Алгоритмические методы снижения шумов и вибраций в частотно-регулируемом асинхронном электроприводе

• Автор: Доброскок, Никита Александрович
• Шифр специальности: 05.09.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 162 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Оглавление
Введение
Глава 1. Анализ проблемы проектирования малошумного асинхронного электропривода
1.1 Источники шумов и вибраций асинхронного электропривода
1.2 Методы уменьшения уровней электромагнитных шумов и вибраций асинхронного двигателя
1.2.1 Метод коррекции спектра вибровозмущающих сил посредством управления спектром напряжения статора
1.2.2 Метод исключения гармоник вибровозмущающих сил путем преднамеренного введения высокочастотных гармоник в ток статора
1.2.3 Метод избирательного исключения гармоник из спектра вибровозмущающнх сил
1.3 Выводы по первой главе
Г лава 2. Математическое моделирование магнитных вибраций асинхронного двигателя
2.1 Анализ радиальной магнитной вибровозмущающей силы при синусоидальном напряжении питания и односторонней зубчатости
2.2 Анализ радиальной магнитной вибровозмущающей силы при несинусоидальном напряжении питания и односторонней зубчатости
2.3 Исследование вибраций статора асинхронного двигателя
2.4 Исследование частот собственных колебаний статора асинхронного двигателя
2.5 Выводы по второй главе
Глава 3. Минимизация влияния несинусоидальности напряжения питания асинхронного двигателя на расширение спектра вибровозмущающих сил
3.1 Исследование спектров магнитных вибровозмущающих сил при питании от автономного инвертора напряжения с классическими алгоритмами формирования широтно-импульсной модуляции
3.1.1 Анализ случая скалярной синусоидальной широтно-импульсной модуляции
3.1.2 Анализ случая векторной симметричной широтно-импульсной модуляции
3.2 Разработка алгоритмов формирования широтно-импульсной модуляции, улучшающих виброшумовые характеристики асинхронного двигателя
3.2.1 Формирование выходного напряжения автономного инвертора напряжения заданного гармонического состава
3.2.2 Формирование выходного напряжения автономного инвертора напряжения на основе кратномасштабного анализа

3.3 Сравнительное исследование алгоритмов формирования широтно-импульсной модуляции
3.4 Выводы по третьей главе
Глава 4. Исследование системы векторного управления асинхронного электропривода с улучшенными виброакустическими характеристиками
4.1 Математическое описание электромагнитных процессов в асинхронном двигателе при ориентации модели по вектору потокосцепления ротора
4.2 Исследование системы прямого векторного управления асинхронным двигателем
4.3 Исследование бездатчиковой системы прямого векторного управления
4.4 Разработка системы прямого векторного управления асинхронного электропривода с улучшенными виброакустическими характеристиками
4.5 Выводы по четвертой главе
Г лава 5. Экспериментальные исследования малошумного асинхронного электропривода
5.1 Методика проведения экспериментальных исследований
5.2 Исследование влияния алгоритмов формирования широтно-импульсной модуляции на виброакустические характеристики асинхронного двигателя при частотном управлении..
5.3 Исследование влияния алгоритмов формирования широтно-импульсной модуляции на виброакустические характеристики асинхронного двигателя при работе на номинальной частоте
5.4 Выводы по пятой главе
Заключение
Список сокращений и условных обозначений
Список литературы
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность и степень разработанности темы исследования. Автоматизированный АЭП в настоящее время находит широкое применение во всех отраслях промышленности. Так согласно данным, приведенным в [6], в 2002 году на европейском рынке доля продаваемых регулируемых электроприводов переменного тока составила 68 % из всего числа продаваемых регулируемых приводов (15 % составили регулируемые электроприводы постоянного тока и 17 % механические и гидравлические приводы). При этом доля АЭП в общем числе продаваемых электроприводов переменного тока составила 82 %. Тенденция на возрастание доли АЭП, среди применяемых в промышленности регулируемых приводов, сохраняется с 1990 года по настоящее время. Такая же тенденция наблюдается и в судо- и кораблестроении. При этом АД применяются как в качестве исполнительных двигателей вспомогательных устройств, некоторые из которых не требуют регулирования скорости в широких диапазонах, так и в качестве гребного электродвигателя. Применение АЭП в судо- и кораблестроении обусловлено не только технологичностью и массовостью его производства, но и рядом других существенных факторов. Согласно [23] к преимуществам АД можно отнести такие как отсутствие прямого электрического контакта между ротором и системой электроснабжения, отсутствие таких деталей как изолированные обмотки, возбудитель, вращающиеся диоды или постоянные магниты, что повышает надежность АД по сравнению с СД и уменьшает время на техобслуживание.
В связи с широким применением АЭП в настоящее время проводится большое число исследований, направленных на обеспечение желаемых динамических и статических показателей работы АД. Кроме того, все большее внимание при проектировании АЭП уделяется снижению уровней акустического шума и виброактивности. Решение последней задачи обусловленно необходимостью уменьшения негативного влияния работы АЭП на человеческий организм, а также применением АЭП в специальных системах, требующих обеспечения минимума излучаемого акустического шума с целью обеспечения скрытности. Что касается негативного влияния на организм человека, то воздействие акустического шума и вибраций зависит от их спектрального состава, продолжительности воздействия и ряда других факторов. В общем случае согласно [4] вредное влияние может сказываться как на функциональном состоянии человека (повышение утомляемости, увеличение времени двигательной реакции, увеличении времени зрительной реакции, нарушение вестибулярной реакции и др.), приводящей к снижению качества работы, так и на общем физическом состоянии (развитие нервных заболеваний, нарушение функций сердечнососудистой системы, нарушение функций опорно-двигательного аппарата, поражение мышечной ткани суставов и др.), приводящих к появлению профессиональных хронических заболеваний и виброболезни.

Вх - амплитуды статорных гармоник индукции электромагнитного поля в воздушном зазоре, определяемая с учетом (45) выражением
Я* = КК = /„ (57)
ОйНас
где £6 = &5,£82 - коэффициент Картера, в котором ввиду гладкости ротора к61 = 1;
ФУ - фазовый угол гармоник по отношению к вектору питающего напряжения (У,, который определяется следующими соотношениями: при V = 1 фу=1 = ф0 = ^((/,,/12); для остальных V
Фу=Фі=4^1’А)-
Если в выражении (57) принять V = 1 и заменить ток статора /, на ток намагничивающего контура 7,2, то можно вычислить основную гармонику индукции электромагнитного поля в воздушном зазоре.
Следует отметить, что выражение (56) состоит из двух рядов. Первый из них представляет собой гармонический ряд индукции электромагнитного поля между статором и ротором при гладком воздушном зазоре, а второй - ряд дополнительных высших гармоник, которые возникают из-за зубчатости статора [3]. Кроме появления высших гармоник зубчатость статора дает и изменение всех амплитуд гармоник магнитного поля. Наиболее сильно под влиянием зубчатости статора меняются высшие гармоники зубцового порядка: прямоврагцающиеся гармоники ослабляются, а обратновращаюіциеся - усиливаются [3].
Аналогичным образом можно вычислить радиальную составляющую индукции электромагнитного поля в зазоре между ротором и статором, порожденную роторной обмоткой. Однако при этом следует учесть, что ротор конструктивно сделан гладким, т. е. магнитная проводимость при односторонней зубчатости ротора определяется только постоянной составляющей Л0 = РоЛ^о^Аас)- Таким образом индукция электромагнитного поля в зазоре между ротором и статором, порожденная роторной обмоткой может быть записана как
В2(а,і) = Л («,?)/(, (а, г) = Х>ф4т:)соя(Р21а)Х/'м сов^ра - су - фД (58)

^О^вЛнас Р=0 іі=
В2(и,0 = ХВасоз^рех - ш2„/ - фц)+ XXВ»-ф-- ]С0Ф;>1-1 ± Р21Д - ' Фц). (59)
м=1 Ц=1 Р=1 4 П)
где р = (к2г2)/(рр +1) - порядок высших гармоник индукции электромагнитного поля, создан-
ные роторной обмоткой (к2 = 0,±1,±2...), все из которых в случае короткозамкнутого ротора являются гармониками зубцового порядка;