Введение к работе
Актуальность темы. Автоматизированный электропривод (ЭП), являясь необходимым элементом многих машин и механизмов, непосредственно определяет их технические и энергетические показатели. Одной из областей применения ЭП являются механизмы с автономным источником питания, которые включают в себя автономные роботы, автоматы для сваривания и склеивания, автономные измерительно-контрольные приборы, мобильные установки, транспортные системы, шахтное и судовое оборудование и так далее. Анализ требований, предъявляемых к приводам таких устройств, показывает, что важнейшими из них являются повышенные энергетические характеристики, надежность, а также высокое качество формирования статических и динамических процессов, что наиболее важно для следящих систем.
На основании сравнительного технико-экономического анализа электромеханических систем можно сделать вывод о том, что одним из перспективных направлений является разработка ЭП переменного тока, выполненного на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (АД) при его питании от преобразователя частоты (ПЧ) с транзисторным автономным инвертором (АИ). Обладая высокими массогабаритными, динамическими показателями и надежностью, АД наиболее полно удовлетворяет специфическим требованиям автономных систем. Создание высококачественного асинхронного ЭП продолжает оставаться актуальной научно-технической проблемой. В первую очередь, это связано со сложностью АД как объекта управления, что определяет дальнейший поиск эффективных способов и алгоритмов управления им. Специфика автономных систем вносит в данную проблему дополнительные аспекты. Использование низковольтного силового источника, достаточно широко применяемого для питания автономных ЭП, выдвигает задачи увеличения пропускной способности по току силового преобразователя и компенсации появляющейся существенной несимметрии в системе фазных напряжений. Повышенные требования к энергетическим и массогабаритным показателям ужесточают требования комплексного подхода к решению вопроса улучшения электромагнитной совместимости ЭП с силовым источником питания с учетом утилизации энергии в тормозных режимах. При этом указанные задачи должны решаться в сочетании с необходимостью повышения надежности электромеханической системы в целом.
Анализ литературы показывает, что проектировщики и исследователи уделяют большое внимание разработке многофазного регулируемого асинхронного ЭП. Это связано с тем, что увеличение числа фаз АД приводит к улучшению целого ряда характеристик ЭП. Известно, что число фаз АД является конструктивно-консервативным параметром системы. Однако необходимость применения специального многофазного АД оправдывается качественными и конструктивно-техническими требованиями, предъявляемыми к системам в целом. Исследования, проведенные отечественными и зарубежными специалистами, позволяют констатировать целый ряд преимуществ асинхронного ЭП с увеличенным числом фаз статорной обмотки исполнительного АД по сравнению с 3-фазным. Это позволяет считать перспективным подход к решению задачи построения автономного ЭП на базе многофазного АД.
Цель диссертации - разработка комплекса вопросов по созданию ЭП переменного тока с улучшенными регулировочными характеристиками для автономных систем на основе многофазных АД с короткозамкнутым ротором.
Для достижения этой цели решались следующие задачи:
1.Обоснование перспективности построения ЭП для автономных систем на базе многофазных АД с питанием от транзисторного ПЧ.
2. Исследование режимов работы многофазного АД при несимметрии в системе фазных напряжений, связанной с разбросом параметров силовых коммутаторов и алгоритмом работы автономного инвертора.
3.Разработка модели для исследования работы многофазного АД при отключении отдельных фаз статорной обмотки и исследования его характеристик в указанных режимах.
4.Разработка принципа и структуры системы управления многофазным АД с учетом его специфики как объекта управления.
5. Исследование электромагнитной совместимости элементов многофазного ЭП.
6.Исследование режимов комбинированного торможения многофазного ЭП.
7.Разработка структуры ПЧ, реализующей преимущества многофазного варианта построения ЭП.
Основные методы исследований. Работа выполнена с использованием методов координатных преобразований, дифференциального исчисления, гармонического анализа, численного интегрирования на ЭВМ.
Научная новизна.
1 .Разработана математическая модель для исследования работы многофазного АД
в режимах с отключением произвольных сочетаний фаз. 2.Разработана структура системы управления ЭП с ориентацией на спектральный
вектор тока статора, защищенная патентом РФ. 3.Проведены исследования специальных комбинированных тормозных режимов
многофазного АД.
На защиту выносятся:
1 .Структура многофазного ЭП по системе ПЧ-АД с ориентацией управления на спектральный вектор тока статора.
2.Комбинированные тормозные режимы многофазного ЭП и результаты их исследования.
3. Математическая модель многофазного АД в режимах работы с неполным числом фаз статорной обмотки.
Практическая значимость работы.
Получена математическая модель многофазного АД в режимах работы с неполным числом фаз, позволяющая исследовать электромагнитные процессы в асинхронной машине при произвольных сочетаниях отключенных фаз. Выявлены особенности эксплуатации многофазного АД в этих режимах.
Сформулированы принципы построения ЭП переменного тока на основе многофазного АД, учитывающие особенности последнего как объекта управления. Разработан многофазный асинхронный ЭП переменного тока, удовлетворяющий требованиям широкого класса автономных систем.
Предложены способы и проведен анализ комбинированных тормозных режимов многофазного АД, обеспечивающих улучшение массогабаритных характеристик силовой части ЭП.
Проведены исследования регулировочных характеристик многофазного АД при несимметрии в системе фазных напряжений и анализ электромагнитной совместимости с источником питания.
Разработана структура многофазного ПЧ с блочно-модульной конструкцией, позволяющая осуществлять комбинированное торможение.
Разработан помехоподавляющий фильтр и датчик момента на вращающихся валах.
По результатам работы получено 5 актов внедрения.
Апробация работы. Основные положения работы и ее результаты докладывались на 4 Международных научно-технических конференциях "Бенардосовские чтения" (Иваново, 1989,1992,1995,1997 гг.), научно-технической конференции " Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири" (Иркутск, 1994 г.), II Международной конференции по электромеханике и электротехнологии (Москва, 1996 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 11 работ, получен патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Содержит 149 страниц основного машинописного текста, 7 приложений на 30 страницах, 115 рисунков и таблиц на 80 страницах и перечень использованной литературы из 165 наименований.
