Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ вентильно-индукторных машин большой мощности и перспектива их развития 15
1.1. Обзор вентильно-индукторных машин большой мощности, зарубежный и отечественный опыт 15
1.1.1. Общая структура, принцип работы и достоинства вентильно-индукторных двигателей 15
1.1.2. Сравнение безотказности ВИМ с безотказностью других типов электрических машин 18
1.1.3. Состояние разработок ВИМ БМ за рубежом
1.2 Основные параметры конструкции и способы управления ВИМ 26
1.3 Анализ способов управления вентильно-индукторной машиной 32
Вывод по главе 1 39
ГЛАВА 2. Разработка методики расчета, моделирования и проектирования вим БМ 40
2.1. Общие принципы и средства проектирования электрических машин, особенности реализации ВИМ БМ 40
2.2. Методика определения главных размеров вентильных индукторных машин большой мощности двухпакетной конструкции 65
2.3. Методика моделирования вентильно-индукторных двигателей с помощью программ Elcut и MatlabSimulink 69
2.4. Исследование электромеханического комплекса: вентильно-индукторный двигатель - центробежный насос 79
Вывод по главе 2 97
ГЛАВА 3. Реализация вентильной индукторной машины большой мощности 99
3.1. Определение главных размеров и электромагнитных параметров ВИД-750 расчетным путем 99
3.2. Компьютерное моделирование ВИД-750 105
3.3. Исследование законов управления ВИД-750 115
3.4. Конструкционная реализация ВИД-750 119
3.5. Варианты реализации силового электрического преобразователя и схемотехника ВИП-750 123
Вывод по главе 3 139
ГЛАВА 4. Испытания вим бм двухпакетного исполнения и анализ результатов 141
4.1. Методика испытаний вентильно-индукторного двигателя большой мощности 141
4.2. Анализ рабочих режимов ВИД-750 146
4.3. Методика обработки экспериментальных осциллограмм для оценки энергетических показателей ВИД-750 159
4.4. Методика расчета энергетических показателей ВИД-750 при одноимпульсном режиме двигатгенератора 167
4.5. Эксперимеля- ентальное определение тепловых режимов ВИД-750 171
Выводы по главе 4 181
Заключение 182
Список литературы 1
- Сравнение безотказности ВИМ с безотказностью других типов электрических машин
- Методика определения главных размеров вентильных индукторных машин большой мощности двухпакетной конструкции
- Исследование законов управления ВИД-750
- Методика обработки экспериментальных осциллограмм для оценки энергетических показателей ВИД-750
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Возрастающие технологические требования к качеству производственных процессов, необходимость внедрения высоких технологий обусловливают устойчивую тенденцию внедрения в различные отрасли промышленного производства регулируемых электроприводов. В связи с возрастанием цен на энергоносители и ограниченными возможностями увеличения мощности энергогене-рирующих установок энергосбережение стало одним из приоритетных направлений технической политики в Российской Федерации и Социалистической Республике Вьетнам (СРВ). Так как электроприводы потребляют до 70 % вырабатываемой электроэнергии, наиболее существенная экономия электроэнергии может быть достигнута при использовании регулируемых электроприводов для управления технологическими процессами, что в сочетании с возможностями автоматизации может обеспечить оптимальное использование электроэнергии и других ресурсов.
Среди регулируемых электроприводов постоянно расширяется применение вентильно-индукторных электроприводов (ВИП) малой и средней мощности в различных электротехнических комплексах и системах общепромышленного применения и специального назначения. Это объясняется хорошими удельными показателями вентильно-индукторных машин (ВИМ), недорогой технологией их производства, конструктивной простотой и надежностью. Преимущества ВИП перед другими типами регулируемых электроприводов подтверждены длительной эксплуатацией в условиях жестких климатических и механических воздействий.
В последнее пятилетие вентильно-индукторные электроприводы большой мощности (ВИП БМ) активно развиваются в Российской Федерации, и можно говорить о формировании нового класса вентильных электроприводов, конкурентоспособных с традиционными регулируемыми электроприводами. Идет процесс перехода от проектирования единичных изделий к разработке промышленного ряда вентильных индукторных машин. На кафедре «Электромеханика и электрические аппараты» ЮРГПУ (НПИ), ЗАО «ИРИС», МИП «Мехатроника» ЮРГПУ (НПИ), ООО НПП «Эметрон», ООО «ВИЭМ», МЭИ, НПП «ЦИКЛ+», НПО «Вектор» разработаны реальные коммерческие проекты с применением вентильных индукторных машин большой мощности.
Существенный вклад в развитие ВИП БМ внесли: д.т.н., профессор Бычков М.Г.; к.т.н., профессор Коломейцев Л.Ф.; д.т.н., профессор Птах Г.К.; д.т.н., профессор Пахомин С.А.; д.т.н., профессор Петрушин А.Д.; д.т.н., профессор Остриров В.Н.; д.т.н. профессор Козаченко В.Ф. и др.
Однако, теоретические и практические исследования ВИП большой мощности носят эпизодический, разрозненный характер. Недостаточно разработана методика сравнения многочисленных возможных вариантов конфигурации магнитной системы и выбора главных размеров активной части ВИМ БМ. При проектировании, как правило, разработчики анализируют одну конструкцию, оптимизации подвергаются только отдельные узлы и детали, например, статор или ротор, а не их взаимосвязь, как между собой, так и с элементами многофазного силового электрического преобразователя. Результаты этих исследований достаточно сложно использовать при проектировании другой конструкции.
Для регулируемых электроприводов большой мощности особое значение приобретает организация их экспериментальных исследований, реализация испытательных стендов, в частности, нагрузочных устройств, поскольку это связано с большими фи-
нансовыми затратами. Применение двухпакетной конструкции ВИМ и реализация режима их взаимного нагружения решают эту проблему.
Таким образом, в настоящее время актуальна задача создания методик проектирования и испытаний ВИМ БМ на базе теории подобия электромеханических преобразователей энергии, известных результатов теоретических и практических исследований ВИП меньшей мощности. Основным инструментом исследований может быть комплекс современных компьютерных средств моделирования.
Объект исследований: электропривод большой мощности ВИП-750 для грунтовых насосов ГРАТ 1800/67. В качестве макетных образцов используются ВИП 3,0 … 5,5 кВт для центробежных насосов (ЦН) ЦН-319, ЦН-320.
Предмет исследования: компьютерная модель ВИП БМ на базе программных комплексов Elcut и Matlab/Simulink, ВИП-750 в режиме взаимного нагружения двух пакетов (двигатель-генератор) и при работе на реальном объекте.
Цель работы - Разработка методик проектирования и испытаний ВИП БМ c двигателем двухпакетной конструкции на основе расчетных и экспериментальных исследований, направленных на энергосбережение и повышение их эксплуатационных показателей.
Для достижения цели в диссертации поставлены и решены следующие задачи:
-
Разработана методика моделирования вентильно-индукторных электроприводов с разным количеством фаз и разными конфигурациями статора/ротора в программных комплексах Elcut и Matlab/Simulink.
-
Исследование электромеханического комплекса вентильно-индукторный двигатель - центробежный насос на компьютерной модели ВИП-ЦН, которая базируется на совместном рассмотрении механических, гидравлических и электрических подсистем.
-
Проверка адекватности модели ВИП-ЦН и оценка энергосбережения при регулировании производительности насоса изменением частоты по результатам экспериментальных исследований лабораторной установки.
-
Проведен анализ различных исполнений и конструкций ВИМ БМ. Обоснованы преимущества двухпакетной конфигурации магнитной системы 18/12 с питанием фаз от несимметричных мостовых схем.
-
Исследование математической модели системы вентильно-индукторный двигатель - вентильно-индукторный генератор (ВИД-ВИГ) при испытании ВИП БМ способом взаимного нагружения. Получение зависимостей основных показателей ВИД-750 от угла включения импульса при различной длительности импульса во всем диапазоне регулирования частоты вращения от 75 до 750 об/мин.
-
Обоснование и разработка комплексной методики экспериментальных исследований ВИП БМ. Экспериментальное определение энергетических показателей и оценка качества управления ВИД-750 при различных значениях частоты вращения и нагрузки.
-
Экспериментальное исследование тепловых режимов ВИД-750 как при взаимном нагружении пакетов, так и при работе на нагрузочную машину.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Предложена методика определения коэффициентов электромагнитного подобия для вентильно-индукторных машин двухпакетной конструкции на основе расчетных и экспериментальных данных реализованных образцов «ВИП-ЦН» малой
мощности путем совмещения работы в двигательном и генераторном режимах, отличающаяся введением полученных расчетного соотношения для электромагнитного момента через главные размеры активной части и выражения для максимального значения ЭДС в одноимпульсном режиме работы, обеспечивающая качество проектирования и функционирования ВИМ БМ двухпакетной конструкции в составе пульпового насоса ГРАТ-1800/67 (Пункты 2 и 3 паспорта специальности 05.09.03);
-
Предложен комплекс компьютерных моделей для проверки и уточнения результатов предварительных конструкторских расчтов двухпакетных ВИД, отличающийся реализацией в моделях ВИП системы одноимпульсного управления и внесением в модели системы двигатель-генератор коэффициента электромагнитного подобия, позволяющий определить необходимые управляющие воздействия для формирования требуемых механических характеристик в режиме двигатель - генератор и в рабочем режиме, имитирующий электротехнический комплекс «ВИП БМ-пульпового насоса ГРАТ 1800/67» (Пункт 1 паспорта специальности 05.09.03);
-
Предложена методика построения компьютерной модели электротехнического комплекса «регулируемый электропривод - центробежный насос», отличающейся возможностью выделения при исследовании взаимодействующих механических, гидравлических и электрических подсистем (Пункт 1 паспорта специальности 05.09.03);
-
В результате математического моделирования и экспериментальных исследований различных режимов способом взаимного нагружения двух пакетов получены законы управления системой двигатель-генератор, реализующие заданные механические характеристики и законы управления ВИД-750 для пульпового насоса ГРАТ 1800/67 в рабочем режиме (Пункт 4 паспорта специальности 05.09.03);
-
Разработана комплексная методика пусконаладочных работ и приемосдаточных испытаний двухпакетного ВИД большой мощности, отличающаяся тем, что испытания выполняются с учетом введенного в алгоритм управления коэффициента электромагнитного подобия способом взаимного нагружения двух частей электрической машины, обеспечивающая проверку работоспособности, функционирования электротехнического комплекса ВИП-пульпового насоса ГРАТ 1800/67 во всем диапазоне регулирования скорости и нагрузки, получение требуемых механических характеристик, экспериментальное определение параметров ВИП, оценку энергетических и тепловых показателей рабочих режимов (Пункт 4 паспорта специальности 05.09.03).
Практическая ценность работы и ее реализация.
-
Основным практическим результатом проведнных исследований является разработка программного комплекса для проектирования ВИП БМ, который показал свою эффективность при реализации проекта ВИП-750 для грунтовых насосов ГРАТ 1800/67.
-
Результаты проведенных экспериментальных исследований ВИП-750 подтверждают его соответствие требуемым техническим характеристикам.
-
Вентильно-индукторный привод ВИП-750 для грунтовых насосов ГРАТ 1800/67 успешно внедрен на фабрике № 12 Удачнинского ГОКа АК «Алроса» (ПАО) в электротехнический комплекс по извлечению алмазов из руды.
4. Электротехнический комплекс «ЦН-320 с ВИП-3 кВт» внедрен в учебный процесс кафедры «Электроснабжение и электропривод» ЮРГПУ (НПИ).
Методология и методы исследований.
Исследования базируются на теории электропривода, теории автоматического управления, теории электрических машин, теории подобия, теоретической электротехнике, теории цифровой обработки сигналов, методах математического моделирования.
Положения, выносимые на защиту.
-
Методика определения коэффициентов электромагнитного подобия для вентильно-индукторных машин двухпакетной конструкции на основе расчетных и экспериментальных данных реализованных образцов «ВИП-ЦН» малой мощности путем совмещения работы в двигательном и генераторном режимах, отличающаяся введением полученных расчетного соотношения для электромагнитного момента через главные размеры активной части и выражения для максимального значения ЭДС в одноим-пульсном режиме работы, обеспечивающая качество проектирования и функционирования ВИМ БМ двухпакетной конструкции в составе пульпового насоса ГРАТ-1800/67
-
Результаты исследования электромеханического комплекса ВИД - центробежный насос на компьютерной модели и проверки е адекватности на лабораторной установке с альтернативным электронасосным агрегатом ЦН-319А.
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований системы ВИД-ВИГ, реализующие заданные механические характеристики в режиме взаимного нагружения и законы управления ВИД-750 в рабочем режиме.
-
Комплексная методика экспериментальных исследований ВИП БМ двухпакет-ной конструкции, обеспечивающая определение энергетических показателей и оценку качества управления ВИД-750 при различных значениях частоты вращения и нагрузки.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомен-дациий подтверждена корректным использованием методов компьютерного моделирования и экспериментальных исследований, сходимостью полученных теоретических результатов с данными испытаний промышленных образцов.
Внедрение результатов работы.
-
Вентильно-индукторный электропривод ВИП-750 для грунтовых насосов ГРАТ 1800/67 успешно внедрен на фабрике № 12 Удачнинского ГОКа АК «Алроса» (ПАО) в электротехнический комплекс по извлечению алмазов из руды.
-
Методики и результаты исследований внедрены в учебный процесс кафедры «Электроснабжение и электропривод» ЮРГПУ (НПИ) при обучении магистров по направлению «Электроэнергетика и электротехника».
-
Практическая полезность работы отражается в эффективном использовании разработанных программных средств в конкретных коммерческих проектах, во внедрении их в инженерную практику в ЗАО «ИРИС» и ООО «МИП «Мехатроника» ЮРГТУ (НПИ)».
Апробация. Основные результаты диссертационной работы обсуждены и одобрены на: научно-технической конференции «Энергетика и энергосберегающие технологии» (г. Новочеркасск: ЮРГПУ (НПИ), 2014 г.); VIII Международной (XIX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2014, г. Саранск; XXXVIII сессия семинара «Кибернетика энергетических систем» (г. Новочеркасск: ЮРГПУ (НПИ), 2016 г.)
Соответствие паспорту специальности. Диссертационная работа соответствует п.3 «Разработка, структурный и параметрический синтез электротехнических комплексов и систем, их оптимизация, а также разработка алгоритмов эффективного управления» паспорта специальности 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы».
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 19 печатных работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук, одна монография.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 197 страницах, включая 12 таблиц и 111 иллюстраций. Список использованной литературы включает 106 наименований. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения и 5 приложений.
Сравнение безотказности ВИМ с безотказностью других типов электрических машин
Достоинства вентильно-индукторных двигателей Из преимуществ ВИД, с технической и экономической стороны, по сравнению с синхронным и асинхронным двигателями можно отметить следующие: - важнейшим, с точки зрения энергосбережения, преимуществом ВИД является сохранение высокого значения КПД двигателя, близкого к номинальному (для крупных машин 96-98 %), в часто встречающихся режимах работы с неполной нагрузкой на валу [8]; - меньшие пульсации электромагнитного момента [6,7]; - точность управления моментом, возможность регулирования частоты вращения в широком диапазоне, более качественный плавный пуск (увеличение срока службы обмоток двигателя, передаточных деталей и прочих элементов насоса и двигателя) [9] - простота конструкции магнитопроводов статора и ротора и катушечных обмоток двигателя, не имеющих пересекающихся лобовых частей, обеспечивает высокую технологичность при изготовлении, повышенные надежность и низкое количество отказов, долговечность и ремонтопригодность (снижение затрат на текущий ремонт и обслуживание); - ротор не имеет обмоток, потери в стали ротора незначительны, поэтому от него не требуется отвода тепла; - повышенная живучесть ВИД обеспечивается за счет магнитной независимости фазных обмоток в двигателе и электрической независимости фазных блоков в преобразователе частоты, поэтому повреждение какой-либо одной или нескольких фаз не приводит к полной потере работоспособности привода, снижается только его мощность; - каждая секция может рассматриваться как независимая обмотка; - секционирование статорной обмотки двигателя позволяет ограничить установленную мощность инвертора секции значением, реализуемым при использовании стандартной элементной базы без необходимости перехода к высоковольтной технике, что открывает перспективу создания вентильно-индукторных приводов на мощности до нескольких мегаватт; при стандартных уровнях напряжения до 1000 В [7]; - секционирование статорной обмотки двигателя существенно повышает надежность электропривода, так как при выходе из строя одного силового канала остальные остаются в рабочем состоянии [10].
Электрические машины, от момента зарождения в виде идеи или какого-либо проекта до непосредственного выполнения определенных функций, проходят длительный путь: проектирование, изготовление, эксплуатацию, ремонт, модернизацию, повторное использование. На основных этапах этого пути техническому изделию соответствуют различные виды оценки его надежности: конструктивная надежность, т.е. надежность, которая заложена в изделие при проектировании; технологическая надежность, характеризующая изделие сразу после его изготовления на заводе; эксплуатационная надежность, отражающая поведение машины или аппарата в процессе эксплуатации.
Асинхронные двигатели - наиболее распространенный тип электрических машин. В статистических исследованиях выделяют два слабых с точки зрения надежности узла асинхронных короткозамкнутых двигателей: обмотку статора и подшипниковый узел.
В большинстве случаев (85 - 95 %) отказы асинхронных двигателей мощностью свыше 5 кВт происходят из-за повреждения обмоток и распределяются следующим образом: межвитковые замыкания - 93 %, пробой межфазной изоляции - 5 %, пробой пазовой изоляции - 2 %. На подшипниковый узел приходится 5-8 % отказов, и небольшой процент связан с такими при 19 чинами, как распайка выводных концов, скручивание валов, разрыв стержней ротора и др….[11].
Причины отказов можно дифференцировать следующим образом: технологические составляют примерно 35 %, эксплуатационные (в основном из-за неудовлетворительной защиты электродвигателей) - 50 % и конструкционные - 15 %.
Приведенные выше данные об отказах были получены, в основном, в результате исследований отказов асинхронных двигателей общепромышленного применения.
Источником информации для получения показателей надежности синхронных машин большой мощности являются данные эксплуатации, так как организация испытаний таких машин на надежность не представляется возможной.
Особенностью условий работы синхронных машин большой мощности является высокое качество обслуживания. Вместе с тем в процессе эксплуатации обычно происходит доводка, усовершенствование, модернизация двигателей и вспомогательного оборудования, что позволяет повысить надежность синхронных машин. Другой особенностью условий эксплуатации синхронных машин являются периодические капитальные и планово-предупредительные ремонты и испытания, в процессе которых обнаруживаются различные повреждения. Своевременное устранение таких неисправностей повышает надежность машин, так как уменьшает вероятность аварийных отказов.
Статистические данные свидетельствуют о том, что одной из основных причин отказов синхронных машин являются заводские дефекты. В течение первого периода работы (5 - 10 тыс. ч) имеет место приработка, когда заменяются и ремонтируются детали, обладающие заводскими дефектами. Затем наступает период нормальной эксплуатации, продолжительность которого в обычных условиях составляет 15 - 20 лет. В конце этого периода начинается постепенное учащение отказов, связанное с износом и старением изоляционных и других материалов и элементов конструкции [11].
Отличительной особенностью электропривода на основе индукторного двигателя (ИД) является возможность существенного повышения эксплуатационной надежности электропривода (как двигателя, так и преобразователя) [12]. При этом условия обеспечения высокой надежности ИД очевидны: отсутствие вращающихся обмоток, предельно простая конструкция статорной обмотки с сосредоточенными катушками. Высокая же надежность «полумостового» инвертора ветильно-индукторного электропривода предопределена тем, что в нем каждый фазовый модуль, состоящий из двух транзисторных ключей и двух диодов, питает одну фазу двигателя, независимо от других фазовых модулей, при этом любое состояние ключей (открыто два ключа, один или оба закрыты) является штатным рабочим режимом, означающим подачу на фазную обмотку соответственно положительного импульса напряжения, отсутствие напряжения (обмотка закорочена) или подачу отрицательного импульса. Это выгодно отличает такой инвертор от инвертора напряжения АД, формирующего не фазное, а линейное напряжение, для чего требуется согласованная работа всех трех фазовых модулей, а несвоевременное открытие одного ключа модуля при еще незакрытом другом ключе означает режим короткого замыкания, как для внешней питающей сети и самого фазового модуля (опрокидывание инвертора), так и для АД, что вызывает в нем ударные токи и электромагнитные моменты до шестикратного значения по отношению к номинальному, воздействующие на обмотку и на механические элементы передачи вращающего момента от ротора двигателя к агрегату. Поскольку режимы «опрокидывания инвертора» в эксплуатации могут быть нередкими, это может снизить срок службы этих механических элементов и требует при их проектировании для АД соответствующих запасов прочности.
Методика определения главных размеров вентильных индукторных машин большой мощности двухпакетной конструкции
Процедура проектирования электрической машины (ЭМ) является в общем случае сложным итерационным процессом, состоящим из этапов выбора главных размеров, электромагнитного расчта, разработки конструкции, выполнения механических, тепловых и вентиляционных расчтов. При разработке серии или крупной партии электрических машин особую роль приобретают экономические расчты.
Расчет всякой электрической машины обычно сводится к решению некоторой системы уравнений со многими неизвестными, причем число неизвестных обычно бывает больше числа самих уравнений. Другими словами, расчет электрической машины представляет в общем случае неопределенную задачу со многими решениями, а из всех этих решений конструктору предоставляется возможность выбора одного, которому соответствовала бы наиболее совершенная машина, как с точки зрения ее рабочих свойств, так и с точки зрения стоимости. При этом приходится учитывать разнообразные требования: по конструктивному исполнению, по климатическому исполнению, по защите от факторов окружающей среды, по защите от поражения электрическим током, по стандартизации и унификации.
При модернизации старых и разработке новых серий традиционных электрических машин постоянного и переменного тока огромную помощь оказывают результаты реализованных ранее проектов, воплощнные в соответствующие методики проектирования, эмпирические значения коэффициентов, входящих в расчтные соотношения. В настоящее время интенсивно развиваются различные средства компьютерного проектирования, принимающие на себя не только подготовку собственно конструкторской документации, но и позволяющие проектировщику проводить оптимизационные электромагнитные расчты, моделировать динамику работы ЭМ в электроприводе.
Следует заметить, что особенности разных ЭМ проявляются главным образом, в процессе электромеханического преобразования энергии, в определнной мере - в протекании тепловых процессов, поскольку выделяемые в ЭМ тепловые потери зависят от е типа и конкретной конструкции. В остальном же ЭМ разных типов сходны друг с другом, хотя даже в пределах одного типа их внешний вид, соотношения размеров и технические характеристики могут существенно различаться. Причина в том, что их конструкция оптимизировалась для применений в конкретных областях техники.
Современные широко применяемые в промышленности и других отраслях народного хозяйства ЭМ - индуктивные. Преобразование энергии в них осуществляется в магнитном поле. В наиболее общем виде необходимые для этого электромагнитные силы /, возникающие между активными элементами конструкции неподвижной части ЭМ (статора) и подвижной (ротора), определяются через изменение энергии магнитного поля Wмаг, связанного с изменением положения ротора х [42] /= - dWмаг/x = - (і2/2) dL/х. (2.1) Соотношение (2.1) показывает, что изменение индуктивности 8L при перемещении подвижной части является необходимым условием преобразования энергии в индуктивном электромеханическом преобразователе. Реальные конструкции ЭМ содержат ферромагнитные элементы, следовательно, являются нелинейными магнитными системами. Согласно [24, 25] электромагнитные силы и вращающие моменты в нелинейных магнитных системах и ЭМ (наиболее сложных представителях этих систем) могут быть строго и однозначно определены только на основании расчта электромагнитного поля. В [43] рассмотрено три известных способа расчта электромагнитных сил (по приращению магнитной энергии при малом перемещении выделенного объма системы; по объмной или поверхностной плотности электромагнитных сил; по натяжениям) и показано, что они приводят к одинаковым результатам, совпадающим с опытом. Там же более детально и строго рассматриваются условия применения (2.1) и доказывается, что определение электромагнитных сил по изменению магнитной энергии при постоянстве магнитных потоков (без обмена электрической энергией с внешними источниками) и по изменению коэнергии при постоянстве токов в контурах также дают одинаковые результаты.
Полевые расчты с применением современных компьютерных программ, основанных на конечных разностей и конечных элементов, позволяют детально исследовать распределение электромагнитных сил во всм объме ЭМ и определять не только значение вращающего момента, но и механические напряжения и деформации, возникающие в активных частях и конструктивных элементах электрической машины. В [44] на базе фундаментальных физических законов Кирхгофа, Ньютона, электромагнитной индукции, полного тока и Гука, с использованием аппарата частных производных при анализе процессов энергопреобразования в электромеханических системах выделяется электромагнитная мощность, преобразуемая в механическую как в динамических, так и в стационарных режимах работы.
Несмотря на очевидные достоинства математических моделей ЭМ, построенных на базе теории поля, их основным недостатком при применении на начальном этапе проектирования является не столько необходимость проведения большого числа вычислений для получения многочисленных картин магнитного поля в различных положениях ротора и при различных значениях токов в фазах, сколько наличие для этого конкретных чертежей поперечного сечения магнитной системы. Альтернативным вариантом является построение математической модели ЭМ в качестве активного многополюсника на базе теории цепей. При этом предполагается, что элементы этого многополюсника как в электрической так и в магнитной схемах состоят из элементов, имеющих интегральные параметры, эквивалентные соответствующим частям реальной конструкции.
Исследование законов управления ВИД-750
В настоящее время представляет большой интерес применение вентильно-индукторных электроприводов (ВИП) в составе насосных агрегатов общекорабельных систем с целью снижения вероятности возникновения гидравлических ударов за счет плавности регулирования в широком диапазоне скорости вращения ротора двигателя. Одним из важнейших направлений создания перспективной техники для дизель-электрических подводных лодок (ДЭПЛ) нового поколения является применение ВИП, что позволит снизить электропотребление, повысить надежность и управляемость механизмов с существенно улучшенными тактико-техническими характеристиками [38, 53, 73]. Разработка ДЭПЛ с улучшенными характеристиками потребовала анализа и пересмотра состава корабельного оборудования существующих ДЭПЛ, усовершенствования электрооборудования. Методы разработки и проектирования ВИП с заданными массогабаритными и виброакустическими характеристиками являются актуальными.
На ДЭПЛ проекта «Сант-Петербург» установлен спроектированный и изготовленный ФГУП «ПКП «ИРИС» ВИП-5,5 для насосного агрегата ЦН-319 с системой охлаждения, обеспечивающий современные требования по виброакустическим характеристикам [74, 75]. Первая работа по проектированию ВИП-5,5 для подводной лодки выполнена Б.В. Никифоровым и описана в его кандидатской диссертационной работе [53]. Предварительные результаты моделирования комплекса ВИП-ЦН на базе ВИП-5,5 и двухступенчатого насоса рассмотрены А.А. Федотовой в [75]. Однако, из-за новых требований по улучшенным характеристикам, таким как КПД и ВАХ насосного агрегата ЦН-319, была необходимость найти решение для альтернативного насоса. C участием автора изготовлен ЦН-319Б с наклонными лопатками (рисунок 2.16), с гидравлическими характеристиками, аналогичными характеристикам ЦН-319 [11, 68]. Применение проточной части с двусторонним подводом жидкости и с наклонными лопатками в колесах позволило уменьшить массогаба-ритные показатели электронасоса и снизить гидравлические и меха Рисунок 2.16 - Базовый (слева) и альтернативный электронасосы нические потери [76 - 78]. Снижение потребляемой мощности сделало возможной замену двигателя мощностью 5,5 кВт на более экономичный – новый шести-фазный ВИД 4,5 кВт [72, 79, 80]. Объектом исследования в данном разделе является электромеханический комплекс, включающий DC/DC понизительно-повысительный преобразователь, вентильно-индукторный двигатель и центробежный насос. Расчетная мощность ВИД при номинальной частоте вращения 3000 об/мин составляет 4,5 кВт. В номинальном режиме расход и напор насоса составляют соответственно 40 м3/час и 23,3 м. В дальнейшем проведем исследование взаимосвязи между элементами и характеристиками всего комплекса с целью увеличения его КПД и улучшения виброакустических характеристик. в понижающем и в повышающем режиме для обеспечения требуемого напряжения в инверторе при большом изменении входного напряжения от 160 до 600 В. Общая функциональная схема электротехнических комплексов ВИП-ЦН показана на рисунке 2.17. Микроконтроллер определяет частоту вращения ВИД через обратную связь от датчика положения ротора (ДПР) и управляет ШИМ в DC-DC преобразователе для ее регулирования.
Интенсивное развитие силовых управляемых полупроводниковых приборов, интегральных схем, цифровых информационных технологий, схем микропроцессорного управления, компьютерных технологий, базирующихся на современных прикладных пакетах создает условия для совершенствования электропривода, в том числе наиболее перспективных вентильноиндукторных приводов (ВИП). В настоящее время имеется обширная литература по теории электропривода, центробежным насосам, а также по прикладным пакетам. Однако в технической литературе недостаточно освещены теоретические и практические вопросы по исследованиям комплекса ВИП-ЦН, которые давали бы знание и понимание физики работы отдельных звеньев системы, их взаимосвязь и взаимозависимость. ВИП имеет много преимуществ по сравнению с другими регулируемыми электроприводами, но именно его достоинства в составе насосного агрегата недостаточно выявлены, и вопрос по расширению применения ВИП для электронасосных агрегатов еще является открытым.
Автором предлагается методика моделирования комплекса ВИП-ЦН и выбор управляющих параметров ВИП, направленных на улучшение энергетических, виброшумовых показателей комплекса путем исследование режимов работы и оценки эффективности работы всего комплекса [10, 77-80]. Для достижения поставленной цели, задачей является разработка математической модели комплекса ВИП-ЦН, включающего индукторный двигатель, DC/DC понизительно-повысительный преобразователь и центробежный насос. Математическая модель должна базироваться на совместном рассмотрении механических, гидравлических и электрических подсистем, из которых состоит комплекс в целом. Математическая модель комплекса ВИП-ЦН должна позволять моделировать различные режимы работы и находить оптимальный угол коммутации, при котором можно получить максимальный средний момент и минимальную пульсацию момента двигателя.
Методика обработки экспериментальных осциллограмм для оценки энергетических показателей ВИД-750
Рассмотрим достоинства и недостатки данного схемотехнического решения. Достоинства: -снижение массогабаритных показателей блока управления (примерно в 2 раза); -снижение стоимости блока управления; -уменьшение числа соединительных проводов (для 6-фазного двигателя в 4 раза); -уменьшение числа ключей (для 6-фазного двигателя в 2 раза). Недостатки: -снижение надежности: из-за возможности протекания в инверторе сквозных токов; из-за диодов, находящихся в двигателе; -необходимость применения многопакетного двигателя, имеющего большие массогабаритные показатели, чем однопакетный; -жесткость закона управления. Например, для 6-фазного двигателя: ширина импульса в предельном режиме только 120 эл. град., а оконечной паузы – 60 эл. град. Как следствие – более низкий КПД по сравнению с индивидуальным питанием фаз, особенно при вентиляторной нагрузке и работе на низких частотах вращения, увеличение пульсаций момента; -сложность организации токового коридора при пуске двигателя из-за взаимосвязи фаз; -снижение ремонтопригодности из-за трудности замены диодов в двигателе; -сложность или невозможность бездатчикового управления двигателем. Полученные расчетным путем результаты и проведенный анализ позволяют сделать следующие выводы.
Вариант с двумя пакетами имеет больше всех преимуществ. Есть возможность испытания двигателя самого на себя, не требуется нагрузочное устройство, что дает экономию энергии при испытаниях. Емкость в блоке управления существенно меньше, пульсации момента и шум меньше. На этой основе была принята двухпакетная конструкция ВИД-750 с классическими полумостовыми инверторами.
Экономическая целесообразность применения ВИМ БМ с диодной развязкой позволяет рекомендовать применение для случаев, когда регулирование осуществляется в небольшом диапазоне или для случаев нерегулируемых электроприводов, а также в тех случаях, когда по массогабаритным требованиям к блоку управления использование полумостовой схемы невозможно.
В варианте №4 - ВИП-750 с сочетанием зубцов статора/ротора 24/16, конструкция двигателя и блок управления этого варианта повторяют вариант № 2. Два пакета статора полностью идентичны и одинаково расположены. Последовательное чередование катушек фаз обеспечивается соответствующим соединением их выводов – каждая фаза содержит 8 катушек, равномерно распределенных по окружности. Сдвиг между соседними полюсами (зубцами) разных фаз составляет 360/24 = 15(механических). Требуемое направление токов может быть получено при последовательном соединении всех 8 катушек фазы. Результаты расчетов показывают, что это вариант не оптимальный, так как все энергетические, виброшумовые характеристики уступают варианту двухпакетного шестифазного ВИП с конфигурацией 18/12.
Способ реализации преобразователя ВИД-750 с диодной развязкой
Конструктивно система управления ИД-750 кВт состоит из трех силовых стоек и центрального блока системы управления. В двигателе установлены оптические датчики положения ротора и датчики температуры подшипников. Система управления ИД-750 кВт выполнена на стойках, которые соединены между собой (рисунок 3.23), образуя единую конструкцию. Подвод силовых кабелей, сигнальных проводов и рукавов для охлаждения стоек осуществляется в верхней и задней частях блока управления.
Стойки системы управления ИД-750 кВт На рисунке 3.24 представлена структурная схема системы управления ИД-750 кВт с диодной развязкой. Система управления состоит из следующих элементов: 1 – центральный блок системы управления; 2 – блок тормозных резисторов; 3, 4, 5 – силовые блоки преобразования и управления; 6 – электродвигатель индукторного типа мощностью 750 кВт; 7 – датчик положения ротора. Данная структурная схема силовой части была разработана для питания и управления индукторным двигателем мощностью 750 кВт. Система получает питание от источника постоянного тока напряжением 1000 В. Для данной системы управления 6–фазным индукторным двигателем мощностью 750 кВт требуется, как минимум, три блока СБПУ, каждый из которых осуществляет управление двумя фазами двигателя.
Центральный блок системы управления осуществляет контроль за работой подчиненных ему блоков СБПУ: выдает команды на пуск или остановку, по текущему состоянию датчика положения ротора и сигналам задания производит расчет необходимых параметров для управления двигателем, с выдачей этих параметров для исполнения блокам СБПУ. Центральный блок системы управления производит также опрос блоков
СБПУ, в случае отсутствия ответа от какого-либо из блоков центральный блок выдает сигнал аварии. Обмен информацией с блоками СБПУ осуществляется по помехозащищенному CAN – интерфейсу. Сигналы о текущем положении ротора двигателя подаются на центральный блок системы управления и на каждый блок СБПУ через волоконно-оптический кабель в целях уменьшения уровня помех в цепях управления. Силовой блок в своем составе содержит два независимых силовых канала, каждый из которых может управлять одной фазной обмоткой двигателя. При проектировании систем большой мощности очень важным является обеспечение как межсистемной, так и внутрисистемной электромагнитной совместимости между отдельными узлами и модулями, а так же применение надежной системы охлаждения.