фаз в треугольник выше, чем при соединении в звезду примерно в 1.7-3 раза.

3. Исследование влияния числа параллельных ветвей обмотки на величину перенапряжений, проведенное с использованием разработанной математической модели обмотки, показало, что увеличение числа параллельных ветвей приводит к возрастанию перенапряжений. Так, для исследуемого АД А02-41-4 увеличение числа параллельных ветвей с 1 до 2 ведет к возрастанию пикового значения напряжения на первой катушке на 7%, на второй и третьей - на 71%, а на четвертой - практически в 2 раза.

4. Исследование перенапряжений в обмотке статора АД А02-41-4, проведенное с использованием разработанной математической модели обмотки, при подаче непосредственно на нее импульсов ШИМ с различной частотой модуляции и длительностью фронта показало, что перенапряжения возникают при подаче импульса напряжения на обмотку и после его снятия. Величина перенапряжений, возникающих на первой катушке при подаче импульса, приблизительно на 60 % выше, чем величина перенапряжений, возникающих после снятия импульса. Увеличение частоты модуляции с 1 кГц до 25 кГц и уменьшение длительности паузы между импульсами с 0,1 до 0,9 Тщим приводит к увеличению перенапряжений примерно на 15 %.

5. Исследования перенапряжений в обмотке статора АД А02-41-4, проведенное с использованием разработанной математической модели обмотки, при подаче через кабель импульсов ШИМ с различной частотой модуляции и длительностью фронта импульса, позволило подтвердить известные в- литературе положения о том, что при увеличении длины кабеля и снижении длительности фронта импульса возрастают перенапряжения на катушках обмотки. Наряду с этим было выявлено, что помимо указанных факторов на величину перенапряжений также оказывает влияние соотношение длительностей импульсов ШИМ и пауз между ними. Указанное влияние тем сильнее, чем выше частота модуляции. Например, при длительности фронта импульса 0,3 мкс и частоте модуляции 25 кГц напряжения на первой катушке, определенные при длительностях импульса, равных 10 и 90 % Тщим и длине кабеля 1 м отличаются на 13%, а при длине кабеля 100 м - на 31 %. При частоте модуляции 1 кГц указанные значения напряжений, рассчитанные при длине кабеля 1 и 100 м, практически не отличаются друг от друга. В связи с тем, что при использовании ШИМ напряжения соотношения длительностей импульса и паузы непрерывно меняются, воздействия на изоляцию обмотки при высокой частоте модуляции и наличии достаточно длинного кабеля могут периодически возрастать. Для борьбы с этим явлением необходимо согласование частоты модуляции и длины кабеля. По возможности следует уменьшать длину кабеля или же использовать ПЧ с меньшим значением частоты модуляции.

141

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решены следующие научно-технические задачи исследования высокочастотных электромагнитных процессов и перенапряжений в обмотке статора АД малой мощности, питаемого от инвертора с ШИМ напряжения.

1. Выполнены экспериментальные исследования перенапряжений в обмотке статора АД традиционного исполнения малой мощности. Экспериментально обоснована возможность при расчетных оценках перенапряжений ограничиться рассмотрением электромагнитных процессов в одной фазе с заземленной нейтралью вместо трех фаз, соединенных в звезду. Установлено, что возникновение перенапряжений в АД малой мощности связано с изменением гармонического состава кривой питающего напряжения, причем максимальные по величине перенапряжения возникают при подаче импульса со стороны катушки с меньшей длинной провода.

2. Предложена усовершенствованная схема замещения обмотки статора АД, с постоянными параметрами и структурой, позволяющей более полно учитывать особенности частотных характеристик статорной обмотки реального АД в области высоких частот.

3. Разработана методика расчета параметров схемы замещения обмотки статора АД на основе экспериментально определенных АЧХ и ФЧХ обмотки статора реального АД с использованием системы имитационного моделирования Power System Blockset.

4. Проведена оценка влияния отдельных параметров схемы замещения обмотки на величины перенапряжений в ней. Показано, что наиболее заметно перенапряжения снижаются при уменьшении емкости поперечной ветви.

5. Выполнено численное исследование влияния соотношения длительностей импульсов ШИМ и пауз между ними на величину перенапряжений в обмотке статора частотно-регулируемого АД традиционного исполнения при подключении обмотки к ПЧ с ШИМ непосредственно и через питающий кабель. Выявлено, что при высокой частоте модуляции увеличение длительности импульса приводит к возрастанию перенапряжений. Указанное возрастание тем сильнее, чем больше длина кабеля. В связи с тем, что при использовании ШИМ напряжения соотношения длительностей импульса и паузы непрерывно меняются, рассмотренные воздействия на изоляцию обмотки также являются периодическими. При уменьшении частоты модуляции и длины кабеля воздействия на изоляцию, вызванные периодическим возрастанием напряжения, ослабляются.

6. Сформулированы рекомендации по снижению перенапряжений в статорных обмотках АД традиционного исполнения малой мощности, ориентированные на: а) изменение волновых параметров обмотки статора путем:

- применения двухслойных обмоток вместо однослойных. Там где использование подобных обмоток по технико-экономическим соображениям нецелесообразно, необходимо использовать однослойные шаблонные обмотки с равной длиной проводников;

- увеличения числа пазов статора до максимально возможного и уменьшение числа эффективных проводников в катушке (в пазу);

- использования материалов для изготовления корпусной изоляции с меньшим значением диэлектрической проницаемости;

- увеличения толщины, корпусной изоляции. Этот способ следует применять с, осторожностью из-за ухудшения теплового состояния обмотки статора;

- применения проводов с усиленной изоляцией и классом нагревостойкости F или Н. Использование этих проводов приводит к незначительному (менее 5%) снижению перенапряжений, однако повышенное значение пробивного напряжения изоляции таких проводов способствует увеличению срока службы частотно-регулируемого АД из-за более высокой устойчивости к воздействию перенапряжений; б) использование схем соединения, позволяющих уменьшить напряжения на катушках обмотки посредством:

- подключения АД с однослойной всыпной концентрической обмоткой к ПЧ со стороны катушки с большей длиной провода;

- соединения фаз обмотки статора АД в звезду и отказа от использования соединения в треугольник;

- уменьшения числа параллельных ветвей в обмотке статора АД.

1. Андрианов М.В. Особенности электропотребления комплектных электроприводов на базе преобразователей частоты с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором. / М.В. Андрианов, Р.В. Родионов // Электротехника. - 2002. - №11. - С. 6-9.

2. Антонов М. В. Технология производства электрических машин: учеб. пособие для вузов по спец. "Электр, машины" / М.В. Антонов, Л.С. Герасимова М.: Энергоиздат, 1982 .-511 с.

3. Барков В.А. Полупроводниковые преобразователи для управления электрическими машинами переменного тока: учебное пособие./ В.А. Барков. Л.: Изд. ЛПИ, 1983— 80 с.

4. Бахвалов Ю.А. Моделирование электромеханической системы электровоза с асинхронным тяговым приводом./ Ю.А Бахвалов, А.А Зарифьян, В.Н. Кашников, и др.; под ред. Е.М. Плохова М.: Транспорт, 2001. - 286 с.

5. Белассел М. Емкостные параметры и перенапряжения в обмотке асинхронного двигателя, питаемого от ШИМ преобразователя / М. Белассел, В.Я. Беспалов, Б. Шетат // Электротехника. - 2005. - №1. - С. 44-48.

6. Белассел М. Волновые параметры и перенапряжения в различных типах обмоток асинхронных двигателей, питаемых от ШИМ — преобразователей / М. Белассел, В. Я. Беспалов // Электротехника. 2006. - №3. - С. 56-63.

7. Белассел М. Волновые параметры и межвитковые перенапряжения в обмотке асинхронного двигателя, питаемого от ШИМ преобразователя / М. Белассел, В. Я. Беспалов // Электротехника. - 2008. - №7. - С. 14-17.

8. Белов М.П. Инжиниринг электроприводов и систем автоматизации: учеб. пособие для студ. вузов / М.П. Белов, 0:И. Зементов, А.Е. Козярук; под ред. В.А. Новикова, Л.М. Чернигова. — М.: Издат. центр «Академия», 2006. 368 с.

9. Беналлал, М.Н. Перенапряжения в частотно-управляемых линейных асинхронных двигателях при широтно-импульсной модуляции напряжения: дис. . канд. техн. наук: 05.09.01: защищена 26.11.04 / Мохаммед Наджиб Беналлал. 2004 - 198 с.

10. Беспалов В.Я. Импульсные перенапряжения в обмотках асинхронных двигателей при питании от ШИМ-преобразователя / В.Я. Беспалов, К.Н. Зверев // Электротехника. -1999.-№ 9.-С. 56-59.

11. Богородицкий Н.П. Теория диэлектриков: учебник для вузов / Н.П Богородицкий, Ю.М. Волокобинский, А.А. Воробьев, Б.М. Тареев- Л.: Энергия, 1965 344 с.

12. Браславский И.Я. Энергосберегающий асинхронный электропривод / И.Я. Браславский, З.Ш. Ишматов, В.Н. Поляков. М.: Академия, 2004. - 245 с.

13. Ваксер Н.М. Изоляция электрических машин. Лабораторный практикум. / Н.М. Ваксер, Л.К. Бородулина, В.В Старовойтенков. Л.: Изд-во ЛПИ, 1994. - 72 с.

14. Ваксер Н.М. Изоляция электрических машин: учебное пособие. / Н.М. Ваксер, М.Ю. Лаврентьева, Т.М. Шикова,- СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2007. Ч.2.- 72 с.

15. Ватаев А.С. Напряжения в обмотке статора асинхронного электродвигателя при питании от инвертора с широтно-импульсной модуляцией напряжения через длинный кабель / А.С. Ватаев // Научно-технические ведомости СПбГПУ СПб., 2008. - №3. -С. 252-256.

16. Вейнмейстер А.В. Экспериментальное исследование и анализ зависимости волновых параметров асинхронных двигателей от частоты / А.В. Вейнмейстер, Доан Ань Туан, В.А. Дубровин // Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ», Сер. Электротехника СПб., 2006. - Вып. 1.-С. 20-25.

17. Виноградова JI.E. Собственные частоты цепи с распределенными параметрами / Л.Е. Виноградова // Сложные электромагнитные поля и электрические цепи: межвузовский научный сборник. 1983-№11. - С. 119-121".

18. Волков А. В. Анализ электромагнитных процессов и регулирование асинхронных частотно-управляемых электроприводов с широтно-импульсной модуляцией / А.В. Волков // Электротехника. 2002. - №1. - С. 2-10.

19. Волков А.В. Потери мощности асинхронного двигателя в частотно-управляемых электроприводах с широтно-импульсной модуляцией / А.В. Волков // Электротехника 2002 - № 8. - С. 2-9.

20. Вольдек А.И. Электрические машины: учеб. для вузов / А.И. Вольдек. Л.: Энергия, 1974.-840 с.

21. Воронцов А.Г. Высокочастотные электромагнитные процессы в электрических машинах при широтно-импульсной модуляции напряжения / А.Г. Воронцов, Доан Ань Туан, Ю.П. Коськин и др. // Электротехника. 2008. - №3. - С. 36-44.

22. Геллер Б. Волновые процессы в электрических машинах / Б. Геллер, А. Веверка. М.; Л: Энергия, 1960. - 630 с.

23. Геллер Б. Импульсные процессы в электрических машинах / Б. Геллер, А. Веверка. -М.: Энергия, 1973. 440 с.

24. Гольдберг О.Д. Проектирование электрических машин: учеб. для вузов / О.Д. Гольдберг, Я.С. Гурин, И.С. Свириденко; под ред. О.Д. Гольдберг.- М.: Высш. шк., 1984 .-431 с.

25. Горбунов Ю.К. Расчет собственных и взаимных активно-индуктивных параметров катушек обмотки статора электрической машины / Ю.К. Горбунов // Известия СО РАН. Серия технических наук. 1978. - № 3 - Вып.1. - С. 119-124.

26. Горбунов Ю.К. Активно-индуктивные параметры витка обмотки статора электрической машины / Ю.Л. Горбунов, В.Л. Осипович // Известия СО РАН. Серия технических наук. 1978. - № 3.- Вып. 1. - С. 125-129.

27. Данилевич Я.Б. Параметры электрических машин переменного тока / Я.Б. Данилевич, В.В. Домбровский, Е. Я. Казовский. М.; Л: Наука, 1985. - 339 с.

28. Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники: учебник для вузов. В 3 т. Т.2 / К.С. Демирчян, ЛР. Нейман, Н.В. Коровкин, В.Л. Чечурин. 4-е изд. - СПб.: Питер, 2006.- 576 с.

29. Доан Ань Туан. Математическая модель линейного асинхронного двигателя при широтно-импульсной модуляции напряжения / Доан Ань Туан, Коськин Ю.П. // Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ», Сер. Электротехника. СПб., 2005. - Вып. 1. - С. 15-26.

30. Зверев К.Н. Исследование волновых процессов в частотно-регулируемом асинхронном двигателе: автореф. дис. .канд. техн. наук. 05.09.01/Зверев Константин Николаевич,— М.: МЭИ, 2000,- 20 с.

31. Ильинский Н.Ф. Электропривод и энергосбережение / Н.Ф. Ильинский // Электротехника. 1995. - № 9. - С. 24-27.

32. Каганов З.Г. Емкостные параметры электрических машин переменного тока / З.Г. Каганов // Труды ЛПИ им. Калинина. Л., 1960. - №209. - С. 227-240.

33. Каганов З.Г. Волновые параметры электрических машин и функции Фильда / З.Г. Каганов // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 1966. — №9. - С. 927-933.

34. Каганов З.Г. Волновые напряжения в электрических машинах / З.Г. Каганов. М.: Энергия, 1970.-208 с.

35. Каганов З.Г. Электрические цепи с распределенными параметрами и цепные схемы / З.Г. Каганов. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 248 с.

36. Кади-Оглы Е.Ф. Сравнительный анализ и оценка эффективности способов регулирования погружных асинхронных двигателей: дис. . канд. техн. наук: 05.09.01: защищена 17.05.02 / Кади-Оглы Евгений Федорович,- СПб., 2002.- 134 с.

37. Калашников Б.Е. Проблема «длинного кабеля» в электроприводах с IGBT -инверторами / Б.Е. Калашников // Электротехника. 2002. — №12. - С. 24-26.

38. Кокорев А.С. Справочник молодого обмотчика электрических машин / А.С. Кокорев. -М.: Высш. шк., 1985. 207 с.

39. Копылов, И.П. Проектирование электрических машин: учеб. для вузов: в 2-х т. / И.П. Копылов, Ф.А. Горяинов, Б.К. Клоков. М.: Энергия, 1980. - 2 т.

40. Коськин Ю.П. Введение в электромеханотронику / Ю.П. Косыгин- СПб.: Энергоатомиздат, 1991.-192 с.

41. Коськин, Ю.П. Перенапряжения в частотно-управляемых линейных асинхронных двигателях / Ю.П. Коськин, М.Н. Беналлал. СПб: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2003. -60 с.

42. Кучумов В. А. Исследование пускового режима тягового асинхронного двигателя.// Вестник ВНИИЖТ. 1981. - №4. - С. 29-33.

43. Ламмеранер Й. Вихревые токи: пер. с чеш. / Й. Ламмеранер, М. Штафль- М.: Энергия, 1973 -208 с.

44. Люлько В.А. К расчету входных сопротивлений и эквивалентных параметров цепных схем, применяемых при моделировании обмоток электрических машин / В.А. Люлько // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 1962- №5. - С.44-50.

45. Одинокий С.В. Экспериментальное исследование высших временных гармоник напряжения в системе полупроводниковый преобразователь с ШИМ асинхронный двигатель // Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ», сер. Электротехника - СПб., 2007.- Вып.1.- С. 41-45.

46. Петров Г.Н. Междувитковые напряжения в обмотках электрических машин при волновых процессах / Г.Н. Петров, А.И. Абрамов // Электричество. 1954. - № 7. - С. 24-31.

47. Пустоветов М.Ю. Совершенствование методов расчёта АТЭД с целью улучшения их энергетических характеристик и снижения пульсаций электромагнитного момента, автореф. дис. . канд. техн. наук: 05.09.01 / Пустоветов Михаил Юрьевич,-Новочеркасск, 1999.-25 с.

48. Радин В. И Электрические машины: Асинхронные машины: учеб. для электромех. спец. вузов. / В. И. Радин, Д. Э. Брускин, А. Е. Зорохович; под. ред. И. П. Копылова -М.: Высш. шк., 1988 328с.

49. Рюденберг Р. Переходные процессы в электроэнергетических системах.- М.: Изд-во иностранной литературы, 1955. 714с.

50. Сандлер А.С. Тиристорные инверторы с широтно-импульсной модуляцией для управления асинхронными двигателями./ А.С Сандлер Ю.М Гусяцкий. М.: Энергия, 1968.-96с.

51. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием: учеб. для студ. вузов / Г.Г. Соколовский. М.: Издат. центр «Академия», 2006. - 272 с.

52. Талья И.И. О пульсации электромагнитного момента асинхронного тягового двигателя в пусковом режиме / И.И. Талья, М.Ю. Пустоветов // Известия вузов. Электромеханика. 1998. - №4. - С. 34-37.

53. Фетисов В.В. Об эквивалентности массивного участка магнитопровода системе короткозамкнутых катушек с расслоенными сердечниками / В.В. Фетисов // Труды ЛПИ. 1960. - №209. - С. 338-351.

54. Фетисов В.В. Переходные режимы машин постоянного тока. Физические и теоретические основы: учеб. пособие. / В.В. Фетисов. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1993,120 с.

55. Чагин Н.Л. К расчету волновых параметров всыпных обмоток электрических машин / Н.Л. Чагин // Известия СО РАН. Серия технических наук. — 1973. № 8. - Вып. 2. - С. 126-133.

56. Черных И.В. SIMULINK среда создания инженерных приложений / И.В. Черных, под общ. ред. к.т.н. В.Г. Потемкина М.: Диалог-МИФИ, 2003 - 496с.

57. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink / И.В. Черных.- М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008 -288 с.

58. Шакиров М.А. Практикум по ТОЭ. В 3 ч. 4.2 / Под. ред. М.А. Шакирова- СПб., 1995,- 172с.

59. Юринов В.М. Эквивалентные электрические схемы замещения устройств с массивными магнитопроводами / В.М. Юринов // Электроэнергетика. Труды ЛПИ. -1973.-№230.-С. 66-72.

60. ASC350. User guide. // Corporation ABB. 2005. - 302 p.

61. Enjeti Prasad N. Programmed PWM techniques to eliminate harmonics: A critical evaluation4

62. Prasad N. Enjeti, Phoivos D. Zioqas, James F. Lindsay // IEEE Trans. Ind. Appl 1990. -Vol.26.-№2.-P. 302-316.

63. Guardado L. The effect of coil parameter on the distribution of steep fronted surges in machine windings / J. L. Guardado, К. I. Cornick // IEEE Trans. Energy Convers. 1992-Vol.7.-№3.- P. 552-558.

64. Gustavson Fredrik An inverter for investigation of harmonic losses of induction motors / Fredrik Gustavson, Hans-Peter Nee // PEMC'90: Proc. 6th Conf. Power Electron, and Motion Contr. Budapest, 1990. - Vol.1. -P.99-103.

65. Huang Jiong Гармонический анализ в инверторе с синусоидальной ШИМ и выбор несущей частоты /Huang Jiong, Xu Jiong, Fu Jusin // J. China Techn. Univ. 1990 — Vol.16.-№4-5.-P. 25-32.

66. Kueck John D. Stator insulation degradation test uses ASD switching frequency / John D. Kueck, D. Haynes Howard, Robert H. Staunton. // IEEE Power Engineering Review. -January 2002.-P.7-11.

67. Laisheng, Tong. Study on voltage distribution in windings of an inverter-fed traction motor./ Laisheng Tong, Guanging Wu, Tongguang Lin // Proceedigng of the Chinese Society for Electrical Engineering. 2008.- №12.- Vol.26 - P. 134-138.

68. McClay C.I. Efficiency improvement of cage induction motors / McClay C.I // PhD Thesis. St John's College. The University of Cambridge. 1996.- 20 p.

69. Moreira A. F. High-frequency modeling for cable and induction motor overvoltage studies in long cable drives / A.F. Moreira, T.A. Lipo, G. Venkataramanan, S. Bernet // IEEE Trans. Ind. Appl.- 2002. Vol.38. - №5. - P. 1297-1306.

70. Nicol Hildebrand E. Losses in Three-Phase Induction Machines Fed by PWM converter / Nicol Hildebrand E., Hagen Roehrdanz // IEEE Transaction on energy Conversion.- 2001. -Vol.16.-№3.-P.228-233.

71. Oyegoke, B.S. Transient Voltage Distribution in stator winding of Electrical Machine Fed from a Frequency Converter / B.S. Oyegoke //Acta Polytechnica Scandinavica, Electrical Engineering Series.- Espoo, 1999:- №100,- 73 p.

72. Persson Erik. Transient effects in application of PWM inverters to induction morors./ Erik Persson // IEEE Trans. Ind. Appl. 1992. vol.28. №5.- P.1095-1101.

73. Ruedenberg R. Elektrische Wanderwellen auf Leitungen und in Wicklungen von Starkstromanlagen / R. Ruedenberg. Berlin: Springer-Verlag, 1962.

74. Tarifa J. M. Transient voltage distribution along LV motor windings fed with PWM Converters. Insulation Ageing Analysis. Ph.D. Thesis. -Madrid, 2005. 65 p.

75. Viertielieckij D. S. Optymalne ksztaltynapfec wyjsciowych przektalnikow dla obci azen typu R-L / D. S. Viertielieckij, R. Strzelecki // Zesz. Nauk. Elektrotech. Acad. Techn.- rol. Bydgoszczy. 1990. -№10. - P.21-29.