авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Математическое моделирование компонентов каскадной системы асинхронного электропривода

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

КАРАНДЕЙ ВЛАДИМИР ЮРЬЕВИЧ

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КОМПОНЕНТОВ КАСКАДНОЙ СИСТЕМЫ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

05.09.03 – «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Краснодар – 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Попов Борис Клавдиевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

Птах Геннадий Константинович;

кандидат технических наук, доцент

Кашин Яков Михайлович

Ведущая организация: Открытое акционерное общество

«Армавирский электротехнический завод» (ОАО «АЭТЗ»)

Защита состоится « 23 » декабря 2008 года в 14-00 на заседании диссертационного совета Д 212.100.06 в ГОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет» по адресу: 350020, г. Краснодар, ул. Старокубанская, 88/4, ауд. 410

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет» по адресу: 350072, г. Краснодар, ул. Московская, 2

Автореферат разослан « 22 » ноября 2008 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент Л.Е.Копелевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Образованная постановлением Правительства РФ №726 комиссия по вопросам развития электроэнергетики выработала энергетическую стратегию России на период до 2020 года, определив одним из основных ориентиров долгосрочной политики государства в электроэнергетике повышение эффективности ее функционирования и обеспечение устойчивого развития на базе современных технологий.

Одной из ключевых, приоритетных задач электротехнической промышленности является повышение качества электроприводов и их компонентов. Значительный вклад в теорию электромеханических систем внесли Костенко М.П., Пиотровский Л.М., Вольдек А.И., Копылов И.П., Шмитц Н., Новотный Д., Нейман Л.Р., Гордон А.В., Гайтов Б.Х. и др., трудами которых создана теоретическая база для проектирования систем электроприводов. Исследованию различных видов электроприводов постоянного и переменного тока посвящены работы Чиликина М.Г., Ключева В.И., Соколова М.М., Попова В.К., Сандлера А.С. и др. Анализ выполненных работ показал, что актуальным является совершенствование систем электроприводов.

Обобщенное качество электроприводов традиционно описывается энергетическими характеристиками и массогабаритными показателями. Внедрение научно обоснованных технико-экономических критериев, отражающих эксплуатационную надежность электроприводов (долговечность, надежность, технологичность, расходы на эксплуатацию и ремонт и т. д.) способствует ужесточению требований к техническим характеристикам электроприводов. Такими характеристиками являются виброакустические параметры, неравномерность рабочего зазора и др. В связи с этим актуальна проблема определения мгновенной угловой скорости вращения и пульсаций мгновенного момента на валу электрического привода. По степени равномерности мгновенного значения вращающего момента на валу можно прогнозировать остаточный ресурс электропривода. Пульсирующие моменты вызывают ускоренное старение изоляционных материалов из-за перегрева, вызванного потерей энергии, потребляемой из сети. Повышенный износ подшипниковых узлов, связанных с наличием пульсирующих моментов, снижает надежность и долговечность электропривода, требуя увеличения расходов на его эксплуатацию и ремонт.



В связи с этим актуальны следующие проблемы, анализируемые в нашем исследовании:

– теоретического обоснования моделей специальных систем электроприводов как совокупности электромагнитов переменного тока;

– создания математической модели, позволяющей определять токи, ЭДС, напряжения, пространственные и электрические углы в электроприводах;

– определения мгновенных значений угловой скорости вращения вала и вращающего момента;

– выявления аналитических зависимостей для расчета магнитных сопротивлений специальных конструкций электроприводов.

Итак, актуальность исследования определяется потребностью электротехнической промышленности России в совершенствовании высокоточных прецизионных электроприводов станков, систем телекоммуникации и связи, приводов прокатных станов, так как позволяет улучшить их качество и технико-экономические показатели.

Объектом исследования являются специальные асинхронные системы электропривода:

– цилиндрическая (САЦ);

– цилиндрическая с двойным статором (САЦС);

– цилиндрическая с двойным ротором (САЦР).

Целью исследования является разработка математических моделей расчета компонентов каскадной системы асинхронного электропривода для решения конкретных практических задач по проектированию и повышению эффективности их эксплуатации.

Задачи исследования. Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи:

– разработка математической модели для исследования специальных систем электроприводов, их параметров, учитывая, что электроприводы представляют собой совокупность электромагнитов переменного тока, объединенных в единую систему;

– разработка математической модели электромеханических процессов специальных систем электроприводов с целью определения зависимостей между напряжениями и токами статора и ротора;

– создание методики определения пульсаций мгновенных значений момента на валу электрического привода;

– получение аналитических соотношений для расчета сопротивлений магнитному потоку специальных асинхронных систем электроприводов (САЦ, САЦС, САЦР).

Методы исследования. В качестве методов исследования использованы положения теории магнитных цепей (для расчета значений сопротивлений магнитному потоку катушек специальных асинхронных систем электроприводов), метода наложения (для получения величин магнитных потоков в магнитных цепях специальных асинхронных систем электроприводов), теории электромеханического преобразования энергии, теории электропривода и методы программирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

– разработана математическая модель магнитной и электрической цепи компонентов каскадной системы асинхронного электропривода;

– разработана математическая модель, позволяющая определять токи, ЭДС, напряжения статора и ротора и зависимости пространственных и электрических углов сдвига в каскадных системах асинхронного электропривода;

– разработана инженерная методика расчета электромеханических параметров каскадного электрического привода (пульсации мощности и момента) при вращении его вала;

– получен ряд аналитических зависимостей, характеризующих параметры, необходимые для проектирования магнитной цепи специальных асинхронных систем электроприводов.

Практическая ценность. Разработанные модели реализованы в виде программных продуктов, предназначенных для расчета электромеханических параметров каскадного асинхронного электрического привода. Получены свидетельства об официальной регистрации программ ЭВМ для расчета магнитной системы статора методом магнитных цепей (№ 2006610548 от 8.02.2006 г.), магнитной системы ротора методом магнитных цепей (№ 2008614047 от 25.08.2008 г.), токов статора и ротора в каскадном электрическом приводе (№ 2008614048 от 25.08.2008 г.). Разработана инженерная методика расчета компонентов каскадного асинхронного электропривода. Усовершенствована конструкция управляемого каскадного электрического привода, осуществляющего многоступенчатую электромагнитную редукцию скорости и момента.

Положения, выносимые на защиту: математическая модель магнитной и электрической цепи компонентов каскадной системы асинхронного электропривода; математическая модель, определяющая характеристики каскадных систем асинхронных электроприводов: токи, ЭДС, напряжения статора и ротора и зависимости пространственных и электрических углов сдвига; результаты инженерных расчетов электромеханических параметров каскадного электрического привода (пульсации мощности и момента), необходимые для проектирования специальных асинхронных систем электроприводов.

Реализация результатов исследования. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом государственных бюджетных научно-исследовательских работ кафедры «Электроснабжения промышленных предприятий» ГОУ ВПО «Кубанского государственного технологического университета» № 5.1 01-05 01200117876 «Повышение эффективности электротехнических комплексов и систем».

Результаты диссертационной работы внедрены в ОАО «Ростелеком», ОАО «Московский узел связи энергетики», в учебный процесс кафедры «Электропривода и автоматизации промышленных установок и технологических комплексов» ГОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», в учебный процесс кафедры «Электроснабжения промышленных предприятий» ГОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет». Разработанные методы определения необходимых параметров, математические зависимости и аналитические зависимости могут быть использованы при нахождении пульсаций момента для вновь проектируемых специальных систем электроприводов при курсовом и дипломном проектировании на специализированных кафедрах высших учебных заведений, а также в соответствующих проектных институтах и конструкторских бюро.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на научно-практической конференции «Электроэнергетические комплексы и системы» (ГОУ ВПО «КубГТУ» Краснодар, 28 мая 2005г.), на международной научно-практической конференции «Электроэнергетические комплексы и системы» (ГОУ ВПО «КубГТУ» Краснодар, 25 апреля 2006г.), на всероссийской конференции – конкурсного отбора инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направлению программы «Энергетика и энергосбережение» г. Томск, (ГОУ ВПО «ТПУ» 26-29 сентября 2006г.), на международной научно-практической конференции «Электроэнергетические комплексы и системы» (ГОУ ВПО «КубГТУ» Краснодар, 20-21 марта 2007г.), на пятой Всероссийской научной конференции «Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки» (ГОУ ВПО «КубГТУ» Краснодар, 5-6 апреля 2007г.), на 45-й международной научно-практической конференции «Инновационные технологии – транспорту и промышленности», (г. Хабаровск, ДВГУПС, 7-9 ноября 2007 г.), на 1-ой Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (г. Краснодар, КГАУ, 14-16 ноября 2007 г.), на всероссийской научной конференции «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования» (г. Хабаровск, ДВГУПС, 22-24 апреля 2008 г.), на 3-ей молодежной международной научной конференции «Тинчуринские чтения» (г. Казань, ГОУ ВПО КГЭУ, 24-25 апреля 2008 г.), на международной научно-технической конференции «ЭНЕРГЕТИКА – 2008: инновации, решения, перспективы» (г. Казань, ГОУ ВПО КГЭУ, 15-19 сентября 2008 г.).

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 29-ти печатных работах, из них две статьи в центральных журналах, в том числе одна по рекомендуемому списку ВАК, три свидетельства о регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка использованной литературы, содержащего 123 наименований, и приложений. Общий объём работы 273 страницы, включая 44 рисунка на 54 страницах, одна таблица, 94 страниц приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, рассмотрены приоритетные задачи электротехнической промышленности и показаны особенности технико-экономических критериев по надежности электроприводов, сформулированы цель и задачи, научная новизна результатов исследования, приведены основные положения, выносимые на защиту, сведения о реализации и апробации результатов.





В первой главе "Анализ конструкций, методов математического моделирования и расчёта электромеханических характеристик специальных электроприводов" исследованы различные виды электрических приводов постоянного и переменного тока. Проанализировав работы с описанием конструкций различных электроприводов, выявлен общий недостаток, характерный для всех этих систем – значительные пульсации мгновенного момента.

Анализ системы уравнений, описывающей электрические и механические процессы в электроприводах показывает, что основной проблемой является получение значения величины потокосцепления как от обмотки статора, так и ротора и величины электромеханического момента. Для определения последнего было использовано уравнения момента идеализированной системы, полученное Шмитцем Н. Рассмотрены уравнения для определения моментов специальных систем электроприводов, приводимые в работах Xiao Wei, Zhu Yu-wu, Okamoto Yo, Ran Zhengyun, Stumberger B, Meng Qing-chun.

Сравнительный анализ методов расчета магнитных систем электроприводов показывает, что основным методом расчета является метод конечных элементов, однако следует отметить и ряд недостатков этого метода, например, для исследования моментов, действующих в системах электроприводов и задач оптимизации численное решение не эффективно. В системах со сложными распределенными в пространстве обмотками возникают трудности в определении потокораспределения. В классической теории распределение магнитодвижущей силы по поверхности ротора определяется из закона полного тока в предположении, что магнитным сопротивлением стали статора и ротора можно пренебречь. Полученную ступенчатую функцию разлагают в ряд Фурье, ограничиваясь первым членом ряда. Используя этот результат, рассчитывают магнитную систему. Расчеты носят качественный характер. Их точность повышают введением различных уточняющих коэффициентов.

Точность определения момента напрямую зависит от точности расчета параметров электромагнитной системы компонентов асинхронного электропривода. В результате изучения методик расчета магнитных систем, для дальнейшего исследования выбран метод магнитных цепей, поскольку системы электрического привода имеют малый воздушный зазор, а значит, в номинальном режиме работы поток рассеяния незначителен. Такой подход позволяет без сложных математических выкладок осуществить математическое моделирование нелинейной электромагнитной системы электропривода.

Во второй главе "Расчет магнитных цепей специальных электроприводов" выведены формулы для расчета магнитных сопротивлений различных конструкций специальных электроприводов. С использованием метода наложения, определено потокораспределение в магнитных системах специальных электроприводов (САЦ, САЦС и САЦР).

Магнитная система исследуемых электроприводов имеет незначительные воздушные зазоры и в номинальном режиме работы значения магнитной индукции не выходят за колено кривой намагничивания магнитопровода. Расчет магнитного потока для отдельной катушки в такой системе осуществляется с помощью закона Ома для магнитной цепи

, (1)

где ток, протекающий в катушке; количество витков катушки;

магнитное сопротивление потоку катушки.

Расчет магнитной системы компонентов асинхронного электропривода со сложными распределенными в пространстве обмотками проведен по авторской методике. Магнитные системы статора и ротора представлены в виде совокупности простейших электромагнитов, магнитные системы которых многократно пересекаются. Применяя метод наложения, рассчитываем магнитную систему электрического привода, считая ее линейной. Разбивем магнитную цепь на участки, каждый из которых имеет заданное значение индукции. Значение величины магнитной индукции уточняется методом последовательных приближений в случае нелинейных режимов работы. Использование предложенной методики дает минимальные погрешности в расчетах нелинейных систем по сравнению с лианеризованными.

Рассчитаны магнитные потоки каждой катушки обмоток в предположении, что в момент определения потока остальные катушки выключены. После этого, используя принцип наложения, потоки складываем со сдвигом в пространстве. В данном методе последовательно складываются магнитные сопротивления статора, ротора, воздушного зазора. Для магнитной цепи применяется закон Ома. Расчеты для каждой катушки идентичны.

Разработан метод расчета суммарного магнитного потока для всех типов электроприводов, с представлением магнитной цепи из пяти частей – ярмо, зубцовые части статора и ротора и воздушный зазор. Получены формулы для расчета магнитных сопротивлений от статорных и роторных обмоток для многих конструкций специальных систем электроприводов (САЦ, САЦС и САЦР)

В третьей главе "Математическое моделирование электромеханических процессов специальных электроприводов" разработана математическая модель электромеханических процессов специальных систем электроприводов (САЦ, САЦС и САЦР), позволяющее получить зависимости между напряжениями и токами статора и ротора и определить мгновенный момент и величину пульсаций момента.

Расчет мгновенного значения момента каскадного асинхронного электропривода проведен с использованием метода, основанного на электромеханическом преобразовании энергии.

Задачей исследования систем электроприводов является вычисление накопленной ими электромагнитной энергии, токов, электродвижущих сил и соответствующих им потокосцеплений в роторе и статоре, фазных углов этих величин, а также взаиморасположений осей поля статора и ротора.

В соответствии с поставленными задачами исследования разработана математическая модель электрической цепи компонентов каскадной системы асинхронного электропривода. В рамках разработанной математической модели электродвижущая сила взаимоиндукции, наведённой в роторе асинхронного электрического привода полем статора , и электродвижущая сила взаимоиндукции, наведённой в статоре асинхронного электрического привода полем ротора , , определяется соотношениями 2-5.

(2)

(3)

(4)

, (5)

где расчетная длина магнитопровода; – полюсное деление;



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.