Высокочастотные электромагнитные процессы в электроприводе с линейным асинхронным двигателем при питании от преобразователя частоты с широтно-импульсной модуляцией

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

Высокочастотные электромагнитные процессы в электроприводе с линейным асинхронным двигателем при питании от преобразователя частоты с широтно-импульсной модуляцией

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы.

кандидата технических наук

Доан Ань Туан

Санкт-Петербург, 2007

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, засл. деятель науки РФ Коськин Ю.П.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ковчин С.А.

кандидат технических наук, доцент Позняк И.В.

Ведущая организация: ОАО «Силовые машины» филиал «Электросила» в Санкт-Петербурге.

Защита диссертации состоится «___ »_______2007 года в часов на заседании диссертационного совета Д 212.238.05 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «___»_______2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Дзлиев С.В.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Большая часть энергосберегающих технологий в мире в настоящее время разрабатывается на основе применения асинхронных электроприводов с частотным управлением. В качестве преобразователей частоты (ПЧ) широко используются ПЧ с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) напряжения.

Применение линейных асинхронных двигателей (ЛАД) в электроприводах возвратно-поступательного движения обеспечивает упрощение кинематической схемы привода, повышение надежности, снижение механических потерь и ряд других преимуществ.

Применение ПЧ-ШИМ в асинхронных линейных электроприводах (АЛЭП) сопровождается возникновением в системе ПЧ-ШИМ - кабель - ЛАД высокочастотных электромагнитных процессов (ВЧЭП), обусловленных несинусоидальностью и импульсами напряжения на выходе ПЧ и имеющих частоту 10⁴ - 10⁶ Гц.

При наличии в системе ВЧЭП актуальной становится проблема электромагнитной совместимости ПЧ и статорных обмоток ЛАД. В качестве критериев совместимости обычно рассматриваются перенапряжения, дополнительные потери энергии, старение изоляции и надежность.

Анализ опубликованных трудов применительно к указанной проблеме, а также опыт, приобретенный автором при выполнении НИР в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в период 2004 - 2007 гг., позволяют считать, что до самого последнего времени в электротехнике остаются актуальными и нерешенными задачи, связанные с моделированием и анализом ВЧЭП в АЛЭП с ПЧ-ШИМ, созданием методик расчетного и экспериментального определения высокочастотных параметров (ВЧП) и показателей эффективности функционирования АЛЭП.

Актуальность темы подтверждается запросами промышленных предприятий и, в частности, договорами №6343/РАПС-48 от 01.04.2003 и №6575/РАПС-53 от 25.05.2006, с учетом которых решались задачи при подготовке диссертации.

Цель диссертационной работы - определение и анализ параметров и характеристик высокочастотных электромагнитных процессов в асинхронном линейном электроприводе при широтно-импульсной модуляции напряжения.

Объектом исследования являются электроприводы на основе линейных асинхронных двигателей, совмещенных с преобразователями частоты с ШИМ напряжения.

Предметом исследования являются параметры и характеристики высокочастотных электромагнитных процессов, имеющих место в системе ПЧ-ШИМ - ЛАД, в нормальных условиях эксплуатации.

Исследовательские задачи, решаемые в работе:

· Разрабатывается математическая модель электропривода, включающего многоуровневый ПЧ-ШИМ - кабель - ЛАД, учитывающая взаимно-индуктивные и емкостные связи и их зависимость от частоты напряжения;

· Исследуется кривая выходного напряжения ПЧ-ШИМ;

· Разрабатываются методики расчета и экспериментального определения высокочастотных параметров, учитывающие частоту тока, магнитное насыщение и вихревые токи;

· Выполняется компьютерное моделирование высокочастотных электромагнитных процессов в системе ПЧ - статорные обмотки ЛАД, учитывающее исполнение зубцово-пазовой зоны и способы включения компенсационных и основных катушек;

· Изготавливаются физические модели ПЛАД и ЦЛАД и выполняется экспериментальная проверка предлагаемых методик расчета высокочастотных параметров, перенапряжений и перекосов напряжения при различных способах соединения катушек и образования параллельных ветвей в статорных обмотках ЛАД;

· Разрабатываются рекомендации и алгоритмы проектной оценки вариантов электропривода на основе ЛАД, функционально совмещенного с ПЧ-ШИМ, обеспечивающие повышение надежности системы за счет уменьшения перенапряжений.

Методы исследования. Исследование высокочастотных электромагнитных процессов и разработка методик выполнены с использованием теории электромагнитного поля, теории электропривода и цепных схем, а также методов гармонического и частотного анализа.

Численные методы применяются с использованием пакетов прикладных программ MathCad, MatLab, Matematica и др.

Обработка экспериментальных данных производится с применением программ Excel. Оценка адекватности разработанных математических и физических моделей выполняется при проведении натурных испытаний экспериментальных образцов ЦЛАД и ПЛАД, а также путем сопоставления расчетных и экспериментальных данных диссертации с соответствующими материалами других авторов.

Научная новизна. Научная новизна диссертации заключается в учете особенностей работы многоуровневых ПЧ-ШИМ, конструктивных особенностей однослойных и двухслойных обмоток, способов образования параллельных ветвей и включения компенсационных катушек ЛАД, а также магнитного сопротивления и вихревых токов ферромагнитопроводов при разработке методик расчета высокочастотных параметров и перенапряжений в электроприводе на основе ПЧ-ШИМ и ЛАД. Получены новые экспериментальные данные по параметрам и перенапряжениям, учитывающие особенности взаимовлияния электромагнитных волн рабочей частоты и высоких частот, обусловленных ШИМ подводимого к статорным обмоткам напряжения.

Достоверность научных и практических результатов. Достоверность научных положений, результатов и выводов диссертации обуславливается корректным использованием современной теории электромагнитного поля, электромеханики и электропривода; аппарата математической физики и теории рядов Фурье; применением современных компьютерных средств и программных комплексов; использованием прецизионной измерительной аппаратуры; экспериментальным подтверждением адекватности полученных теоретическим и опытным путем результатов. магнитный насыщение электропривод асинхронный

Практическая ценность состоит в следующем:

· Разработаны рекомендации, позволяющие повысить надежность электроприводов с ЛАД и ПЧ-ШИМ на стадии их проектирования;

· Разработаны методики расчета и экспериментального определения параметров ЛАД, соответствующие высоким частотам электромагнитных процессов в обмотках при ШИМ напряжения;

· Сформулированы алгоритмы и предложены математические модели, обеспечивающие расчет и оценку перенапряжений в электроприводах с ЛАД различных конструктивных модификаций.

Реализация результатов работы. Работа подготовлена в рамках ведомственной научной программы «Развитие научного потенциала высшей школы Социалистической Республики Вьетнам», а также учитывает задачи, стоящие перед электротехнической промышленностью РФ.

Результаты диссертационной работы использованы при преподавании студентам 5 курса учебных дисциплин «Научные основы электромеханотроники» и «Электромеханотронные преобразователи», а также при выполнении хоздоговорных работ № 6343/РАПС-48 от 01.04.2003 и № 6575/РАПС-53 от 25.05.2006.

Апробация работы. Основные положения и результаты были представлены и обсуждены на внутривузовских научно-технических конференциях в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в 2005, 2006 и 2007 гг., а также на научных семинарах кафедры робототехники и автоматизации производственных систем СПбГЭТУ «ЛЭТИ» и на научно-техническом совете ОАО «Силовые машины» филиал «Электросила».

Научные результаты, выносимые на защиту:

1. Новые математические модели электропривода с ЛАД, учитывающие особенности работы ПЧ-ШИМ, взаимные индуктивные и емкостные связи при различных значениях частоты напряжения.

2. Новые методики расчетного и экспериментального определения и оценки гармонического состава кривой выходного напряжения ПЧ-ШИМ.

3. Новые методики расчета магнитных и электрических высокочастотных параметров ЛАД, отличающиеся учетом частоты напряжения, вихревых токов и магнитного насыщения.

4. Результаты компьютерного моделирования высокочастотных процессов и параметров электропривода с ЛАД и ПЧ-ШИМ.

5. Результаты экспериментального исследования высокочастотных процессов на созданной в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» установке, обеспечивающей изменение электрических схем обмоток, применение экранов и бегунов различного исполнения и вариации в кабельных линиях.

Публикация. По теме диссертации опубликованы 2 статьи - из перечня изданий, рекомендованных ВАК).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из пяти разделов, заключения и списка литературы, включающего 137 наименований. Основная часть работы изложена на 132 страницах машинописного текста. Работа содержит 97 рисунков и 8 таблиц.

Основное содержание работы

Первый раздел является вводным и содержит обзор опубликованной литературы, обоснование актуальности темы и формулировки цели и задач диссертации.

Во втором разделе разрабатывается математическая модель электропривода с ЛАД и ПЧ-ШИМ.

Уравнения модели составляются при следующих общих допущениях:

Полупроводниковые вентили рассматриваются как идеальные ключевые элементы, которые в открытом состоянии замыкают накоротко участки электрических цепей, а в закрытом - разрывают их.

Считается, что ПЧ-ШИМ формирует на выходе трехфазную систему напряжений, образующуюся из одиночных и совмещенных трапецеидальных импульсов.

Соединительный кабель рассматривается как однородная длинная линия;

Фазы статорной обмотки ЛАД рассматриваются как неоднородные цепные схемы, образованные из катушек, сохраняющих постоянство параметров в исследуемых режимах и связанных через взаимные индуктивности и емкости.

Статорные обмотки и компенсационные катушки располагаются в ЛАД, образуя симметрированную трехфазную систему.

Магнитное поле в активной зоне ЛАД при частотах регулирования является бегущим полем и определяет степень магнитного насыщения шихтованной стали сердечников.

Рассматривается электропривод с многоуровневым ПЧ на транзисторных модулях IGBT или на приборах JCCT. Преобразование постоянного напряжения в трехфазное переменное напряжение осуществляется с помощью автономного инвертора напряжения (АИН). Предполагается, что число уровней АИН может изменяться от 2 до 7.

При составлении систем уравнений ПЧ используется методология М.В. Пронина, основанная на разделении сложных электрических систем на подсистемы, взаимосвязанные зависимыми источниками напряжения и тока. Считается, что каждые два транзистора, подключенные к одной фазе ЛАД, работают в противофазе: если один транзистор открыт, другой закрыт и наоборот. Режимы, в которых оба транзистора открыты или закрыты, отсутствуют.

В качестве примера в диссертации рассматривается трехуровневый ПЧ, расчетная схема которого представлена на рис.1.

Рис. 1. Расчетная схема электропривода с трехуровневым АИН и ЛАД.

Состояния транзисторов описываются функциями k_in (n = 1, 2, 3 - номер фазы), которые принимают значения 1, если открыты транзистор или обратный диод, подключающие фазу к положительному полюсу конденсатора, и значение 0, если открыты транзистор или обратный диод, подключающие фазу к отрицательному полюсу (Рис. 2).

Рис. 2. Опорное напряжение u_оп, напряжение управления u_у и функции состояния транзисторов k_i фазы АИН в режиме синусоидальной ШИМ.

Напряжения и токи определяются в зависимости от времени, задаваясь интервалами времени ?t. На каждом интервале ?t определяются напряжения на емкостях u_c1, u_c2 и конденсаторы заменяются зависимыми источниками напряжения u_rc1, u_rc2:

(1)

где m = 1, 2.

Затем осуществляется перенос источника u_rc1 в ветви схемы, которые сходятся в положительном полюсе входной цепи АИН, а также перенос источника u_rc2 в ветви схемы, которые сходятся в отрицательном полюсе. Далее эти источники переносятся в плечи транзисторного моста. В результате исходная схема рис.1 распадается на подсхемы, изображенные на рис.3.

Рис. 3. Подсхемы электропривода с трехуровневым транзисторным АИН и ЛАД.

В результате ЭДС первичной обмотки трансформатора определяются из выражений:

(2)

ЭДС фаз вторичных обмоток, соединенной в звезду, равняются:

(3)

ЭДС фаз вторичных обмоток, соединенной в треугольник, при преобразовании ее в звезду:

(4)

Уравнения для определения токов нагрузки при частоте управления записаны в виде:

(5)

Фазные ЭДС и напряжения на выходе инвертора:

(6)

Регулирование тока нагрузки и определение напряжений управления трехуровневого АИН осуществляется в соответствии с выражениями:

(7)

где: t - время (с); щ_у - заданная угловая частота напряжения управления (рад./c); U_умах - амплитуда напряжений управления (о.е.)

Уравнения в виде (1) - (7) образуют математическую модель трехуровневого ПЧ в мгновенных значениях.

Рассматриваются известные модификации плоских (ПЛАД) и цилиндрических (ЦЛАД) линейных асинхронных двигателей с однослойными и двухслойными обмотками и компенсационными катушками (КК), применение которых было обосновано в работах А.И. Вольдека. Конструктивные оболочки ЛАД учитываются при определении ВЧП. Особенности статорных обмоток ЛАД и наличии КК учитываются при составлении эквивалентных схем замещения (Рис.4) и в математических моделях ЛАД.



Рис. 4. Эквивалентная схема замещения участка dx трехфазной обмотки.

Считается, что в нормальных режимах функционирования АЛЭП отсутствует режим холостого хода фаз статорной обмотки ЛАД, а между фазами обмотки действуют трехфазные симметричные прямые и обратные системы напряжений, обусловленные н-тыми временными гармониками.

В описываемых далее модулях индексы н опускаются. Считается, что каждая система уравнений соответствует н-той гармонике напряжения, а значения параметров - частоте f_н = нf₁, где f₁ - частота первой (основной) гармоники напряжения.

Обмотки ЛАД рассматриваются как неоднородные цепные схемы замещения, используя методологию З.Г. Каганова. При этом катушки фаз представляются (Рис.4) через их эквивалентные ВЧП: r - сопротивление, эквивалентное потерям в меди и экранах, включая сталь сердечников; G - проводимость, учитывающая потери в изоляции обмоток; L - полная эквивалентная индуктивность катушки, учитывающая ее собственную и взаимные индуктивности; К - эквивалентная продольная емкость, учитывающая собственную междувитковую емкость катушки и междукатушечные емкости; С - эквивалентная поперечная емкость катушки (емкость на корпус). Индекс n = 1, 2, …N_к соответствует номеру катушки в фазе обмотки статора. Сочетания nA, nB, nC учитывают принадлежность катушек к разным фазам. Взаимные индуктивности между катушками обозначены M_nAB, M_nAC, M_nBC. Считаем, что M_nAB = M_nBA, M_nAC = M_nCA, M_nBC = M_nCB.

Элементу dx в схеме соответствуют параметры на единицу длины обмотки или одной катушки.

Уравнения ЛАД получены в виде:

(8)(9)

В уравнениях (8) и (9) параметры L_n, r_n, C_n, G_n, K_n являются квадратными матрицами.

Тензорами напряжений в уравнении (8) соответствуют матрицы-столбцы:

(10)

Определение емкостных токов между фазами производится, используя матрицы-столбцы напряжений:

 (11)

где матрицы u_nA, u_nB, u_nC определяются по ур. (10).

Фазные напряжения определяются по уравнениям:

(12)

Используемая в работе матричная модель трехфазного ЛАД отличается от известных возможностью учета неодинаковых волновых параметров компенсационных и основных катушек, а также взаимных индуктивных и емкостных связей между катушками разных фаз.

Модель кабеля, соединяющего ЛАД с ПЧ, как цепи с распределенными параметрами, составляют матричные уравнения:

(13)

(14)

где L, C, r, G - матрицы эквивалентных параметров кабеля; u, i - матрицы-столбцы напряжений и токов.

В третьем разделе исследуются высшие гармоники в кривой выходного напряжения ПЧ-ШИМ. При этом используются кривые u(t), получаемые с помощью уравнений п.2.2, а также известный способ определения u(t) через гармоники, возникающие при ШИМ напряжения, предложенный Д.Г. Холмсом и Т.А. Липо.

Для получения уравнений, записанных в рядах Фурье, выходное напряжение ПЧ рассматривается как функция двух переменных u(x, y):

(15)

После подстановки в ур. (15) значений , , где: , и , - угловые частоты и начальные фазы опорного напряжения и напряжения управления, имеем:

(16)

где - комплексные коэффициенты; m = 1, 2,…,?; n = 1, 2,…,?.

В уравнении (16) первая сумма соответствует гармоникам, определяемым напряжением управления, вторая - опорным напряжением, третья - комбинационные гармоники.

Используя уравнения (1) - (7), (15) и (16) получены u(t) многоуровневых ПЧ и спектрограммы содержащихся в них гармоник.

На рис.5 показаны типичные кривые u(t) для двухуровневого (а) и семиуровневого (б) преобразователей, образованные из импульсов напряжения и существенно несинусоидальные. Анализ кривых u(t) при различных значениях f_оп, f_у,… u_оп/ u_у с помощью спектрограмм позволил установить зависимость спектров и амплитуд высших гармоник напряжения от опорной частоты и режимов работы ПЧ и показать, что значения U_н могут доходить до 50% от действующего значения напряжения первой гармоники, а порядок f_н соответствует величинам 10³ - 10⁴ Гц. На рис.6 показана спектрограмма двухуровневого ПЧ, иллюстрирующая это положение. Высшие гармоники, возникающие из-за импульсов ШИМ имеют порядок 10⁴ - 10⁵ Гц и зависят от величины фронта импульса.

Рис. 5. Кривые напряжений ПЧ.



Рис. 6. Спектр гармоник в кривой напряжения двухуровневого ПЧ.

Исследована зависимость амплитуд гармоник от соотношения между f_оп и f_у. Получено (Рис.7), что увеличение f_оп/ f_у уменьшает амплитуды гармоник прямой и обратной последовательностей; установлено, что амплитуды нулевых гармоник являются пренебрежимо малыми.

Далее в третьем разделе разработаны новые и уточнены известные методики расчета магнитных и электрических ВЧП ЛАД и кабеля, определяющих характеристики ВЧЭП, происходящих в электроприводе.

Подтверждено, что ВЧП отличаются от известных и широко используемых при f ? 10¹ - 10² Гц параметров необходимостью учета емкостных и индуктивных связей и потерь, проявляющихся при частотах свыше 10³ Гц. Установлено, что ВЧП при этом следует рассматривать как эквивалентные параметры, являющиеся весьма сложными функциями истинных параметров элементов ЛАД и частоты приложенного напряжения.

При определении индуктивностей и взаимных индуктивностей используется способ, впервые предложенный в работах Л.А. Цейтлина, З.Г. Каганова и Ю.К. Горбунова, основанный на замене полузакрытого паза овальной трапецеидальной формы круглым пазом, совокупности проводников катушечной стороны - одним эквивалентным массивным проводом, ток в котором, ввиду весьма высокого значения f_н, распределяется равномерно в тонком слое вблизи поверхности. Новым является то, что стенки пазов и сплошные конструктивные оболочки вокруг лобовых частей обмоток, рассматриваются как многослойные электромагнитные экраны со щелями. Число экранов, их толщины и зазоры определяются с учетом конструкции паза. Магнитная проницаемость стали определяется из расчета магнитной цепи ЛАД по основному магнитному потоку, определяемому при частоте управления.

Используя законы полного тока в одномерном приближении, получены выражения для эквивалентных магнитных проводимостей экранов в виде

(17)

где - безразмерный коэффициент, учитывающий геометрические и магнитные параметры участков, образующих i-тый экран; j - номер участка в i-том экране; j_щ - число щелей в i-том экране; R_э и R_э+1 - внутренний и наружный радиусы i-того экрана.

Собственные и взаимные индуктивности катушек определяются в виде:

(18)

(19)

Значения проводимостей и , и находятся по обычным формулам для f = 10² - 10³ Гц и по разработанным в диссертации формулам вида (17) - (19) для f > 10³ Гц.

В формулах (18) и (19) - собственные () и взаимные () проводимости катушек фазы; - магнитные проводимости между катушками разных фаз.

Разработанные алгоритмы допускают возможность расчета L и M, используя практически любые конфигурации (не только круговые или прямолинейные) путей для высокочастотных потоков.

Приводимые в работе формулы учитывают действие вихревых токов (с помощью коэффициента K_вт), а также сокращение шага в двухслойных обмотках. Значения магнитной индукции в местах расположения КК определяются с учетом действия продольного краевого эффекта.

Электрические ВЧП определяются известными способами.

Переход от полных сопротивлений и проводимостей катушек к эквивалентным параметрам на единицу длины, используемым в матричных уравнениях раздела 2, осуществляется или путем деления величины соответствующего параметра катушки на длину ее провода или параметра фазы - на число последовательно соединенных катушек в фазе. В последнем случае в качестве координаты x используется n - порядковый номер катушки.

Типичные зависимости ВЧП ЛАД от частоты определены в виде кривых относительных значений, показанных на рис.8. За базовое значение ВЧП принято значение при f = 1 кГц.

Установлено влияние конструкции ЛАД и типа обмотки статора на ВЧП: сопротивление меди r_м катушки двухслойной обмотки уменьшается по сравнению с однослойной из-за уменьшения W_к; с увеличением числа пазов активное сопротивление катушки также уменьшается. То же происходит в случае увеличения числа параллельных ветвей и мощности ЛАД. Индуктивность L_кд катушки двухслойной обмотки уменьшается по сравнению с L_ко однослойной. С увеличением числа пазов ЛАД также уменьшается индуктивность катушки. В случае увеличения числа параллельных ветвей индуктивность катушки увеличивается. При увеличении мощности машины индуктивность катушки уменьшается. Сопротивление r_ст, эквивалентное потерям в стали на одну катушку, двухслойной обмотки меньше, чем в однослойной обмотке. С увеличением числа пазов Z₁, эквивалентное сопротивление r_ст катушек также уменьшается. В случае увеличения числа параллельных ветвей эквивалентное сопротивление r_ст увеличивается. При увеличении мощности ЛАД эквивалентное сопротивление r_ст катушек уменьшается. Продольная емкость катушки К_к в двухслойных обмотках увеличивается по сравнению с однослойными обмотками. С увеличением числа пазов АД, продольная емкость катушки также увеличивается. В случае увеличения числа параллельных ветвей продольная емкость катушки увеличивается. В двухслойной обмотке поперечная емкость катушки С_к уменьшается по сравнению с однослойной. С увеличением числа пазов Z₁, поперечная емкость катушки также уменьшается. В случае увеличения числа параллельных ветвей поперечная емкость практически постоянна. При увеличении мощности машины продольная емкость катушки незначительно увеличивается. В двухслойной обмотке эквивалентное сопротивление r_из увеличивается по сравнению с однослойной. С увеличением числа Z₁ пазов r_из также увеличивается. В случае увеличения числа параллельных ветвей сопротивление r_из практически не изменяется. При увеличении мощности машины сопротивление r_из немного уменьшается. С увеличением f_н индуктивность L_к уменьшается, поперечная емкость C_к уменьшается незначительно. Потери в стали увеличиваются, r_ст - уменьшается. Активное сопротивление r_м катушек увеличивается. Взаимные индуктивности и емкости изменяются при изменении основных обмоточных данных и геометрии ЛАД также, как и собственные емкости и индуктивности.

Рис. 7. Зависимость максимальных значений от частоты управления.

Рис. 8. Зависимость истинных параметров ЛАД от частоты.

В четвертом разделе осуществлено компьютерное моделирование и анализ ВЧЭП в электроприводах с ЛАД и ПЧ-ШИМ. Исследование выполнено с применением программных комплексов «Matlab + Simulink» с пакетом расширения «Power system blockset», предназначенным для моделирования электротехнических и энергетических устройств. Исследуемым системам соответствуют компьютерные модели, имеющие вид, показанный на рис.9. Количество модулей в модели, вид источника питания и значения ВЧП определяются с учетом исследуемого процесса, чисел фаз и параллельных ветвей в статорной обмотке ЛАД, вида импульса и номера высшей гармоники.

Рис.9. Компьютерная модель для расчета распределения напряжения между катушками трехфазного ЛАД.

Установлено, что при высоких частотах подводимое к ЛАД напряжение распределяется между катушками существенно неравномерно (Рис.10) и что эта неравномерность существенно зависит от значений емкости на корпус (Рис.11). Показано, что электромагнитные потери в обмотках и экранах ЛАД из-за высших гармоник увеличивают обычно учитываемые потери на 10 - 20%.

Рис.10. Распределение напряжения между катушками фазы А при f_н = var.

Рис.11. Распределение напряжения в зависимости от емкости при частоте 10 кГц.

Неравномерность распределения (перекосы) напряжения дополнительно увеличивают потери энергии в электроприводе. В работе показано (Рис.12), что электромагнитные потери от высших гармоник можно уменьшить, увеличивая значение f_оп.

Рис.12. Зависимость общих высокочастотных электромагнитных потерь и потерь в стали двигателя ТАД-5.

Исследование перенапряжений, возникающих из-за импульсов напряжений, подтвердило известное положение о том, что максимумы перенапряжений приходятся на первые катушки обмоток и увеличиваются с увеличением длины кабеля. Кроме того впервые исследована зависимость перенапряжений от типа обмотки ЛАД и значений ее ВЧП. Установлено, что ЛАД и круговые АД для электроприводов с ПЧ-ШИМ целесообразно проектировать, ориентируясь на максимально возможное, с точки зрения технологической осуществимости, число пазов статора и двухслойное исполнение статорной обмотки с минимально возможным числом параллельных ветвей.

При выборе значений f_оп и f_у учитывать собственную частоту обмотки статора.

В пятом разделе описываются экспериментальные установки с ПЛАД и ЦЛАД и ПЧ-ШИМ типа MOVITRAC 0508-231-1. В ПЛАД предусматривается: легкость разборки и переключений; съемные ферромагнитные экраны вокруг лобовых частей статорной обмотки; съемный сердечник ротора; легко заменяемые электропроводящие полосы (бегуны) из алюминия, латуни, меди; выводы от всех катушек двухслойной обмотки статора.

Экспериментальная установка также включает: прецизионный LCR-измеритель (Quad Tech 7600), обеспечивающий измерение L, C и r при изменении частоты в диапазоне от 10 Гц до 2 МГц; генератор прямоугольных импульсов НЧГ-3-34; измеритель импульсов E7-20; LC-метр типа MY6243; осциллографы С1-76, С1-94, С1-65 и др.

Наборы эталонных емкостей и индуктивностей, а также компьютер Intel (R) Pentium4 CPU, 2,6 ГГц, 512 МБ ОЗУ.

Общий вид ПЛАД в сборе (а) и статора с обмоткой (б) представлен на рис.13. На рис.14 показан LCR-измеритель (а), пределы и точность его измерений (б).

Рис.13. Общий вид ПЛАД: а) ПЛАД в сборе; б) Статор с обмоткой.

Рис.14. Общий вид измерителя: а) лицевая панель; б) Пределы и точность измерений.

Эксперимент подтвердил принципиальную правильность разработанных методик расчета собственных и взаимных индуктивностей и емкостных параметров ЛАД. Расхождение экспериментальных и расчетных данных не превышает 10 - 15%. Указанную погрешность можно считать допустимой, учитывая трудность измерения индуктивностей в диапазоне 10³ - 10⁵ Гц изменения частоты волновых процессов.

Экспериментальная оценка влияния вида схем обмоток и экранов на значения собственных и взаимных индуктивностей показала, что использование теории волноводов и пренебрежение междуфазными взаимно-индуктивными связями при исследовании перенапряжений приводит к значительным погрешностям. Сердечник ротора увеличивает индуктивности в 2 - 3 раза, а электропроводящие полосы-бегуны уменьшают индуктивности на 20 - 30%.

Получено, что индуктивности лобовых частей обмоток составляет значительную долю (до 40%) в полной индуктивностей обмоток ПЛАД. На значения лобовых собственных и взаимных индуктивностей значительное влияние оказывают конструктивные оболочки (подшипниковые щиты), выполняющие роли ферромагнитных экранов. Устранение ЛФМЭ изменяет индуктивности на 15 - 20%.

При обработке экспериментального материала разработана методика последовательного переключения числа катушек в фазах статорных обмоток и расчета средних и локальных внутрифазных и междуфазных взаимных индуктивностей.

Установлено, что значения междуфазных емкостей соизмеримы со значениями емкостей обмоток на корпус и ими нельзя пренебрегать в расчетах перенапряжений.

Экспериментально подтверждена значительная зависимость волновых индуктивностей от частоты волновых процессов. В ПЛАД с ферромагнитными сердечниками статора и ротора при переходе от 10³ к 10⁵ Гц индуктивности уменьшаются на 20 - 70%.

Эксперимент подтвердил возможность использования разработанных матричных моделей для исследования волновых перенапряжений при ШИМ напряжения в ЧУЛАД. Погрешность расчета перенапряжений доходит до 10 - 15%.

Установлено, что при совпадении щ_оп ПЧ и щ_ЛАД перенапряжения на катушках существенно возрастают (Рис.15).

Рис. 15. Осциллограмма перенапряжения на обмотке ПЛАД при изменении частоты следования импульсов (f_оп = var): а) 200Гцб) 1,5кГц в) 4,5кГцг) 20кГц

Заключение

В соответствии с целью и задачами диссертационной работы проведены теоретические и экспериментальные исследования ВЧЭП в электроприводе на основе ПЧ-ШИМ и ЛАД. Основными результатами научных исследований, выполненных автором, являются:

1. Выполнен аналитический обзор опубликованных источников, посвященных частотно-управляемым линейным асинхронным электроприводам и высокочастотным электромагнитным процессам в них, возникающим при ШИМ напряжения. Установлено, что интерес инженеров и исследователей к высокочастотным процессам является высоким и обусловлен в настоящее время проблемами надежности и электромагнитной совместимости электрооборудования, выполненного с использованием полупроводниковой преобразовательной техники. Показано, что тема и задачи, решаемые в диссертации, являются актуальными потому, что расчет высокочастотных процессов и параметров линейных электроприводов с ШИМ напряжения, учитывающий конструктивные особенности ЛАД и высокую частоту гармоник на выходе ПЧ (10⁴ - 10⁵ Гц), не обеспечен необходимыми расчетными и экспериментальными методиками.

2. Разработана математическая модель электропривода, состоящего из ПЧ-ШИМ - кабеля - ЛАД, включающая уравнения в мгновенных значениях и в виде рядов Фурье многоуровневого преобразователя частоты, матричные уравнения ЛАД и кабеля и эквивалентные схемы замещения, учитывающие взаимно-индуктивные и емкостные связи и их зависимость от частоты гармоник выходного напряжения ПЧ.

3. Исследована кривая выходного напряжения ПЧ и установлена зависимость амплитуда и спектров высших временных гармоник от числа уровней и режимов работы ПЧ: амплитуды высших гармоник при частотах 10³ - 10⁵ Гц могут достигать значений, доходящих до 50% от амплитуды основной гармоники.

4. Разработаны и экспериментально проверены методики расчета и определения на физических моделях высокочастотных электромагнитных параметров обмоток ЛАД, основанные на теории многослойных экранов с воздушными промежутками и понятиях эквивалентных и истинных параметров цепных схем замещения.

5. Разработаны и применены методики компьютерного моделирования высокочастотных параметров и процессов в линейных асинхронных электроприводах с ПЧ-ШИМ, позволившие установить сильную зависимость значений активных и индуктивных параметров от частоты в диапазоне 10³ - 10⁵ Гц; исчезновение взаимно-индуктивных связей при частотах порядка 30 - 60 кГц и выше; появление существенно-неравномерного распределения напряжения между катушками статорных обмоток при частотах свыше 10⁴ Гц.

6. Установлена необходимость совместного проектирования ЛАД и ПЧ-ШИМ с тем, чтобы по возможности: ограничить применение ЛАД с однослойными обмотками и обмотками с числом параллельных ветвей а >1; согласовывать частоты ШИМ с частотами собственных колебаний обмоток; учитывать увеличение электромагнитных потерь в ЛАД при уменьшение значения опорной частоты ШИМ.

7. В СПбГЭТУ «ЛЭТИ» при непосредственном участии автора создан экспериментальный стенд с электроприводами на основе ПЧ-ШИМ типа Movitrac, ПЛАД и ЦЛАД, обеспечивающий исследование высокочастотных параметров и процессов в асинхронных электроприводах, осуществляя переключения в статорных обмотках, образуя фазы из разного числа катушек и катушечных групп, изменяя числа параллельных ветвей в фазах. В двигателях предусматривается возможность конструктивного изменения числа ФМЭ и ЭМЭ.

Стендовые испытания подтвердили правильность разработанных методик расчета емкостных и индуктивных параметров, активных сопротивлений и потерь энергии при ШИМ.

Установлено что расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 10 - 15%.

Стенд может быть использован для проведения дальнейших экспериментальных исследований и, в частности, по оценке резонансных явлений при ШИМ-напряжения, используя данные по ВЧП и перенапряжениям, полученные в данной работе.

Список основных публикаций по теме диссертации

1. Доан Ань Туан. Математическая модель линейного асинхронного двигателя при широтно-импульсной модуляции напряжения [Текст] / Доан Ань Туан, Коськин Ю.П. // Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (Известия государственного электротехнического университета), Сер. Электротехника - СПб.: Изд-во СПБГЭТУ «ЛЭТИ». - 2005. - Вып. 1. - С. 15-26.

2. Вейнмейстер А.В. Экспериментальное исследование и анализ зависимости волновых параметров асинхронных двигателей от частоты [Текст] / А.В. Вейнмейстер, Доан Ань Туан, В.А. Дубровин // Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (Известия государственного электротехнического университета), Сер. Электротехника - СПб.: Изд-во СПБГЭТУ «ЛЭТИ», - 2006. - Вып. 1. - С. 20-25.

Размещено на Allbest.ru

...