Размещено на http://www.allbest.ru

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Якімець Андрій Миронович

УДК 621.313.333

РЕГУЛЬОВАНІ АСИНХРОННІ ДВИГУНИ ДЛЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДІВ З АВТОНОМНИМИ ІНВЕРТОРАМИ СТРУМУ

Спеціальність: 05.09.01 Електричні машини та апарати

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Одеса 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі електричних машин Одеського національного політехнічного університету Міністерства науки і освіти України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор

Петрушин Віктор Сергійович,

завідувач кафедри електричних машин Одеського національного політехнічного університету

Офіційні опоненти

- доктор технічних наук, професор

Ставинський Андрій Андрійович,

завідувач кафедри суднових електроенергетичних систем Українського Державного Морського Технічного університету ім. адм. Макарова, м. Миколаїв.

- кандидат технічних наук, доцент

Радимов Ігор Миколайович,

заступник начальника відділу науково-виробничого підприємства “Одесмонтажспецпроект”, м. Одеса.

Провідна установа - Національний університет “Львівська політехніка” Міністерства науки і освіти України (м. Львів).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеського національного політехнічного університету (м. Одеса, пр-т Шевченка, 1)

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради К41.052.05, к.т.н., доцент ________________ В.А. Войтенко

ЗАГАЛЬНА характеристика рОботИ

Актуальність теми. Регульований асинхронний електропривод (ЕП) знаходить застосування у багатьох галузях промисловості. Одним з його різновидів є ЕП із перетворювачами частоти (ПЧ) на базі автономних інверторів струму (АІС). Такий ЕП застосовується при навантаженнях середніх та великих потужностей (понад 100 кВт), що працюють переважно у повторно-короткочасних и переміжних режимах, та має низку переваг (низька вартість, простота силового кола, висока стійкість в аварійних режимах, можливість реалізації двигунного та генераторного режимів одним й тим же комплектом вентилів) перед широко розповсюдженим ЕП із ПЧ на базі автономних інверторів напруги. На цей час в ЕП з АІС, як правило, використовуються серійні короткозамкнені асинхронні двигуни (АД) загального призначення. Ці приводи можна істотно вдосконалити за рахунок використання в них спеціальних регульованих асинхронних двигунів (РАД), адаптованих до специфічних умов роботи. Застосування таких двигунів дозволяє значно знизити вартість, масу, габарити ЕП, підвищити їхні енергетичні показники, динамічні та регулювальні властивості, сприяти ресурсо- та енергозбереженню.

У практиці світового електромашинобудування окремі фірми виробляють РАД для приводів з інверторами напруги. Задача проектування спеціальних двигунів для приводів з АІС вимагає розробки проектних математичних моделей (ММ), вдосконалення розрахункових методик, визначення проектних критеріїв та обмежень, застосування ефективних засобів оптимізації, розробки програмних комплексів для автоматизованого проектування. асинхронний двигун привод енергетичний

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно з планами науково-дослідних робіт кафедри електричних машин Одеського Національного політехнічного університету по наступних темах:

· науково-дослідницька робота 366-64 (номер державної реєстрації 0199U001544) “Розробка математичних моделей напівпровідникових асинхронних електроприводів з різноманітними перетворювачами з використанням програми моделювання PSPICE”, 1999-2001 р., напрямок - Енергетика;

· науково-дослідницька робота 313-51 “Математичне моделювання, автоматизований проектний синтез і дослідження електричних машин і трансформаторів”, 1995-2001 р., напрямок - Енергетика.

· науково-дослідницька робота 422-64 (номер державної реєстрації 0102U002519) “Використання комп'ютерної програми моделювання електронних схем PSPICE при розробці регульованих асинхронних двигунів”, 2002-2004 р., напрямок - Енергетика;

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка методичного, математичного і програмного забезпечення для ефективного розв'язання задач раціонального вибору загальнопромислових АД та проектного синтезу спеціальних РАД з оптимізованими структурами і параметрами для поліпшення експлуатаційних, ресурсо- та енергозберігаючих показників ЕП на базі АІС.

Об'єктом досліджень є асинхронний двигун для ЕП на базі автономних інверторів струму.

Предмет досліджень - електромагнітні, електромеханічні, енергетичні та теплові процеси в АД електроприводів з АІС, автоматизований проектний синтез спеціальних РАД.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язання наступних задач досліджень:

· Аналіз шляхів розв'язання задачі оптимального проектування регульованих АД для частотних приводів з АІС.

· Розробка необхідних ММ частотних перетворювачів на базі АІС.

· Розробка проектних ММ для аналізу електромагнітних, електромеханічних, енергетичних процесів у сталих і перехідних режимах роботи.

· Удосконалення ММ для досліджень теплового стану двигунів ЕП з АІС.

· Обгрунтування раціонального вибору серійних АД для систем приводу з АІС.

· Розробка програмного забезпечення оптимального проектування регульованих двигунів для ЕП на базі АІС.

Методи досліджень. При проектуванні спеціальних регульованих асинхронних двигунів використовується системний підхід, що дозволяє створити проектні ММ із високим ступенем адекватності, що враховують специфіку роботи двигунів у розглянутих ЕП. Методи нелінійного математичного програмування застосовано при розв'язанні задач моделювання й оптимізації. При аналізі несталих режимів роботи АД системи нелінійних диференційних рівнянь розв'язуються методом Рунге-Кутта. Для врахування несинусоїдальності струму живлення АД використовуються методи суперпозиції і матричної алгебри. На підставі теорії подоби процесів розроблено універсальні еквівалентні теплові схеми (ЕТС).

Наукова новизна отриманих результатів:

· Визначено системні принципи оптимального проектування регульованих АД для частотних приводів на базі АІС.

· Отримало подальший розвиток математичне моделювання АІС, що дозволяє визначити значення параметрів регулювання при різних законах частотного керування.

· Вперше розроблено проектні ММ для сталих і перехідних режимів роботи АД частотних ЕП з АІС з урахуванням нелінійності параметрів двигуна і наявності вищих гармонічних складових струму живлення.

· Вдосконалено ММ аналізу теплових процесів асинхронних двигунів приводів з АІС, розроблено універсальні моделі, що дозволяють враховувати різноманіття технічних рішень вентиляційних систем АД.

· Сформульовано основні положення раціонального вибору серійних загальнопромислових АД для роботи в частотних ЕП з АІС.

· Запропоновано діапазонні проектні критерії, що відбивають специфіку роботи АД в приводах з автономними інверторами струму.

Практичне значення отриманих результатів:

· Обгрунтовано методику вибору серійних загальнопромислових АД для систем регульованого ЕП на базі АІС.

· Розроблено програмний комплекс, що реалізує структурно-параметричну оптимізацію при проектуванні регульованих АД для частотних ЕП на базі АІС (Програмний продукт “DIMASDrive”. Посвідчення про реєстрацію програми ПА №4065. Київ: Міністерство освіти і науки України, Державний департамент інтелектуальної власності, 26.03.2001).

· Забезпечено можливість автоматизованого проектного синтезу РАД для електроприводів з автономними інверторами струму.

Розроблений програмний комплекс використовувався для проектування регульованих модифікацій серійних АД для приводів з перетворювачами серії ПЧТЭ, що випускаються науково-виробничим підприємством ЕОС (Харків), у навчальному проектуванні в Одеському Національному політехнічному університеті (ОНПУ), Українському Державному морському технічному університеті (УДМТУ), Одеській Національній морській академії (ОНМА). Положення дисертації використано в курсі “Електричні машини в регульованому приводі”, що викладається в ОНПУ.

Особистий внесок здобувача. У дисертаційну роботу включено теоретичні положення і результати, отримані автором особисто. У друкованих працях, опублікованих у співавторстві, дисертантом розроблено: [1] - функціональний аналіз для вибору цільової функції; [2], [7], [11], [13] - математичні моделі енергетичних показників; [3], [5], [10] - математичні моделі динамічних режимів АД; [4], [8], [14] - еквівалентні теплові заступні схеми АД; [6] - експериментальне дослідження частотно-регульованої модифікації серійного АД; [12] - моделювання частотних перетворювачів на базі АІС у середовищі ORCAD; [15] - аналіз показників механічних характеристик АД.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідалися й обговорювалися на науково-технічних конференціях і семінарах: міжнародної конференції "Математичне моделювання в електротехніці й електроенергетиці" (Львів, 1999, 2003), міжнародних конференціях "Проблеми автоматизованого приводу. Теорія і практика" (Харків, 1999, 2001), міжнародному симпозіумі “Проблеми удосконалення електричних машин і апаратів” (Харків, 2002, 2003), міжнародній конференції “Автоматика - 2001” (Одеса, 2000), на науково-технічних семінарах АН України “Електромагнітні процеси та проектний синтез електричних машин та трансформаторів” (2001, 2003 в Одеському Національному політехнічному університеті). Розроблене програмне забезпечення виставлялося на міжнародній виставці “СЕВІТ-2000” (Німеччина) та на регіональній виставці “Перспектива ХХI” (Одеса).

Публікації. Основні положення і результати дисертаційної роботи опубліковано в 15 статтях у наукових журналах і збірниках наукових праць, 2 тезах наукових конференцій, отримано посвідчення про державну реєстрацію прав автора.

Структура й обсяг роботи. Дисертація викладена на 188 сторінках, складається із вступу, п'яти розділів, висновку, списку використаних джерел із 159 найменувань, містить 48 рисунків, 9 таблиць, а також 4 додатки на 15 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі роботи, дана загальна її характеристика, зазначено основні наукові і практичні положення, що виносяться на захист.

У першому розділі виконано аналіз особливостей роботи і проектування АД частотних приводів на базі АІС.

На даний час промислове виробництво й інші галузі народного господарства висувають все більш істотні вимоги до електроприводів. Сучасні технології базуються на керованих і енергозберігаючих типах ЕП. Найбільш розповсюдженим видом регульованого ЕП є частотний асинхронний. У таких приводах поряд із перетворювачами на базі автономних інверторів напруги і безпосередніми перетворювачами частоти (циклоконвертерами) знаходять застосування перетворювачі на базі автономних інверторів струму. Створенню АІС, реалізації на їхній основі частотних перетворювачів і приводів присвячено праці багатьох вітчизняних і закордонних вчених: А.А. Булгакова, Р.С. Сарбатова, А.Я. Бернштейна, А.А. Хашимова, Ю.А. Сабініна, І.І. Епштейна, Г.В. Аранчий, Г.Г. Жемерова, В.Н. Ісакова. Використання тих або інших перетворювачів визначається потужностями навантажувальних механізмів, режимами їхньої роботи. На рис.1 представлено діаграму, що ілюструє існуючий розподіл асинхронних електроприводів за потужністю від можливого діапазону регулювання частоти для різних типів перетворювачів.

Область використання електроприводів з перетворювачами на базі АІС досить велика. Цьому сприяють наступні переваги таких приводів у порівнянні з іншими частотно-регульованими асинхронними ЕП:

· можливість реалізації двигунного і генераторного режимів одним комплектом вентилів перетворювача;

· висока стійкість в аварійних режимах завдяки наявності реактора значної індуктивності у контурі протікання струму;

· відсутність спеціальних вимог до динамічних характеристик тиристорів і можливість використання одноопераційних тиристорів.

У той же час АІС властиві і деякі недоліки: значний вміст вищих гармонік у струмі як на стороні мережі, так і на стороні АД, високий рівень споживання з мережі живлення реактивної потужності. Наявність вищих гармонік (ВГ) у струмі, що підводиться до АД, викликає додаткові втрати в активних частинах машини і призводить до пульсацій обертового моменту двигуна.

Шляхи подальшого вдосконалювання розглянутих електроприводів пов'язано як з поліпшенням експлуатаційних характеристик перетворювачів частоти на базі АІС, так і з адаптацією електромеханічної частини приводів до умов живлення від АІС. Застосування в приводах з АІС спеціально спроектованих РАД надає можливість істотно поліпшити їхні техніко-економічні показники. Проектування РАД має виконуватись із використанням практики проектування загальнопромислових АД і базуватися на працях таких вчених, як К.І. Шефнер, К.А. Круг. Г.Н. Петров, Л.М. Піотровський, М.П. Костенко, І.М. Постніков, В.П. Шуйський, О.І. Вольдек, І.П. Копилов, А.В. Іванов-Смоленський, Ф.А. Горяінов, Б.К. Клоков, О.Д. Гольдберг, Я.С. Гурін, Б.І. Кузнєцов, А.Е. Кравчик, Т.Г. Сорокер, А.А. Войтех, В.В. Домбровський, Г.М. Хуторецький. Також як і асинхронні двигуни загальнопромислового застосування, РАД повинні проектуватися із використанням відповідних методик оптимізації. При цьому повинен бути використаний значний внесок у питання оптимального проектування Дж.А. Аветисяна, А.А. Терзяна, В.И. Геминтерна, Б.М. Кагана, А.П. Воскресенского та ін.

Питаннями проектування АД для нестандартних умов експлуатації, у тому числі і для регульованих асинхронних ЕП з частотними перетворювачами, займаються А.Е. Загорський, В.Я. Беспалов, А.С. Курбасов, А.П. Заболотний, А.М. С'янов, Б.Я. Гусєв, А.П. Капустін, В.С. Петрушин. У той же час розв'язання задачі проектування спеціальних регульованих АД для ЕП з АІС ускладнено у зв'язку з відсутністю спеціального методичного, математичного і програмного забезпечення. У першу чергу проектний синтез таких електромеханотронних пристроїв повинен здійснюватися на засадах системного підходу, що розглядає частотний перетворювач, двигун і навантаження як взаємозалежні компоненти єдиної системи. При цьому враховується специфіка роботи АД в електроприводах, що дозволяє виконувати комплексний аналіз проектовання АД. Потрібне вдосконалення розрахункових методик, розробка системних проектних ММ, які повинні враховувати зміну відповідно заданому закону величини і частоти струму, що підводиться до двигуна, наявність часових вищих гармонійних складових, зміну параметрів заступних схем АД, теплових провідностей, навантажень приводу в різних робочих точках діапазону регулювання. Для аналізу роботи двигуна ЕП з АІС у перехідних режимах необхідні ММ нестаціонарних процесів. Проектні ММ повинні бути комплексними, складеними з моделей усіх компонентів, які входять до ЕП, що розглядається.

Для двигунів регульованих ЕП необхідне формування спеціальних проектних критеріїв, пов'язаних із енергетикою і витратами на його виготовлення й експлуатацію. Проектний синтез припускає пошук оптимальних значень конструктивних параметрів, у першу чергу найбільш вагомих. Істотного результату можна досягти при оптимізації обмоткових даних, зміні конструкції ротора, збільшенні ефективності тепловіддачі за рахунок застосування примусового охолодження і вентиляційних каналів.

Поряд з параметричною оптимізацією, велике значення при проектуванні адаптованих АД має структурний синтез, пов'язаний зі зміною як структурних елементів конструкції машини, так і структури всього приводу. Стосовно до електромеханічних і електромагнітних перетворювачів питання синтезу розглянуто у працях В.Ф. Шинкаренко, Г.В. Пуйло. Структурний синтез дозволяє вибрати як структуру силового кола перетворювача з АІС, так і полюсність машини, габарит, вентиляційну систему АД, марку електротехнічної сталі і т.п. для конкретної проектної ситуації.

Вищеописані проблеми проектування регульованих АД вимагають наявності проектних ММ, програмних засобів автоматизованого пошуку оптимальних параметрів. Задача проектування РАД не може бути розв'язана при використанні існуючих математичних моделей та програмного забезпечення для проектування АД загальнопромислового призначення.

В другому розділі розглядається моделювання напівпровідникових перетворювачів частоти з АІС і механічних навантажень.

Важливе значення при аналізі роботи АД в приводах з АІС має визначення гармонійного склад струму, що підводиться до двигуна. На практиці в АІС комутація струму з однієї фази до іншої відбувається не миттєво, а протягом визначеного проміжку часу t_k . При збільшенні частоти в кривій струму має місце зменшення крутості фронтів наростання і спадання імпульсів струму через зростаючий вплив комутуючих конденсаторів інвертора. Тривалість інтервалу, протягом якого відбувається комутація струму з однієї фази навантаження до іншої, визначається наступним виразом

, (1)

де f_s - частота струму на виході АІС, C_к - ємність кожного комутуючого конденсатора АІС (для схеми з розділовими діодами), - індуктивності розсіювання обмоток статора і ротора і взаємна індуктивність обмоток АД. Величина _к, значення якої не може перевищувати /3, визначає спектральний склад вихідного струму інвертора. При розкладанні в гармонійний ряд вихідного струму інвертора отримано аналітичну залежність амплітуди v-ї гармонійної складової струму від величини _к

при (2)

Показники роботи АД багато в чому пов'язані з законами частотного керування, що використовуються у ПЧ, які зв'язують між собою величину струму (напруги) на виході перетворювача з частотою живлення, ковзанням і параметрами двигуна. Закони, що використовуються в електроприводі на базі АІС, можна умовно розділити на три групи (i - номер групи законів керування). До першого (i=1) відносяться закони, що зв'язують величину і частоту напруги живлення двигуна (U₁/f₁=const, U₁/f₁²=const і ін.). До другої групи (i=2) відносяться закони, що зв'язують між собою величину струму статора і частоту струму ротора (I₁/f₂=const, I₁/f₂²=const). Третю групу (i=3) складають закони, що забезпечують сталість магнітних потоків АД (потокозчеплень обмотки статора ₁, обмотки ротора ₂ і потоку в повітряному зазорі Ф_д). Використовуються відносні параметри регулювання частоти струму статора , частоти струму ротора (абсолютного ковзання) і величини струму статора _i :

, , , (3)

де поточна і базова частота струму на виході АІС, поточна частота струму ротора АД, поточне і базове значення струму на виході АІС. Розрахунок параметра _і проводиться щодо основної робочої гармоніки. Взаємозалежне керування напругою і частотою перетворювача при законах першої групи в загальному випадку визначається виразом , де k_y коефіцієнт закону керування, n показник ступеня (звичайно n = 0,52), U_дод додаткова напруга. Значення k_y і U_дод вибираються виходячи з параметрів АД, АІС і навантаження. Для законів першої групи коефіцієнт k_y чисельно дорівнює напрузі, що необхідно забезпечити на двигуні при частоті . ММ параметра _i можливо одержати із заступної схеми фази АД, що живиться від джерела струму J (рис.2)

У відповідності зі схемою заміщення ММ параметра регулювання струму ₁, виражена через параметри еквівалентної схеми заміщення АД, для першої групи законів

, (4)

де ,

,

.

Для законів керування другої групи струм статора I₁ залежить від відносного значення частоти струму ротора , де n показник ступеня, відповідно закону, що використовується (звичайно n = 1ч2). У цій групі законів значення , де абсолютне ковзання двигуна, за якого струм статора АД дорівнює базовому струму АІС I_1н . Відповідно, параметр регулювання струму

. (5)

Для отримання аналітичних залежностей між параметрами регулювання законів 3-ї групи використовується вираз, що зв'язує магнітні й електричні величини у сталому режимі

, (6)

де _i й Е_i відповідні потокозчеплення й ЕРС. При законі управління, що забезпечує , дотримується також умова . Параметр регулювання _3s

. (7)

Аналогічно при сталості потоку в повітряному зазорі АД і при сталості потокозчеплення ротора , відповідно _3m і _3r :

, . (8)

Одним зі шляхів підвищення адекватності моделювання є застосування замість традиційної аналітичної ММ перетворювача, моделі, максимально наближеної до реального фізичного об'єкта, що дозволяє моделювати будь-які режими роботи. Для реалізації таких моделей використовується спеціальне програмне забезпечення емуляції електронних схем і елементів, зокрема система проектування електронних схем OrCAD з убудованої емуляційною частиною PSpice.

Особливістю даної моделі ПЧ є те, що для визначення гармонійного спектру напруги живлення двигуна, до виходу інвертора підключено схемно-аналогову модель асинхронної машини, що являє собою умовний трифазний трансформатор із включеними у вторинну обмотку еквівалентними ЕРС обертання. Параметри схеми заміщення умовного трансформатора відповідають параметрам схеми заміщення АД. Дані про спектральний склад струмів і напруг на виході АІС, отримані за допомогою OrCAD використовуються при електромагнітних розрахунках АД. Високий ступінь адекватності моделювання ПЧ з АІС у середовищі OrCAD підтверджений експериментальними дослідженнями (рис.3).

При використанні OrCAD розширюються можливості аналізу роботи АД в розглянутих ЕП. Можливе врахування впливу випрямляча на спектральний склад струму двигуна, аналіз впливу ПЧ на живильну мережу, розрахунок аварійних і позаштатних ситуацій. Однак моделювання за допомогою OrCAD вимагає значних машинних й часових ресурсів, внаслідок чого використання таких ММ прийнятне при виконанні перевірочних розрахунків.

До комплексної ММ привода повинні входити моделі механічних навантажень, що дозволяють моделювати найбільш розповсюджені виробничі механізми, для регулювання частоти обертання яких знаходять застосування асинхронні привода на базі АІС. Моделювання необхідно проводити з урахуванням параметрів, характеристик і режимів роботи цих механізмів. Момент опору на валу АД являє собою функцію двох змінних: часу t й частоти обертання щ і в загальному випадку описується виразом , де М_о початковий момент, k коефіцієнт пропорційності, n показник, що визначає характер залежності навантаження від частоти обертання, коефіцієнт, що враховує зміну навантаження у часі. Залежність може мати складний характер і при її визначенні необхідно враховувати особливості режиму роботи приводного механізму.

У третьому розділі розглядаються проектні математичні моделі сталих і нестаціонарних режимів роботи АД.

Всебічний аналіз роботи АД в частотних електроприводах з АІС, відповідно до системного підходу, здійснюється за допомогою комплексних ММ, що включають моделі всіх компонентів, які входять до складу приводу. Головними складовими комплексних проектних ММ є моделі АД. Вони описують процеси, різні за фізичною природою (електромагнітні, електромеханічні, енергетичні, теплові) і за характером протікання (сталі та нестаціонарні). Базою для ММ РАД є моделі загальпромислових АД. При цьому в ММ РАД враховано особливості роботи двигуна в ЕП з АІС: полігармонійний склад живлення двигуна, зміна значень параметрів заступних схем, в тому числі і внаслідок явищ насичення та витіснення теплових втрат, теплових провідностей у процесі регулювання, роботи двигуна переважно в перехідних режимах, тощо.

У кожній робочій точці діапазону регулювання визначаються параметри струму живлення двигуна (величина і частота всіх гармонійних складових) і значення навантажувального моменту на валу машини. Параметри струму залежать від закону частотного керування перетворювача. При розгляді електромагнітних, електромеханічних та енергетичніх процесів у сталих режимах полігармонійність живлення враховується поданням реальної машини низкою умовних двигунів, що живляться струмами окремих гармонік, які враховуються. Параметри повних заступних схем умовних двигунів (рис.4) відрізняються в різних робочих точках діапазону регулювання. Їхні значення, що визначаються в результаті електромагнітних розрахунків для кожної робочої точки, залежать від номера гармоніки н, коефіцієнта зміни струму _i , коефіцієнта зміни частоти б, абсолютного ковзання . Перехід від умовних двигунів до реальної асинхронної машини здійснюється за допомогою методу суперпозиції.

В якості обмежень при проектуванні РАД можуть використовуватися такі показники механічних характеристик двигуна як перевантажувальна здатність k_М і жорсткість H_M. Вирази, що дозволяють розрахувати ці показники, визначено в результаті аналізу при використанні еквівалентної заступної схеми двигуна. На рис.5,а подано сімейство механічних характеристик АД, що живиться від ПЧ з АІС, при законі керування U₁/f₁=const та характеристика навантажувального механізму вентиляторного типу. Зона обмеження напруги U₁ (і, відповідно, параметра регулювання _i ) визначається максимальною напругою у колі постійного струму ПЧ та коефіцієнтом потужності двигуна. На рис.5,б наведено розрахункові залежності зміни жорсткості механічних характеристик АД для зазначеного навантаження в діапазоні частот обертання 280-2850 об/хв за різних законів частотного керування.

Несинусоїдальність струму статора приводить до істотних пульсацій електромагнітного моменту, що у свою чергу викликають нерівномірність обертання ротора. Отримані ММ пульсаційних моментів з урахуванням впливу комутуючих конденсаторів АІС. Амплітуда пульсацій

, (9)

де I_s1max - амплітуда 1-ї гармоніки струму статора АД, , .

Комплексні ММ електромагнітних і електромеханічних процесів РАД у перехідних режимах базується на системі нелінійних диференційних рівнянь зі змінними коефіцієнтами та дозволяють аналізувати регулювальні і динамічні властивості двигунів. Результати аналізу використовуються як при виборі серійних АД, так і при проектуванні спеціальних РАД.

Комплексна ММ базується на рівняннях електромагнітної рівноваги роторного ланцюга з періодичними коефіцієнтами, записаних у перетворених координатах, і рівнянні механічної рівноваги. Відсутність рівнянь електромагнітної рівноваги статорного ланцюга порозумівається тим, що для приводів АІС - АД струм статора, як основний параметр регулювання, визначається законом частотного керування. Система рівнянь АД для нерухомої системи координат , представляється в матрично-векторній формі

, (10)

де р - число пар полюсів АД, , , , - матриці-стовпці потокозчеплень ротора по вісях б й в, і, відповідно, матриці-стовпці струмів статора по цих вісях, що виражено через миттєві значення потокозчеплень і струмів гармонійних складових, - матриця активних опорів обмотки ротора, , - матриці взаємних індуктивностей статорних і роторних обмоток і повних індуктивностей ротора, сформованих з відповідних параметрів схем заміщення умовних двигунів гармонік, що враховуються. - момент опору на валу АД, який є функцією двох змінних, що дозволяє розглядати тахограми навантажень, які характеризуються різними тривалостями роботи двигуна з різними моментами опору, і досліджувати основні типи навантажень (вентиляторний, ліфтовий і т.п.), - сумарний момент інерції двигуна і механізму, приведений до вала АД.
M_ем - миттєве значення електромагнітного моменту АД

, (11)

де показник ступеня означає підсумовування всіх елементів матриці-стовпця. Елементи всіх матриць, у тому числі і матриць параметрів заступних схем розраховуються для кожного кроку
інтегрування. При виконанні електромагнітних розрахунків визначаються втрати в активних частинах АД від усіх врахованих ВГ та використовуються потім у ММ аналізу теплового стану.

Для оцінки теплового стану асинхронних машин різного виконання складено універсальну еквівалентну теплову схему (ЕТС) (рис.6) і їй відповідає система рівнянь теплового стану АД. При теплових розрахунках враховуються зміна в кожній робочій точці діапазону регулювання значень втрат P, теплових провідностей Л, частоти обертання ротора і, відповідно, інтенсивності обдуву. Різноманіття конструктивних рішень систем охолодження РАД враховується в універсальній ЕТС, що передбачає тепловий розрахунок двигунів закритого (IP44, IP54) і захищеного (IP22, IP23) виконання як із примусовим, так і з самоохолодженням, з використанням у системі вентиляції аксіальних і радіальних вентиляційних каналів. Провідності, значення яких при регулюванні змінюються, у тепловій схемі позначені як змінні. Їхній розрахунок необхідно виконувати для кожної робочої точки.

Теплові провідності, позначені як змінні пунктиром, змінюються при самоохолодженні і залишаються незмінними при обдуві незалежним вентилятором. У тепловому розрахунку розв'язується задача визначення перевищення температур різних конструктивних частин електричної машини над температурою навколишнього середовища. Перехід від універсальної теплової схеми до окремих випадків може бути здійснений шляхом топологічного перетворення еквівалентної теплової схеми.

Узагальнена система рівнянь теплового стану АД у матричній формі

, (12)

де - матриця-стовпець середніх перегрівів над температурою охолодного середовища, [С] - матриця теплоємностей відповідних конструктивних елементів, на які умовно розбивається АД. [Л] - матриця теплових провідностей, [ДС] - вектор втрат у відповідному елементі. Для розрахунку сталих перегрівів з еквівалентної заступної схеми (рис.6) виключаються конденсатори (теплоємності) і визначення перегрівів зводиться до розв'язання системи лінійних рівнянь. За результатами теплового розрахунку (рис.7) оцінюється ефективність того або іншого конструктивного рішення системи охолодження для конкретного технічного завдання.

У четвертому розділі основна увага приділена особливостям вибору серійних АД для електроприводів з АІС.

При виборі прийнятного двигуна з визначеної серії приймаються в увагу багато факторів, до числа яких відносяться тип і режим роботи навантажувального механізму привода, його діапазон регулювання, закон частотного керування, що використовується у перетворювачі. Різноманіття факторів визначає складність формалізації процесу вибору.

Вибір здійснюється при критеріях і обмеженнях, прийнятих на етапі розробки технічного завдання. Як критерії використовуються діапазонні енергетичні показники, діапазонний узагальнений критерій приведених витрат, масогабаритні показники АД. Використання того або іншого критерію обумовлено призначенням АД й умовами його експлуатації. Обмеженнями виступають припустимі теплові навантаження, необхідні перевантажувальні здатності, жорсткості механічних характеристик, припустимі коефіцієнти пульсаційних моментів.

Для попереднього вибору застосовуються теплові навантажувальні характеристики (рис.8), побудовані у відповідності зі стандартом МЕК (МВТ 160 М-4). Такі характеристики показують зміну теплової навантажувальної здатності серійних АД при відхиленні частот обертання від номінальних для тривалого режиму роботи. Їхній вид залежить від застосованого закону частотного керування і він відмінний для ЕМ різних серій, виконань, систем охолодження. Характеристики розраховуються за допомогою програмного комплексу, заснованого на вищеописаних комплексних математичних моделях. На рис.9 подано розподіл потужностей серійних АД (серія 4А, виконання ІР44 ) для навантаження 500 Нм і діапазону 180-1800 об/хв, упорядкованих за числом пар полюсів. Припустима область вибору обмежена максимальною частотою на виході АІС (100Гц) і тепловою навантажувальною здатністю АД, що визначають відповідно число пар полюсів і потужність двигуна.

Остаточний вибір виконується при повному аналізі роботи серійних двигунів у заданій системі привода на конкретне навантаження і розгляді не тільки теплового стану двигуна, але й інших техніко-економічних показників роботи АД. Такий аналіз здійснюється тільки при використанні комплексних математичних моделей і при цьому розрахунок техніко-економічних показників виконується для всього діапазону регулювання.

В якості енергетичних критеріїв оптимальності використовуються діапазонні значення ККД і коефіцієнта потужності, обумовлені як еквівалентні (усереднені) у всьому діапазоні регулювання від n₁ до n₂ (n = n₁ - n₂):

, . (13)

За відомої тахограми роботи при розрахунку енергетичних критеріїв враховується тривалість роботи АД на кожній з частот обертання. Універсальним показником, що відбиває витрати на виготовлення й експлуатацію АД є зведена вартість R_ЗВ . З огляду на тривалість періоду нормативної окупності електричних машин (Т_н=5...7 років), розрахунок приведеної вартості проводиться з урахуванням інфляційних процесів. Якщо інфляція протягом терміну окупності Т_н прогнозується за перший рік на величину (інфляція в о.е., наприклад, при інфляції 6% ), за другий рік - на , за третій - на тощо, то тоді

, (14)

де - початкові капіталовкладення (вартість двигуна), а - щорічні витрати (вартість втрат та експлуатаційні витрати, що розраховуються з використанням діапазонних енергетичних показників). У випадку, коли замість низки показників на період Т_н прогнозується усереднений рівень інфляції , тоді

. (15)

У п'ятому розділі розглядаються питання проектного синтезу спеціальних регульованих АД для частотних приводів із ПЧ на базі АІС.

Проектування регульованих двигунів виконується з урахуванням їхньої роботи на визначене навантаження в заданому діапазоні частот обертання. Спроектовані РАД забезпечують ефективне використання енергетичних і матеріальних ресурсів, поліпшені регулювальні і динамічні властивості ЕП у всьому діапазоні регулювання.

Технічними передумовами, які дозволяють реалізувати переваги регульованих двигунів над серійними загальнопромисловими, що працюють від АІС, є:

· використання оптимальних співвідношень значень напруги і частоти запроектованого двигуна, відмінних від базових, що сприяє зниженню маси й габаритів;

· виключення роботи АД при надкритичних ковзаннях, у зв'язку з чим може бути застосовано відповідну форму паза ротора, що забезпечує мінімальний активний опір обмотки ротора;

· можливість деякого зниження перевантажувальної здатності двигуна, оскільки система приводу з АІС відслідковує параметри струму, що підводиться до АД;

· використання систем інтенсивного само- і примусового охолодження;

· посилення ізоляції витків обмотки статора з метою захисту від імпульсних перенапруг.

Розроблені комплексні проектні ММ, що використано у системі розрахункового проектування, враховують полігармонійність вихідного струму частотного перетворювача, зміну параметрів заступних схем АД в різних робочих точках. Вимогам технічного завдання повинні відповідати діапазонні критерії оптимальності та специфічні проектні обмеження. ММ діапазонних критеріїв оптимальності, що адекватно відбивають техніко-економічні показники роботи АД в приводі, формуються за аналогією з ММ критеріїв вибору серійної машини (13), (14), (15).

Послідовність розв'язання задачі проектного синтезу РАД (рис.9) наступна:

· структурний синтез - формування набору припустимих структур системи;

· параметрична оптимізація сформованих структур;

· вибір оптимального варіанту РАД.

Базовою машиною, на основі якої створюється модифікація РАД, є серійний АД, що найкраще відповідає умовам роботи в ЕП з АІС. Етап структурного синтезу складається у внесенні до структури базової машини та системи приводу в цілому визначених змін, в результаті яких формується набір структур ЕП та РАД, що входить до нього. За своєю спрямованістю, задачі структурного синтезу поділяються на внутрішні (стосовні до АД) та зовнішні (стосовні до системи ЕП).

Одночасно з формуванням структури формується набір керованих параметрів (змінних). Задачею параметричної оптимізації при проектуванні РАД є визначення такого набору значень керованих змінних кожної зі сформованих структур електроприводу та РАД, що входить до нього, за якого цільова функція має найкраще значення. При цьому повинні виконуватися всі вимоги й обмеження, визначені у завданні на проектування. У зв'язку з тим, що при розв'язанні розглянутих задач параметричної оптимізації кількість керованих змінних може бути значною і, зважаючи на те, що при оптимальному проектному синтезі РАД необхідне розв'язання декількох таких задач (за кількістю сформованих структур), оптимізація РАД може бути здійснена із використанням методу Нелдера і Міда, що є модифікацією симплексного методу.

В результаті оптимізації значно підвищується теплова і механічна навантажувальна здатність оптимізованої машини. Деколи доцільно розглянути питання про зниження габариту РАД (за шкалою стандартних довжин та висот вісі обертання). Спрощену блок-схему оптимального проектування РАД подано на рис.10.

Програмний комплекс був застосований для розробки регульованої модифікації серійного двигуна 4А225М4, що живиться від перетворювача із автономним інвертором струму ПЧТ-12211, для приводу центрифуги ОГШ-631К-06. У результаті оптимізаційного проектування зведені витрати модифікованого РАД на 11% стали менше зведених витрат серійного АД.

За аналогією з наведеним прикладом проектування виконувалися розробки адаптованих РАД для різних за характером, величинами і необхідними діапазонами регулювання навантажень. В усіх проектах отримано економічний та енергетичний ефекти, величини яких змінювалися в залежності від розв'язуваних проектних задач. У середньому зниження зведеної вартості склало від 5 до 12%, а збільшення ККД склало в середньому на 1…3,5%

ВИСНОВОК ПО РОБОТІ

Основний науковий зміст дисертації складається в рішенні наукової задачі проектування регульованих асинхронних двигунів для частотних електроприводів з автономними інверторами струму. Розроблені на основі системного підходу проектні математичні моделі дозволяють враховувати всі необхідні проектні фактори й обмеження. Вони є основою програмних засобів для проектування спеціальних РАД, що дозволяють істотно підвищити якість регульованих приводів на базі АІС.

Як показав аналіз, застосування в ЕП з АІС спеціально спроектованих регульованих АД замість серійних дає можливість знизити масу, габарити, вартість ЕП, підвищити ККД, поліпшити динамічні та регулювальні характеристики. Особливості підходу до проектування РАД полягають у необхідності побудови та аналізу специфічних характеристик, що описують роботу двигуна, і застосуванні особливих критеріїв оцінки експлуатаційних показників двигуна в регульованому приводі.

Моделювання систем ЕП з різними законами частотного керування базується на запропонованих ММ АІС, які дозволяють визначити значення параметрів регулювання, зумовлюють можливість оптимального проектування РАД для таких систем. З метою уточнення моделювання виконано врахування впливу на роботу АД комутуючих конденсаторів АІС, а також визначення припустимої зони роботи інвертора. Адекватність комплексних ММ приводів, що використовують традиційні моделі перетворювачів, підтверджено комплексними ММ із моделями перетворювачів, синтезованими в середовищі емуляції електронних схем OrCAD.

Виходячи із системного підходу проектування регульованих АД вимагає використання в якості проектних ММ комплексних моделей, що включають у себе моделі усіх взаємодіючих компонентів привода. У проектних ММ електромагнітних, електромеханічних, енергетичних процесів для сталих і перехідних режимів враховано особливості роботи асинхронних двигунів у ЕП з АІС за полігармонічного вихідного струму інвертора та зміни параметрів заступних схем двигуна у процесі регулювання.

Розроблено універсальні еквівалентні теплові заступні схеми для сталих і перехідних режимів з урахуванням зміни теплових провідностей при регулюванні, що надають можливість проектувати модифікації різних виконань і систем вентиляції РАД.

Запропонована модифікація узагальненого діапазонного критерію, який характеризує ефективність експлуатації асинхронного двигуна в ЕП з АІС з урахуванням тахограми роботи АД на визначених швидкостях, а також впливу інфляційних процесів на протязі терміну окупності.

Створене методичне, математичне і програмне забезпечення дозволяє здійснити автоматизований вибір серійних загальнопромислових АД для приводів на базі АІС з урахуванням заданих техніко-економічних вимог.

Застосування розробленого програмного комплексу “DIMAS-Drive” дозволило спроектувати на базі серійних машин регульовані АД, що мають у середньому на 12% меншу приведену вартість. Використання програмного комплексу в навчальному процесі сприяє ефективному навчанню студентів електромеханічних спеціальностей, набуванню навичок з автоматизованого вибору та проектування двигунів для асинхронних електроприводів на базі АІС.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Петрушин В.С., Рябинин С.В., Якимец А.М. Проектирование модификаций асинхронных короткозамкнутых двигателей для систем полупроводникового электропривода // Проблемы автоматизированного привода. Вест. ХГПУ. - 1999. - Вып.61. - С. 196 - 197.

Петрушин В.С., Рябинин С.В., Якимец А.М. Анализ потерь и теплового состояния асинхронного двигателя при частотном управлении / Праці Інституту електродинаміки НАН України. - Київ: ІЕД НАН України, 1999. - Вип.1. - С. 31 - 36.

Петрушин В.С., Рябинин С.В., Якимец А.М. Исследование динамических режимов асинхронных двигателей в регулируемых электроприводах. // Вісник Національного університету “Львівська политехніка”. - 2000. - № 403. - С. 142 - 145.

Петрушин В.С., Рябинин С.В., Якимец А.М. Расчет температур конструктивных элементов асинхронных двигателей в динамических режимах // Вісник Національного університету “Львівська политехніка”, - 2000. - № 403. - С. 145 - 149.

Петрушин В.С., Якимец А.М. Моделирование динамических режимов асинхронных двигателей при частотном регулировании // Проблемы автоматизированного привода. Вестник Национального технического университета “ХПИ”. - 2001. - Вып. 10. - С. 156 - 157.

Петрушин В.С., Якимец А.М. Исследование частотно-регулируемой модификации серийного асинхронного двигателя // Електpомашинобуд. та електрообладнан.: - 2001.- Вип. 57.- С. 51-54.

Якимец А.М. Анализ потерь и теплового состояния асинхронного двигателя при питании от автономного инвертора тока // Електромашиноб. та електрообладн.-2002.- Вип.58.- С.76-80.

Петрушин В.С., Якимец А.М. Универсальная тепловая схема замещения асинхронных двигателей // Електромашинобуд. та електрообладнан.- Вип. 59.- 2002.- С. 75 - 79.

Пуйло Г.В., Петрушин В.С., Якимец А.М. Проектирование регулируемых асинхронных двигателей для циклических нагрузок // Електротехніка і Електромеханіка.- 2002.- №3. - С. 68 - 69.

Петрушин В.С., Якимец А.М. Анализ переходных процессов в АД при частотно-токовом управлении // Проблемы автоматизированного привода. Вістник Кременчуцького державного політехнічного університету . - 2003. - Вип. 19. - С. 49 - 52.

Петрушин В.С., Якимец А.М. Энергетические показатели асинхронных двигателей в электроприводах с автономными инверторами тока при различных законах управления // Труды Одесского политехнического университета - Вып.2(20), 2003. - С.82-85.

Малахов В.П., Петрушин В.С., Якимец А.М. Моделирование работы асинхронных двигателей в электроприводах на базе инверторов тока с использованием программы ORCAD // Електpомашинобуд. та електрообладнан. - Вип.60, 2003. - С.28-32.

Петрушин В.С., Якимец А.М. Сопоставление энергетических показателей асинхронных двигателей электроприводов с автономными инверторами тока и напряжения // Проблемы автоматизированного привода. Вестник Национального технического университета “ХПИ”. - 2003. - Вып. 10., Том 2, - С. 495 - 496.

Петрушин В.С., Якимец А.М., Кобрин В.Л. Тепловые расчеты нестационарных режимов работы асинхронных двигателей регулируемых электроприводов // Електротехніка і Електромеханіка.- 2003.- №4. - С. 65 -68.

Петрушин В.С., Якимец А.М. Определение показателей механических характеристик асинхронных двигателей электроприводов с автономными инверторами тока // Вісник Національного університету “Львівська политехніка”, - 2003. - № 485. - С. 106 - 111.

Петрушин В.С., Рябинин С.В., Якимец А.М. Программный продукт “DIMASDrive”. Программа анализа работы, выбора и проектирования асинхронных короткозамкнутых двигателей систем регулируемого электропривода (свидетельство о регистрации программы ПА №4065). Киев: Министерство образования и науки Украины, Государственный департамент интеллектуальной собственности, 26.03.2001.

АНОТАЦІЇ

Якімець А.М. Регульовані асинхронні двигуни для електроприводів з автономними інверторами струму. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01 - електричні машини та апарати. Одеський Національний політехнічний університет, Одеса, 2004.

Дисертацію присвячено удосконаленню регульованих електроприводів на базі автономних інверторів струму шляхом використання в них спеціально спроектованих регульованих асинхронних двигунів (РАД), адаптованих до специфічних умов експлуатації, що дозволяє знизити їхню масу, габарити, вартість, поліпшити енергетичні показники, динамічні і регулювальні властивості. З цією метою, відповідно до системного підходу, розроблено комплексні проектні математичні моделі, що включають до себе моделі всіх компонентів регульованих електроприводів. Комплексні математичні моделі надають можливість аналізувати електромагнітні, електромеханічні, енергетичні, теплові процеси як у сталих, так і в перехідних режимах роботи двигунів. Істотне уточнення аналізу досягається при використанні замість традиційних моделей перетворювачів моделей, синтезованих у програмному середовищі емуляції електронних схем OrCAD. Оптимальне проектування здійснюється на основі багатоваріантного аналізу. Пропонуються діапазонні проектні критерії, функціональні показники і проектні обмеження.

На основі запропонованих проектних ММ розроблено методичне і програмне забезпечення автоматизованого вибору серійних загальнопромислових асинхронних двигунів та оптимального проектування РАД для систем електроприводу на базі автономних інверторів струму. Програмні комплекси для аналізу й оптимізації РАД використовувалися у низці проектів, виконання яких підтвердило можливість істотного удосконалення електроприводу за рахунок застосування спеціальних регульованих асинхронних двигунів.

Ключові слова: регульований асинхронний двигун, електропривод на базі автономних інверторів струму, математичне моделювання, проектування, оптимізація, системний підхід, програмне забезпечення.

Якимец А.М. Регулируемые асинхронные двигатели для электроприводов с автономними инверторами тока. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.09.01 - электрические машины и аппараты. Одесский Национальный политехнический университет, Одесса, 2004.

Диссертация посвящена совершенствованию асинхронных электроприводов (ЭП) на базе автономных инверторов тока (АИТ) за счет использования в них специальных регулируемых асинхронных двигателей (РАД), адаптированных к специфичным условиям работы. В настоящее время в рассматриваемых ЭП, как правило, используются серийные короткозамкнутые АД общепромышленного назначения. Их применение не оптимально по энергетическим, массогабаритным, стоимостным и др. показателям. Использование РАД позволяет снизить стоимость, массу, габариты, повысить энергетические показатели, улучшить динамические и регулировочные свойства ЭП, способствует ресурсо- и энергосбережению.

Задача совершенствования рассматриваемых ЭП может быть решена двумя путями: выбором наиболее подходящих серийных АД или проектированием специальных РАД. С этой целью, в соответствии с системным подходом, разработаны комплексные проектные математические модели (ММ), включающие в себя модели всех компонентов регулируемого ЭП. Комплексные ММ дают возможность анализировать электромагнитные, электромеханические, энергетические, тепловые процессы как в установившихся, так и в переходных режимах работы двигателей с учетом взаимовлияния компонентов друг на друга.

При моделировании преобразователей учитывается влияние коммутирующих конденсаторов АИТ на спектральный состав тока питания АД. Граничные значения параметров регулирования инвертора определяются в зависимости от параметров двигателя и величины нагрузки. Существенное уточнение анализа достигается при использовании вместо традиционных ММ преобразователей моделей, синтезированных в программной среде эмуляции электронных схем OrCAD.

ММ асинхронных двигателей построены с учетом особенностей их работы в регулируемом ЭП на базе АИТ - полигармоничности выходного тока, изменения его частоты и величины в соответствии с различными законами частотного регулирования. При расчетах электромагнитных, электромеханических, энергетических показателей учитываются насыщение магнитопровода и вытеснение токов в обмотках. При анализе теплового состояния принимается во внимание влияние частоты вращения АД на характер тепловых связей между конструктивными элементами двигателя. С помощью разработанных универсальных эквивалентных тепловых схем осуществляются расчеты перегревов в установившихся и нестационарных режимах работы РАД с различными конструктивными исполнениями и системами вентиляции.