Разработка и исследования электропривода на базе индукторного двигателя с независимым возбуждением

• Автор: Постников, Сергей Геннадьевич
• Шифр специальности: 05.09.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 224 с. : ил

Введение
ВВЕДЕНИЕ
Развитие рыночных отношений и свободной конкуренции требует от промышленных предприятий внедрения новых, экономичных и высокоэффективных технологических процессов, часть которых основана на применении регулируемых в широком диапазоне частот вращения электроприводов и расширении масштабов автоматизации предприятия. Усовершенствование технологии производства повышает требования к электрооборудованию в отношении надежности, долговечности и экономичности.
Неограниченные возможности современных электронных преобразователей послужили мощным стимулом к изготовлению традиционных и новых двигателей переменного тока, спроектированных специально для регулируемого электропривода (РЭП).
Отличительными особенностями конструкции этих электрических машин являются специальные формы геометрии магнитопровода и исполнения фазных обмоток для питания от преобразователей частоты; высококачественные материалы (сталь, изоляция, редкоземельные магниты (РЗМ), подшипники и т.д.), предельно допустимые электромагнитные нагрузки и, как следствие, принудительное охлаждение, встроенные датчики (температуры, скорости, положения ).
Особое внимание в 80-90-х г.г, уделялось исследованиям и разработке т-фазных индукторных двигателей (ИД) с самовозбуждением , которые питаются однополярными импульсами тока различной формы. Питание ИД осуществляется от различных инверторов с числом ключей от ш до 2т на фазу. На этой базе созданы вентильные индукторные приводы (ВИП), отличительной особенностью которых является синхронизация коммутации ключей с изменением фазных индуктивностей 1л(0), т.е. угловым положением ротора 0.
Индукторные двигатели обладают ценными, с точки зрения крупномасштабного производства, качествами, такими как бесконтактность, высокая надежность в работе, экономичность, большой срок службы, большие предельные значения мощности и напряжения, возможность гибкого и плавного регулирования частоты вращения, быстродействие, малые эксплуатационные затраты и другими.
К концу XX века зарубежными фирмами созданы промышленные серии и опытные образцы ИД, имеющие число фаз т=1-5, мощности Рн до 140-1000 кВт и скорости вращения п„ от 500 до 200000 об/мин [83,141,142,169,242].
Отечественными ВУЗами в сотрудничестве с промышленными предприятиями разработаны опытные образцы ВИП (Рн=0,2-15 кВт) для общепромышленного применения [70, 224], тяговые ИД (Рн=30-900 кВт) [220, 221], тихоходные моментные ИД (М„=10-10000 Нм, пн = 20-50 об/мин) с рекордно высокими удельными моментами Муд=1-7 Нм/кг [222, 229].
В процессе промышленной эксплуатации ВИП выявились и их недостатки, связанные, главным образом, со свойствами однополярного управления ИД. К ним следует отнести:
> сложность синтеза РЭП с высококачественными векторными системами автоматического управления (САУ) из-за нелинейных уравнений и произвольной формы фазных токов,
> ухудшение вибро-акустических показателей ИД из-за пульсаций фазных составляющих электромагнитного момента, которые являются источником радиальных сил и резонансных колебаний корпуса двигателя [55, 218, 226],

Введение
У проблемы с использованием серийных высокоинтегрированных электронных преобразователей, инверторы которых имеют стандартные схемы трехфазных мостов, а не несимметричных мостов, необходимых для ИД с самовозбуждением.
Опыт, накопленный при разработке различных машин переменного тока и отмеченные выше недостатки ВИП, привели к активным исследованиям индукторных двигателей с независимым возбуждением (ИД с НВ) от магнитов или с электромагнитным возбуждением (обмотка возбуждения). Контур возбуждения этих двигателей обычно находится на статоре, а не на роторе, как у современных серийных синхронных двигателей (СВД).
Усложнение конструкции и стоимости изготовления ИД с НВ в значительной степени устраняет отмеченные выше недостатки и позволяет создавать как простые, так и прецезионные электроприводы с широким диапазоном двухзонного регулирования скорости (D=1000-10000). На основе ИД с возбуждением от РЗМ на кафедре АЭП МЭИ разработаны и широко используются в новых технологиях многокоордннатные модули с линейным, вращательным и комбинированным движением. Их принято называть приводами прямого действия (Direct Drive) из-за отсутствия дорогих и быстроизнашивающихся кинематических передач. В линейных электроприводах достигнуты предельно высокие показатели: ускорения - от 10 до 450 м/с2, скорости - до 5 м/с, ошибки позиционирования - до 0,5 мкм [83, 87, 225]. Массовое производство различных электрических машин с возбуждением от постоянных магнитов привело к значительному снижению стоимости РЗМ в Западной Европе.
Индукторные машины с регулируемым электромагнитным возбуждением широко используются в качестве генераторов (авиация, установки промышленного нагрева и т.д.). Несмотря на успехи в области электронных преобразователей частоты эти генераторы не снимаются с производства из-за их высокой надежности, приспособленности к работе в условиях низких и высоких температур, радиации, агрессивных сред и т.д. [3, 63, 215].
В новых конструкциях ИД с НВ удалось сохранить важные достоинства индукторных машин (сосредоточенная , а не распределенная обмотка, надежность и т.п.), улучшить их массогабаритные и энергетические показатели по сравнению с генераторами [17]. Для управления ими обычно используются серийные трехфазные инверторы с трапецеидальными или синусоидальными токами, что позволяет синтезировать не только вентильные, но и векторные САУ.
Обмотка возбуждения представляет дополнительную, причем, довольно простую входную координату позволяющую направленно видоизменять механические характеристики и, в частности, существенно расширить по сравнению с приводом постоянного тока зону регулирования скорости с постоянством мощности.
Это дает возможность заменить высококачественные электроприводы постоянного тока РЭП, выполненными на базе ИД с НВ в высокотехнологичных отраслях промышленности: гибком автоматизированном производстве (ГАП), металлургической, горнодобывающей, текстильной, а также в общепромышленных механизмах (насосы, компрессоры, воздуходувки).
Зарубежная практика показывает перспективы применения данного типа привода в промышленности и на транспорте (пример тому проект французской фирмы ALSTHOM, успешно использующий индукторный привод с независимым возбуждением в высокоскоростных поездах TGV [49], а также проекты японской фирмы HITACHI по созданию высокомощного кранового привода для морского порта на базе вентильного привода [50]).

Введение
Перечисленные выше и другие специфические свойства ИД с НВ обсуждались в дискуссионных статьях последних лет. Среди зарубежных авторов следует отметить работы научных коллективов под руководством профессора Лоуренсона П. [9, 10, 153] (Университет Лидс, Великобритания), профессора Миллера Т. [155, 169, 182]
(Университет г. Глазго, Великобритания), профессора Липо Т.А. [187, 217] (Университет штата Висконсин, США), профессоров Зиглиотто М. и Болоньяни С. [207-211] (Университет г. Падова, Италия) и других. В этих статьях рассматриваются различные варианты конструкций ИД с возбуждением от РЗМ, возможности реализации двухзонных ВИП и способы компенсации в них колебаний мгновенного момента и угловой скорости.
Приоритет в области создания ИД с электромагнитным возбуждением принадлежит отечественным ВУЗам, НИИ и заводам, которые занимались индукторными генераторами различного назначения [3, 215].
Наиболее существенные результаты по проектированию ИД с электромагнитным возбуждением получены коллективом кафедры ЭиЭА (профессор Маслов С.И.) МЭИ, где защищено несколько кандидатских диссертаций [24].
Кафедрами АЭП и ЭиЭА совместно с АЭК «Динамо» в 1995-1999 гг создан и испытан с участием автора опытный образец вентильного электропривода с двигателем МНВИ-160. При подготовке диссертации использовались многолетние исследования кафедры АЭП в области дискретного и вентильного электропривода (профессор Ивоботенко Б.А., профессор Ильинский Н.Ф. и другие) [25. 87, 55, 47, 80. 84, 93, 184], кафедры электромеханики (профессор Иванов-Смоленский А.В. и профессор Кузнецов В.А.) в области теории и расчетов электромагнитных полей двигателей с переменным магнитным сопротивлением [17, 20, 32, 82, 88].
Несмотря на исследования ИД с НВ, выполненные за последние годы за рубежом и в нашей стране, многие вопросы разработки перспективных типов электропривода с этими машинами еще не решены. В зарубежных статьях приведены итоги испытаний и расчетов 3х и 4х фазных ИД с возбуждением от РЗМ, а в отечественных - 3х фазных ИД с электромагнитным независимым возбуждением. Главное внимание уделялось исследованиям самих двигателей, а не комплексной системе РЭП. При синтезе РЭП необходимо учитывать свойства и характеристики всех его элементов, которые чрезвычайно быстро изменяются.
Отмеченными выше обстоятельствами обусловлена актуальность темы настоящей работы, важность которой также подтверждается возросшей потребностью в РЭП с высококачественными регулировочными, динамическими и энергетическими характеристиками для промышленности и новых прогрессивных технологий.
Цель работы и задачи исследований
Целью диссертации является разработка РЭП на базе ИД с НВ с вентильными и векторными структурами управления, исследование опытного макета электропривода на стенде и методами цифрового моделирования.
Основные задачи, решаемые в данной работе:
1. Систематизация сведений по ИД с различными типами возбуждения, а также сведений по основным компонентам современных электроприводов, а также сравнительная характеристика электроприводов с новыми двигателями переменного тока для различных областей их применения,

ГЛАВА 1. Индукторные машины с внешним возбуждением в современных системах электропривода
В ВИП соотношение (1.18) справедливо, однако частота самокоммутации инвертора и со определяются величиной питающего напряжения, как и у ДПТ (1.1).
Приведем приближенные аналитические выражения, представляющие зависимость электромагнитного момента ИД от его конструктивных параметров [83, 84].
Статический синхронизирующий момент Мс(0) представляет собой угловую характеристику двигателя при возбуждении фазы (или группы фаз) постоянным током I. Мс(0) рассчитывается, как производная электромагнитной энергии W3 по механическому углу поворота 0М . С учетом (1.13) и (1.15) при ^ не равном 1 момент выражается:
где к=0, 1, 2, 3....номер очередного переключения фазы, обеспечивающий угловой сдвиг кривой Мс(0), зависящей от закона изменения фазных индуктивностей.
Упрощенное выражение (1.19) позволяет сделать ряд выводов, справедливых для ИД любого типа:
> Двусторонняя зубчатость позволяет предельно использовать этот тип ЭМП по моменту, т.к. с ростом К[г (магнитной несимметрии) выражение в скобках приближается к 1,
> увеличение фаз уменьшает угловые сдвиги индуктивностей (1.14) и фазных составляющих момента, по (1.19) можно построить семейство совмещенных кривых момента, огибающая которых представляет собой форму момента на валу ИД в идеализированном вентильном режиме работы; очевидно, что с ростом т уменьшаются пульсации момента, а средний момент приближается к амплитудному значению Мс ,пах (полная аналогия с многофазным выпрямлением переменного тока) [83],
> синтез формы момента имеет исключительно важное значение для индукторных ШД, т.к. производная момента по углу определяет величину статической ошибки разомкнутого СЭП, а от вида несимметричной периодической функции Мс(0) зависит устойчивость однонаправленного движения и пусковые свойства одно- и двухфазных ИД [8, 65] весьма перспективных для массовых электроприводов бытовой техники. За счет формирования кривой момента можно существенно снизить колебания и пульсации момента и скорости ВИП.
Выражение (1.19) представляет свойства ЭМП Максвеллова типа, существенные, однако, и для создания РЭП с разными структурами. Квадратичная функция МС(Р) справедлива лишь для токов, миньших номинальных. С ростом фазного тока уменьшается амплитуда Ьь что учитывается Ъ, Промышленные ИД проектируются с большим насыщением стали, чем традиционные машины переменного тока [20, 55]. Реальные проводимости зубцовой зоны расчитываются по (1.12.) для требуемого числа гармоник, что дает возможность представить законы изменения собственных и взаимных индуктивностей и электромагнитного момента в функции не только угла, но и фазных токов, учесть изменение Кк от насыщения стали и т.д.
(1.19)
±/с—(./-l)] = i/2-Z„.sV(l

1 2 к
—УЬт ■вт[в±к—0 -1)]