авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |

«7.2.2014 Антиплагиат ...»

-- [ Страница 3 ] --

2.6.Частные случаи математических моделей э лектроприводов переменного тока Разработанная математическая модель была успешно использована при описании проц ессов в э лектроприводах переменного тока с различной конфигурац ией э лектромеханического преобразователя. Она позволила описать систему при номинальных нагрузках и, что особенно ц енно, – в зоне перегрузок. Дадим результаты исследований в частных случаях разработанной математической модели, которые сопоставлялись с э кспериментальными данными, полученными на реальных макетах э лектроприводов переменного тока. Во всех случаях геометрическая модель э лектромеханического преобразователя выполнялась в программе SolidWorks, что позволило значительно сэ кономить время на э тапе подготовки данных. Расчет магнитной системы э лектромеханического преобразователя выполнялся в модуле Ansys Maxwell. Во всех случаях использовалась векторная система управления со своими особенностями для конкретных типов э лектрических машин и была реализована в модуле Ansys Simplorer. Связь меж ду программными модулями осущ ествлялась путем настройки обмена данными в реж име “реального” времени. Как только расчет магнитной системы был выполнен для заданной точки, вектор данных передавался в модуль системы управления. По результатам расчетов модуля Ansys Simplorer формировался вектор управляющ их воздействий, который в свою очередь передавался по каналам связи обратно в модуль Ansys Maxwell.

2.6.1. Математическая модель асинхронного э лектропривода На рис. 2.18 представлена обобщ енная математическая модель асинхронного э лектропривода с векторным управлением координат. Наиболее распространенной системой векторного управления асинхронными э лектроприводами является система косвенного поддерж ания потока ротора. Особенности настройки и наладки э тих типов э лектроприводов подробно описаны в технической литературе [12, 13, 165]. Более того, в асинхронных э лектроприводах считаются давно решенными задачи э кстремального управления как для статических, так и для динамических реж имов работы [90, 91, 92, 93, 103, 104]. Но, как отмечалось ранее, в э тих работах слабое внимание уделялось работе э лектропривода в зоне перегрузок, а учет нелинейности магнитной системы http://susu.antiplagiat.ru/ReportPage.aspx?docId=427.4647249&repNumb=1&type=3&page=0 29/ 7.2.2014 Антиплагиат работы [90, 91, 92, 93, 103, 104]. Но, как отмечалось ранее, в э тих работах слабое внимание уделялось работе э лектропривода в зоне перегрузок, а учет нелинейности магнитной системы выполнялся упрощ енно без учета характера распределения линий магнитной индукц ий.

Остановимся на ряде особенностей, характерных для разработанной обобщ енной математической модели э лектропривода. В сущ ествующ их моделях расчет параметров математической модели потока (узел показан на рис. 2.18) выполняется по системе уравнений баланса напряж ений статорных и роторных ц епей, а э лектромагнитный момент, как правило, рассчитывается э нергетическим методом. В нашем случае данные для расчета математической модели потока получались из модели э лектромеханического преобразователя (э та связь на рис. 2.18 не показана). На схеме показано, что задание на поток идет с выхода функц ионального преобразователя ФП и является зависимым от скорости. При работе э лектропривода в зоне повышенных скоростей задание на поток сниж ается, тем самым реализуется реж им ослабления поля. С исследовательской ц елью задание на поток возбуж дения регулировалось независимого от скорости. Расчет переменных асинхронного двигателя выполнялся методом конечных э лементов. Дополнительное удобство использования метода конечных э лементов заключается в том, что нет необходимости в поиске параметров э лектрической машины, так как они могут быть получены в результате расчета магнитной системы для любого э лектромагнитного состояния.

Проведем анализ проц ессов в э лектроприводе при изменении момента сопротивления на валу двигателя. На рис. 2.19 представлена расчетная поверхность (1) – зависимость статорного тока от момента сопротивления на валу и от составляющ ей тока возбуж дения. Выше проходит поверхность (2), полученная э кспериментально. Экспериментальные измерения выполнялись на базе лабораторного макета асинхронного э лектропривода с преобразователем частоты модульной серии Sinamics S120, технические характеристики которого представлены в [197]. Система регулирования лабораторного макета полностью соответствовала модели (рис. 2.18).

Незначительные расхож дения как в зоне номинальных нагрузок, так и при перегрузках обусловлены недостоверными данными параметров ж елеза (зависимости B(H)). При э том ошибка сохранялась во всем диапазоне измерений.

Анализ динамических характеристик асинхронного э лектропривода не выполнялся, так как э то выходило за предмет исследований диссертац ии. Разработанная математическая модель была использована при обосновании математических моделей, которые необходимы для оц енки удельных массогабаритных показателей асинхронных э лектроприводов (см. гл. 3).

Рис. 2.19. Расчетная (1) и э кспериментальная (2) зависимости тока статора Ic асинхронного э лектропривода от момента сопротивления валу Мс и составляющ ей на тока возбуж дения Iв Рис. 2.19. Расчетная (1) и э кспериментальная (2) зависимости тока статора Ic асинхронного э лектропривода от момента сопротивления на валу Мс и составляющ ей тока возбуж дения Iв 2.6.2. Математическая модель синхронного э лектропривода На рис. 2.20 представлена обобщ енная математическая модель синхронного э лектропривода с нулевым заданием id составляющ ей статорного тока, что обеспечивает ортогональное располож ение векторов потокосц епления статора и ротора. Тем самым система регулирования обеспечивает минимальный ток статора при изменении нагрузки на валу двигателя. Узел ПС на рис.

2.20 преобразует сигнал полож ения ротора двигателя в э квивалентный сигнал скорости. Магнитная система явнополюсной синхронной машины рассчитывалась методом конечных э лементов. В данном случае отказ от схемы замещ ения с сосредоточенными параметрами позволил не только учесть более корректно нелинейность магнитной системы, но и вычислить реактивную составляющ ую момента двигателя с учетом реального распределения линий магнитной индукц ии.

Синхронные э лектроприводы в общ епромышленных механизмах встречаются довольно редко. Встретить в промышленностиданный вариант э лектропривода мож но на объектах металлургического производства. В лаборатории э лектропривода Юж но-Уральского госуниверситета был смонтирован макет промышленного синхронного э лектропривода с частотно-токовой схемой управления на базе преобразователя Unidrive SP [203, 209]. В отличие от асинхронного э лектропривода установка датчика полож ения в синхронных э лектроприводах является обязательной, так как сущ ествующ ие бездатчиковые схемы управления [89, 202] не позволяют определять с достаточной степенью точности угол меж ду осью ротора и системой координат управляющ его устройства, а э то влечет к колебательным реж имам работы и возмож ностью выпадения двигателя из синхронизма [18]. По указанным причинам на лабораторном макете мощ ностью Рн = 5 кВт моделировались реж имы работы э лектропривода только с импульсным датчиком полож ения ротора. На рис. 2.20 стаорные ц епи питаются от индивидуальных источников тока, реализованных на базе автономных инверторов напряж ения, охваченных отриц ательной обратной связью по току. Такая схема является наиболее естественной для объектов металлургического производства. Более того, э ти схемы силовых ц епей могут быть собраны в лабораторныхусловиях, но для малых мощ ностей схемы силовых ц епей выполняются интегрированными (система формирования импульсов управления и силовая часть выполняются в одном модуле), поэ тому для сопоставления удобнее использовать результаты физического моделирования на промышленном образц е. Параметры, необходимые для расчета модели магнитного потока, взяты из модели э лектромеханического преобразователя. Детализированная структурная схема системы управления синхронным э лектроприводом и набор результатов исследований представлен в [24]. Для анализа возмож ностей разработанной модели и оц енки её адекватности воспользуемся э тими результатами. На рис. 2.21 расчетная (1) и э кспериментальная (2) поверхности тока статора практически во всем диапазоне нагрузок (в номинальном реж име и в зоне перегрузок) практически совпадают.

Эти зависимости регистрировались для разных значений момента сопротивления на валу двигателя, при э том независимо регулировался угол меж ду векторами МДС статора и ротора. В зоне малых углов наблюдаются более сущ ественные расхож дения меж ду теоретическими расчетами и измерениями. Обусловлено э то неустойчивой работой в э той области э лектропривода нагрузочной машины, поэ тому достоверность э кспериментальных данных в э том диапазоне мож ет быть поставлена под сомнение.

Рис. 2.21. Расчетная (1) и э кспериментальная (2) зависимости тока статора Ic синхронного э лектропривода от момента сопротивления на валу Мс и угла нагрузки Рис. 2.21. Расчетная (1) и э кспериментальная (2) зависимости тока статора Ic синхронного э лектропривода от момента сопротивления на валу Мс и угла нагрузки В ц елом, обобщ енная математическая модель для синхронного э лектропривода показала достаточную устойчивость в расчетах и сходимость э кспериментальных и расчетных данных. Интервал расчета одной точки кривой переходного проц есса не превышал 30 с, что позволило проводить э кспериментальные исследования за приемлемое время.

При расчете системы э лектропривода на выходе математической модели формируются не только переменные состояния э лектропривода, но и матриц а параметров э лектромеханического преобразователя. Эти значения могут быть полезны не только при решении задач синтеза системы управления, но и использованы при решении задач оптимизац ии э лектропривода при поиске наиболее рац иональных значений номинальных данных э лектропривода (напряж ения, тока, частоты).

2.6.3. Математическая модель э лектропривода с СРМНВ Так как э лектропривод с СРМНВ имеет нетрадиц ионную систему регулирования, то на рис. 2.22 дана детализированная структурная схема. Модель содерж ит два крупных узла:

э лектромеханический преобразователь Maxwell model (реализован в модуле AnsysMaxwell) и систему управления (все остальные узлы реализованы в модуле AnsysSimplorer). В общ ем случае э лектропривод является многофазной схемой, на рис. 2.22 представлена шестифазная схема. Каж дая из фаз двигателя запитывается от источника ЭДС (E1, E2, …, E6), охваченного глубокой отриц ательной связью по току и на вход которого подаются управляющ ие сигнала с выхода регуляторов тока (Р1, I1, Р2, I2,…, Р6, I6). На входе регуляторов тока алгебраически суммируются http://susu.antiplagiat.ru/ReportPage.aspx?docId=427.4647249&repNumb=1&type=3&page=0 30/ 7.2.2014 Антиплагиат сигналы задания на ток (Isum1, Isum2,…, Isum6) и сигналы обратной связи по току с датчиков обратных связей (АМ1, АМ2, …, АМ6). Регуляторы тока обычно выполняются пропорц ионально интегрального типа, однако, в некоторых реж имах введение И-канала регулирования не позволяет решить задачу формирования заданной формы тока (см. гл. 5). Управление э лектроприводом осущ ествляется в функц ии полож ения ротора, поэ тому для задания токов с выхода регулятора скорости (RS) или от источника сигнала задания возбуж дения применен узел формирования фазных токов (модули TV1, TA1, TV2, TA2,…, TV6, TA6), который поочередно в функц ии полож ения ротора Ф подает сигналы на регуляторы тока. Управление э лектроприводом выполнено по системе подчиненного регулирования. Внешний контур регулирования скорости задает работу внутреннего контура косвенного регулирования момента и настраивается регулятором скорости (P, I) пропорц ионально-интегрального типа, на входе которого алгебраически суммируются сигналы задания на скорость и сигнал обратной связи по скорости с датчика скорости (Speed sensor).

Результаты э кспериментальных исследований, подтверж дающ ие адекватность разработанной математической модели э лектропривода подробно рассматривались при выполнении ряда НИР [24, 172, 175], выполняемых в рамках реализац ии ФЦП “Научные и научно-педагогические кадры инновац ионной России. В последующ их главах э ти данные будут частично воспроизводится при доказательстве следующ их научных полож ений диссертац ии.

Выводы по главе 1. Предлож ена и показала свою э ффективность обобщ ённая математическая модель э лектроприводов переменного тока с э лектродвигателями, имеющ ими произвольную конфигурац ию магнитной ц епи, в которой параметры полупроводникового преобразователя в диапазоне частот до половины от несущ ей рассматриваются как сосредоточенные, принадлеж ащ ие линейным динамическим звеньям, а параметры э лектрической машины представлены как распределённые.

2. Обоснованы границ ы допустимости аппроксимац ии реальной импульсной системы непрерывными звеньями и определены предельные значения частот среза контуров регулирования фазных токов в э лектроприводах переменного тока. Так, в результате сопоставления частотных характеристик установлено, что частотные характеристики обоих вариантов математической модели э лектропривода (идеальной, т.е. непрерывной, и приближ енной к реальной, учитывающ ей наличие ШИМ-модуляц ии) при низких частотах совпадают, а затем, начиная с определенной частоты ГР, которая названа граничной, расходятся. В расчете величина расхож дения меж ду амплитудными характеристиками на граничной частоте принималась равной 5%. Показано, что величина ГР зависит от относительного значения резонансного максимума линейной части Ам1 и порядка системы. При э том ГР не доходит до частоты Найквиста.

3. Предлож ен алгоритм параллельного вычисления, выполненный по критерию минимума расчетного времени.

4. В результате сопоставления предлож енной математической модели с общ епринятыми методиками расчетов асинхронных э лектроприводов переменного тока установлено, что в номинальном реж име, когда сопоставлялись расчеты по предлож енной математической модели с каталож ными данными, коэ ффиц иент t распределения Стьюдента оказался меньше критического 2,1. При расчете ж е в зоне перегрузки, когда моменты на валу двигателя приближ ались к критическому, результаты расчетов по стандартной методике (с использованием Т-образной схемы замещ ения) расходились с результатами, которые дает разработанная схема. В э том случае статистика t= 2,3 превышает критическое значение, поэ тому пользоваться традиц ионными моделями некорректно из-за весьма приближ енного учета насыщ ения магнитной системы.

5. Предлож ены формализованные модели э лектроприводов переменного тока: асинхронных,синхронных и СРМНВ, постоянного тока, – которые являются частными случаями разработанной универсальной математической модели и содерж ат фрагменты моделей силовой части э лектропривода, системы управления, нагрузочного устройства, что позволяет добиться корректного сопоставления разных систем э лектроприводов.

6. Сопоставлялись результаты расчетов ряда э лектроприводов (синхронных с частотно-токовым управлением, асинхронных с векторным управлением по потокосц еплению ротора, регулируемых постоянного тока), полученные для установившихся реж имов работы э кспериментальным путем (на лабораторных образц ах), теоретически (по упрощ енной Т-образной схеме замещ ения) и на основании предлож енной математической модели. Показано, что в зоне номинальных нагрузок э ти методики дают близкие результаты (расхож дение не более 5%). В зоне ж е перегрузок э кспериментальные и расчетные данные расходятся (более 15-20%). Здесь необходимо пользоваться моделями, которые учитывают особенности распределения магнитного потока в э лектрической машине (насыщ ение магнитной системы, выпучивание силовых линий в меж полюсном промеж утке).

3. СПОСОБЫ ДОСТИЖ ЕНИЯ УЛУЧШЕННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ В ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ С срмнв СОПОСТОВЛЕНИИ С ДРУГИМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ В 3.1. Основные термины и определения. Показатели э ффективности регулируемого э лектропривода Перед обсуж дением уточним некоторые термины и определения, о которых будем говорить ниж е.

Под предельными характеристиками понимаются э кстремальные значения переменных (координат) системы при варьировании ряда параметров в заданных пределах и фиксац ии других параметров [54].

В частности, под предельными характеристиками по быстродействию будем понимать минимальное допустимое время переходного проц есса, которое мож ет быть достигнуто в системе при варьировании: параметров э лектромеханического преобразователя (соотношения активных материалов: меди, э лектротехнической стали) в заданных габаритах;

конфигурац ии схемы силовых ц епей;

передаточного числа редуктора;

структуры и параметров звеньев системы управления. Указанный критерий долж ен быть обеспечен при фиксированных значениях момента сопротивления, моменте инерц ии рабочего органа, заданном законе изменения управляющ его воздействия. Фактически, в данном случае говорится о рац иональном выборе силового оборудования, при котором мож но было бы обеспечить наилучшие значения воспроизводимой координаты.

Под предельным характеристиками по перегрузочной способности понимаются максимально достиж имые значения э лектромагнитного момента в системе при варьировании: параметров э лектромеханического преобразователя в заданных габаритах, конфигурац ии схемы силовых ц епей, структуры и параметров системы управления. При э том предполагается, что э лектропривод работает в кратковременных реж имах работы, когда на интервале действия момента сопротивления э лектромеханический преобразователь не успевает перегреться. Этот реж им актуален для механизмов, работающ их в частых пуско-тормозных реж имах работы, либо для технологических объектов, в которых очень малую продолж ительность по времени действует момент сопротивления, значительно превосходящ ий номинальный момент двигателя, но в силу кратковременного действия, двигатель не успевает нагреться до предельной температуры, при которой разрушается изоляц ия обмоточной меди.

При регулировании скорости э лектропривода в зоне ослабления поля предельными характеристиками по скорости примем диапазон изменения скорости, внутри которого отношение э лектромагнитного момента к току сниж ается не более чем в 2 раза по сравнению с основным диапазоном регулирования скорости.

Очевидно, что для разных типов неизменяемой части системы (точнее – свойств объекта управления) и, преж де всего, в зависимости от типа э лектромеханического преобразователя, будут получаться свои значения показатели э ффективности (быстродействие, максимальные перегрузки). Поэ тому выбор и изучение свойств неизменяемой части системы управления – важ ный э тап, с которого начинается проектирование любой слож ной э лектротехнической системы, работающ ей в тяж елых и сверхтяж елых условиях э ксплуатац ии.

При сопоставлении э лектроприводов и решении задач синтеза необходимо определиться с единой системой оц енок и критериев э ффективности. Общ епринятый перечень требований [109] по таким показателям э лектропривода, как cos,, обладает неоспоримыми преимущ ествами: понятен для широкого круга спец иалистов, имеет четкий алгоритм по определению э тих показателей. По http://susu.antiplagiat.ru/ReportPage.aspx?docId=427.4647249&repNumb=1&type=3&page=0 31/

7.2.2014 Антиплагиат

таким показателям э лектропривода, как cos,, обладает неоспоримыми преимущ ествами: понятен для широкого круга спец иалистов, имеет четкий алгоритм по определению э тих показателей. По э тим показателям мож но производить сопоставление с сущ ествующ ими э лектроприводами. Однако, при анализе проц ессов в э лектроприводе с новыми типами э лектрических машин, питающ ихся по многофазным схемам от несинусоидальных источников, необходимо расширить сущ ествующ ие оц енки показателями, непосредственно влияющ ими на качество ведения технологического проц есса, таким как M/м, М/J, где М, м, J – момент, масса, момент инерц ии двигателя. Поясним введение указанных показателей конкретными примерами.

Как правило, при оц енке обычных реактивных э лектрических машин озвучивается традиц ионный показатель cos [23, 64]. Обращ ается внимание на невысокие значения э того критерия для обычных СРД с массивным ротором и приемлемые значения, близкие к асинхронным машинам, – для оптимизированной конструкц ии ротора с высоким отношением Ld/Lq. В э лектроприводах с СРМНВ предполагается в общ ем случае несинусоидальная форма фазного тока. Такой показатель, как cos, обычно вводится для оц енки первой гармоники. Если ж е в э лектроприводе высшие гармоники создают э лектромагнитный момент, как э то наблюдается в э лектроприводе постоянного тока [163], то наиболее естественной оц енкой для данного случая мож ет служ ить критерий M/ м. Этот показатель используется спец иалистами. В каталогах на э лектромеханические преобразователи его напрямую не указывают, но он мож ет косвенно оц енен по номинальным данным мощ ности, скорости и массы.

В случае регулируемого э лектропривода актуальность показателя э нергетической э ффективности cos такж е высока, но уж е как интегрального показателя всего комплекса “Электрический преобразователь – двигатель” при анализе э нергетических показателей на входе полупроводникового преобразователя со стороны питающ ей сети. Правда и в э том случае критерий дополняют коэ ффиц иентом несинусоидальности [45]. Источник питания двигателя, выполненный по схеме двухзвенного преобразователя частоты со звеном постоянного тока, будет потреблять или отдавать в сеть реактивную мощ ность и мощ ность искаж ений независимо от нагрузки, подключенной к выходу преобразователя частоты.

При анализе проц ессов в регулируемом э лектроприводе, работающ ем в пуско-тормозных реж имах, например, в следящ их э лектроприводах, актуальными оказываются не только удельные массогабаритные показатели. Сущ ествующ ие оц енки э ффективности полезно дополнить добротностью э лектропривода М/J [54]. В одних и тех ж е габаритах э тот показатель мож ет изменяться в весьма широких пределах: так, если ротор двигателя выполнить удлиненным и при э том обеспечить ту ж е величину номинального э лектромагнитного момента, то добротность э лектропривода возрастает пропорц ионально э той длине.

Далее выполним сопоставление удельных показателей разных типов э лектроприводов э лектроприводом на базе СРМНВ, используя предлож енную систему критериев и оц енок э ффективности с э лектропривода.

3.2. Влияние способа управления на удельные показатели Выбор закона управления в традиц ионных э лектроприводах позволяет приблизиться к предельным возмож ностям технической системы, а нерац иональный способ – значительно э ти показатели ухудшить. В э лектроприводах с нетрадиц ионными конструкц иями э лектромеханических преобразователей и слож ной конфигурац ией магнитной системы появляются дополнительные возмож ности.

Попытаемся дать оц енку э тим возмож ностям и ответить на вопрос – сущ ествует ли потенц иальная возмож ность улучшить предельные показатели э лектротехнического комплекса за счет применения спец иальных законов управления. Эту задачу удобно решать, сопоставляя разные варианты э лектроприводов.

Методологической основой для такого сопоставления является математический аппарат в виде принятой математической модели. Подкрепляется достоверность исследований методами физического моделирования. Для анализа возмож ностей традиц ионных э лектроприводов в зоне номинальных нагрузок удобнее пользоваться упрощ енными математическими моделями (см. п. 2.1).

При решении задач в э лектромеханических преобразователях, имеющ их слож ную конфигурац ию магнитной системы, обязателен учет характера распределения линий магнитной индукц ии в э лектрической машине.

3.2.1. Управление в э лектроприводах постоянного тока С позиц ии управления наиболее простым является э лектропривод постоянного тока, в котором физической основой формирования э лектромагнитного момента является искаж енное магнитное поле в зазоре. На холостом ходу поле под полюсом имеет трапец еидальную форму и примерно постоянное. Под действием реакц ии якоря FA поле под одним краем полюса уменьшается, а под другим – возрастает (рис. 3.1, б). В линейной системе среднее значение индукц ии под полюсом не изменяется.

Рис. 3.1. Развертка машины и МДС реакц ии якоря: а) в двигателе постоянного тока;

б) в СРМНВ Рис. 3.1. Развертка машины и МДС реакц ии якоря: а) в двигателе постоянного тока;

б) в СРМНВ Такая подробная аннотац ия известного принц ипа формирования э лектромагнитного момента в машине постоянного тока была нуж на для того, чтобы объяснить реальные ограничения предельных удельных массогабаритных показателей э лектропривода, на которые в сущ ествующ ей литературе обращ ается меньшее внимание: в машине постоянного тока якорные обмотки, попадающ ие в меж полюсный промеж уток (рис. 3.1, а), полезно не используются: они не создают потока возбуж дения и не взаимодействуют с магнитной индукц ией (если считать, что в меж полюсном промеж утке индукц ия равна нулю). Улучшить массогабаритные показатели в э лектроприводе постоянного тока мож но, если сдвинуть щ ети с геометрической нейтрали. Однако сдвигать нейтраль в нуж ном направлении нельзя по условиям коммутац ии, а в реверсивном э лектроприводе э то теряет всякий смысл, так как менять полож ение щ еток в проц ессе работы системы технически затруднительно.

В э лектроприводе с СРМНВ с бесконечным числом фаз проц есс формирования э лектромагнитного момента мож но рассматривать по аналогии с двигателем постоянного тока, если считать, что возбуж дение в машине регулируется независимо обмоткой, попадающ ей в данный момент в меж полюсный промеж уток, а функц ию якорных обмоток выполняют те фазы, которые находятся над полюсом, т.е. э лектропривод с СРМНВ рассматривается как обращ енная машина постоянного тока, но в силу бесконтактного исполнения двигателя при отсутствии коммутац ии секц ий якорной обмотки коллекторным устройством физическую нейтраль мож но сдвигать в любом направлении (рис. 3.1, б). При реверсе э лектропривода нуж ное полож ение нейтрали устанавливается не механическим сдвигом щ еток, а системой управления, которая по заданному алгоритму выполняет коммутац ию фазных обмоток СРМНВ.

При указанном сопоставлении не учитывалась нелинейность магнитной системы, которая в э лектроприводе постоянного тока требует монтаж а спец иальной компенсац ионной обмотки. В э лектроприводе с СРМНВ э ту задачу мож но решать иначе, применяя нуж ные законы управления и э то будет показано ниж е.

3.2.2. Управление в асинхронных э лектроприводах Количественное сопоставление асинхронного э лектропривода с СРМНВ было выполнено автором совместно с научным коллективом и представлено в [29, 32 35, 142, 210]. Поэ тому кратко остановимся аннотац ии э тих работ и более подробно дадим качественную оц енку.

на Количественное сопоставление удельных усилий в э лектроприводе мож ет быть оц енено по отношению тягового усилия, создаваемого СРМНВ, к усилию, создаваемому асинхронным двигателем на основании выраж ения [192]:

в котором,, – параметры СРМНВ, учитывающ ие насыщ ение магнитной системы, пульсац ии э лектромагнитного момента, соотношение меж ду амплитудой тока возбуж дения и тока якоря, приходящ ихся на возбуж дение и якорь;

, – параметры асинхронного двигателя (общ ий обмоточный коэ ффиц иент и косинус э лектрической машины). Для сопоставления были приняты значения http://susu.antiplagiat.ru/ReportPage.aspx?docId=427.4647249&repNumb=1&type=3&page=0 32/ 7.2.2014 Антиплагиат приходящ ихся на возбуж дение и якорь;

, – параметры асинхронного двигателя (общ ий обмоточный коэ ффиц иент и косинус э лектрической машины). Для сопоставления были приняты значения [189, 192]: = 0,832, = 0,899, = 0,665, = 0,9, = 0,874. В результате сопоставления показано, что э лектропривод с СРМНВ имеет улучшенные массогабаритные показатели по сравнению с асинхронным э лектроприводом примерно на (15–30) %. Авторы [189] показали, что за счет “холодного”, не содерж ащ его обмотки ротора удается увеличить линейную токовую нагрузку статорной обмотки, и тем самым улучшить массогабаритные показатели э лектропривода с СРМНВ.

Попытаемся дать качественное объяснение э тому факту. Рассмотрим выраж ение для э лектромагнитного момента асинхронного двигателя, работающ его в оптимальной точке (при номинальных напряж ении, частоте и нагрузке) [48]:

, где l, Da – габаритные размеры активных материалов;

A, B – э лектромагнитные нагрузки;

кВ – коэ ффиц иент формы поля.

В э том уравнении обмоточный коэ ффиц иент коб вводится для того, чтобы учесть укорочение шага обмотки и её распределение. Укорочение шага и распределение обмотки позволяют снизить влияние высших гармоник, которые, как известно, в трёхфазной машине с синусоидальным возбуж дением не создают э лектромагнитного момента. С другой стороны, укорочение и распределение обмотки приводит к сниж ению основной гармоники, что и учитывается обмоточным коэ ффиц иентом. В серийных асинхронных двигателях он леж ит в диапазоне 0,9…0,95. Таким образом, обмоточный коэ ффиц иент показывает, насколько сниж ается э лектромагнитный момент по сравнению с м-фазной машиной, в которой ток, протекающ ий по обмоткам, был бы несинусоидальным, а число фаз стремилось бы к бесконечности. Таким образом, обмоточный коэ ффиц иент – э то плата за “синусоидальное возбуж дение”.

Рассмотрим возмож ности улучшения удельных показателей асинхронного э лектропривода с позиц ии управления, для э тогообратимся к векторной диаграмме, поясняющ ей принц ип формирования э лектромагнитного момента (рис. 3.2). При векторном регулировании результирующ ий э лектромагнитный момент мож ет рассматриваться как результат взаимодействия роторного тока I2 и результирующ его вектора потокосц епления в зазоре машины м.

В номинальном реж име работы вектор тока ротора I2 поворачивается на небольшой угол относительно вектора E2, поэ тому угол меж ду векторами результирующ его потокосц епления в зазоре м и током I2 близок к 90 градусам. В э том реж име э лектрическая машина используется в э лектромагнитном отношении наилучшим образом. В реж име перегрузок (рис. 3.2, б) увеличивается скольж ение ротора, а следовательно, и вектор тока ротора поворачивается на больший угол. Угол меж ду векторами результирующ его потокосц епления и током ротора увеличивается, при э том ухудшается использование машины по активным материалам. Как известно, в точке критического скольж ения момент двигателя достигает предельного значения, и при дальнейшем увеличении скольж ения падает. Улучшить удельные показатели э лектропривода в э том реж име мож но только, если обеспечить полное управление током ротора, что возмож но только в асинхронных э лектроприводах с фазным ротором путем подключения полупроводникового преобразователя в ц епь ротора. В традиц ионных асинхронных э лектроприводах э ту задачу мож но решить лишь частично и только параметрическим способом – проектировать машину на оптимальное использование активных материалов либо в номинальной точке, либо в реж име перегрузки. Одновременно для обоих реж имов достигнуть наилучшего показателя не удается.

Рис. 3.2. Векторные диаграммы, поясняющ ие принц ип формирования э лектромагнитного момента в асинхронном э лектроприводе Рис. 3.2. Векторные диаграммы, поясняющ ие принц ип формирования э лектромагнитного момента в асинхронном э лектроприводе При работе асинхронного э лектропривода на пониж енных скоростях вращ ения сущ ественное влияние на удельные массогабаритные показатели МН/м мож ет быть достигнуто при рац иональном выборе законов управления, например, поддерж анием постоянства вектора потокосц епления ротора [165]. Этот закон позволяет наиболее точно компенсировать падение напряж ения на активном сопротивлении, при э том удельные показатели э лектропривода значительно улучшаются, но не превышают предельных значений, которые получаются в разомкнутой системе регулирования при номинальных частоте и напряж ении питания.

3.2.3 Управление в синхронных э лектроприводах с возбуж денным ротором В настоящ ее время расширение диапазона регулирования скорости актуально не только для случаев двухзонного регулирования скорости, когда удается снизить установленную мощ ность полупроводникового преобразователя [147], но и при улучшении массогабаритных показателей самого э лектромеханического преобразователя за счет увеличения мощ ности без изменения массы двигателя. Объясняется э то тем, что масса активных материалов двигателя зависит от номинального э лектромагнитного момента [23], при э том мощ ность увеличивается за счет повышения оборотов вращ ения вала двигателя. В асинхронных э лектроприводах максимальная скорость имеет э лектромагнитные ограничения (см. п.3.4). При увеличении числа независимых управляющ их воздействий, например, в синхронных э лектроприводах, э та задача решается сравнительно просто, если рассматривать э лектропривод и систему управления как единый комплекс. Покаж ем э то на конкретном примере.

В синхронных э лектроприводах с э лектромагнитным или магнитоэ лектрическим возбуж дением управляющ ие возмож ности э лектропривода возрастают, так как появляется возмож ность регулировать не только результирующ ий вектор потокосц епления статора, но и полож ение э того вектора относительно оси ротора. Эти возмож ности благоприятно используются при выборе параметров э лектропривода, например, по критерию максимального отношения МР, где M – э лектромагнитный момент, создаваемый двигателем, а P – э лектрические потери. Сечение э лектрической машины представлено на рис. 3.3.

Анализ основных составляющ их состояния э лектромагнитной системы двигателя с ц елью достиж ения оптимума КПД и удельного момента мож но выполнить, пользуясь следующ ими соотношениями [212]:

md=rlN3pBpl;

Bpl=23Bp;

M=32pmdisq, где md – потокосц епление, пропорц иональное максимальной магнитной индукц ии воздушного зазора Bpl (первой гармоники);

N – число витков на фазу;

r – радиус зазора;

p – число пар полюсов.

Рис. 3.3. Схематический разрез бескотактного синхронного двигателя с постоянными магнитами Рис. 3.3. Схематический разрез бесконтактного синхронного двигателя с постоянными магнитами На рис. 3.3 показан схематический разрез бесконтактного синхронного двигателя с постоянными магнитами. Магнитная индукц ия воздушного зазора Вр зависит от типа Br и длины магнитов lm (изменение МДС в ж елезе учтено).

С другой стороны, так как редкоземельные магниты очень дорогие, их объем долж ен быть ограничен. Следовательно, в фиксированном объеме магнита длина магнита lm становитсяфункц ией радиуса ротора r. Отношение внутреннего диаметра к внешнему определяется коэ ффиц иентом http://susu.antiplagiat.ru/ReportPage.aspx?docId=427.4647249&repNumb=1&type=3&page=0 33/ 7.2.2014 Антиплагиат радиуса ротора r. Отношение внутреннего диаметра к внешнему определяется коэ ффиц иентом x=rR.

Потокосц епление md будет функц ией x mdx=xBpx. (3.1) Мощ ность рассеяния P (механические потери не учитываются), включая тепловые потери и потери в стали сердечника, входят в P, как показано в формуле:

P-Pfe=32Rsisq2;

Rs=As-1x.

Сопротивление фазы Rs обратно пропорц ионально площ ади паза S.

С другой стороны, потери в стали сердечника Pfe могут быть определены по формуле:

Pfex=h( )By2Vs(x), где h( ) - коэ ффиц иент, который представляет собой “потери/объем” при индукц ии 1 Тл, и зависит от э лектрической скорости =p В. Номинальный ток isg зависит от x через потери в сердечнике и площ адь паза:

isg=P-Pfe(x)Asx. (3.2) Из (3.1) и (3.2) вращ ающ ий момент является функц ией x, оптимальная величина которого дает максимальный вращ ающ ийся момент и, следовательно, КПД.

В [212] в качестве примера рассчитаны зависимости от параметра x величины момента двигателя при следующ их условиях: угловой скорости вала В=2000 обмин, частоте на статоре 50 Гц, потерях в стали 2,5 Ватт/кг, удельной мощ ности рассеивания ki=4000Ваттм2 при температурном перегреве 100 °С, естественном охлаж дении двигателя, материале магнитов NdFeB. Эти зависимости представлены на рис. 3.4. Кривые рис.3.4 имеют максимумы, которые зависят от числа пар полюсов. Лучшие результаты в [212] достигнуты при числе пар полюсов p=3 и p=4.

Рис. 3.4. Зависимость величины момента двигателя от x при в=2000 обмин, материал магнитов NdFeB Рис. 3.4. Зависимость величины момента двигателя от x при в=2000 обмин, материал магнитов NdFeB Предлож енный упрощ енный пример, в котором не учитывался характер распределения магнитного поля в зазоре, показал, что с увеличением управляющ их возмож ностей э лектропривода мож но получить улучшенные массогабаритные показатели при расширении диапазона регулирования скорости. Ниж е в п. 3.4 более детально будут рассмотрены регулировочные показатели э лектроприводов при расширении диапазона регулирования скорости вверх от номинальной.

3.2.4. Управление в синхронных реактивных э лектроприводах и СРМНВ Преж де чем давать оц енку возмож ностей улучшения удельных показателей э лектроприводов на базе СРМНВ применением спец иальных законов регулирования, полезно оц енить свойства объекта управления. Для э того на физическоммакете э лектропривода и на обобщ енной математической модели (см. п. 2.6.3) выполнялось сопоставление угловых характеристик разных типов двигателей, выполненных в одном корпусе. Условия проведения и свойства физического макета э лектропривода подробно описаны в [27, 35].

На рис. 3.5, а даны угловые характеристики затормож енного э лектропривода с СРМНВ, которые снимались в схеме с “последовательным возбуж дением”, когда по всем фазным обмоткам пропускался один и тот ж е постоянный ток. При исследовании характеристик величина тока при изменении угла поворота ротора оставалась неизменной и поддерж ивалась равной (3;

5;

8,6 А).

Как у СРД, угловая характеристика СРМНВ имеет два периода на оборот, при э том э лектромагнитный момент линейно нарастает от нуля до максимального значения, которое наблюдалось при угле (угол рассогласования меж ду осью МДС и осью ротора), соответствующ ем половине полюсного деления. Изменение момента в диапазоне от + Ммах до – Ммах происходит на большем отрезке, чем от – Ммах до +Ммах. Нуль момента на более крутых участках угловой характеристики наступает при нуле МДС возбуж дения (из-за встречных токов в обмотках, располож енных в меж полюсных промеж утках), а на более пологих – при нуле МДС обмоток якоря (из-за встречных токов обмоток, располож енных над полюсами). В обычном ж е СРД максимум момента на угловой характеристике наблюдается всегда при э лектрическом угле /4.

При снятии угловой характеристики синхронной машины с активным ротором число витков обмотки возбуж дения было равно числу части витков статорной обмотки, попадающ ей в меж полюсный промеж уток. Предельные значения линейных нагрузок были приняты с учётом допустимого нагрева обмоток (I=8,6 A).

Рис. 3.5. Угловые характеристики СРМНВ (а), синхронного двигателя с активным ротором (б), реактивного двигателя (в) при токах :

1 – 3 А;

2 – 5 А;

3 – 8,6 А Рис. 3.5. Угловые характеристики СРМНВ (а), синхронного двигателя с активным ротором (б), реактивного двигателя (в) при токах :

1 – 3 А;

2 – 5 А;

3 – 8,6 А Угловая характеристика имеет один период на оборот (рис 3.5, б). Несинусоидальный вид моментной характеристики связан с тем, что результирующ ий э лектромагнитный момент представляет результат действия двух составляющ их, одна из которых изменяется пропорц ионально sin;

вторая составляющ ая пропорц иональна sin(2) и проявляется только в явнополюсных машинах [48].

В случае обыкновенного СРД угловая характеристика имеет два периода на оборот, а максимальный момент наблюдается, как и следовало ож идать, при угле, близком к 45 (рис. 3.5, в).

Рассмотренный случай неизменного тока в обмотке статора на практике встречается сравнительно редко. Обычно синхронные реактивные двигатели работают от сети с неизменным напряж ением. В э том случае максимальное значение момента соответствует углам, большим 45, но меньшим 90, что связано с увеличением МДС статора при росте нагрузки [64]. Однако при сопоставлении удельных возмож ностей различных типов машин нас интересовали предельные возмож ности машины при одинаковых линейных нагрузках, что мож ет быть достигнуто только при питании машины от источника тока. Анализ кривых (рис. 3.5) показывает, что максимальный момент СРМНВ незначительно (примерно на 10%) уступает синхронному двигателю с активным ротором и почти на 25% превосходит обыкновенный СРД.

Дадим объяснение полученному результату.

В э лектроприводах с обычными СРД улучшенные показатели достигаются обычно изменением геометрии ротора, когда увеличивают отношение Ld/Lq. Решается э та задача за счет услож нения конструкц ии ротора. Физическое обоснование такого подхода обусловлено попыткой снизить влияние составляющ ей магнитного потока q, приходящ егося на меж полюсный промеж уток в уравнении э лектромагнитного момента:

http://susu.antiplagiat.ru/ReportPage.aspx?docId=427.4647249&repNumb=1&type=3&page=0 34/ 7.2.2014 Антиплагиат уравнении э лектромагнитного момента:

.

Вторая составляющ ая момента обусловлена потоками “выпучивания”, попадающ ими в меж полюсный промеж уток. Поэ тому токи, находящ иеся в меж полюсном промеж утке, которые взаимодействуют с потоками “выпучивания”, создают составляющ ую э лектромагнитного момента, направленную навстречу основному моменту.

Для того, чтобы снизить поперечную составляющ ую потока q, конструкц ию ротора услож няют и тем самым увеличивают результирующ ий э лектромагнитный момент. Указанный подход мож но рассматривать, как параметрический способ улучшения массогабаритных показателей э лектропривода с СРД, запитываемого от нерегулируемого источника питания. В [64] показано, что при э том достигаются показатели, близкие к асинхронному э лектроприводу.

Следующ ий способ улучшения удельных показателей в синхронных реактивных э лектроприводах реализуется за счет перехода к замкнутым системам управления. По сравнению с традиц ионным СРД, питающ имся от промышленной сети, в э лектроприводе с СРД с векторным регулированием нет необходимости иметь запас по углу нагрузки, потому что привод предназначен для работы только в замкнутой системе, где угол нагрузки в номинальном реж име мож но выставить любой. Это способствует более продуктивному использованию активных материалов. Расчеты показывают, что тяговые усилия в э лектроприводе с СРД превышают усилия в традиц ионном э лектроприводе с СРД, запитанном от сети, в 2–2,5 раза.

Наконец, как показали э кспериментальные исследования на физическом макете э лектропривода (см. рис. 3.5, а), удельные показатели э лектропривода могут быть достигнуты при использовании законов управления токами, отличными от синусоидальных.

Этот факт требует отдельного обоснования и мож ет быть объяснен только с использованием обобщ енной математической модели э лектропривода (см. п. 2.6.3).

Для э того была проведена серия э кспериментов (см. табл. 3.1). Сопоставлялись удельные показатели э лектроприводов в э лектрической машине с разными типами роторов (с обычным ротором и с магнитонепроводящ ими вставками) и при разной форме фазного тока, при э том относительное значение токов принималось равным 1;

1,1;

1,2;

2 от номинального значения.

Как видно из табл. 3.1, изменение закона управления фазных токов от синусоидального к прямоугольному позволяет улучшить удельные показатели э лектропривода, не услож няя конструкц ию ротора. В случае токов прямоугольной формы в машине с услож ненной конструкц ией ротора (со вставками) величина э лектромагнитного момента увеличивается только на 5%.

Таблиц а 3. Сопоставление удельных показателей э лектроприводов с синхронными реактивными машинами I M При прямоугольной форме фазного тока При синусоидальном возбуж дении Обычный Со вставками Обычный Со вставками 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 2, 2, 1, 2, Этот результат поясняется картиной магнитных полей и кривых удельных касательных усилий (см. рис. 3.6, 3.7).

В э лектроприводе с обычным СРД в меж полюсном промеж утке (см. рис. 3.6, а, верхний) высока доля линий индукц ии, находящ ихся в меж полюсном промеж утке и образующ их поперечную составляющ ую потока q. При взаимодействии токов, находящ ихся в меж полюсном промеж утке с составляющ ей потока q вдоль расточки статора создаются усилия, принимающ ие отриц ательные значения (рис. 3.6, а, ниж ний). Чем больше величина q, тем больше значение э тих усилий. “Полезные” составляющ ие усилий создаются токами, находящ имися над полюсом и взаимодействующ ими с основными линиями индукц ии, которые проходят по основному пути и образуют составляющ ую потока d. На рис. 3.6, а (ниж нем) каж дый из токов, находящ ийся над меж полюсным промеж утком, http://susu.antiplagiat.ru/ReportPage.aspx?docId=427.4647249&repNumb=1&type=3&page=0 35/ 7.2.2014 Антиплагиат с основными линиями индукц ии, которые проходят по основному пути и образуют составляющ ую потока d. На рис. 3.6, а (ниж нем) каж дый из токов, находящ ийся над меж полюсным промеж утком, создает усилие полож ительного знака. Результирующ ий э лектромагнитный момент равен алгебраической сумме всех усилий. Поэ тому, чем меньше значение отриц ательных составляющ их усилий, тем выше величина результирующ его э лектромагнитного момента. В обычном СРД величина потока q оказывается сущ ественной, поэ тому удельные массогабаритные показатели э тих машин оказываются наихудшими.

В э лектроприводах со слож ной конструкц ией ротора, в котором присутствуют магнитонепроводящ ие вставки (см. рис. 3.6, б, верхний), линии индукц ии в меж полюсном промеж утке практически отсутствуют. Практически весь поток замыкается по основному пути. Составляющ ая потока q равна или стремится к нулю. На рис. 3.6, б (ниж ний) показан график распределения усилий вдоль зазора машины. Из графика видно, что полож ительные составляющ ие усилий остались, их величина практически не изменилась по сравнению с первым случаем (рис. 3.6, а), когда ротор имел обычную геометрию. Такж е из рис. 3.6, б следует, что отриц ательные составляющ ие усилий отсутствуют, поэ тому результирующ ий момент, равный алгебраической сумме всех составляющ их, увеличился. С учетом сказанного, в э том случае улучшить удельные показатели мож но только параметрическим способом, изменяя геометрию ротора э лектрической машины. Решать поставленную задачу мож но только с использованием услож ненного математического аппарата, учитывающ его характер распределения усилий вдоль зазора ротора, например, применяя обобщ енную математическую модель (см. п. 2.6.3).

Близкого э ффекта мож но добиться, не услож няя конструкц ии ротора, но применяя нетрадиц ионные законы управления фазными токами, независимо воздействуя на токи якоря и возбуж дения. На рис. 3.7 дана модель э лектропривода с СРМНВ, в котором ротор имеет обычную конфигурац ию без спец иальных вставок, а статорным обмоткам пропускался ток с независимым управлением по полем возбуж дения и реакц ии якоря. Так как число фаз в машине большое, по каж дой из обмоток мог пропускаться ток произвольной формы. Математическим моделированием установлено, что если даж е по обмоткам пропускать один и тот ж е ток, создавая прямоугольную волну тока, линии индукц ии в меж полюсном промеж утке остаются, но их интенсивность сниж ается по сравнению с обычным СРД (см. рис 3.6, а), поэ тому сниж аются и отриц ательные составляющ ие усилий в воздушном зазоре. Среднее значение э лектромагнитного момента не достигает значений в СРД с услож ненным ротором, но превосходит э лектромагнитный момент СРД, запитываемый от сети с синусоидальным напряж ением. Этот э ффект мож но объяснить перераспределением магнитного поля в зазоре э лектрической машины и вызван он не параметрическими изменениями в геометрических параметрах двигателя, а применением спец иальных законов управления. В э том случае попытка дальнейшего улучшения удельных моментов путем услож нения геометрии ротора успеха не дала.

Рис. 3.7. Модель магнитной системы и распределение удельных усилий вдоль расточки статора в э лектроприводе с СРМНВ Рис. 3.7. Модель магнитнойсистемы и распределение удельных усилий вдоль расточки статора в э лектроприводе с СРМНВ Таким образом, показано, что в э лектроприводе переменного тока с СРМНВ общ епринятое услож нение конструкц ии ротора (например, применением немагнитопроводящ их слоёв вдоль продольной оси, сниж ающ их механическую прочность ротора) не даёт долж ного э ффекта, так как он уж е выбран рац иональным управлением токами статора. Это позволяет рекомендовать для э лектроприводов с тяж елыми условиями э ксплуатац ии СРМНВ с массивным (ц ельным) ротором.

3.3. Влияние способа управления на перегрузочные показатели э лектроприводов К э лектроприводам, работающ им в интенсивных пуско-тормозных реж имах, предъявляются требования по большой перегрузочной способности, которая иногда мож ет превышать 3МН. Указанные требования обеспечиваются не во всех типах э лектроприводов. Приводы, которые имеют потенц иальную возмож ность расширения диапазона регулирования по моменту, требуют выбора спец иальных законов управления.

Дадим оц енку возмож ностей разных типов э лектроприводов по перегрузочной способности.

Асинхронные э лектроприводы В асинхронных э лектроприводах критический момент ограничен из-за влияния индуктивностирассеяния обмотки ротора. Как показывает практика проектирования асинхронных э лектроприводов, предельные значения момента в асинхронном э лектроприводе достигают (2–2,5)МН в обычных нерегулируемых э лектроприводах и 3МН – в частотнорегулируемых. На рис. 3. представлены зависимости критического момента от мощ ности для э лектродвигателей серии 4А (кривые 1, 2, 3) и серии RA (1`, 2`, 3`). Анализ полученных кривых показал, что в диапазоне больших мощ ностей (больших 200 кВт) критический момент не превышает 3,5 МН. Большие отношения критического момента к номинальному (около четырех, см. рис. 3.6, кривая 1`) для двигателей с числом полюсов 2p=2, обусловлены худшим использованием материалов по сравнению с асинхронными двигателями четырех- и шести- полюсного исполнения. В асинхронных двигателях серии RA, спроектированных для частотнорегулируемых э лектроприводов, отказ от глубокого исполнения паза позволил снизить индуктивность рассеяния. Тем самым был увеличен критический момент.


При векторном управлении, когда поддерж ивается постоянство вектора потокосц епления ротора, очень часто фирмами-производителями озвучивается возмож ность увеличения критического момента. Этот тезис не соответствуетдействительности. Независимо от законов управления в асинхронных э лектроприводах не удается обеспечить постоянство угла меж ду векторами результирующ его потокосц епления и током ротора (см. рис. 3.2, а). В зоне критических скольж ений сущ ественно нарушается линейная связь меж ду током I2 и э лектромагнитным моментом.

Полупроводниковый преобразователь когда асинхронный двигатель работает на основной скорости не имеет запаса по напряж ению. Поэ тому приходится заниж ать допустимое значение предельного э лектромагнитного момента на 10–20 %.

Рис. 3.8. Зависимость критического момента от габаритной мощ ности асинхронных э лектроприводов серии 4А 2p=2 (1), 2p=4(2), 2p=6 (3) и серии RA 2p=2 (1’), 2p=4(2’), 2p=6 (3’) Рис. 3.8. Зависимость критического момента от габаритной мощ ности асинхронных э лектроприводов серии 4А 2p=2 (1), 2p=4(2), 2p=6 (3) и серии RA 2p=2 (1’), 2p=4(2’), 2p=6 (3’) Электроприводы постоянного тока В э лектроприводах постоянного тока предельные значения момента ограничены условиями коммутац ии якорного тока. Более того, при увеличении скорости условия коммутац ии ухудшаются и э то неблагоприятно сказывается на предельном значении э лектромагнитного момента при расширениидиапазона регулирования скоростей. В мощ ных металлургических э лектроприводах увеличение предельного значения момента достигается за счет выполнения двигателей постоянного тока двухъякорными.

Электроприводы с СРМНВ Электроприводы с СРМНВ относятся к классу синхронных э лектроприводов, в которых управление по каналам возбуж дения и якоря (см. более подробно п. 5.2.3) мож ет реализовываться независимо в отличие от э лектропривода с асинхронным двигателем. В нерегулируемых э лектроприводах, в которых управляющ ие воздействия формируются независимо от полож ения ротора, например, э лектроприводы, подключенные к питающ ей сети, э то обстоятельство полезно не используется, поэ тому в нерегулируемых синхронных приводах такж е приходится ограничивать предельное значение момента по условиям статической устойчивости. Новые возмож ности, позволяющ ие расширить границ ы предельного значения момента, появляются, если э лектропривод и систему управления проектировать в комплексе, а коммутац ию полупроводникового преобразователя вести в функц ии полож ения ротора.

Так как э лектропривод с СРМНВ относится к новому классу систе м, то преж де чем использовать математический аппарат для анализа предельных возмож ностей э лектропривода, был выполнен большой объем исследований на физических образц ах э лектроприводов. Подробные данные условий проведения э ксперимента и результаты представлены в [35]. Здесь дадим краткую http://susu.antiplagiat.ru/ReportPage.aspx?docId=427.4647249&repNumb=1&type=3&page=0 36/ 7.2.2014 Антиплагиат большой объем исследований на физических образц ах э лектроприводов. Подробные данные условий проведения э ксперимента и результаты представлены в [35]. Здесь дадим краткую аннотац ию. Опыт проводился на действующ ем макете мощ ностью 4 кВт при затормож енном роторе. На валу двигателя создавался момент сопротивления, при э том регистрировался ток якоря I.

Рис. 3.9. Зависимость момента двигателя от тока якоря ( статора): 1 – при последовательном возбуж дении;

2 – при постоянном независимом возбуж дении Iв=5А Рис. 3.9. Зависимость момента двигателя от тока якоря ( статора): 1 – при последовательном возбуж дении;

2 – при постоянном независимом возбуж дении Iв=5А В первом случае ток возбуж дения поддерж ивался постоянным, а ток якоря задавался с выхода регулятора скорости (см. рис. 3.9, кривая 2). На участке изменения момента сопротивления от 0 до МН (от 0 до 20 Нм) зависимость меж ду моментом и током якоря линейная. При дальнейшем увеличении момента сопротивления наклон кривой 2 уменьшается и связано э то с насыщ ением магнитной системы двигателя.

Во втором случае (рис. 3.9, кривая 1) токи возбуж дения и якоря задавались равными с выхода регулятора скорости. В зоне малых моментов кривая 1 имеет квадратичную зависимость, так как э лектромагнитный момент, который является результатом взаимо действия потока возбуж дения и тока якоря, пропорц ионален и току возбуж дения и току якоря. Если продолж ать увеличивать момент сопротивления на валу, то зависимость меж ду моментом и током становится линейной, так как магнитная система насыщ ается, а увеличение тока возбуж дения не приводит к увеличению результирующ его потока. Представленные э кспериментальные зависимости могут быть обобщ ены на широкий диапазон мощ ностей, но уж е с привлечением математического моделирования.

На рис. 3.10 представлены моментные характеристики синхронных реактивных э лектроприводов, полученные на обобщ енной математической модели (см. п.2.6.3).

Рис. 3.10. Зависимость э лектромагнитного момента от тока:1 – в СРД;

2 – в СРМНВ (IВ =IЯ);

3 – в СРМНВ (IВ = 1,1IЯ) Рис. 3.10. Зависимость э лектромагнитного момента от тока:1 – в СРД;

2 – в СРМНВ (IВ =IЯ);

3 – в СРМНВ (IВ = 1,1IЯ) При последовательном возбуж дении (в случае равных сигналов задания на токи якоря и возбуж дения) расширяется диапазон изменения моментов, в котором зависимость меж ду фазным током и величиной э лектромагнитного момента остается линейной (см. рис. 3.10, кривая 2). Анализ картины магнитных полей в э лектроприводе показал, что э то объясняется э ффектом, аналогичным э лектроприводу постоянного тока, когда размагничивающ ая составляющ ая поперечной реакц ии якоря компенсируется потоком, создаваемым обмоткой возбуж дения. В э том случае при увеличении нагрузки задание на ток изменяется одновременно и в якорной обмотке и в обмотке возбуж дения.

В зоне перегрузок закон управления фазных токов мож ет быть пересмотрен, если в качестве критерия оптимального управления выбрать минимум величины фазного тока. Как показали расчеты, э тот минимум достигается при соотношении токов якоря и возбуж дения: Iв=1,1Iя (см. рис. 3.10, кривая 3).

В э лектроприводе с обычным СРД даж е при векторном управлении и питании обмотки статора от источников тока в зоне перегрузок наблюдается весьма сущ ественное размагничивающ ее влияние реакц ии якоря, что препятствует увеличению момента в функц ии тока, такому ж е значительному, как в СРМНВ (см. рис. 3.10, кривая 1).

3.4. Предельные скоростные реж имы работы э лектроприводов Предельные возмож ности э лектроприводов оц ениваются не только перегрузочной способностью по моменту, но и максимальными значениями допустимой скорости, которые диктуются как э лектромагнитными,так и механическими ограничениями.

Так, в э лектроприводах постоянного тока предельное значение скорости ограничено механической прочностью коллектора и условиями коммутац ии, поэ тому в зоне повышенных скоростей наблюдается сущ ественное сниж ение коэ ффиц иента М/I. Указанная проблема мож ет быть решена только параметрическими способами.

Электропривод с СРМНВ выполнен на базе бесконтактной э лектрической машины и имеет такое ж е число независимых управляющ их воздействий, как и в синхронных частотнорегулируемых э лектроприводах. Дадим анализ предельных возмож ностей э лектропривода при регулировании скорости вверх от номинальной.

Анализ проц ессов в э лектроприводе выполнялся на модели, представленной на рис. 3.11. Здесь статорные обмотки СРМНВ с активными сопротивлениями r1, …, ri и индуктивностями L1,…, Li питались от соответствующ их независимых регулируемых источников ЭДС (ВП1,…, ВПi), охваченных отриц ательными обратными связями по току. В модели источники ЭДС принимались идеальными непрерывными звеньями с полосой равномерного пропускания частот, равной бесконечности. Правомерность такой замены обосновывается в [149]. Контуры регулирования фазных токов настраивались соответствующ ими регуляторами тока РТ1,…,РTi. Частоты среза контуров регулирования фазных токов были установлены равным 1000 рад/с, что обусловлено реальными возмож ностями современной преобразовательной техники. Задание тока якорных обмоток UЗТЯ подаётся из узла 1 через узел формирования фазных токов (УФФТ) (рис. 3.11). Задание на ток возбуж дения UЗТВ подаётся из узла 2 на входе УФФТ. Узел формирования фазных токов переключает сигналы с узлов 1 и 2 на управляющ ие входы соответствующ их контуров регулирования тока по сигналам датчика полож ения ротора, который выходит из блока “Модель магнитной системы СРМНВ”. Сигнал iзад1 (рис. 3.12) на выходе узла формирования фазных токов изменяется в функц ии угла поворота и имеет прямоугольную форму. Остальные сигналы по форме совпадают с сигналом iзад1, но сдвинуты друг относительно друга на 180/м э лектрических градусов, где м – количество фаз э лектрической машины. Контуры регулирования фазных токов и УФФТ были реализованы в программе Ansys Simplorer.

Рис. 3.11. Обобщ енная структурная схема э лектропривода с СРМНВ Рис. 3.11. Обобщ енная структурная схема э лектропривода с СРМНВ В рассматриваемой структуре (рис. 3.12) ж елаемое значение скорости пЗ вращ ения э лектропривода поддерж ивается с помощ ью контура регулирования скорости, который настраивается на заданные показатели качетва регулятором скорости РС. При увеличении уставки сигнала пЗ в зоне малых скоростей отношение М/I примерно постоянно (см. рис. 3.13). Дальнейшее увеличение сигнала задания (пЗ 1000 об/мин) приводило к значительному сниж ению отношения момента двигателя к фазному току. Для объяснения полученной зависимости на рис. 3.14 представлены осц иллограммы заданного значения тока i1зад (кривая 1, рис. 3.14), фазных напряж ения (кривая 3) и тока i1 (кривая 3, рис. 3.14) при уставке задания на скорость 1000 об/мин. Анализ кривых показывает, что при переключении знака тока i1 проц есс происходит практически без задерж ки. Далее на кривой наблюдается сниж ение тока. Объясняется э то статической ошибкой, которая http://susu.antiplagiat.ru/ReportPage.aspx?docId=427.4647249&repNumb=1&type=3&page=0 37/ 7.2.2014 Антиплагиат показывает, что при переключении знака тока i1 проц есс происходит практически без задерж ки. Далее на кривой наблюдается сниж ение тока. Объясняется э то статической ошибкой, которая связана с ЭДС вращ ения: в момент переключения знака тока обмотка фазы двигателя находилась над меж полюсным промеж утком и ЭДС вращ ения была равна нулю, при дальнейшем движ ении ротора обмотка оказывается над полюсом, в ней наводится ЭДС. Несмотря на то, что регулятор тока выполнен интегральным, точного воспроизведения сигнала задания i1зад в якорной зоне не достигается, так как зона работы И-канала леж ит намного левее частоты среза. В зоне ж е возбуж дения (на рис. 3.14, в диапазоне от 12 до 17 мс), когда ЭДС вращ ения равна нулю, ток фаз воспроизводится абсолютно точно.


Рис. 3.12. Структурная схема э лектропривода с СРМНВ, питающ ейся от идеальных источников тока Рис. 3.12. Структурная схема э лектропривода с СРМНВ, питающ ейся от идеальных источников тока Рис. 3.13. Статическая характеристика э лектропривода Рис. 3.13. Статическая характеристика э лектропривода Рассмотренная проблема расширения диапазона регулирования скорости, мож ет быть решена применением соответствующ их корректирующ их устройств (см. пп. 6.3.2).

В асинхронных э лектроприводах предельное значение скорости ограничено индуктивным сопротивлением рассеяния обмотки статора. Для оц енки регулировочных возмож ностей в зоне больших скоростей был выполнен расчет зависимости критического момента от частоты заданного сигнала. Характеристика строилась в программе, которая была любезно предоставлена главным конструктором ООО “Снеж инский завод спец иальных э лектрический машин” Д. Соколовым, за что автор выраж ает ему свою благодарность.

Рис. 3.14. Осц иллограммы фазного тока э лектропривода с СРМНВ:

1 – задание на ток (выход регулятора скорости РС);

2 – фазный ток двигателя, 3 – ЭДС Рис. 3.14. Осц иллограммы фазного тока э лектропривода с СРМНВ:

1 – задание на ток (выход регулятора скорости РС);

2 – фазный ток двигателя, 3 – ЭДС На рис. 3.15 точками 4, 5, 6 показаны величины критических моментов при номинальных напряж ении и частоте. Базовая скорость во всех случаях была равна 1000 об/мин. Как видно из рис. 3.15, при увеличении частоты питания в два раза критический момент уменьшался в три раза, а при увеличении частоты задания в 4 раза, критический момент падал в 10 раз. Указанный диапазон изменения сигналов задания не считается запредельным, например, такие требования предъявляются к тяговым э лектроприводам. Решить поставленную задачу средствами системы управления невозмож но.

Рис. 3.15. Зависимости максимального момента в асинхронном э лектроприводе от частоты при двухзонном регулировании скорости при Рн=160 кВт (1), Рн=75 кВт (2), Рн=22 кВт (3) Рис. 3.15. Зависимости максимального момента в асинхронном э лектроприводе от частоты при двухзонном регулировании скорости при Рн=160 кВт (1), Рн=75 кВт (2), Рн=22 кВт (3) Выводы по главе 1. В э лектроприводах постоянного тока проводники обмотки якоря, находящ иеся под главными полюсами, при протекании по ним тока создают э лектромагнитный момент, а проводники обмотки якоря, попадающ ие в меж полюсный промеж уток, продуктивно не используются. э лектроприводе ж е с СРМНВ используется вся обмотка за счет того, что проводники, располож енные напротив В меж полюсных промеж утков, создают поток возбуж дения, а токи в проводниках, располож енных над полюсами, создают э лектромагнитный момент.

2. По сравнению с традиц ионным синхронным реактивным э лектроприводом (СРД), питающ имся от промышленной сети, в э лектроприводе с СРМНВ нет необходимости иметь запас по углу нагрузки, потому что привод предназначен для работы только в замкнутой системе, где угол нагрузки в номинальном реж име мож но выставить любой. Это способствует более продуктивному использованию активных материалов. Расчеты показывают, что тяговые усилия в э лектроприводе с СРМНВ превышают усилия в традиц ионном э лектроприводе с СРД в 2–2,5 раза.

3. В э лектроприводе с обычным СРД относительно велики составляющ ая магнитного потока, проходящ ая через меж полюсный промеж уток (поток выпучивания), что сниж ает величину э лектромагнитного момента двигателя. Обычно величину э той составляющ ей уменьшают, услож няя конструкц ию ротора установкой немагнитных прокладок, направленных вдоль продольной магнитной оси двигателя.

Близкого э ффекта мож но добиться, применяя нетрадиц ионные законыуправления фазными токами, независимо воздействуя на токи якоря и возбуж дения. В э том случае попытка дальнейшего улучшения удельных моментов путем услож нения геометрии ротора успеха не даёт.

4. В э лектроприводах с СРМНВ зависимость момента от фазного тока (моментная характеристика), как и в синхронных частотнорегулируемых э лектроприводах с векторным управлением, имеет большую кратность перегрузок. При равных сигналах управляющ их воздействий на токи возбуж дения и якорные токи на моментной характеристике э лектропривода выделяются следующ ие участки. В зоне малых нагрузок, когда магнитная система двигателя не насыщ ена, зависимость момента от тока носит характер, близкий к квадратичному. При нагрузках выше номинального значения, когда магнитная система двигателя насыщ ается, э та зависимость близка к линейной. Здесь наблюдается определённая аналогия с двигателями постоянного тока последовательного возбуж дения в зоне перегрузок. Правда, в случае э лектропривода с СРМНВ нет проблем с коммутац ией тока. Зона ж е чрезмерно больших токов, где долж ны сближ аться величины индукц ии в меж полюсном промеж утке и над полюсом, в реальных условиях не достигается 4. ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ КОМПЛЕКСА “ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ – ДВИГАТЕЛЬ” 4.1. Постановка задачи многокритериальной оптимизац ии с позиц ии достиж ения предельных показателей по быстродействию и перегрузочной способности Уровень развития современной э лементной базы, а именно, силовой преобразовательной техники и микропроц ессорных систем управления устраняет ж ёсткую необходимость в выборе “стандартных” или иным образом фиксированных напряж ений и токов на входах и выходах силовых э лементов, что открывает дополнительные, не учтённые ранее возмож ности улучшения массогабаритных показателей за счёт вариац ии “номинальными” и другими параметрами (число фаз, форма линейной плотности поверхностного тока). Далее, массогабаритные пропорц ии компонентов э лектрической машины, оптимальные при проектировании отдельно взятой машины, могут оказаться не самыми лучшими при работе её, например, в регулируемом э лектроприводе, запитываемом полупроводниковым преобразователем. При учете работы э лектропривода в зоне сущ ественных перегрузок по моменту приходится в проц ессе проектирования иначе http://susu.antiplagiat.ru/ReportPage.aspx?docId=427.4647249&repNumb=1&type=3&page=0 38/ 7.2.2014 Антиплагиат запитываемом полупроводниковым преобразователем. При учете работы э лектропривода в зоне сущ ественных перегрузок по моменту приходится в проц ессе проектирования иначе перераспределять активные материалы так, чтобы обеспечить технологические требования производственного проц есса. На рис. 4.1 представлены основные компоненты обобщ енного э лектропривода переменного тока: активные узлы э лектромеханического преобразователя (ж елезо магнитопровода статора и ротора, при э том ротор условно показан явнополюсным;

активная медь статора и при необходимости ротора;

силовая часть полупроводникового преобразователя). Рац иональный подход к выбору соотношения э тих э лементов – задача непростая, требующ ая от спец иалиста комплексных знаний не только в области э лектропривода и силовой полупроводниковой техники, но и в сфере э лектромеханики. Масса активных материалов на компоненты э лектропривода зависит не только от величин удельных затрат (масса меди на единиц у активной составляющ ей тока Рис. 4.1. Основные э лементы и узлы э лектротехнического комплекса, подлеж ащ ие оптимизац ии Рис. 4.1. Основные э лементы и узлы э лектротехнического комплекса, подлеж ащ ие оптимизац ии или масса активного ж елеза на единиц у потока), но и от совместного влияния э тих компонентов друг на друга. Например, если ставится задача увеличить линейную токовую нагрузку в э лектроприводе при фиксированных внешних размерах, то приходится учитывать, что удельные затраты на активное ж елезо возрастают, так как в э том случае насыщ ается спинка статора. В полупроводниковых преобразователях весовые коэ ффиц иенты (масса на единиц у тока или масса на единиц у номинального напряж ения) могут изменяться в широком диапазоне.

При использовании традиц ионных методов проектирования э лектроприводов, как правило, в качестве критерия э ффективности выбирают э нергетические показатели (cos, ) [5, 6, 7]. Обусловлено э то тем, что массовым является э лектропривод насосов и вентиляторов [53] – э то та группа механизмов, в которых момент сопротивления нагрузки носит равномерный характер, перегрузки в э лектроприводе небольшие, поэ тому выбор в пользу э нергетических критериев является наиболее естественным. В э лектроприводах, в которых достигаются предельные возмож ности, требуется иначе выбирать соотношение компонентов силового оборудования и активных материалов. Эти критерии могут оказаться противоречивыми. Так, э лектроприводах с СРМНВ, улучшая удельные в показатели э лектрической машины, приходится увеличивать количество фаз, но при э том показатель э кономической э ффективности (массогабаритный показатель или показатель потерь в полупроводниковом преобразователе) падает. Поэ тому при решении задачи многокритериальной оптимизац ии приходится находить компромиссные решения.

Вопросам оптимизац ии силовой части э лектропривода посвящ ено большое количество работ. Выполним анализ наиболее важ ных работ и дадим оц енку предлагаемым решениям.

На сегодняшний день спец иалисты в области э лектромеханики, как правило, ориентируются на оптимизац ию э лектроприводов, питающ ихся от промышленной сети. Поэ тому в задачах многокритериальной оптимизац ии в качестве критериев выступают такие параметры, как cos, КПД, сервис-фактор, повышенная кратность пускового момента. При э том для высоты оси вращ ения 280 мм достигается КПД 95 % и выше, а потери сниж аются на (25–30) % [111]. В гл. 1 проанализированы пути достиж ения э тих показателей, в частности, обращ ается внимание на то, что ротор становится тяж елее и увеличивается его момент инерц ии.

При переходе к регулируемому э лектроприводу авторы [212] показали, что критерии оптимизац ии могут быть другими, например, для высокоскоростных приводов в качестве ц елевой функц ии э ффективнее применять критерий:

Pmin. Варьируя величину отношения диаметра ротора Dр к величине внешнего диаметра D, удалось добиться минимума при Dр/D = 0,6 при отношении индуктивностей Ld/Lq=10.

При обзоре технической литературы наибольший интерес вызывали решения в следящ их э лектроприводах, так как в э тих системах, как правило, реализуются реж имы с предельными характеристиками по быстродействию и перегрузочным способностям из-за сущ ественного влияния динамических показателей на качество протекания проц ессов. В большинстве случаев решение задачи оптимизац ии неоднозначно. Здесь наиболее распространённым критериями являются время позиц ионирования [87], применение э лектрической машины с наилучшими обобщ ёнными показателями типа приемистости, добротности (номинального углового ускорения).

Улучшения э тих показателей мож но достигнуть применением э лектромеханических преобразователей особой конструкц ии [54], например, двигателей с плоским якорем. Задача значительно услож няется при проектировании э лектроприводов больших мощ ностей (РН100 кВт). Однако, применение э лектромеханических преобразователей, имеющ их слож ную нетехнологичную конструкц ию, не могут составить конкуренц ию более простым техническим решениям.

При проектировании э лектроприводов, реализующ их предельные реж имы работы, не исключены и другие критерии оптимизац ии, в частности, учитывающ ие наличие податливостей в механической передаче – точностной с применением поэ тапной оптимизац ии [82, 144]. Примечательно, что с использованием аппарата частотных характеристик удалось сформулировать, детализировать по э тапам и решить задачу многокритериальной оптимизац ии следящ их автономных объектов с позиц ии единого точностного критерия. В данной работе представлены убедительные доказательства того, что для объектов, работающ их в тяж елых условиях э ксплуатац ии, могут быть успешно применены частотные методы синтеза не только на э тапе разработки системы управления, но и при выборе параметров и э лементов силовой части. Минимум затрат на активные материалы комплекса “Преобразователь – двигатель” учитывался введением критерия оптимизац ии q=Q/ МН, где Q – масса активных материалов в э лементах э лектропривода, МН – номинальный э лектромагнитный момент э лектрической машины. При э том оптимизировалась форма треугольника, образованного векторами МДС в обобщ ённой э лектрической машине с учётом удельных затрат на каж дое слагаемое. Результаты оптимизац ии, выполненной для ряда конкретных э лектроприводов с различными источниками питания, показали, что ж елаемая форма моментного треугольника, образованного векторами МДС, зависит от удельных затрат на активные материалы как в самих э лектрических машинах, так и в источниках питания ц епей статора (якоря) и возбуж дения.

Другая группа механизмов, в которых такж е актуальны задачи обеспечения предельных характеристик, – тяговые механизмы. Наибольшие слож ности при проектировании э тих объектов связаны с обеспечением широкого диапазон регулирования по моменту. Традиц ионные подходы к проектированию не позволяют обеспечить современных требуемых показателей по габаритам, перегрузочной способности, диапазонам регулирования скорости и момента. На сегодняшний день сущ ествует ряд примеров реализац ии э лектроприводов с пассивной конструкц ией ротора для тяговых э лектроприводов с единичной установленной мощ ностью до 250 кВт и выше [59]. При проектировании авторами был применен надеж ный бесконтактный э лектропривод. В качестве критериев оптимизац ии был принят максимальный момент при минимуме пульсац ий э лектромагнитного момента. Как показали результаты проектирования, в э том э лектроприводе достигаются улучшенные удельные показатели на (20–30) % по сравнению с асинхронным э лектроприводом и обеспечиваются сущ ественные перегрузки по моменту (больше 3 МН).

Анализ технической литературы показал, что мож но выделить два основных направления, реализующ их принц ипиально разные подходы к оптимальному проектированию: первый – направлен на поиск оптимальных решений для э лектроприводов, запитываемых от промышленной сети;

второй – комплексный, учитывающ ий особенности совместной работы полупроводникового преобразователя и двигателя, при э том число фаз обмотки статора мож ет быть увеличено, и каж дая из э тих обмоток мож ет питаться несинусоидальным током, как э то решается в вентильно http://susu.antiplagiat.ru/ReportPage.aspx?docId=427.4647249&repNumb=1&type=3&page=0 39/ 7.2.2014 Антиплагиат преобразователя и двигателя, при э том число фаз обмотки статора мож ет быть увеличено, и каж дая из э тих обмоток мож ет питаться несинусоидальным током, как э то решается в вентильно индукторных э лектроприводах [15, 16, 51, 52].

И первый и второй путь имеют право на сущ ествование. Например, применяя принц ипы многообъектной оптимизац ии [111] для э нергоэ ффективных нерегулируемых э лектроприводов, удалось обеспечить окупаемость повышенных затрат на э лектрическую машину за 2 года. Второй путь, учитывающ ий совместную работу комплекса “Электрический преобразователь – двигатель” как единого ц елого, на сегодняшний день уж е не считается особенным и принимается обязательным к исполнению.

Однако, рассмотренные самостоятельные подходы обладают сущ ественным недостатком – они не могут совместно учесть детализированное описание э лектромеханического и полупроводникового преобразователей. В первом случае расчет э лектромеханической системы мож ет выполняться методом конечных э лементов, но при э том учитывать работу источника питания нет необходимости. Во втором случае оптимизац ию комплекса, как правило, выполняют для объектов, описываемых звеньями с сосредоточенными параметрами. Указанные подходы вполне допустимы при оптимальном проектировании традиц ионных систем для традиц ионных э лектромеханических преобразователей (имеющ их обычную конфигурац ию магнитной системы) с синусоидальным возбуж дением. Этот подход, как показали расчеты в гл. 2, дает сущ ественные погрешности в зоне перегрузок и при описании систем с особой конфигурац ией магнитной системы.

Указанная проблема преодолевается переходом к многоэ тапной оптимизац ионной проц едуре. Ниж е будет дан алгоритм и детализированно будут рассмотрены э тапы и некоторые результаты оптимизац ии. Обобщ енный алгоритм был разработан в соавторстве с научным коллективом в [94], при э том автору принадлеж ит постановка проблемы и задачи оптимизац ии.

Постановка задачи оптимизац ии э лектротехнического комплекса требует определения и обоснования критериев оптимизац ии, параметров оптимизац ии, ограничений и функц иональных связей.

Задача многокритериальной оптимизац ии в общ ем случае мож ет быть сформулирована в виде обобщ енной ц елевой функц ии Q=minXXдопq1X,q2X,q3(X). (4.1) Здесь q1, q2, q3 – критерии оптимизац ии, являющ иеся функц иями вектора решений ХХдоп и X=(FB,FA, F,DрDс,f,р);

FB,FA, F – МДС потокосц епления возбуж дения, потокосц епления “якоря” и результирующ его вектора соответственно;

DрDс – отношение диаметра ротора к внешнему диаметру статора;

f количество фаз силовых ц епей полупроводникового преобразователя – (двигателя);

р – полюсное деление ротора. В общ ем случае вектор Х и количество критериев q указанным набором не исчерпывается и мож ет дополняться другими переменными в зависимости от решаемых задач, например, вектор решений мож ет быть представлен параметрами корректирующ их устройств системы управления. Выбор типа и критериев оптимизац ии в общ ем случае выполняется из следующ их соображ ений. С одной стороны, регулируемый э лектропривод имеет в своем составе большой набор э лементов и узлов, поэ тому спец иалисту-проектировщ ику выгодно увеличить набор критериев до предельного значения, равного количеству э лементов. С другой стороны, каж дый из критериев конфликтует меж ду собой, поэ тому увеличение ц елевых функц ий значительно услож няет задачу. В ряде источников [67] считается, что разумным оптимумом является 2–3 ц елевые функц ии. Если предполагается, что функц ия Q является непрерывной, то в первом случае обобщ енный критерий Q является функц ией двух переменных q1, q2, которые вместе образуют геометрическое место точек на плоскости, во втором случае аргументы q1, q2, q образуют в пространстве поверхность.



Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.