Размещено на http://www.allbest.ru

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

развитие теории и разработка электромеханических и электромагнитных вентильных преобразователей для автономных энергоустановок

05.09.01 Электромеханика и электрические аппараты

Грачев Павел Юрьевич

Самара 2010

Работа выполнена на кафедре «Теоретическая и общая электротехника» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет».

Научный консультант:

Доктор технических наук, профессор Костырев Михаил Леонидович

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Беспалов Виктор Яковлевич

Доктор технических наук, профессор Казаков Юрий Борисович

Доктор технических наук, профессор Гуляев Игорь Васильевич

Ведущая организация: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский государственный технический университет» (УГТУ-УПИ) (г. Екатеринбург)

Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: Россия, 443100, Самара, ул. Молодогвардейская 244, Главный корпус, на имя ученого секретаря диссертационного совета Д 212.217.04; факс: (846) 278-44-00

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.217.04

к.т.н. доцент Е.А. Кротков

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Одной из проблем современной электромеханики, к которой традиционно относят не только электромеханические (ЭМХ), но и электромагнитные (ЭМГ) преобразователи энергии, является повышение энергетических показателей преобразователей с вентильными элементами (диодами, транзисторами или тиристорами), которые называют электромеханическими и электромагнитными вентильными преобразователями. Они нашли широкое применение в автономных энергетических установках: ветроэнергетических станциях, микро и малых ГЭС для промышленности и сельского хозяйства, транспортных средствах, в частности - для систем запуска первичных двигателей и генерирования электроэнергии в бортовую сеть летательных аппаратов и автомобилей. Здесь нашли применение асинхронные машины (АМ) с короткозамкнутым или фазным ротором, а также - трансформаторы с вращающимся магнитным полем (ТВП). Для автономных энергетических установок значительной мощности целесообразно применять многообмоточные преобразователи. При небольших мощностях в автомобильных комбинированных энергетических установках (КЭУ) требуются специальные многополюсные низковольтные АМ, создающие значительные моменты в пусковых режимах, а также позволяющие вырабатывать электроэнергию в широком диапазоне частот вращения вала в генераторных режимах.

В автономных энергетических установках подвижных объектов, например, системах «Переменная скорость вращения вала - постоянная частота выходного напряжения» летательных, в том числе космических, аппаратов, недопустим скользящий контакт и предъявляются жесткие требования к массогабаритным показателям, уровню излучения электромагнитных помех, а также качеству электроэнергии. Поэтому здесь целесообразно применение АМ с короткозамкнутым ротором и трансформаторов с вращающимся магнитным полем. Они работают совместно с вентильными источниками реактивной мощности, создающими токи намагничивания ЭМХ и ЭМГ преобразователей.

Трансформаторы с вращающимся магнитным полем, в сравнении со стержневыми трансформаторами, не содержат ярем и воздушных зазоров в стыках. Исключение из конструкции ярем на 20 - 30 % снижает удельную массу трансформаторов. Обмотки таких трансформаторов расположены в пазах внутри магнитопровода, поэтому имеют пониженный уровень электромагнитного излучения. Эти факторы определяют перспективность их использования в автономных энергетических установках.

В стационарных автономных объектах с диапазоном изменений частот вращения вала около 1:2 зачастую скользящий контакт допустим. Поэтому здесь возможно применение асинхронных машин с фазным ротором, с преобразованием только мощности скольжения, позволяющих уменьшить установленную мощность вентильных коммутаторов.

Весомый вклад в теорию и разработку ЭМХ и ЭМГ вентильных преобразователей внесен как отечественными, так и зарубежными учеными. Вот далеко не полный их список: Горев А.А., Копылов И.П., Балагуров В.А., Бертинов А.И., Беспалов В.Я, Булгаков А.А., Бут Д.А., Винокуров В.А., Глазенко Т.А.., Гуляев И.В., Еременко В.Г., Загорский А.Е., Зиннер Л.Я., Казаков Ю.Б., Костырев М.Л., Лабунцов В.А., Лищенко В.А., Лозенко В.К., Лукутин Б.В., Мазуренко Л.И. Мишин В.И., Мыцык Г.С., Онищенко Г.Б., Сандлер А.С., Сарапулов Ф.Н., Сидельников Б.В., Сипайлов Г.А., Скороспешкин А.И., Титов В.Г., Торопцев Н.Д., Хватов С.В., Хватов О.С., Шакарян Ю.Г., Шрейнер Р.Т., Шукалов В.Ф. а также Г. Крон, Р. Парк, Б. Бедфорд, Р. Хофт, Л. Джюджи, Т. Такеути и многие другие.

Автором также накоплен значительный опыт в области разработки и исследования ЭМХ и ЭМГ преобразователей автономных энергоустановок. Современные силовые электронные ключи (вентили) осуществляют преобразование электроэнергии с малыми потерями, позволяют формировать напряжения и токи в обмотках ЭМХ и ЭМГ преобразователей, обеспечивая в автономных энергетических установках требуемое качество электрической и механической энергии. Однако, еще недостаточное внимание уделялось процессам квантования ЭДС, напряжений и токов обмоток. Поэтому представляется актуальным развитие теории таких преобразователей в части углубленного анализа процессов квантования ЭДС, напряжений и токов и их влияния на процессы преобразования энергии.

Необходимы также рациональные схемные решения и способы управления автономными ЭМХ и ЭМГ преобразователями, построение математических моделей, разработка алгоритмов и пакетов прикладных программ, позволяющих проводить детальные исследования процессов в таких преобразователях. Решение этих вопросов дает возможность подойти к проектированию различных вариантов преобразователей, включая многообмоточные асинхронные машины и многообмоточные трансформаторы с вращающимся магнитным полем, при дискретном характере ЭДС, напряжений и токов фаз.

Можно сделать вывод, что направленность диссертации на развитие теории ЭМХ и ЭМГ преобразователей с вентильными элементами для возможно более полного учета факторов, вносимых в работу вентильными коммутаторами и разработка на основе этой теории эффективных технических решений, соответствует перспективному направлению развития областей технических наук и электротехнической промышленности, связанных с электромеханическим и электромагнитным преобразованием энергии в автономных энергетических установках.

Цель работы. Целью работы является развитие обобщенной теории ЭМХ и ЭМГ вентильных преобразователей для автономных энергетических установок на базе асинхронных машин, а также многообмоточных трансформаторов с вращающимся магнитным полем, позволяющей создавать преобразователи с улучшенными энергетическими и эксплуатационными показателями. электромеханический электромагнитный переменный ток

Задачи диссертационной работы. В работе поставлены и решены следующие основные задачи.

Оценено современное состояние проблемы в области создания ЭМХ и ЭМГ вентильных преобразователей переменного тока для автономных энергетических установок, и проанализирован опыт их разработок и исследований.

На основе обобщенной теории многообмоточных преобразователей энергии с вентильными элементами и вращающимся магнитным полем построены математические модели для исследования особенностей протекания электромагнитных процессов, с целью определения ЭДС, напряжений и токов фаз вентильных ТВП и АМ.

Изучено влияние алгоритмов переключений вентилей в цепи ротора АМ на характер электромагнитных процессов, изменения полезных составляющих переменных, параметров и фазовых сдвигов токов при изменении режимов работы АМ.

Исследовано влияние пространственных сдвигов фаз обмоток, изменения форм фазных напряжений и способов управления вентильными преобразователями на электромагнитные процессы многообмоточных АМ и ТВП.

Предложены математические модели, разработаны алгоритмы и пакеты прикладных программ для исследования процессов в автономных энергетических установках с ЭМХ и ЭМГ преобразователями с учетом нелинейностей и дискретности отдельных звеньев.

Доказана возможность получения в обмотках автономных ЭМХ и ЭМГ вентильных преобразователей напряжений близких к синусоидальным без применения широтно-импульсной модуляции.

Разработаны технические решения в области ЭМХ и ЭМГ вентильных преобразователей для автономных энергетических установок, улучшающие их энергетические и эксплуатационные характеристики.

Уточнены методики расчета и проектирования вентильных АМ и ТВП автономных энергетических установок с учетом с учетом дискретности и пространственной несимметрии обмоток.

Созданы экспериментальные установки ЭМХ и ЭМГ вентильных преобразователей для проверки основных теоретических положений.

Обоснованность и достоверность результатов работы определяются корректностью математических моделей, построенных на основе фундаментальных положений общей теории электромеханических, электромагнитных и вентильных преобразователей, а также подтверждением теоретических аспектов работы достаточным объемом экспериментальных данных.

Методы исследования, представленные в диссертационной работе, основаны на общей теории электрических цепей, электрических машин и трансформаторов, силовой электроники, теории нелинейных дифференциальных уравнений и обобщенных функций, теории автоматического регулирования.

В работе использованы методы преобразования переменных, согласующиеся с обобщенной теорией электромеханического преобразования энергии и метод коммутационных функций, описывающие кусочно-гармонические изменения токов, ЭДС и напряжений для анализа установившихся и переходных режимов автономных энергоустановок.

При экспериментальных исследованиях и испытаниях макетных и опытных образцов ЭМХ и ЭМГ преобразователей энергии с вращающимся магнитным полем использованы современные методы, аппаратура и устройства для измерений.

Связь темы диссертации с НИР

При выполнении диссертационной работы выполнено более 10 научно-исследовательских работ под руководством и при участии автора. Разработки и научные исследования ЭМХ и ЭМГ преобразователей на базе АМ и ТВП для автономных энергетических установок проводились по заданиям и совместно с Вагоностроительным заводом (г. Рига), НПО «Циклон» и «Ветроэн» (г. Истра), Таганрогским машиностроительным заводом, Москвовским агрегатным заводом «Дзержинец», ОАО «Завод автотракторного электрооборудования» им. А.М.Тарасова (г. Самара), НТЦ ОАО «Волжский автомобильный завод» (г. Тольятти), ГНП РКЦ «ЦСКБ Прогресс» (г. Самара).

Научная новизна работы

1. Предложена теория обобщенного многообмоточного преобразователя энергии (МПЭ) с вентильными элементами и вращающимся полем, основанная на координатных преобразованиях коммутационных функций переменных, представленных в виде тригонометрических функций дискретного аргумента.

2. Разработаны идеализированные математические модели, функционально ориентированные на определение мгновенных значений ЭДС, напряжений и токов фаз вентильных ТВП и АМ, учитывающие влияние дискретности и расположения фаз обмоток на уравнительные токи фаз этих обмоток преобразователей и «естественную ШИМ» тока в цепи фазного ротора АМ.

3. Показано, что «естественная ШИМ» тока ротора, возникающая при небольших положительных и отрицательных скольжениях в АМ с неуправляемым выпрямителем в цепи ротора, определяет нелинейный характер зависимостей фазных токов и постоянной составляющей выпрямленной ЭДС ротора, а также эквивалентного сопротивления роторной группы вентилей от скольжения. Определено влияние «естественной ШИМ» на основную гармонику тока ротора и динамические свойства ЭМХ преобразователей.

4. Выявлены особенности протекания электромагнитных процессов в автономных ЭМХ и ЭМГ преобразователях на базе многообмоточных ТВП и АМ с короткозамкнутым ротором. Показано, что причиной возникновения уравнительных токов в фазах первичных обмоток ТВП и АМ является значительное различие форм напряжения и ЭДС фаз. Доказано, что при предложенных способах управлении достигается снижение уравнительных токов в несколько раз.

5. Построены математические модели и разработаны алгоритмы численного решения, позволяющие исследовать квазиустановившиеся и переходные электромагнитные и электромеханические процессы в автономных энергетических установках с ЭМХ и ЭМГ преобразователями с учетом нелинейностей и дискретности отдельных звеньев.

Практическая ценность работы заключается:

В разработке на основе предложенных математических моделей алгоритмов численного определения значений переменных и создании пакетов прикладных программ для компьютерного моделирования установившихся и переходных процессов в автономных энергетических установках с рассматриваемыми ЭМХ и ЭМГ преобразователями.

В уточнении и обобщении методик расчета и проектирования вентильных АМ и ТВП для автономных энергоустановок, учитывающих особенности работы и конструкций обмоток.

В разработке новые устройств и способов управления ЭМХ и ЭМГ вентильными преобразователями на базе АМ и ТВП, позволяющие повысить энергетические и эксплуатационные показатели.

В разработке конструкции многополюсной АМ, обеспечивающей требуемые пусковые моменты, с укороченными лобовыми частями обмотки статора, которая делает перспективным применение таких машин в комбинированных энергетических установках автомобилей

В создании и испытаниях макетных образцов ЭМХ и ЭМГ вентильных преобразователей на базе АМ с фазным и короткозамкнутым ротором, а также многообмоточного ТВП для автономных энергетических установок транспорта и возобновляемых источников энергии.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы на предприятиях: НПО «Ветроэн» (г. Истра) - для создания маетной установки; Таганрогский машиностроительный завод - для создания опытного образца; ОАО «Завод автотракторного электрооборудования» (г. Самара) - для создания экспериментальной установки; НТЦ ОАО «Волжский автомобильный завод» - для создания новых силовых установок автомобилей; ГНП РКЦ «ЦСКБ Прогресс» - при разработке ЭМ преобразователей для автономных энергетических установок.

Результаты диссертационной работы, изложенные автором в учебно-методических пособиях, используются в учебном процессе Самарского государственного технического университета (СамГТУ) и Самарского университета путей сообщения (СамГУПС). Технические решения автора, защищенные авторскими свидетельствами, использованы в лабораторном практикуме студентов электротехнического факультета СамГТУ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на:

- Всесоюзных научно-технических конференциях, совещаниях и семинарах: “Теория и методы расчета нелинейных цепей”, Ташкент, 1975г., «Современные задачи преобразовательной техники», Киев, 1975г., «Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов». Днепродзержинск, 1985г., «Опыт проектирования и производства электрических машин автономных электрических систем». Ереван, 1985г., «Электромеханотроника», Ленинград, 1987, 1989гг., «Эквивалентирование электроэнергетических систем для управления их режимами» - Баку, 1987.

- Традиционных научно-технических конференциях: «Динамические режимы работы электрических машин переменного тока». Смоленск, 1975г., «Электроприводы переменного тока с полупроводниковыми преобразователями», Свердловск, 1986, 1989гг.

- Республиканских научно-практических конференциях: «Использование местных возобновляемых источников энергии в орошаемом земледелии и животноводстве Киргизской ССР» - Фрунзе, 1982г, «Использование возобновляемых источников энергии в практике народного хозяйства республики». Фрунзе, 1988г.;

- Всероссийских научно-технических конференциях: Современные проблемы энергетики, электромеханики и электротехнологии, Екатеринбург, 1995г.; “Электроэнергетические комплексы автономных объектов ЭКАО-99”, Москва, МЭИ, 1999г.;

- Международных научно-технических конференциях в России: “Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте”, Самара, 1999г., “Нетрадиционные электромеханические и электрические системы” Санкт-Петербург, 1999г., “Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы”, Екатеринбург, 2003г., «Электромеханические преобразователи энергии», Томск, 2001, 2003гг., «Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития», Магнитогорск, 2004г., «Состояние и перспективы развития электротехнологии», Иваново, 2009г., ЭЛМАШ-2009 «Электроэнергетика и электротехника. Проблемы и перспективы», Москва.

- Международных научно-технических конференциях на Украине: “Проблемы современной электротехники ”, Киев, 2000, 2002гг.

- Международных симпозиумах: ЭЛМАШ-2004 «Перспективы и тенденции развития электротехнического оборудования», Москва; «Электроника и электрооборудование транспорта», Суздаль, 2005г;

- Международных научно-технических конференциях за рубежом: Eleventh International Conference on Electrical Machines, Drives and Power Systems «ELMA 2005», «ELMA 2008» (Болгария).

- Всероссийском электротехническом конгрессе «ВЭЛК - 2005». Москва, 2005.

Публикации. По теме диссертации опубликован текст лекций, 43 статьи, в том числе 10 - издательствами, утвержденными перечнем ВАК, получено 22 авторских свидетельства на изобретения и 5 патентов. Перечень публикаций в диссертации приведен в полном объеме, а в автореферате в сокращенном виде.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников из 212 наименований и приложений, изложена на 384 страницах основного текста с 18 таблицами, иллюстрирована 125 рисунками.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Теория обобщенного многообмоточного преобразователя энергии (МПЭ) с вентильными элементами и вращающимся полем, основанная на координатных преобразованиях коммутационных функций переменных, представленных в виде тригонометрических функций дискретного аргумента.

2. Идеализированные математические модели многообмоточных ЭМХ и ЭМГ преобразователей в составе автономных энергетических установок, функционально ориентированные на определение мгновенных значений ЭДС, напряжений и токов фаз, учитывающие влияние дискретности и расположения фаз на уравнительные токи обмоток преобразователей и «естественную ШИМ» тока в цепи фазного ротора АМ.

3. Математические модели, алгоритмы расчета и пакеты прикладных программ, ориентированные на исследование квазиустановившихся и переходных электромагнитных и электромеханических процессов в автономных энергетических установках с ЭМХ и ЭМГ преобразователями с учетом нелинейностей и дискретности отдельных звеньев.

4. Уточненные методики расчета и проектирования специальных вентильных электрических машин и трансформаторов с вращающимся магнитным полем для автономных энергетических установок, учитывающие особенности режимов работы и конструктивное выполнение обмоток.

5. Защищенные авторскими свидетельствами и патентами технические решения в области ЭМХ и ЭМГ вентильных преобразователей для автономных энергетических установок, улучшающие их энергетические и эксплуатационные характеристики.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определена цель работы, обоснована актуальность темы, сформулированы задачи исследований, отражены практическая ценность и научная новизна решаемых проблем. Представлена также структура работы.

В первой главе проведен критический анализ разработок и исследований в области ЭМХ и ЭМГ преобразователей для автономных энергетических установок. Рассмотрены известные наиболее значимые технические решения, в частности, предложенные автором для автономных энергетических установок дизель-поездов, малых ГЭС, летательных аппаратов и автомобильного транспорта, ветроэлектрических установок. Кроме того, рассмотрены известные математические модели, применяющиеся для описания ЭМХ и ЭМГ вентильных преобразователей, и определен круг задач по созданию теории указанных преобразователей, позволяющей учесть особенности их работы в автономных энергетических установках.

Автономные ЭМХ и ЭМГ преобразователи с вращающимся магнитным полем и вентильным управлением по функциональному назначению разделены на следующие группы:

- для энергетических установок железнодорожного транспорта и ветроэнергетических установок на базе асинхронных машин с выпрямителями в цепи ротора;

- для микро - ГЭС и летательных аппаратов на базе асинхронных генераторов с короткозамкнутым ротором и трансформаторов с вращающимся полем;

- для комбинированных энергетических установок (КЭУ) гибридных транспортных средств на базе асинхронных стартер - генераторов с частотным управлением.

Рассмотрены технические решения автора в области автономных ЭМХ и ЭМГ вентильных преобразователей. Они выполнены на базе АМ с выпрямителем в цепи ротора, на базе АМ с короткозамкнутым ротором и вентильными элементами, а также в виде преобразователей с ТВП. Приведено описание отдельных технических решений.

Основными особенностями работы ЭМХ и ЭМГ вентильных преобразователей в составе автономных энергетических установок являются:

1. Необходимость учета дискретного характера работы вентилей. Такой учет особенно важен при рассмотрении автономных энергетических установок на базе АМ с выпрямителями в цепи ротора, а также на базе ТВП, у которых на первичные трехфазные обмотки подается ступенчатое напряжение.

2. Проявление в таких преобразователях специфических свойств, существенно отличающих их от аналогичных преобразователей, работающих от промышленной сети. Например, возникновение «естественной ШИМ» тока ротора в асинхронных машинах с фазным ротором.

3. Ограниченные напряжение и мощность источника электроэнергии автономного объекта, что диктует необходимость получения наибольших коэффициентов передачи вентильных преобразователей.

4. Возникновение периодических и непериодических изменений момента сопротивления на валу электрического двигателя энергетической установки автономного объекта или подобных изменений момента первичного двигателя, автономной генераторной установки;

5. Соизмеримость времени протекания электромагнитных и электромеханических процессов в автономных энергетических установках с небольшими моментами инерции, например, в комбинированных энергетических установках автомобилей.

В данной главе представлены результаты критического анализа теории и методов математического моделирования ЭМХ и ЭМГ преобразователей с несколькими вентильными коммутаторами. Показано, что в подавляющем большинстве случаев для учета дискретных воздействий используется метод гармонического анализа или спектральный метод. В результате математические модели получаются достаточно громоздкими и неудобными для анализа.

Для выявления свойств ЭМХ и ЭМГ вентильных преобразователей в автономных энергоустановках, существенно влияющих на энергетические и эксплуатационные показатели, необходимо разработать такую теорию и методы математического моделирования, которые учитывали бы как процессы, обусловленные переключениями вентилей, так и процессы изменения «полезных» составляющих воздействий.

Во второй главе изложены основы теории установившихся и переходных процессов в многообмоточных преобразователях энергии, объединяющих ЭМХ и ЭМГ преобразователи на базе асинхронных машин с короткозамкнутым и фазным ротором и трансформаторов с вентильными источниками реактивной мощности и с вращающимся магнитным полем.

На основе анализа различных схем и конструкций ЭМХ и ЭМГ преобразователей на базе АМ и ТВП, рассмотренных в главе 1, автором предлагается представить это многообразие как обобщенный многообмоточный вентильный преобразователь энергии (МПЭ) с вращающимся магнитным полем.

под многообмоточными вентильными преобразователями энергии подразумеваются электрические машины и трансформаторы, имеющие несколько трехфазных статорных или первичных обмоток, к которым подключены автономные вентильные преобразователи (ВП) со ступенчатой формой напряжения. К другим обмоткам подключены трехфазные вентильные коммутаторы или потребители переменного тока.

На рис. 1 изображена функциональная схема многообмоточного преобразователя энергии с магнитопроводом, включающим внешний и внутренний сердечники, с несколькими группами трехфазными обмоток.

Группа обмоток М внешнего сердечника имеет m трехфазных симметричных обмоток на статоре, к которым подключены вентильные источники реактивной мощности (ИРМ) с цепями постоянного тока (ЦПТ), к группе N трехфазных симметричных обмоток подключаются потребители (Н - нагрузки). На внутреннем сердечнике расположена группа L обмоток, к которым подключены вентильные коммутаторы (ВК).

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис.1

В частных случаях этот многообмоточный преобразователь энергии соответствует:

1. Асинхронному вентильному генератору с короткозамкнутым ротором. В этом случае внутренний сердечник (ротор) вращается, цепи постоянного тока ИРМ содержат емкостной фильтр, а фазы обмотки ротора замкнуты накоротко.

2. Асинхронному вентильному стартер-генератору с короткозамкнутым ротором. При этом в цепях постоянного тока вентильных ИРМ включены накопители электроэнергии (аккумуляторная батарея или конденсатор энергоемкий).

3. Статическому многообмоточному трансформатору с вращающимся магнитным полем. В этом случае внутренний сердечник неподвижен. Первичные и вторичные обмотки трансформатора расположены на внешнем сердечнике, а внутренний сердечник служит для замыкания магнитного потока. Возможно также расположение обмоток на внутреннем сердечнике или расположение первичной и вторичной обмоток на разных сердечниках.

4. Трансформатору с вращающимся магнитным полем и вращающимся внутренним сердечником. Такой режим наблюдается при вращении асинхронного вентильного генератора с короткозамкнутой обмоткой ротора с синхронной скоростью.

5. Асинхронному вентильному стартер-генератору с выпрямителем в цепи фазного ротора. При этом в качестве вентильных коммутаторов в цепь ротора включаются трехфазные выпрямители.

При построении математической модели обобщенного многообмоточного преобразователя энергии приняты обычные в теории ЭМХ преобразователей допущения.

Эффекты насыщения магнитопровода и вытеснение тока в массивных частях проводников и потери в стали магнитопровода учитываются отдельно при построении уточненных моделей преобразователей энергии.

Для обобщенного многообмоточного преобразователя энергии с вращающимся магнитным полем, изображенного на рис. 1, с учетом принятых допущений уравнения электрического равновесия в фазных осях обмоток записываются в следующей матричной форме:

[U]=[ R ][ I ]+([ L ][ i ]+[ L_у ]([ I ] )). (1)

Матрица напряжений:

[U] = colon [U^M_ABC, U^N_ABC , U^L_ABC]; (2)

где матрицы-столбцы M, N, L групп обмоток МПЭ:

U^M_ABC = colon [u_A1, u _B1, u _C1, …., u_{A m,} u _{B m,} u _{C m} ]^M ;

U^N_ABC = colon [u_A1, u _B1, u _C1, …., u_{A n,} u _{B n,} u _{C n} ]^N;

U^L_ABC = colon [u_A1, u _B1, u _C1, …., u_{A l,} u _{B l,} u _{C l} ]^L.

Матрица токов:

[I] = colon [I ^M_ABC, I ^N_ABC , I ^L_ABC]; (3)

где I ^M_ABC , I ^N_ABC - подматрицы токов первичной и вторичной групп обмоток внешнего сердечника; I ^L_ABC - матрица токов группы обмотки внутреннего сердечника:

I ^M_ABC = colon [i_A1, i_B1, i_C1, …., i_{A m,} i _{B m,} i _{C m},]^M ;

I ^N_ABC = colon [i_A1, i _B1, i_C1, …., i_{A n,} i _{B n,} i _{C n} ]^N;

I ^L_ABC = colon [i_A1, i_B1, i _C1, …., i_{A l,} i _{B l,} i _{C l},]^L.

Диагональная матрица активных сопротивлений:

	RM1	:		:		:
	. . .	: . . .	. . .	: . . .	. . .	:. . .
=		:	RN1	:		:
	. . .	: . . .	. . .	: . . .	. . .	:. . .	,
		:		:	RL1	:
	. . .	:. . .	. . .	: . . .	. . .	: . . .

где R^M₁…. R^N₁…. R^L₁……диагональные подматрицы третьего порядка.

Матрица индуктивностей рассеяния [L] соответствует по структуре матрице [R] при замене символов R на символы L.

Матрица основных индуктивностей:

	LM1	….	LM1m	LMN11	….	LMN1n	LML11	….	LML1l
	….	….	….	….	….	….	….	….	….
	LMm1	….	LMm	LMNm1	….	LMNmn	LMLm1	….	LMNml
	LNM1	….	LNM1m	LN1	….	LN1n	LNL11	….	LNL1l
[L] =	….	….	….	….	….	….	….	….	….	,
	LNMn1	….	LNMnm	LNn1	….	LNn	LNLn1	….	LNLnl
	LLM11	….	LLM1m	LLM11	….	LLM1n	LL1	….	LL1l
	….	….	….	….	….	….	….	….	…..
	LLMl1	….	LLMlm	LLMl 1	….	LLMln	LLl1	….	LLl

где L^M , L^N , L^L -индуктивности, а L^MN, L^LM,…- взаимные индуктивности фаз обмоток.

При неподвижном внутреннем сердечнике преобразователя взаимные индуктивности между фазами обмоток постоянны. При вращении внутреннего сердечника (сердечника ротора) с обмотками взаимные индуктивности между обмотками статора и ротора содержат периодические коэффициенты. Кроме того, ЭДС, напряжения и токи за счет периодического переключения вентилей представляют собой кусочно-гармонические функции. При математическом моделировании входных воздействий таких преобразователей по методу первой гармонической составляющей это приводит к существенным погрешностям в расчетах.

Автором предложена теория обобщенного многообмоточного преобразователя энергии с вентильными элементами и вращающимся магнитным полем, основанная на координатных преобразованиях коммутационных функций в виде тригонометрических функций дискретного аргумента, позволяющая выявить специфические свойства такого преобразователя энергии при кусочно-гармоническом характере ЭДС, напряжений и токов обмоток.

В главе описаны координатные преобразования коммутационных функций, представленных тригонометрическими функциями дискретного аргумента. Показана возможность преобразования таких функций к неподвижным и равномерно вращающимся ортогональным системам координат. Описано преобразование к дискретно вращающимся координатам, позволяющее определять мгновенные значения активной и реактивной мощности в ЭМХ и ЭМГ вентильных преобразователях. Рассмотрены координатные преобразования параметров и переменных обобщенного преобразователя энергии.

Математические модели идеализированного МПЭ, функционально ориентированы на определение ЭДС, напряжений и токов фаз обмоток. ЭМХ и ЭМГ преобразователей в составе автономных энергоустановок

Напряжения фаз первичных обмоток МПЭ имеют ступенчатую форму. При 6k синусоидально распределенных ступенях на периоде фазных напряжений i -ой трехфазной группы первичной обмотки, можно записать мгновенные значения этих фазных напряжений в матричной форме в виде произведений мгновенного значения напряжения звена постоянного тока преобразователя на соответствующие коммутационные функции:

uAi		FAi		cos (ni р /(3k))
uBi	= udi	FBi	= udi 2/3	cos (ni р /(3k) - 2р /3)	. (4)
uCi		FCi		cos (ni р /(3k) + 2р /3)

Или

uAi		FAi		? cos (ni р /3)
uBi	= udi	FBi	= udi Кi	? cos (ni р /3 - 2р /3)	, (4/)
uCi		FCi		? cos (ni р /3 + 2р /3)

где: n_i = Еntier [₁ / (р/3k)]; К_i - коэффициент коммутационных функций; ₁ = ? щ₁ (t) dt + ₁₀; щ₁ - частота основной гармоники; ₁₀ - её начальная фаза.

Применив координатные преобразования, получим выражение для напряжений i-той M группы, сдвинутой на _i относительно базовой в ортогональных осях _к, вращающихся с произвольной частотой.



uUi	= udi	cos (ni р /(3k) - к -i)	. (5)
uVi		sin (ni р /(3k) - к - i)

Получены выражения для ЭДС фаз i-той N группы ротора:

eRAi		1/m Cos [ni р /(3k) - (1 - s) щ1 t - R0i ]
eRBi	= u/di 2/3	1/m Cos [ni р /(3k) - (1 - s) щ1 t - R0i - 2р /3 ]	-
eRCi		1/m Cos [ni р /(3k) - (1 - s) щ1 t - R0i + 2р /3 ]

	Cos (sщ1 t - р/6k - R0i )
- (1-s) (1/m u/Ui)1	Cos (sщ1 t - р/6k - R0i - 2р /3)	, (6)
	Cos (sщ1 t - р/6k - R0i + 2р /3)

где: s - скольжение; ^R_0i - начальное положение фазы A i-той обмотки N группы; u^/- напряжение приведенное к цепи ротора.

Рассмотрен частный случай многообмоточного преобразователя энергии - асинхронная машина с двумя первичными обмотками статора, изображенная на рис. 2.

Транзисторы первого ИРМ обозначены цифрами 1-6 (в порядке их включения). Обратные диоды этого ИРМ обозначены цифрами 7-12. Этот ИРМ подключен к первой первичной трехфазной обмотке статора АМ - А, В, С. Цифрой 19 обозначена асинхронная машина, а цифрой 20 - устройство, связанное с валом этой машины, например приводной двигатель. Транзисторы второго ИРМ обозначены цифрами 21-26, а обратные диоды цифрами 27-32.



Два трехфазных вентильных ИРМ, выполненных по схеме автономного инвертора напряжения, создают напряжения ступенчатой формы, сдвинутые во времени на 30 градусов на двух трехфазных обмотках, со сдвигом одноименных фаз в пространстве 30 эл. градусов.

На примере этого МПЭ описан метод преобразования переменных к осям, вращающимся дискретно, который основан на привязке координатных осей к обобщенному вектору напряжения, описываемому кусочно-непрерывными функциями. Этот метод позволил найти выражения для мгновенных значений токов вентилей трехфазных и многообмоточных МПЭ.

Напряжение на i -ой первичной обмотке статора электрической машины (ЭМ) записывается через тригонометрические функции дискретного аргумента. Приводя переменные к осям XiYi, вращающимся с частотой первой гармонической составляющей напряжений 1-ой или 2-ой обмок, получаем выражение:

uXi S	= udi	FXiS	= udi	cos (д - к )	. (7)
uYi S		FYiS		sin (д - к )

Здесь: F_i - коммутационные функции, u_di - напряжение в звене постоянного тока ИРМ 1-ой или 2-ой эквивалентной двухфазной обмотке М группы МПЭ (статора ЭМ).

Если дискретные составляющие аргументов имеют вид

_д1 = р/3 Еntier (₁ / р/3 ) , _д2 = р/3 Еntier [(₁+ р/6) / р/3] , (8)

то, при совмещении осей X₁ и X₂ координат с направлениями векторов первых гармоник напряжений обмоток их непрерывные составляющие будут

_к1 = ? щ₁ (t) dt + ₁₀ - р/6 , _к2 = ? щ₁ (t) dt + ₁₀ + р/6 , (9)

где щ₁ -- частота вращения изображающго вектора первой гармоники статорного напряжения.

Используя полученные кусочно-гармонические функции напряжений, а затем информацию о воздействиях управления щ₁ = f ( u_у , щ_р,..) и возмущающих воздействиях (частота вращения ротора щ_р, момент на валу ЭМ и т.д.), получим информацию о токах статора ЭМ в собственных ортогональных осях обмоток. Однако проводить анализ процессов в преобразователе при непосредственном использовании этих токов затруднительно.

Автором предложено перейти к новой системе координат, одна из осей которой совпадает с изображающим вектором напряжения статора U^S, вращающимся дискретно. В случае транзисторного ИРМ процессы переключения вентилей можно считать протекающими мгновенно. Тогда этот вектор неподвижен относительно статора внутри интервалов дискретности и скачкообразно изменяет положение на границе интервалов дискретности. Также скачкообразно будут вращаться и новые оси координат.

Обозначим эти новые координатные оси F,S (by fits and starts), причем ось F направим в ту же сторону, что и вектор U^S .

Если требование соосности Ui^S и F_i соблюдается, то напряжение по оси F будет равно модулю вектора U^S или максимальному значению u_X, а по оси S -- нулю.

UF i S	= udi	1	. (10)
US i S		0

Рассматривая совместно выражения (7) и (10), с учетом того, что матрица преобразований должна быть ортогональной для соблюдения условия инвариантности мощности, находим матрицу перехода к новым осям:

Ai SXY, FS	-1 =	cos (дi - кi )	sin (дi - кi )	. (11)
		- sin (дi - кi )	cos (дi - кi )

Используя эту матрицу, можно найти токи статора в дискретно вращающихся осях

ii F	=	AiS XY, FS	-1	iiXY	=	iX cos (дi - кi ) + iY sin (дi - кi )	. (12)
i i S						-iX sin (дi - кi ) + iY cos (дi - кi )

Так как напряжение к эквивалентной двухфазной группе М обмотки МПЭ в дискретно вращающихся осях приложено только по оси F, то ток i_Fi протекает под действием напряжения u_di .

В работе также представлены преобразования, необходимые для перехода от токов в осях F,S к токам в управляемых и неуправляемых вентилях МПЭ, позволяющие перейти к выбору отдельных элементов при проектировании ЭМХ и ЭМГ преобразователей.

Рассмотрен вариант математической модели МПЭ с фазным ротором и одной M обмоткой. При математическом моделировании электромагнитных процессов в роторе мгновенные значения ЭДС фаз ротора представлены в виде алгебраической суммы несинусоидальной трансформаторной ЭДС (e^R_тр) и синусоидальной ЭДС вращения (e^R_вр):

e^R = e^R_тр.+ e^R_{вр. (13)}

Предложен алгоритм определения ЭДС ротора, необходимый для нахождения моментов переключений вентилей ВК в цепи ротора, которые определяют формы фазных токов ротора, напряжений и токов ВК.

В третьей главе приведены результаты математического моделирование и исследования автономных ЭМХ преобразователей, включающих асинхронные машины с выпрямителем в цепи фазного ротора.

Применение разработанной теории рассмотрено на примере асинхронных вентильных стартер-генераторов (АВСГ), выполненных по каскадной схеме. Они предназначены питания электрических нагрузок автономных энергоустановок при диапазоне изменения частоты вращения вала до 1:2, а также для запуска приводного двигателя. Электромеханические преобразователи АВСГ - асинхронные машины в генераторном режиме снабжаются реактивной мощностью, а в стартерном режиме получают электропитание от вентильных преобразователей возбуждения (ПВ). ПВ выполняются по схеме автономного инвертора напряжения. Цепь постоянного тока ПВ соединена с батареями аккумуляторов (АБ) и емкостными накопителями (ЕН).