Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет

“Харківський політехнічний інтитут”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.09.01 - Електричні машини і апарати

Удосконалення моделей колекторних і вентильних машин постійного струму для вибору ефективних параметрів і режимів роботи

Глєбова Марина Леонідівна

Харків 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Харківський державній академії міського господарства Міністерства науки і освіти України

Науковий доктор технічних наук, доцент керівник: Волчуков Микола Павлович, Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, професор кафедри передачі електричної енергії.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, доцент Мілих Володимр Іванович, Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, професор кафедри загальної електротехніки;

кандидат технічних наук, доцент Василець Тетяна Юхимівна, Українська інженерно-педагогічна академія, м. Харків, доцент кафедри систем управління та автоматизації промислових устаткувань.

Провідна установа: Інститут електродинаміки Національної академії наук України, м. Київ.

Захист відбудеться “5” квітня 2001 р. о 1230 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради

Д 64.050.08 у Національному технічному університеті “Харківський політехнічний інститут” за адресою: 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”

Автореферат розісланий “2” березня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Болюх В.Ф.

1. Загальна характеристика роботи

колекторний вентильний струм комутація

Актуальність теми. У даний час на транспорті, в металургії, приладобудуванні та інших галузях виробництва машини постійного струму (МПС), як і раніше, знаходять широке застосування, завдяки їхнім відомим перевагам. Більш того, у зв'язку з розвитком напівпровідникової техніки і потребами в електроприводах з високими питомими характеристиками, все ширше починають використовуватися вентильні машини постійного струму (ВМПС), що дозволяють зняти відому проблему щітково-колекторного вузла традиційних МПС.

При створенні й експлуатації колекторних і вентильних МПС виникає необхідність постановки і вирішення задач по дослідженню різних режимів роботи й оптимізації їх регулювальних, енергетичних, масогабаритних показників. Найбільш ефективним шляхом розв'язання подібних задач є застосування методу математичного моделювання з подальшою розробкою цифрових моделей для режимних розрахунків МПС та їхньою комп'ютерною реалізацією.

Аналіз існуючих математичних моделей для розрахунку перехідних режимів роботи колекторних МПС показує, що найчастіше потрібне їхнє удосконалення в напрямку підвищення точності, універсальності, доступності, а також можливості селективного врахування основних явищ у машині (насичення, вихрові струми, комутаційні процеси).

Вимагає подальшого удосконалення і методика розрахунку процесу комутації МПС у сталих режимах роботи в зв'язку з частим виникненням ситуацій (особливо при високому порядку системи диференціальних рівнянь, що описують зміну струмів у комутуючих секціях), коли результати рішення або виявлялися некоректними, або їх узагалі не можна було одержати.

Аналіз сталих режимів роботи вентильних двигунів (ВД) постійного струму (ВДПС) являє собою специфічну, досить складну задачу. До методів моделювання сталих режимів ВДПС висувають вимоги, з одного боку, адекватності математичної моделі, достатньої глибини опису досліджуваних процесів, з іншого боку - прийнятності обсягу обчислень і мінімізації витрат машинного часу, що особливо важливо при створенні тренажерів та інших імітаційних пристроїв. Вид математичної моделі і її точність у кожнім випадку повинні визначатися задачею дослідження.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Обраний напрямок досліджень по темі дисертації тісно пов'язаний з науково-дослідними роботами, виконуваними за постановами: ДКНТ України №12 від 04.05.92, Програма “Ресурсозберігаючі системи”, Проект 5.51.06/011-93 “Розробка методів аналізу електромеханічної системи”; Президії НАН України і Міністерства оборони України, Програма фундаментальних і пошукових досліджень від 07.08.92, проект МІХПІ-3-УО “Дослідження можливості застосування високо-використаних автономних електромашинних систем у тягових рухливих механічних об'єктах, обмежених за габаритами”; договору №509/84 із НДІ “Електроважмаш”, тема “Дослідження комутаційних параметрів тягових двигунів постійного струму з метою поліпшення їхньої експлуатаційної надійності”.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є удосконалення математичних моделей і алгоритмів розрахунку колекторних і вентильних МПС для аналізу їхніх режимів роботи і вибору ефективних параметрів.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

- удосконалити математичну модель для розрахунку перехідних режимів роботи колекторної МПС, що відображає досить повно й адекватно найбільш характерні фізичні явища, що визначають властивості зазначеної машини;

- провести аналіз, визначити шлях удосконалення і розробити математичну модель й алгоритм розрахунку для дослідження процесу комутації колекторних МПС в сталих режимах роботи, що відрізняються коректністю і підвищеною стійкістю;

- розробити математичну модель і алгоритм розрахунку для дослідження стаціонарних режимів роботи ВМПС, що відрізняються з одного боку простотою, швидкодією і наочністю, з іншого боку - коректністю й урахуванням основних факторів;

- розробити статистичні моделі для гармонійного аналізу кривої струму якоря ВДПС, що відзначаються вірогідністю і швидкодією;

- для апробації запропонованих математичних моделей і програмних модулів зробити тестові і робочі розрахунки колекторних і вентильних МПС.

Об'єкт дослідження. Математичні моделі перехідних і усталених режимів роботи електричних машин постійного струму.

Предмет дослідження. Колекторні та вентильні машини постійного струму.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження базувались на чисельному вирішенні систем часових та просторових диференційних рівнянь явними методами, використанні схем заміщення та методів вирішення колових задач, методиках апроксимації функцій, елементах теорії подібності процесів, на окремих теоретичних положеннях математичних методів моделювання електротехнічних систем.

Наукова новизна отриманих результатів.

На основі моделі узагальненого електромеханічного перетворювача Крона удосконалена математична модель колекторної МПС високого рівня для розрахунку перехідних режимів роботи, що, крім іншого, враховує явище насичення магнітопроводу, вихрові струми у масивних ділянках магнітопроводу і комутаційні процеси (комутаційну реакцію якоря, спад напруги у щітковому контакті й додатковий електромагнітний момент комутації).

З використанням поняття “групового струму” розроблена математична модель для дослідження процесу комутації колекторних МПС у стаціонарних режимах роботи, яка відрізняється підвищеною стійкістю і швидкодією, що дозволяє проводити розрахунки практично за будь-якого співвідношення параметрів машини.

Розроблено математичну модель для дослідження стаціонарних режимів роботи вентильної МПС, що відзначається, з одного боку, простотою, швидкодією і наочністю, з іншого боку - точністю й урахуванням основних явищ.

Розроблено статистичні моделі й алгоритми розрахунку для гармонійного аналізу кривої струму якоря ВДПС, що відрізняється вірогідністю і швидкодією.

Практичне значення отриманих результатів.

Розроблені математичні моделі, що доведені до рівня програмної реалізації, можуть використовуватися фахівцями для дослідження режимів роботи колекторних і вентильних МПС різної потужності і призначення. Зазначену обставину підтверджують відповідні акти впровадження.

Отримані математичні моделі і програмні модулі мають достатній ступінь універсальності, що дозволяє використовувати їх при створенні інтегральних моделей електромашинних систем із МПС.

Отримані результати розрахунків робочих характеристик, пульсацій електромагнітного моменту, гармонійних складових струму якоря ВДПС можуть бути використані при створенні подібних машин.

Окремі результати роботи впроваджені у НДІ “Електроважмаш” при удосконаленні тягових двигунів тепловозів, а також у ХКБМ ім. О.О.Морозова при створенні електроприводів спеціальних транспортних засобів.

Особистий внесок здобувача. У роботах [1,7,11,12,13] здобувачем запропонований уточнений розрахунок комутаційної електрорушійної сили (ЕРС) МПС. У роботах [4,8,9,10] здобувачем запропоновані шляхи перетворення системи диференціальних рівнянь процесу комутації колекторних МПС і розроблений алгоритм розрахунку, що дозволило підвищити ефективність відповідної моделі. У роботі [2] здобувачем запропоновані деякі кореляційні параметри, за допомогою яких можна знижувати рівень моделі колекторної МПС, не вносячи істотної похибки в результати розрахунку. У роботі [6] здобувачем проведений аналіз методів дослідження сталих режимів роботи вентильних МПС із метою вибору шляхів їхнього удосконалення. У роботі [5] автором проведені розрахунки пульсацій електромагнітних і механічних параметрів вентильних машин у статичних режимах з метою їхнього подальшого використання при розробці спрощених моделей ВДПС. У роботі [3] здобувачем запропонована методика розрахунку кривих намагнічування, що надалі використовуються для урахування насичення магнітопроводу колекторної МПС.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові і практичні результати роботи доповідалися й обговорювалися на 8-ми науково-технічних конференціях: “Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика” (м.Алушта, 1999,2000р.), “Силова електроніка і енергоефективність” (м.Алушта, 1999р.), “Інформаційні технології: наука, техніка,...” (м.Харків, 1999р.) “Підвищення ефективності комутації МПС” (м.Київ, 1985р.), “Проблеми електромашинобудування” (м.Ленінград, 1991р.), “Стан і перспективи розвитку електровозобудування в країні” (м. Новочеркаськ, 1991р.), “Динамічні режими робіт електричних машин і електроприводів” (м. Бішкек, 1991р.).

Публікації. За результатами дисертації опубліковано 13 наукових праць, з яких: 5 статей у наукових журналах, 1 стаття у збірнику наукових праць, 2 депоновані статті, 5 робіт матеріали республіканських і всесоюзних конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновку, списку використаних джерел та додатків. Повний обсяг дисертації 193 сторінки, 17 ілюстрацій на 17 сторінках, 2 таблиці на 2 сторінках, 17 таблиць та 63 ілюстрації по тексту, 2 додатки на 11 сторінках, список використаних джерел із 95 найменувань на 9 сторінках.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульовані мета та задачі досліджень. Викладено основні наукові та практичні результати, які отримані в роботі, а також основні положення, що виносяться на захист.

У першому розділі проведено аналіз розвитку і стану існуючих математичних моделей колекторних і вентильних МПС.

Математична модель для опису перехідних процесів колекторних МПС може бути отримана на основі теорії узагальненого електромеханічного перетворювача Крона. Однак для більш повного опису явищ у перехідних режимах роботи необхідно враховувати характерні риси таких машин, зв'язані з комутаційними процесами, насиченням, вихровими струмами. У нестаціонарних режимах при великих кратностях струму величина магніторушійної сили (МРС) комутаційної реакції якоря може досягати 20-30% від МРС обмотки збудження, що не дозволяє знехтувати цим явищем. Оцінити вплив комутаційної реакції якоря на динамічні властивості колекторної МПС треба у зв'язку з тим, що її величина у перехідних режимах визначається множиною факторів: полем поперечної реакції якоря, трансформаторною ЕРС, що виникає у короткозамкнених секціях якоря при зміні поздовжнього потоку, вихровими струмами у станині і додатковому полюсі, а також його насиченням при великих струмах якоря.

Досвід вирішення системи диференціальних рівнянь, що описують процес комутації колекторних МПС у стаціонарних режимах роботи показав, що в ряді випадків результати рішення виходили або явно невірними, або викликали сумнів у їхній вірогідності. Найчастіше це виявлялось в тім, що виникали коливання похідних струмів від кроку до наступного кроку, або коливання результатів рішення при безупинній зміні комутуючої ЕРС. Одним із шляхів вирішення зазначених проблем є пошук нових алгоритмів, заснованих на видозміні системи диференціальних рівнянь у бік зменшення їх порядку.

Аналіз сталих режимів роботи вентильних МПС являє собою специфічну досить складну задачу. Справа в тому, що у зв'язку з дискретною роботою напівпровідникового комутатора, напруги і струми якірної обмотки електромеханічного перетворювача змінюються у часі за дуже складними законами, що призводить до появи пульсацій електромагнітного моменту і частоти обертання. Тому, обговорюючи сталий режим, строго кажучи, мають на увазі квазіусталений процес, до вивчення якого можна підійти з різних позицій. По-перше, не роблячи спроби спростити вирішення задачі, можна розглядати процеси у всій дуже складній сукупності явищ. По-друге, беручи до уваги звичайно відносно малу зміну частоти обертання, внаслідок підвищених інерційних постійних обертових мас, результат подають у вигляді накладання двох процесів: усередненого у часі, якому відповідають середні значення електромагнітного моменту і частоти обертання ротора, і коливального, що визначає пульсації цих величин. Розроблені раніше методи розрахунку сталих режимів вентильних МПС, аналіз яких наведений у дисертації, орієнтовані на один із двох зазначених вище підходів і забезпечують різну точність опису і трудомісткість одержання результатів. У роботі основна увага приділена розробці спрощених моделей для дослідження сталих режимів роботи ВДПС, що дозволяють вирішувати задачі розрахунку їх швидкісних, механічних, моментних, кутових і регулювальних характеристик. При цьому виникає необхідність додаткового дослідження явища насичення, пульсацій електромагнітного моменту і коливань швидкості обертання ротора, викликаних вищими гармоніками струму якоря.

Проведений аналіз стану питання дозволив сформулювати мету роботи і поставити задачі дослідження.

У другому розділі відзначено, що основною особливістю колекторних МПС традиційного виконання є наявність щітково-колекторного вузла, що обмежує граничні значення електромагнітних навантажень, потужності та частоти обертання. Тому при моделюванні перехідних режимів роботи основна увага приділена урахуванню впливу комутаційних процесів. Удосконалення математичної моделі зводилося до відповідного коректування узагальненої моделі Крона.

При удосконаленні математичної моделі розглянуто теоретично найбільш загальний випадок некомпенсованої колекторної МПС, що має дві обмотки збудження: основну (незалежну чи паралельну (fd)) і послідовну (cd). Вплив масивних ділянок магнітного кола на поле головних і додаткових полюсів враховувався короткозамкненими контурами ( jd,iq ), розташованими в осях d,q. Потокозчеплення якірної обмотки ( ш ) у поздовжній ( ш ) і поперечной ( шq ) осях визначалися потоками повітряного зазору ( ш ad, ш aq ) і розсіювання ( шаd = LdId,

шаq =LqIq

, а складові шad, шaq знаходилися розкладанням у гармонійний ряд індукції для рівномірно розподіленої обмотки. Розгорнута система рівнянь напруг подібної машини у відносних одиницях після перетворень до канонічного вигляду є такою:

p(a + kcad) = ua - d - raia - uщ; (1)

pfd = ufd - rfdifd; (2)

pjd = - rjdijd, j = 1, 2, 3 … n; (3)

piq = - riqiiq, i = 1, 2, 3 … m; (4)

a = (xc + xq) ia + aq + kq + fq; (5)

; (6)

Додаткове рівняння еквівалентного комутуючого контура у відносних одиницях для урахування комутаційної реакції якоря мало наступний вигляд:

d = ad + xd id; (7)

fd = ad + xf ifd; (8)

jd = ad + xjd ijd; (9)

iq = aq + xiq iiq; (10)

де idk = if + niaak; if = ifd + kcia + ;

n = d/2

зведений розрахунковий коефіцієнт полюсної дуги;

- коефіцієнт, для МПС дорівнює 1,06;

- зведений коефіцієнт полюсної дуги;

- визначається за “локальними” перехідними характеристиками;

- напруга, прикладена до з'єднаних послідовно обмрток якоря, послідовного збудження та додаткових полюсів;

ufd - напруга, прикладена;

uщ - перехідний спад напруги на щітках;

коефіцієнт послідовної обмотки збудження;

- базисний струм обмоток якоря та збудження;

- кількість витків незалежної та послідовної обмоток;

- потокозчеплення обмоток збудження, j-го поздовжнього і i-го поперечного вихрових контурів;

- потокозчеплення обумовлене полем у зоні комутації;

- активні опори обмоток якоря, збудження, еквівалентних поздовжніх та поперечних вихрових контурів;

- відповідні струми;

щ - кутова частота обертання ротора;

xd, xq, xf, xc, xjd, xiq - відносні індуктивні опори розсіювання обмоток якоря (у поздовжній і поперечній осях), збудження (основної і послідовної), поздовжніх і поперечних вихрових контурів.

p - символ, що позначає похідну за синхронним часом.

- потік реакції якоря,визначався з використанням квадратурних формул Гаусса, маючих коефіцієнти .

; (11)

; (12)

; (13)

;

p-число пар полюсів;

- ширина зони комутації;

- полюсна поділка;

a - кількість пар паралельних гілок обмотки якоря;

- коефіцієнт щіткового перекриття;

-активна опора та кількість витків секції;

- період комутації секції;

Erн - реактивна ЕРС секції у номінальному режимі.

У практичних розрахунках функція можна подати аналітичним виразом:

; ; (14)

де - коефіцієнти, для обчислення яких треба знати струм і число витків обмотки якоря, середню реактивну ЕРС у номінальному режимі, щіткове перекриття.

Для урахуванння поперечної реакції якоря були використані криві намагнічування виду Фad(Ff, Fa). При цьому вихідна система рівнянь доповнювалася наступним виразом:

, (15)

де

d(idk) - значення похідної від характеристики холостого ходу у точці .

При дослідженні перехідних режимів роботи МПТ вихідна система доповнена рівнянням руху ротора, що у відносних одиницях має вигляд:

(16)

НJ=Jщ2б/pMб,

сумарна інерційна стала машини і приводного механізму;

J - момент інерції обертових мас;

- момент приводного механізму та базовий електромагнітний момент.

Другий член рівняння являє собою додатковий момент комутації, що є результатом взаємодії струму в якірних секціях з поперечним потоком машини. У звичайних умовах, при щітках, які стоять на геометричній нейтралі, він може бути відмінним від нуля через несиметричність комутаційного циклу.

Проведені тестові розрахунки показали, що розглянута повна математична модель колекторної МПС дозволяє з достатньою точністю розраховувати її перехідні режими роботи. Зокрема, показаний режим короткого замикання дослідного генератора постійного струму (ГПС). Тут разом зі збільшенням якірного струму під дією реакції якоря зменшується потік і одночасно зростає величина i. Різниця між змінними i і id дорівнює сумі МРС id + ijd, в якій для

розглянутих випадків переважне значення має перший член. Завдяки росту uщ і зниженню ЕРС ea=d обмежується максимальний струм якоря. Інтенсивне гальмування ротора відбувається під дією електромагнітного моменту і моментів від втрат у сталі, механічних і частково додаткових.

У третьому розділі наведено результати удосконалення математичної моделі для розрахунку процесу комутації колекторних МПС у стаціонарних режимах роботи.

Основним допущенням, на якому базується алгоритм розрахунку закону зміни

струму секцій, що комутуються, є рівність коефіцієнтів взаємоіндукції. Коефіцієнти зв'язку в цьому випадку дорівнюють 1, і ліві частини диференціальних рівнянь (17) виходять однаковими. Зазначене допущення дозволяє підсумовувати в лівій частині струми секцій групи і вони виявляються вирішеними відносно похідної групового струму. Таким чином, система диференціальних рівнянь перетвориться в одне диференціальне рівняння, результатом рішення якого є груповий струм.

Однак груповий струм не є самоціллю, він служить лише проміжним ступенем у визначенні струму окремих секцій. Ці ж струми необхідні для чисельного рішення диференціального рівняння, тому що входять до складу його правої частини. Тому після визначення групового струму знаходилися струми окремих секцій .

Диференціальне рівняння групового струму має такий вигляд:

, (17)

де - матриця коефіцієнтів взаємоіндукції;

- кількість секцій у групі на даному інтервалі;

- щіткове перекриття;

- комутуюча ЕРС та реактивна ЕРС взаємоіндукції.

Воно визначалося чисельним методом, на кожному кроці всіх інтервалів, і скрізь, крім двох крайніх інтервалів, потрібний поділ групового струму на струми конкретних секцій. Підставою для такого поділу є алгебраїчні рівняння, отримані шляхом обчислення правих частин диференціальних рівнянь секції групи. Оскільки лише всі ЕРС у правих частинах однакові, у результаті віднімання залишаються тільки контактні напруги (). Так, якщо група складається з двох секцій, маємо:

. (18)

Контактні напруги є функцією щільності струму. Дослідження показали, що на даному етапі задача розв'язується тільки в тому випадку, якщо цю функціональну залежність вважати лінійною й однаковою для всіх колекторних пластин групи. У такому випадку напругу можна замінити щільністю струму. Щільність струму J у загальному вигляді записуємо у такий спосіб:

, (19)

де Jн - середня щільність струму під щіткою при номінальному струмі якоря, Z - величина, пропорційна контактній площі зіткнення. Для колекторних пластин, що набігають, Z=X, для тих, що збігають Z=1-Х, для інших Z=1. Замінивши Y3 на Yг-Y2, одержимо рівняння для знаходження струмів секцій:

(20)

Причому тут і далі =X для колекторних пластин, що набігають, =1-X для колекторних пластин, що збігають, ==1 в інших випадках.

Якщо група складається з n секцій, діємо аналогічним чином і маємо висновки, що (n-1) струмів визначаються у результаті вирішення системи (n-1) рівнянь з (n-1) невідомими.

Тестові розрахунки процесу комутації проводилися для тягових електродвигунів ЕД-118 і ЕД-126 і показали добрий збіг з експериментом.

Розроблена математична модель і алгоритм розрахунку для дослідження процесу комутації в стаціонарних режимах роботи колекторних МПС дозволяють проводити розрахунки практично за будь-якого співвідношення параметрів машини.

У четвертому розділі наведені результати розробки спрощеної моделі для розрахунку сталого режиму роботи ВДПС, представленого інвертором і синхронною машиною.

Моделювання інвертора створювалось за допомогою його зовнішньої характеристики. При цьому рівняння напруги на вході інвертора:

Ud = Ed + RId, (21)

де Ed - середнє значення противо-ЕРС на вході інвертора;

R - сумарний активний опір вхідного кола інвертора і пари відкритих вентилів.

Вхідний струм інвертора Id є функцією кута комутації k.

, (22)

де ;

- амплітудне значення над перехідною неспотвореної ЕРС;

- насичені значення синхронних індуктивних опорів по осях d і q;

- кут випередження відкривання тиристорів.

Одним зі способів аналізу стаціонарних режимів роботи ВДПТ може бути розрахунок характеристик його приводного двигуна за допомогою звичайної векторної діаграми в припущенні, що усі величини надані своїми першими гармоніками. Проеціючи вектори Um, Emo, Ed, Eq, на напрямок отримані у відносних одиницях:

. (23)

Електромагнітний момент розраховували через підведену потужність

p1=cos у

. (24)

Величина відносних пульсацій електромагнітного моменту визначалася в такий спосіб:

. (25)

Визначення гармонійного складу фазних струмів здійснювали за допомогою статистичних моделей, що поєднують необхідну вимогу точності, простоти й інженерної уживаності на будь-якому етапі створення машини. Статистичні рівняння залежно від факторів мають такий вид:

; (26)

, (27)

де - досліджувана функція;

- сталі статистичні коефіцієнти;

- відносні індуктивні опори дроселя, обмотки якоря і параметрів демпферної системи ротора.

Проведено аналіз не тільки власне гармонійного складу струмів вентильного двигуна, але і похибки його визначення щодо ідеалізованої трапецоїдної кривої.

Величину відносної похибки визначаємо у вигляді:

, (28)

де - сума квадратів вищих гармонік по реальній і трапецоїдній формі кривої струму відповідно.

Розроблені математичні моделі й алгоритми розрахунку дозволяють досліджувати швидкісні, механічні, робочі, кутові характеристики ВДПС. Квазівстановлені режими розраховано для варіантів з різними сполученнями величин вхідних параметрів: напруги живлення (Ud), струму збудження (If), кута випередження відкривання тиристорів (0).

Зображено розрахункові і дослідні швидкісні характеристики для різних співвідношень параметрів і режимів роботи одного з експериментальних вентильних двигунів (ВД). Порівняння цих характеристик дає можливість зробити висновок про досить високу якість отриманих результатів. Похибка у розрахунку швидкісної характеристики не перевищує 9%.

Для якісного аналізу особливо варто виділити ділянку малих навантажень (Id 0,25 в.о.), в якому може спостерігатися, як правило, при великих струмах збудження, режим переривчастих струмів, що не враховується методикою.

Цим можна пояснити розбіжність дослідних і теоретичних залежностей при малих навантаженнях (криві 3,4,5,6,10). Необхідно відзначити, що верхня межа по швидкості для експериментальних кривих визначалася механічною міцністю ротора ВД і склала 1,2 в.о., а максимальний струм обмежувався межами вимірювальних приладів (0,7 в.о.).

Аналіз залежностей виявив, що жорсткість швидкісних характеристик істотно

залежить лише від кута випередження 0: зі збільшенням значення 0 жорсткість знижується. На межу по комутаційної стійкості перетворювача значно впливають струм збудження If і кут випередження 0. Так, зі збільшенням If у два рази, ЕРС Emo (за рахунок насичення xad) збільшиться у 1,5 рази, а член Emosinsink2, що визначає граничне струмове навантаження, за рахунок зростання граничного кута комутації збільшиться також у два рази (криві 4, 8, 6, 9, 2, 7, 5, 10). При збільшенні 0 з 500 до 700 граничне струмове навантаження двигуна зросте у 1,5 рази (криві 1-3, 2-5, 7-9).

Проведене широке коло аналітичних досліджень і їхнє порівняння з експериментальними даними показало працездатність розробленої моделі та ефективність застосування спрощених підходів для моделювання стаціонарних режимів роботи ВМПС.

Висновки

1. Проведений аналіз стану проблеми показав необхідність удосконалення математичних моделей колекторних і вентильних МПС, що, з одного боку, повинні досить повно описувати досліджувані процеси, а з другого боку, мати мінімальний обсяг обчислень і можливість при необхідності знижувати їхній рівень.

2. Математична модель, розроблена на основі узагальненої моделі Крона, досить повно й адекватно відображає найбільш характерні фізичні явища, у тому чи іншому ступені визначальні властивості колекторних МПС в перехідних режимах роботи. Математичний опис комутаційної реакції якоря заснований на введенні у модель додаткового рівняння напруги еквівалентного короткозамкненого комутуючого контуру з змінними параметрами і розташованого на якорі машини у подовжній вісі. Уточнено формули для розрахунку перехідного спаду напруги у щітковому контакті. Сформульовано раціональний алгоритм для обчислення комутуючого потоку з урахуванням насичення і вихрових струмів основних ділянок магнітопроводу. Обґрунтовано наближену формулу для апроксимації кривої намагнічування МПС з оцінкою впливу полюсних наконечників, бічного потоку головних полюсів і нерівномірності повітряного зазору.

3. Розроблено математичну модель і програмний модуль для дослідження процесу комутації колекторних МПС в стаціонарних режимах роботи, що дозволяє проводити розрахунки практично за будь-якого співвідношення параметрів машини. У основу нового методу розрахунку процесу комутації МПС покладена заміна системи диференціальних рівнянь одним диференціальним рівнянням групового струму з наступним його поділом на струми секцій, що комутуються.

4. Розроблено спрощену математичну модель, що дозволяє досліджувати сталі режими роботи ВДПС з урахуванням насичення магнітного кола машини. Проведена оцінка точності моделі показала, що максимальна погрішність при розрахунку швидкісних і механічних характеристик не перевищує 9% і має місце на ділянці малих навантажень, у якій може спостерігатися режим переривчастих струмів, що не враховується у моделі. При цьому визначено, що похибки характеристик вентильного двигуна у статичних режимах у вирішальній мірі залежать від точності урахування насичення.

5. Проведено оцінку рівня пульсацій електромагнітного моменту ВДПС. Визначено, що для кутів випередження відмикання тиристорів 500 650, які часто зустрічаються на практиці, і малому навантаженні двигуна 5 100 амплітуда пульсуючої складової електромагнітного моменту може досягати 60100% від його середнього значення.

6. Показано, що для кожного сполучення індуктивних параметрів вентильного двигуна існує визначений кут випередження, при якому електромагнітний момент буде максимальним. При малих кутах випередження 300400 пульсації електромагнітного моменту зменшуються, але при цьому так само зменшується і перевантажувальна здатність вентильного двигуна, ще приводить до необхідності вибирати оптимальний кут.

7. Розглянуто вплив індуктивного опору якірної обмотки і параметрів демпферної системи ротора вентильного двигуна на межі його комутаційної стійкості і відносні пульсації електромагнітного моменту. Збільшення цих реактивностей діє на роботу вентильного двигуна подвійно: з одного боку, збільшується кут комутації тиристорів і знижується комутаційна здатність двигуна, а з іншого - зменшуються пульсації електромагнітного моменту.

8. Розроблено статистичні моделі для розрахунку форми кривої струму статора, що відрізняються простотою та інженерною застосовністю на будь-якому етапі створення ВДПС. З їхньою допомогою визначені величини відносної похибки при заміні реальної форми кривої фазного струму статора вентильного двигуна на ідеалізовану (трапецію), а також рівні вищих тимчасових гармонік у залежності від параметрів вентильного двигуна, що варіюються у широких межах.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1..Белошенко В.И., Глебова М.Л, Чернявская М.В. Расчёт коммутирующей ЭДС машин постоянного тока с учётом подпитки // Вестн. Харьк. политехн. ун-та. - 1986. - Вып. 236. - С. 23-26.

2.Волчуков Н.П., Глебова М.Л. Математические модели коллекторных машин постоянного тока для расчёта переходных режимов работы // Технічна електродинаміка. - Тем. вип.: “Моделювання електронних, енергетичних та технологічних систем”, - 1999. - С.23-26.

3.Волчуков Н.П., Глебова М.Л., Чернявская М.В. Выбор точности задания кривых намагничивания для расчёта переходных режимов работы машин постоянного тока// Сб. науч. тр. Харьк. гос. политехн. ун-та. - 1999. - Вып. 7. - С. 194-196.

4.Белошенко В.И., Волчуков Н.П., Глебова М.Л. Новый метод расчёта коммутации машин постоянного тока// Вестн. Харьк. гос. политехн. ун-та. - 1999. - Вып. 61. - С. 138-140.

5.Волчуков Н.П., Глебова М.Л. Особенности работы вентильных двигателей в статических режимах// Вестн. Харьк. гос. политехн. ун-та. - 2000. - Вып. 113. - С. 97-98.

6.Волчуков Н.П., Глебова М.Л. Анализ методов исследования установившихся режимов работы вентильных двигателей// Вестн. Харьк. гос. политехн. ун-та. - 2000. - Вып. 84. - С. 45-47.

7.Волчуков Н.П., Белошенко В.И., Глебова М.Л. Учет тока подпитки при расчете коммутации машин постоянного тока - Киев, 1985. - 11с. - Деп. в УкрНИИНТИ, №1033 - УК85.

8.Белошенко В.И., Глебова М.Л, Чернявская М.В., Усов П.П. О новом алгоритме расчета коммутации МПТ. - Киев, 1988. - 9с. - Деп. в УкрНИИНТИ, № 286 - УК88.

9.Белошенко В.И., Глебова М.Л, Усов П.П. Сопоставление алгоритмов рачета коммутации машин постоянного тока// Тезисы республиканской конф. “Коммутация электрических машин” - Харьков. - 1984. - с.44-45.

10.Волчуков Н.П., Белошенко В.И., Глебова М.Л. Повышение эффективности расчёта коммутации машин постоянного тока // Тезисы республиканской научн.-технич. конф. "Повышение эффективности электрических машин". - Киев. - 1985. - С.23-25.

11.Волчуков Н.П., Белошенко В.И., Глебова М.Л. Определение коммутационных параметров МПТ в динамических режимах // Тезисы докладов VI Всесоюзной НТК "Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов". - Бишкек. - 1991. - С.42-44.

12.Глебова М.Л., Кузнецов А.И.,Чернявская М.В. Влияние воздушных зазаров добавочных полюсов на коммутацию машин постоянного тока// Тезисы докладов Всесоюзной НТК “Проблемы электромашиностроения” - Ленинград. - 1991. - С.12-14.

13.Волчуков Н.П., Белошенко В.И., Глебова М.Л. Расчет коммутационных параметров машин постоянного тока // Тезисы Всесоюзной НТК "Проблемы электромашиностроения". - Ленинград. - 1991. - С.14-16.

Анотація

Глєбова М. Л. Удосконалення моделей колекторних і вентильних машин постійного струму для вибору ефективних параметрів і режимів роботи. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.09.01 - електричні машини і апарати. - Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, Харків, 2000.

Дисертація присвячена удосконаленню математичних моделей для розрахунку перехідних і стаціонарних режимів роботи колекторних і вентильних машин постійного струму (МПС). Основна увага приділена комутаційним явищам, що відбуваються у цих машинах.

Запропоновано математичну модель для дослідження перехідних режимів роботи колекторних МПС, що дозволяє досить повно враховувати комутаційні процеси (комутаційну реакцію якоря, перехідний спад напруги в щітковому контакті), а також насичення магнітопроводу і вихрові струми. Диференційні рівняння цієї моделі подані у канонічному вигляді і при необхідності врахування вказаних вище явищ можно без ускладнень використовувати до неї селективний підхід.

Запропоновано метод розрахунку процесу комутації колекторних МПС у стаціонарних режимах роботи, в основу якого покладена заміна системи диференціальних рівнянь одним диференціальним рівнянням відносно групового струму з наступним його поділом на струми секцій, що комутуються.

Розроблено спрощену математичну модель для розрахунку сталих режимів роботи вентильних МПС, що має достатній ступінь точності. Для проведення гармонійного аналізу форми кривої якірного струму вентильного двигуна постійного струму розроблені статистичні моделі, що дозволять значно скоротити обсяги обчислень у порівнянні з дослідженнями на моделі високого рівня.

Ключові слова: колекторна машина постійного струму, вентильна машина постійного струму, математична модель, комутаційні явища.

Аннотация

Глебова М. Л. Усовершенствование моделей коллекторных и вентильных машин постоянного тока для выбора эффективных параметров и режимов работы. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.01 - электрические машины и аппараты. - Национальный технический университет “Харьковский политехнический институт”, Харьков, 2000.

Диссертация посвящена усовершенствованию математических моделей для расчёта переходных и стационарных режимов работы коллекторных и вентильных машин постоянного тока. При этом основное внимание было уделено коммутационным явлениям, происходящим в этих машинах.

Предложена математическая модель для исследования переходных режимов работы коллекторных машин постоянного тока (МПТ), которая позволяет достаточно полно учитывать коммутационные явления, а также насыщение магнитопровода и вихревые токи. Коммутационная реакция якоря учитывалась введением в модель дополнительного уравнения напряжения эквивалентного короткозамкнутого коммутирующего контура с переменными параметрами и расположенного на якоре машины в продольной оси. Уточнены формулы для расчёта переходного падения напряжения в щёточном контакте, что особенно важно для динамических режимов работы коллекторных МПТ. При этом все дифференциальные уравнения модели представлены в каноническом виде и при необходимости учёта перечисленных выше явлений можно без затруднения использовать к ней селективный подход.

Для преодоления проблемы устойчивости при решении системы дифференциальных уравнений, описывающих процесс коммутации коллекторных (МПТ) в стационарных режимах работы предложен метод, позволивший существенно понизить порядок указанной выше системы. В основу нового метода положена замена системы дифференциальных уравнений одним дифференциальным уравнением группового тока с последующим его разделением на токи коммутируемых секций.

Разработана упрощённая математическая модель, для расчета установившихся режимов работы вентильного двигателя постоянного тока (ВДПТ) с учётом насыщения магнитной цепи машины. Проведенная оценка точности модели показала, что максимальная погрешность при расчете скоростных и механических характеристик не превышает 9% и имеет место на участке малых нагрузок, в котором может наблюдаться не учитываемый в модели режим прерывистых токов. При этом определено, что погрешности характеристик вентильного двигателя в статических режимах в решающей степени зависят от точности учета насыщения и при его некорректном учете механические и скоростные характеристики имеют неустойчивый характер.

Проведена оценка уровня пульсаций электромагнитного момента ВДПТ. Определено, что для часто встречающихся на практике углов опережения отпирания тиристоров (500 650) и малой нагрузке двигателя (5 100), амплитуда пульсирующей составляющей электромагнитного момента может достигать 60100% от его среднего значения.

Показано, что для каждого сочетания индуктивных параметров вентильного двигателя существует определенный угол опережения, при котором электромагнитный момент будет максимальным. При малых углах опережения (300400) пульсации электромагнитного момента уменьшаются, но при этом так же уменьшается и перегрузочная способность вентильного двигателя. Это приводит к необходимости выбирать оптимальный угол в зависимости от конкретных условий работы и требований, предъявляемых к двигателю.

Рассмотрено влияние индуктивного сопротивления якорной обмотки и параметров демпферной системы ротора вентильного двигателя на пределы его коммутационной устойчивости и относительные пульсации электромагнитного момента. Увеличение этих реактивностей действует на работу вентильного двигателя двояко: с одной стороны, увеличивается угол коммутации тиристоров k и снижается коммутационная способность двигателя, а с другой - уменьшаются пульсации электромагнитного момента.

Для проведения гармонического анализа формы кривой якорного тока ВДПТ были разработаны статистические модели, которые позволили сократить объёмы вычислений по сравнению с исследованиями на модели высокого уровня.

Ключевые слова: коллекторная машина постоянного тока, вентильная машина постоянного тока, математическая модель, коммутационные явления.

Abstract

Glebova M. L. Improvement of models of DC collector and gate machines for the choice of the efficient parameters and modes of operation. - Manuscript.

This is the thesis for technical sciences candidate's degree on a speciality 05.09.01 - electrical machines and devices. - National Technical University “Kharkov Polytechnical Institute”, Kharkov, 2000.

The dissertation is devoted to the improvement of the mathematical models for calculation of transitive and stable modes of DC collector and gate machines operation. The switching phenomena occurring in these machines have been highlighted.

The mathematical model for research of transitive modes of DC collector machines operation is offered. It allows well to take into account the switching phenomena (armature switching reaction, transitive power failure in brush contact) and saturation of magnetic core and vortical currents. Differential equations of model are given in canonical forms and in case of necessity of taking into account of the listed above phenomena the selective approach can be used.

The method of calculation of the switching processes of the DC collector machines in stable modes is suggested. It is based on the replacement of the system of the differential equations by the one differential equation of the group current with its further separation to the currents of the switching sections.

The simplified mathematical model for calculation of the stable modes of DC gate machines operation is developed.It has a sufficient degree of accuracy. The statistical models for realization of the harmonious analysis of the form of the DC gate engine armature current curve were developed. They allow to reduce the volume of calculations in comparison with the research on the high level models.

Key words: DC collector machine, DC gate machine, mathematical model, switching phenomena.

Размещено на Allbest.ru

...