Математическое моделирование компонентов каскадной системы асинхронного электропривода

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 – 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Попов Борис Клавдиевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Атрощенко Валерий Александрович;

кандидат технических наук, доцент

Кашин Яков Михайлович

Ведущая организация: Открытое акционерное общество

«Армавирский электротехнический завод» (ОАО «АЭТЗ»)

Защита состоится « 05 » мая 2009 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 « 02 » апреля 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212.100.06, к.т.н., 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 и массогабаритными показателями. Внедрение дополнительных научно обоснованных технико-экономических критериев, отражающих эксплуатационную надежность электроприводов (долговечность, технологичность, расходы на эксплуатацию и ремонт и т. д.) способствует ужесточению требований к техническим характеристикам электроприводов. Большое внимание в этом свете уделяется повышению качества электроприводов с асинхронными двигателями (АД), как наиболее массовыми и простыми по конструкции электрическими машинами. Регулирование координат электропривода с АД на сегодняшний день невозможно без широкого применения электронных преобразователей энергии, которые в значительной степени ухудшают качество электроэнергии в системах электроснабжения и увеличивают массогабаритные показатели электропривода в целом. Применение механотронных модулей и каскадных систем электропривода с АД позволяет улучшить массогабаритные и энергетические показатели этих электроприводов.

Особый интерес представляют каскадные многодвигательные электроприводы с АД, работающие в номинальном или близком к нему режиме.

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

– теоретического обоснования моделей магнитных систем АД каскадных 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 магнитных систем АД каскадных электроприводов.

Итак, актуальность исследования определяется потребностью электротехнической промышленности России в совершенствовании электроприводов станков и инструментов, электрических трансмиссий транспорта, приводов прокатных станов и т. д., так как это позволяет улучшить их качество и технико-экономические показатели.

Объектом исследования являются многодвигательные каскадные системы электропривода с асинхронными электродвигателями.

Целью исследования является математическое моделирование компонентов каскадной системы асинхронного электропривода для решения конкретных практических задач по проектированию и повышению эффективности его эксплуатации.

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

– разработать математическую модель электромагнитной системы АД, как компонента каскадного асинхронного электропривода, для определения механических и электромеханических характеристик.

– для полученной математической модели создать программное обеспечение для определения указанных характеристик электропривода.

– усовершенствовать конструкцию управляемого каскадного электрического привода и исследовать его работу с помощью разработанного программного обеспечения.

Методы исследования. В качестве методов исследования использованы положения теории магнитных цепей (для расчета значений сопротивлений магнитному потоку обмоток АД каскадных электроприводов), метод наложения (для получения величин магнитных потоков в магнитных цепях АД каскадных электроприводов), теория электромеханического преобразования энергии, теория электропривода и методы программирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

– разработана математическая модель магнитных систем компонентов каскадного асинхронного электропривода;

– разработана математическая модель, описывающая взаимозависимость токов, э.д.с., напряжений статора и ротора, пространственных и электрических углов сдвига в компонентах каскадных систем асинхронного электропривода;

– разработана инженерная методика расчета электромеханических и механических характеристик компонентов каскадного электрического привода, а также пульсаций момента при вращении его вала;

– получен ряд аналитических зависимостей, характеризующих параметры, необходимые для проектирования магнитных систем АД каскадных 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 электромеханических и механических характеристик компонентов каскадного асинхронного электропривода. Усовершенствована конструкция управляемого каскадного электрического привода, осуществляющего, как плавную, так и многоступенчатую электромагнитную редукцию скорости и момента.

Положения, выносимые на защиту: математическая модель электромагнитной системы компонентов каскадной системы асинхронного электропривода; математическая модель, определяющая характеристики компонентов каскадных систем асинхронных электроприводов: токи, э.д.с., напряжения статора и ротора и зависимости пространственных и электрических углов сдвига; результаты инженерных расчетов электромеханических и механических характеристик каскадного электрического привода, а также пульсаций момента, необходимые для проектирования специальных асинхронных систем электроприводов; усовершенствованная конструкция каскадного асинхронного электропривода с жидкостным токосъемом.

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 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», в ОАО «Московский узел связи энергетики» и ЗАО «ТМТК». Разработанные методы определения необходимых параметров, программный комплекс, математические и аналитические зависимости могут быть использованы для нахождении механических и электромеханических характеристик, а также 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 объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы, содержащего 123 наименований, и приложений. Общий объем работы 245 страниц, включая 77 рисунков на 72 страницах, 81 страница приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, рассмотрены приоритетные задачи электротехнической промышленности в области асинхронного электропривода, сформулированы цель и задачи, научная новизна результатов исследования, приведены основные положения, выносимые на защиту, сведения о реализации и апробации результатов.

В первой главе рассмотрен "Анализ конструкций, методов математического моделирования механических и электромеханических характеристик асинхронных электроприводов". Представленный обзор основных конструкций электроприводов с АД говорит о том, что в основной массе приводов двигатель часто работает в неоптимальном для него режиме, причем этот режим часто бывает длительным. Это обстоятельство ухудшает массогабаритные показатели электроприводов и ухудшает качество электроэнергии в системах электроснабжения. Применение же каскадных систем позволяет достигать широких пределов регулирования координат электропривода при работе компонентов этого привода в номинальном режиме или близком к нему. Поэтому при разработке каскадных систем становится актуальной задачей моделирование компонентов каскадных систем асинхронного электропривода, работающих в номинальном или близком к нему режиме. Такие модели позволят строить суммарные характеристики каскадных систем асинхронного электропривода и разрабатывать соответствующие системы управления.

Обзор ряда публикаций показал, что на сегодняшний день наиболее актуальным для моделирования механических характеристик каскадных систем асинхронного электропривода является энергетический метод. Этот метод основан на анализе преобразования электромагнитной энергии в механическую в рассматриваемой системе электропривода.

Проведенный анализ методов расчета магнитных систем АД с целью моделирования электромеханических характеристик показал, что широко используемый в последнее время метод конечных элементов применим лишь для окончательного поверочного расчета разработанных конструкций. Для целей моделирования электромеханических характеристик, анализа работы электропривода и его оптимизации более приемлем метод теории магнитных цепей и метод наложения в линеаризованных магнитных системах.

Во второй главе "Расчет магнитных цепей АД каскадного электропривода" выведены формулы для расчета магнитных сопротивлений различных конструкций АД. Обосновано использование метода наложения для определения потокораспределения в магнитных системах АД каскадного электропривода.

Магнитная система исследуемых электроприводов имеет незначительные воздушные зазоры, и в номинальном режиме работы значения магнитной индукции не выходят за пределы линейной части кривой намагничивания. Расчет магнитного потока для отдельной катушки в такой системе осуществляется с помощью законов Кирхгофа и Ома для магнитной цепи.

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. Рассчитываем 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. Магнитную систему рассчитываем, считая линейными ее отдельные участки. Значение величины магнитной индукции на каждом участке уточняется методом последовательных приближений при решении нелинейных задач.

Получены формулы для расчета магнитных сопротивлений от статорных и роторных обмоток для многих конструкций АД каскадных электроприводов – это сопротивления зазора, ярма и зубцовых частей ротора и статора.

Магнитное сопротивление воздушного зазора

, (1)

где расчетная длина магнитопровода; ширина зубца статора; ширина шлица паза ротора; величина воздушного зазора; (Гн/м).

Магнитное сопротивление ярма ротора

, (2)

где относительная магнитная проницаемость ярма ротора; диаметр ротора; диаметр вала; высота зубца ротора; средний диаметр ротора.

Магнитное сопротивление зубцовой части ротора

, (3)

где ширина зубца ротора; относительная магнитная проницаемость зубцовой части ротора.

Формулы для магнитных сопротивлений ярма и зубцовой части статора рассчитаны аналогично формулам 2, 3.

В третьей главе "Математическое моделирование электромеханических процессов в АД каскадных электроприводов" осуществлено, используя представление обмоток ротора и статора АД каскадного электропривода в виде совокупности электромагнитов с взаимно пересекающимися магнитными системами. Это позволило определить электромеханические и механические характеристики компонентов электропривода.

Для определения этих характеристик необходимо вычисление накопленной АД электромагнитной энергии, токов, электродвижущих сил и соответствующих им потокосцеплений в роторе и статоре, фазных углов этих величин, а также взаиморасположения 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, наведенной в роторе асинхронного электрического привода полем статора , и электродвижущая сила взаимоиндукции, наведенной в статоре асинхронного электрического привода полем ротора , , определяются соотношениями 4 – 7.

(4)

(5)

(6)

, (7)

где расчетная длина магнитопровода; – полюсное деление;