Аракелян А.К., Афанасьев А.А. Вентильные электрические машины и регулируемый электропривод. Книга 1

Подождите немного. Документ загружается.

унификации и стандартизации создаваемых систем электро-

привода, потому что практически любые необходимые в на-

стоящее время электромеханические и механические харак-

теристики электропривода в системе с вентильным двигате-

лем могут быть реализованы путем сочетания стандартных

элементов [19, 21, 22, 23, 36, 43, 46, 47, 50, 55, 56, 58, 75, 84,

90, 92, 114, 135, 143, 147, 157, 159, 180, 183, 188, 189, 204,

213, 214, 215, 235, 259, 274, 293, 318, 321, 322, 330, 347, 353,

355, 360, 361, 362, 363, 364].

Создание систем электроприводов с вентильным двига-

телем вызывает необходимость изменения подходов к клас-

сификации электрических машин и систем электропривода с

учетом новых принципов. Существующие классификации

следуют установившейся традиции рассматривать машины

постоянного тока, синхронные двигатели с частотным регу-

лированием скорости, шаговые двигатели с обратной связью

по пути, следящие регулируемые приводы и т.д. как объек-

ты, относящиеся к различным формам с точки зрения кон-

струкции, принципа управления, способов технической реа-

лизации и анализа процессов. Будучи до последнего времени

оправданным, такое положение после широкого

распростра-

нения систем электроприводов с вентильным двигателем

должно быть пересмотрено.

Существующие конструкции систем электроприводов с

вентильным двигателем могут быть сведены к сочетаниям

небольшого количества элементов, являющихся в настоящее

время, безусловно, перспективными. Так, в области средних

и больших мощностей целесообразно применение двухпо-

люсных синхронных двигателей с электромагнитным возбу-

ждением и продольно-поперечной демпферной обмоткой.

Для механизмов мощностью 20 МВт и выше перспективно

применение синхронных машин с двумя независимыми об-

мотками статора, сдвинутыми друг относительно друга на

 6 эл. град, соединенными по схеме треугольник — звезда и

питаемыми от двух независимых систем ПЧ, имеющим еди-

ную систему управления всем комплексом. Кроме того для

быстроходных механизмов (с частотой вращения 4500—6000

об/мин) в указанном интервале мощностей представляется

целесообразным использование синхронных двигателей с

бесконтактным возбуждением, в частности с одноименнопо-

люсными (униполярными) роторами. В области малых мощ-

ностей, включая микромашины, ориентация на синхронные

двигатели с постоянными магнитами и индукторные син-

хронные двигатели не вызывает сомнений.

Среди датчиков положения наибольшее распространение

получили индуктивные, фотоэлектрические и цифровые.

Широко используется естественная коммутация вентилей

инвертора — внутренняя обратная связь по ЭДС вращения

ротора.

В ряду преобразователей частоты — выпрямительно-

инверторных комплексов — доминирующее место занимают

преобразователи с зависимыми инверторами тока или на-

пряжения, выполненными в различных схемных сочетаниях

на основе частично или полностью управляемых вентильных

элементов и питаемых как от мостовых управляемых выпря-

мителей, так и от импульсных преобразователей постоянного

напряжения [1, 2, 17, 43, 67, 81, 101, 106, 109, 113, 115, 131,

133, 142, 157, 183, 190, 191, 211, 219, 224, 268, 270 ,284, 289].

Наилучшие результаты с точки зрения управляемости

достигнуты при использовании в качестве системы управле-

ния универсальных и специальных ЭВМ. Поэтому системы

автоматизированных электроприводов с вентильными двига-

телями соответствуют требованиям управления электропри-

водами в автоматизированных системах управления техноло-

гическими процессами (АСУ ТП).

Особый интерес представляют проблемы управления

электроприводами с вентильным двигателем в области ма-

лых (низких) частот вращения ротора.

Следует однако заметить, что при необходимости осуще-

ствления весьма глубокого регулирования скорости у систем

с полууправляемыми тиристорами теряется весьма важное

преимущество — естественная коммутация, так как ЭДС

вращения двигателя оказывается недостаточной для запира-

ния (гашения) тиристоров. В настоящее время эта проблема

решается путем реализации ряда схемных решений с ис-

пользованием управляемого выпрямителя для гашения тока

вентилей инвертора, либо на основе применения полностью

управляемых тиристоров.

Становление упомянутых выше особенностей практики

конструирования и применения вентильных двигателей и

электроприводов на их основе происходило поэтапно за

сравнительно короткое время.

Появление первых ВД в начале 30-х годов связано с име-

нами: Е. Керна, И. Александерсона, С. Виллиса (за рубе-

жом), Б. Н. Тихменева, Д. А. Завалишина, О. Г. Вегнера, Ф.

И. Бутаева, Е. Л. Эттингера и др. (в нашей стране).

Первый, или довоенный, период развития ВД был связан

с появлением ионных вентильных приборов. Были заявлены

различные конструкции ВД, применительно к которым ис-

следовались особенности рабочего процесса ВД сравнитель-

но большой мощности, предназначенных, в основном, для

тягового электропривода.

Несомненным достоинством первого периода развития

ВД явились четкие научные постановки проблематики: опре-

деление места ВД в ряду известных классических электриче-

ских машин, научно обоснованный подход к исследованию

статических электромеханических характеристик, установле-

ние факта существенного влияния на электромеханические

характеристики ВД типа ПЧ.

Второй период развития ВД (1948—1970 гг.) связан с по-

явлением полупроводниковых приборов. Были реализованы

многочисленные технические решения, направленные на

совершенствование ВД и определившие его принципиальную

структуру. Теоретические исследования статических и дина-

мических характеристик ВД проводились с помощью двух

основных методов. Первый метод, ориентированный на ВД

малой мощности, предполагает постоянство индуктивных

параметров обмотки якоря независимо от положения индук-

тора. При этом взаимные индуктивности отдельных секций

или группы секций берутся с учетом их дифференциального

рассеяния (по полной магнитной проводимости взаимной

индукции). Мгновенные значения тока и момента ВД опре-

деляются по данным расчета электрических контуров для

каждого такта коммутации. Данный метод позволяет деталь-

но исследовать специфичные для ВД процессы на коммута-

ционном и межкоммутационном интервалах.

Второй метод связан с подходом к ВД с позиции обоб-

щенной электрической машины. Реальный ВД заменяется

идеализированной обобщенной моделью, для которой урав-

нения электрического и механического равновесия записы-

ваются в той или иной системе координат. Индуктивные

связи в этой модели осуществляются только по основной

гармонике магнитной индукции в воздушном зазоре. В слу-

чае необходимости может использоваться и более сложная

модель обобщенной машины, в которой преобразование

энергии осуществляется и на высших пространственных

гармониках магнитного поля. Этот метод позволяет, в прин-

ципе, учесть все виды электрической и магнитной асиммет-

рии машины.

В этот период коренным образом изменилось отношение

научной общественности к работам по ВД. Снисхождение, а

в ряде случаев непонимание перспектив данного направле-

ния, сменилось полным признанием. ВД завоевал одно из

ведущих позиций в современной электромеханике. Возмож-

но, это главный итог второго периода.

Третий период развития ВД связан с возникновением

интегральной полупроводниковой технологии. Появление

огромного количества разнообразных в функциональном от-

ношении интегральных микросхем стало тем толчком, кото-

рый заставил разработчиков ВД по-новому взглянуть на объ-

ект своих исследований. По существу, в руках исследовате-

лей оказался не электродвигатель в общепринятом смысле

этого слова, а практически полностью укомплектованный

электропривод, который содержит исполнительный (СМ),

регулирующий (ДПР-ПЧ, ПЧ, ПЧ-СМ) и измерительный

(ДПР, ДПР-ПЧ) органы и позволяет обеспечить регулирова-

ние выходных координат ВД.

Благодаря интегральным микросхемам, которые связали

измерительный и регулирующий органы, оказалась возмож-

ной реализация широких функциональных электроприводче-

ских возможностей ВД с приемлемыми массогабаритными

показателями. В этом заключается главная особенность на-

стоящего, третьего периода развития ВД как вентильного

электропривода.

Выполнен комплекс работ, посвященных управляемым и

стабилизированным по частоте вращения ВД, моментным

электроприводам на базе ВД, каскадным схемам электро-

привода с ВД, многодвигательному электроприводу и следя-

щим системам с ВД.

Развитие теории электропривода с ВД ведется по пути

органического синтеза приемов и методов теории обобщен-

ной электрической машины, современной теории автомати-

ческого управления многомерных и многосвязных систем.

При этом заметное место занимают вопросы, связанные с

использованием синхронной машины, с колебательными

процессами валов, усугубленных виброактивностью непо-

средственно ВД, с особенностями совместной работы элек-

тропривода с ВД и рабочего механизма как единого динами-

ческого объекта регулирования.

В.3. Синхронные машины электроэнергетики и

электрофизических установок в вентильных электрических

цепях

Развитие электроэнергетики и электрофизических иссле-

дований диктуют использование мощных синхронных машин

в специфических режимах, формируемых с помощью вен-

тильных электрических цепей.

Запуск обратимых агрегатов гидроаккумулирующих элек-

трических станций в двигательном режиме производится с

применением статических ПЧ по схеме вентильного двигате-

ля [1, 157, 167]. Такой способ пуска синхронных машин дает

возможность уменьшить время разгона и потребные кратно-

сти пускового тока. Аналогичным способом могут запускать-

ся и синхронные турбогенераторы и компенсаторы.

В электроэнергетических системах и в электроприводах

различных механизмов оказываются эффектными асинхро-

низированные синхронные машины (машины двойного пи-

тания), у которых сравнительно небольшая мощность сколь-

жения ротора пропускается через контактные кольца и ста-

тический ПЧ [75, 147, 288]. С помощью этих машин, напри-

мер, осуществляется гибкая связь электрических систем, час-

тоты которых имеют варьируемое различие.

Синхронные генераторы кратковременного и ударного

действия, применяемые в электрофизических установках,

могут работать в импульсном режиме на выпрямитель (в об-

щем случае, через согласующий трансформатор), нагрузкой

которого служит емкостный или индуктивный накопитель

энергии [107, 246]. Первичным источником энергии генера-

торов является приводной двигатель или вращающиеся ма-

ховые массы ротора, в том числе и специальные маховики. В

последнем случае вывод генератора с маховиком на макси-

мальную скорость вращения осуществляется путем частотно-

го пуска машины через статический ПЧ.

Формирование и коммутация импульсных токов ударных

генераторов производится с помощью специальных вентиль-

ных и вентильно-механических устройств [246].

В современной электроэнергетике получают все большее

распространение электропередачи на постоянном токе

(ППТ), которые обладают важными преимуществами по

сравнению с традиционными передачами на переменном то-

ке [109, 232]. Вот некоторые из них: соединение двух элек-

трических систем, работающих несинхронно или с различ-

ными частотами; отсутствие зависимости пропускной спо-

собности линии от ее длины; возможность применения ка-

бельных линий большой протяженности.

В начале и конце линий ППТ устанавливаются мощные

высоковольтные вентильные преобразователи, служащие для

выпрямления и инвертирования соответственно переменного

и постоянного тока. Таким образом, синхронные машины

обеих электрических систем, связанных линией ППТ, оказы-

ваются работающими совместно со статическими ПЧ.

Следует отметить, что широкое применение в технологи-

ческих, транспортных, электрофизических установках, в

электроэнергетических системах вентильных преобразовате-

лей приводит к ухудшению качества электроэнергии в элек-

трических сетях [232]. Высшие гармоники, генерируемые

ПЧ, оказывают отрицательное влияние как на источники

электроэнергии — синхронные машины, так и на передаю-

щее и приемное электрооборудование.

В.4. Состояние вопроса и постановка задачи

60—80-е годы характеризуются широким спектром теоре-

тических и экспериментальных исследований вентильно-

машинных цепей и свойств электрических машин в этих це-

пях. Научно-технические разработки базируются как на ана-

литических методах исследования, так и на использовании

численных математических моделей. Работы первого направ-

ления, несмотря на многомерность задач, наличие в них су-

щественных нелинейностей и, как следствие, большое коли-

чество используемых допущений, позволяют оценить пере-

чень, приоритеты и механизм действия основных физиче-

ских факторов явлений, указать целесообразные интервалы

значений электромагнитных параметров, обеспечивающих

оптимальное функционирование вентильных машин в уста-

новившихся и переходных режимах, проследить связь этих

параметров с исходными конструктивными данными. Важ-

нейшие результаты этом направлении получены в работах

И. А. Глебова, И. Е. Овчинникова, Н. И. Лебедева, А. А. Ду-

бенского, И. А. Вевюрко, Ш. И. Лутидзе, Б. Н. Тихменева,

В. А. Кучумова, Л. Я. Зиннера, А. И. Скороспешкина, И. П.

Копылова, В.Л. Фрумина, Ю.Г. Шакаряна, А.Е. Загорского,

В. М. Лупкина, В. А. Балагурова, В. К. Лозенко и др.

В численных математических моделях вентильно-

машинных систем высокого иерархического уровня (с наи-

меньшим числом допущений) удается реализовать наиболее

адекватные теоретические концепции электрических машин

и статических преобразователей частоты, численные методы

решения конечных и дифференциальных уравнений. Боль-

шим вкладом в развитие этого направления являются метод

проводимостей зубцовых контуров A. B. Иванова-

Смоленского и его учеников, теория дифференциальных

электромагнитных параметров Р. В. Фильца, новые мето-

ды расчета вихревых электромагнитных полей К. С. Демир-

чяна, В. Л. Чечурина, а также работы Ю. В. Ракитского, Л.

И. Глу-хивского, Е. Г. Плахтыны, В. И. Чабана, М. Л.

Костырева и др.

Несмотря на широкий фронт исследований, о стройной и

завершенной теории вентильных машин говорить еще не

приходится. Это связано, в частности, с большим разнообра-

зием применяемых электромагнитных схем электромехани-

ческих преобразователей энергии, различием классов вен-

тильных элементов (тиристорных, транзисторных), требова-

ниями учета существенно большего числа факторов, чем в

классических электрических машинах с сетевым питанием. В

подавляющем большинстве работ по вентильным машинам,

в том числе ориентированных на применение численных ме-

тодов, используются недостаточно корректные допущения,

например: двухсторонняя зубчатость воздушного зазора учи-

тывается в среднем (с помощью коэффициента Картера)

[277]; нелинейный характер влияния полей рассеяния обмо-

ток на их электрические параметры либо игнорируется, либо

учитывается в такой форме, которая справедлива только для

установившихся режимов [92]; математические модели вен-

тильных элементов, оперирующие нелинейными резисторно-

индуктив-ными компонентами, недостаточно ориентированы

на реальные электронные цепи, в которых вентильные эле-

менты обычно шунтированы резисторно-емкостными за-

щитными ветвями [133].

Явно мало усилий уделяется развитию дифференциаль-

ных (полевых) методов расчета магнитостатических вентиль-

ных машин, использующих локальные значения вектора на-

магниченности магнитотвердых материалов.

Дифференциальные уравнения вентильных машин в ва-

риациях, в том числе в координатах Парка-Горева при рас-

смотрении всего спектра высших гармонических, содержат

переменные коэффициенты. Практически отсутствуют рабо-

ты, которые учитывали бы эту специфику при исследовании

статической устойчивости вентильных машин, когда прихо-

дится опираться на общую теорию устойчивости дифферен-

циальных уравнений с переменными коэффициентами.

Актуальность проблем устойчивости вентильных машин

вытекает также из того факта, что критерии устойчивости,

справедливые для электрических машин с сетевым питани-

ем, оказались для вентильных машин практически непри-

годными [41].

В число других "узких мест" существующей теории следу-

ет включить разделы, посвященные методам расчета допол-

нительных потерь и моментов от высших временных гармо-

ник токов и напряжений. В расчетной практике используют-

ся в основном классические методы, предложенные в завер-

шенной форме в 60-е годы и связанные с разложением пе-

риодических кривых в тригонометрические ряды [104]. В ка-

честве альтернативных, более приспособленных к специфике

вентильных машин, выступают методы, связанные с аппара-

том частотно-независимых параметров [46,161].

Р а з д е л п е р в ы й

ОСНОВЫ ТЕОРИИ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ

С НАСЫЩЕННОЙ МАГНИТНОЙ ЦЕПЬЮ

И НЕОДНОРОДНОЙ СТРУКТУРОЙ

ВОЗДУШНОГО ЗАЗОРА

_____________________________________________________

Г л а в а п е р в а я

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В ВОЗДУШНОМ ЗАЗОРЕ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ С ДВУХСТОРОННЕЙ

ЗУБЧАТОСТЬЮ СЕРДЕЧНИКОВ

1.1. Общие замечания

Расчет магнитного поля (МП) в электрических машинах

на основе решения дифференциальных уравнений Максвел-

ла требует применения ЭВМ с большим объемом памяти и

высоким быстродействием. В виду значительных вычисли-

тельных затрат на решение задач в полевой постановке МП

рассчитывают в большинстве случаев с помощью прибли-

женных интегральных методов.

Важнейший задачей электромагнитного расчета является

определение потокосцеплений обмоток, обусловленных по-

током взаимоиндукции между сердечниками. Этот поток

может быть найден двумя принципиальными методами: с

помощью локальной удельной магнитной проводимости воз-

душного зазора (ВЗ) [93] и на основе магнитной проводимо-

сти отдельных зубцовых контуров [155]. Их отличие проявля-

ется, прежде всего, в особенностях нахождения потока взаи-

моиндукции. Во втором методе определяются, в частности

непосредственно магнитные потоки расчетных элементарных

контуров обмоток, а в первом — магнитный поток (как

функция распределения индукции) участков какой-либо ок-

ружности (в общем случае линии, например, эквипотенци-

альной, для которой магнитный потенциал равен половине

разности магнитных потенциалов сердечников), соответст-

вующих зубцовым делениям первого и второго сердечников.