Аракелян А.К., Афанасьев А.А. Вентильные электрические машины в системах регулируемых электроприводов. Том 1

Подождите немного. Документ загружается.

А. K. Аракелян, А. А. Афанасьев

_________________________________

ВЕНТИЛЬНЫЕ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

МАШИНЫ

В СИСТЕМАХ

РЕГУЛИРУЕМЫХ

ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

В двух томах

Допущено Учебно-методическим объединением

по образованию в области энергетики и электротехники

в качестве учебного пособия для студентов высших

учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки

654500 -"Электротехника, электромеханика и электротехнологии"

Том первый

Москва

Издательство «Высшая школа»

2006

УДК 621.313.315

ББК 31.261

А79

Р е ц е н з е н т ы:

д-р техн. наук, профессор кафедры автоматизированного электропривода

Московского энергетического института (технического университета)

Н.Ф. Ильинский; д-р техн. наук, профессор кафедры электромеханики

Московского энергетического института (технического университета),

заслуженный деятель науки РФ А. В. Иванов-Смоленский; д-р техн. наук,

профессор, научный руководитель ОАО «ВНИИЭ», Ю. Г. Шакарян

Аракелян А. К.

А79 Вентильные электрические машины в системах регулируемых

электроприводов: Учеб. пособие для вузов: В 2 т. Т.1 / А.К.Аракелян,

А.А.Афанасьев. — М.: Высш. шк., 2006. — 546 с.: ил.

ISBN 5-7677-0998-Х

Сформулированы основные физические предпосылки к созданию вентильных

электрических машин и использованию автоматизированного электропривода на

их основе. Рассмотрены установившиеся и переходные режимы вентильно-

машинных систем, методы расчета магнитных полей, параметров и

энергетических характеристик электромеханических преобразователей, вопросы

расчета и моделирования электронных ключей вентильных и информационных

цепей, анализа и синтеза систем автоматического регулирования электроприводов

с вентильными двигателями.

Учебное пособие рассчитано на студентов, обучающихся по программе

подготовки специалистов направления – «Электротехника, электромеханика,

электротехнологии».

Может быть полезным для инженерно-технических и научных работников в

области электрических машин и электроприводов.

УДК 621.313.315

ББК 31.261

ISBN 5-7677-0998-ХФГУП «Издательство «Высшая школа», 2006

Оригинал-макет настояшего издания является собственностью издательства

«Высшая школа» и его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия

издательства запрещается.

Светлой памяти профессора Анатолия Анатольевича

ФЕДОРОВА посвящается

Предисловие

Характерной тенденцией современного автоматизированного

электропривода как в России, так и за рубежом является расширение

номенклатуры применяемых схем электромеханических

преобразователей энергии на базе электрических машин

синхронного типа с различными способами возбуждения, в том

числе и индукторных, питаемых от вентильных преобразователей

частоты с инвертором тока или напряжения и управляемых в такт

с вращением роторов - вентильных двигателей (ВД).

ВД весьма близки по принципу действия и реализуемым рабочим

характеристикам к широко применяемым в регулируемом

электроприводе коллекторным электродвигателям постоянного тока.

Также, как и коллекторные двигатели, ВД обладают независимостью

частоты вращения вала от частоты питающей сети, обеспечивают

работу привода во всех четырех квадрантах, имеют двухзонное

регулирование частоты вращения, обладают сравнительно высокими

пусковым моментом и энергетическими показателями.

В то же время, благодаря исключению коллекторного механизма

со скользящими щеточными контактами, ВД обладают большей

надежностью и долговечностью, требуют меньших расходов на

обслуживание.

Физическая картина электромеханического преобразования

энергии ВД и режимы его работы существенно отличаются от

аналогичных свойств частотно-регулируемого синхронного

двигателя (СД) и тем более от обычного СД, питаемого от сети. Для

ВД невозможен асинхронный ход, когда частота ЭДС вращения

обмотки якоря не совпадает с частотой напряжения или тока

источника питания (инвертора). При нагрузках ВД тормозится, но

не выпадает из синхронизма.

Особое место в ряду ВД занимают появившиеся сравнительно

недавно индукторные вентильные двигатели, которые отличаются

специфичным принципом действия, сосредоточенными (зубцовыми)

катушками обмотки статора.

Чрезвычайно широкое разнообразие конструкций и схем ВД

позволяет использовать последние для самых различных систем

электроприводов: от мощных и тихоходных до высокодинамичных

и быстроходных, имеющих различные режимы эксплуатации и

условия работы. Но все возможности ВД могут быть реализованы

только при решении сложных вопросов оптимизации

электромеханического преобразования энергии в ВД:

конструирования электродвигателей (ЭД), адаптированных к

определенному типу преобразователей частоты (ПЧ),

проектирования схем и подбора параметров ПЧ и возбудителя,

выбора структуры и параметров системы автоматического

регулирования (САР) (в целом) электропривода с ВД.

В связи с этим все еще возникают определенные затруднения

в формулировке общих принципов электромеханического

преобразования энергии в ВД, приемов и методов анализа работы

и синтеза САР, удовлетворяющих требованию конкретной системы

электропривода. Поэтому в данном учебном пособии авторы берут

за основу общий подход к исследованию процессов преобразования

энергии в ВД, позволяющий иерархически обобщать

математическое описание силового канала (ЭД-ПЧ) и тем самым

свести анализ и синтез электроприводов для конкретных групп

рабочих машин к изучению частных случаев общей модели.

Основой такого подхода является объединение математических

моделей ПЧ и электрической машины. При этом авторы исходят

из положений современной математической теории электрических

машин, общих основ расчета конструирования полупроводниковых

преобразователей и теории автоматического управления.

Во вводной части рассмотрена ретроспектива развития теории

и практики вентильных электрических машин и электроприводов

на их основе. Здесь затронут вопрос по проблеме классификации

электромеханических преобразователей энергии.

Первая часть пособия, состоящая из пяти глав, посвящена

элементам теории электрических машин, по содержанию и форме

наиболее востребованных при математическом описании вентильно-

машинных систем. Например, рассматриваются модернизированный

метод удельной магнитной проводимости (глава вторая) для расчета

магнитных полей и параметров классических и специальных

электрических машин, методы синтеза параметров электрических

машин по опытным данным (глава пятая).

Предлагаются аналитические подходы к расчету электрических

машин на основе решения краевых задач для кольцевых областей

методом разделения переменных Фурье (глава четвертая).

Во второй части (шестая — одиннадцатая главы) представлены

наиболее важные разделы теории вентильных двигателей в

регулируемом электроприводе, в том числе составные части и

функциональные схемы электропривода с ВД, рабочие свойства и

характеристики различных типов ВД.

В третьей части, имеющей четыре главы (двенадцатая —

пятнадцатая), анализируются статические преобразователи частоты,

применяемые в ВД, двухмашинные и каскадные схемы ВД.

Четвертая часть, представленная главами с шестнадцатой по

восемнадцатую, посвящена рассмотрению ВД как динамического

объекта регулируемого электропривода.

В двух последних главах (девятнадцатой и двадцатой),

образующих пятую часть, рассматривается энергетика и показатели

использования ВД в регулируемом электроприводе.

Части первая и вторая образуют первый том, остальные три

вошли во второй том.

В разделе «Приложение» второго тома приводится информация

о серийных ВД, выпускаемых в России.

В пособии широко использованы материалы публикаций

результатов научно-исследовательских работ, выполненных

непосредственно авторами, их коллегами и учениками (Воробье-

вым А.Н., Ганагой Е.Ф., Глухеньким Т.Г., Дмитриевым Г.Н.,

Ефимовым В.В., Кудрявцевым Н.И., Ларионовым В.Н., Макаро-

вым В.А., Никифоровым В.Е., Николаевым А.В., Серковым О.А.,

Суптелем А.А., Чихняевым В.А. и др.) на кафедрах электропривода,

электрических машин, автоматики Волжского филиала МЭИ —

Чувашского государственного университета им. И.Н. Ульянова,

полученных во ВНИИР под руководством Поздеева А.Д.

(Альтшуллером М.И., Горчаковым В.В., Донским Н.В., Нестери-

ным В.А., Никитиным В.М., Шепелиным В.Ф. и др.).

Использованы также материалы публикаций отечественных и

зарубежных авторов: Абрамкина Ю.В., Иванова-Смоленского А.В.,

Кузнецова В.А., Копылова И.П., Фрумкина В.Л., Осина И.Л.,

Юферова Ф.М., Беспалова В.Я., Ивоботенко Б.А., Рубцова В.П.,

Садовского Л.А., Цаценкина В.К., Лозенко В.К., Ильинского Н.Ф.,

Бычкова М. Г. и др. (МЭИ); Глебова И.А., Овчинникова И.Е., Лебеде-

ва Н.И., Гандшу В.М., Явдошака Я.И., Лупкина В.М. и др.

(ВНИИэлектромаш); Шакаряна Ю.Г., Виницкого Ю.Д., Вейнге-

ра А.М. и др. (ВНИИЭ); Бернштейна А.Я., Высочанского В.С. и др.

(ВНИИЭМ); Сонина Ю.П., Гуляева И.В. и др. (Мордовский ун-т);

Коломейцева Л.Ф., Пахомина С.А., Птаха Г.К. и др. (Новочеркасский

ун-т); Осташевского Н.А. и др. (Харьковский ун-т); Рымши В.В.,

Радимова И.Н. и др. (Одесский политехнический ун-т); Шевчен-

ко А.Ф. и др. (Новосибирский ун-т); Лоуренсона П., Миллера Т.

(Великобритания); Визински Р. (Чехия); Шёнефельда Р., Хабирга Э.

(Германия) и др.

Авторы считают своим долгом посвятить книгу светлой памяти

профессора Анатолия Анатольевича Федорова — основателя

Волжского филиала МЭИ в г. Чебоксары.

Авторы благодарят заслуженного деятеля науки РФ проф.

Иванова-Смоленского А.В., проф. Ильинского А.Ф. и проф.

Шакаряна Ю.Г. за ряд ценных указаний и советов, сделанных ими

при рецензировании рукописи.

Выражаем благодарность проф. Нестерину В.А. (кафедра

электромеханики Чувашского госуниверситета), взявшему на себя

труд по редактированию книги.

Главы 6, 12—15, 17, 20 и п. 9.4 написаны А.К. Аракеляном;

главы 1—5, 7—11, 16, 18, 19 написаны А.А. Афанасьевым;

введение, п. 3.1 и приложение написаны совместно.

Создание данного учебного пособия стало возможным

благодаря помощи ректора Чувашского государственного

университета им. И.Н. Ульянова Куракова Л.П., члена правительства

Чувашской Республики Волошина Ю.П. Им, а также руководителям

ряда предприятий Чувашии и, в частности, ОАО «Чувашэнерго»

(директору Привалову В.В. и гл. инженеру Патину В.С.), ОАО

«ЧЭАЗ» (исполнительному директору Соловьеву Ю.И., зам.

исполнительного директора Жукову В.П.), оказавшим

существенную финансовую поддержку в издании книги, выражаем

свою благодарность и признательность.

Надеемся, что книга будет полезна студентам и магистрантам,

обучающимся по направлению «Электротехника, электромеханика,

электротехнологии», а также аспирантам и специалистам-

инженерам, занятым практической работой в области

электрических машин и автоматизированного электропривода.

Все замечания читателей по содержанию учебного пособия

авторы примут с благодарностью и просят направить их в адрес

издательства «Высшая школа»: г. Москва, К-51, Неглинная ул.,

д. 29/14.

ВВЕДЕНИЕ

В.1. Электронизация электрических машин –

одно из направлений развития электромеханического

преобразования энергии

Совершенствование и дальнейшее развитие электро-

механического преобразования энергии связано, в частности, с его

электронизацией, которая охватывает не только процессы

управления, автоматизации, диагностики и контроля, но и

непосредственно воздействия на потоки энергии средствами

силовой (энергетической) электроники.

Большой теоретический задел и экспериментальные

исследования довоенных (30-е годы) и послевоенных лет (50-60-е

годы) [73, 102, 118] позволили, благодаря успешному развитию

элементной базы энергетической электроники, разработать в 70-

80-е годы и внедрить в народное хозяйство новый класс

электрических машин, получивших название вентильных, которые

отличает органический синтез традиционных электро-

механических преобразователей энергии (ЭМП) с полу-

проводниковыми преобразовательными устройствами [20, 70, 94,

120, 128, 154, 178, 179]. В наиболее употребительном смысле под

вентильной машиной (ВМ) понимают обычно электрическую

машину синхронного типа (с электромагнитным или

магнитостатическим возбуждением), режим питания которой от

статического (вентильного) преобразователя частоты (ПЧ)

(инвертора тока или напряжения, непосредственного

преобразователя частоты) синхронизируется по угловому

положению ротора или магнитного поля с помощью специального

датчика синхронизации - датчика положения ротора или поля (ДП).

ВМ содержит явное или скрытое звено постоянного тока, в

котором, так же как в традиционных машинах постоянного тока,

имеет место равновесие внешнего напряжения (постоянного или

пульсирующего с постоянной составляющей) с фазными

(секционными) ЭДС ЭМП, "выпрямленными" ПЧ.

Электронный коммутатор - это не просто бесконтактный аналог

механического коллектора (хотя это обстоятельство также

чрезвычайно важно, например, он не нуждается в профилактических

осмотрах, не загрязняет окружающей среды, параметры этой среды

не влияют на условия коммутации). Электронный коммутатор, во-

первых, обеспечивает дополнительную практическую возможность

воздействия на среднее значение ЭДС в звене постоянного тока ВМ

путем изменения угла отпирания ПЧ, во-вторых, снимает

ограничения на предельную мощность ВМ по условиям коммутации,

в-третьих, будучи связан с сетью переменного тока, совмещает

функции управляемого выпрямителя, например, обеспечивая

заданную кратность пускового тока вентильного двигателя,

в-четвертых, имеет более высокий уровень коммутационной

устойчивости, чем механический коллектор.

Электрические машины синхронного типа, синтезируемые со

статическими ПЧ, отличаются большим конструктивным

разнообразием, продиктованным типом используемого ПЧ,

функциональным назначением электроустановки, диапазоном

регулирования частоты вращения, способом возбуждения и

действием других факторов.

Диапазон мощностей вентильных двигателей, серийно

выпускаемых промышленностью, сравнительно велик. В качестве

отдельных примеров можно назвать двигатели малой мощности

для устройств звукозаписи и бытовой техники [179], малой и

средней мощности для электропривода станков и роботов [120, 154],

большой мощности общепромышленного и специального

назначения [165, 178].

ВМ, выступающие как бесконтактные генераторы постоянного

или переменного тока, широко применяются в качестве автономных

источников электроэнергии. В вентильных генераторах

постоянного тока энергия от синхронного генератора (СГ)

передается нагрузке через диодный или тиристорный выпрямитель.

Ротор СГ приводится во вращение с постоянной или переменной

скоростью первичным двигателем, которым может быть двигатель

внутреннего сгорания, гидравлическая, паровая или газовая

турбина, электродвигатель. Нагрузкой генератора служит или

двигатель постоянного тока (тяговый электропривод

переменнопостоянного тока [194]), или аккумуляторная батарея

(электрооборудование летательных аппаратов и автомобилей), или

обмотка возбуждения (возбудители мощных синхронных машин

[102]), или резистор (бесконтактные тахогенераторы [84]).

В вентильных генераторах переменного тока, которые являются

источником переменного напряжения фиксированной или

регулируемой частоты, аналогично приводимый СГ связан с

нагрузкой через статический преобразователь частоты (с явным

звеном постоянного тока или с непосредственной связью). Такие

генераторы находят применение в тяговом электроприводе

переменного тока судов, железно-дорожного и автомобильного

транспорта, в электрооборудовании летательных аппаратов [69, 77,

88, 89, 126, 127].

Теория ВМ находится в стадии интенсивного развития. Ее

специфические особенности связаны не только, например, с

дискретными и нелинейными свойствами этого ЭМП, но и с выбором

вычислительных методов, пригодных для расчета объединенных

электронных и электромашинных цепей, отличающихся плохой

обусловленностью (большим значением спектрального числа

обусловленности) и относящихся к жестким системам. Целостное

становление теории ВМ стало возможным в 70-80-е годы двадцатого

века, когда появились мощные технические и алгоритмические

средства расчета сложных электрических цепей этого типа [105, 115,

117, 136, 160, 219, 222,], позволившие реализовать и качественно

новый уровень теории электромеханического преобразования

энергии [49, 63, 119, 131, 135, 202, 211, 219, 222].

В.2. Автоматизированный электропривод с вентильным

двигателем. Общие сведения

Автоматизированный электропривод с вентильным двигателем

представляет собой специфическую систему электромеханического

преобразования энергии, элементы которой в определенных

сочетаниях уже не раз встречались на путях научно-технического

прогресса в области электропривода.

Под электроприводом с вентильным двигателем следует

понимать систему электропривода, состоящую из синхронного

двигателя (СД), вентильного, например, тиристорного или

транзисторного, коммутатора (ПЧ) и датчика положения ротора

(ДПР). Это название системы не является устоявшимся, однако

оно употребляется чаще и может быть рекомендовано для

использования специалистами.

Конструктивное оформление функциональных связей между ПЧ

и СД; СД и ДПР; ДПР и ПЧ в совокупности с указанными основными

узлами дает исчерпывающее представление о вентильном двигателе

(ВД), а его компоновка с рабочей машиной (рабочим механизмом),

системой управления технологическим процессом (с совокупностью

элементов управления, защиты, сигнализации и обратных связей)

формирует определенный класс электроприводов.

Однако большое количество и разнообразие публикуемых

материалов свидетельствует о том, что возможности

совершенствования рассматриваемого класса электроприводов

далеко не исчерпаны и можно ожидать еще более высоких

показателей с точки зрения управления, энергетики,

конструктивных возможностей у зарождающихся в настоящее

время более совершенных САР.

Идеи, лежащие в основе электропривода с вентильным

двигателем, не являются новыми в истории создания

электромеханических систем, однако только в настоящее время их

реализация стала практически обоснованной. Необходимость их

промышленного освоения отвечает современной концепции

максимального соответствия технических возможностей системы

электропривода существенно возросшим и усложнившимся

технологическим требованиям к рабочим машинам.

Электропривод с вентильным двигателем дает возможность,

используя единый технический принцип, максимально

индивидуализировать электроприводы производственных

механизмов и других рабочих машин. При этом индивидуализация

может быть осуществлена в рамках максимальной унификации и

стандартизации создаваемых систем электропривода, потому что

практически любые необходимые в настоящее время

электромеханические и механические характеристики

электропривода в системе с вентильным двигателем могут быть

реализованы путем сочетания стандартных элементов.

Создание систем электроприводов с вентильным двигателем

вызывает необходимость изменения подходов к классификации

электрических машин и систем электропривода с учетом новых

принципов. Существующие классификации следуют

установившейся традиции рассматривать машины постоянного тока,

синхронные двигатели с частотным регулированием скорости,

шаговые двигатели с обратной связью по пути, следящие

регулируемые приводы и т.д. как объекты, относящиеся к различным

формам с точки зрения конструкции, принципа управления, способов

технической реализации и анализа процессов. Будучи до последнего

времени оправданным, такое положение после широкого

распространения 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 двухполюсных синхронных

двигателей с электромагнитным возбуждением и продольно-

поперечной демпферной обмоткой на роторе. Для механизмов

мощностью 20 МВт и выше перспективно применение синхронных

машин с двумя независимыми обмотками статора, сдвинутыми

относительно друг друга на



/6 эл. град, соединенными по схеме

треугольник - звезда и питаемыми от двух независимых систем

ПЧ, имеющих единую 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 одноименно-

полюсными (униполярными) роторами. В области малых

мощностей, включая микромашины, ориентация на синхронные

двигатели с постоянными магнитами и индукторные синхронные

двигатели (вентильно-индукторный привод) не вызывает сомнений.

Среди датчиков положения наибольшее распространение

получили индуктивные, фотоэлектрические и цифровые. При

микропроцессорном управлении получают распространение

"бездатчиковые" ВД, у которых отсутствует явный ДПР. 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 напряжения,

выполненными в различных схемных сочетаниях на основе

частично или полностью управляемых вентильных элементов и

питаемых как от мостовых управляемых выпрямителей, так и от

импульсных преобразователей постоянного напряжения.

Наилучшие результаты с точки зрения управления достигнуты

при использовании в качестве системы управления универсальных

и специальных ЭВМ. Поэтому большинство реализованных серий

системы автоматизированных электроприводов с вентильными

двигателями соответствуют требованиям управления

электроприводами в автоматизированных системах управления

технологическими процессами.

Особый интерес представляют проблемы управления

электроприводами с вентильным двигателем в области малых

(низких) частот вращения ротора.

Следует однако заметить, что при необходимости

осуществления весьма глубокого регулирования скорости у систем

с ПЧ на тиристорах теряется весьма важное преимущество -

возможность естественной коммутации, так как ЭДС вращения

двигателя оказывается недостаточной для запирания (гашения)

тиристоров. В настоящее время с этой проблемой справляются

путем реализации ряда схемных решений с использованием

управляемого выпрямителя для гашения тока вентилей инвертора,

либо на основе применения полностью управляемых тиристоров

(транзисторов), в том числе самозапираемых.

В.3. Ретроспективный анализ: общая схема развития

теории и практики автоматизированных

электроприводов с вентильными двигателями

Ретроспективный анализ свидетельствует о том, что почти

все принципиальные элементы силовых и информационных цепей

электропривода с ВД появились еще на заре электромашиностроения.

Идея синхронной машины; коммутатора с обратной связью по

положению ротора; идея коррекции этой обратной связи;

фильтрации и т.д.- все это отражено в обширной литературе и

элементах изобретений в области электрических машин и

автоматизированного электропривода.

Появление ВД в начале 30-х годов связано с именами

Е. Керна, И.Александерсона, С. Виллиса и др. (за рубежом),

Б.Н. Тихменева, Д.А. Завалишина, О.Г. Вегнера, М.И. Губанова,

Е.Л. Эттингера и др. (в нашей стране).

Первый, или довоенный, период развития ВД был связан с

появлением ионных вентильных приборов. Были заявлены

различные схемные решения, применительно к которым

исследовались особенности рабочего процесса ВД сравнительно

большой мощности, предназначенных, в основном, для тягового

электропривода. Несомненным достоинством первого периода

развития ВД и электропривода на его основе явились четкие

научные постановки проблематики; определение места ВД в ряду

известных классических электрических машин в электроприводе.

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

полупроводниковых приборов. В.В. Цокановым, О.А. Коссовым,

А.А.Афанасьевым, В.А. Кучумовым, Н.Г. Гориным, В.Г. Ивановым

и др. были выполнены теоретические исследования по проблемам

коммутации инверторов, влияния реакции якоря ВД на рабочие

статические и динамические характеристики ВД в электроприводе

и т.д. Реализованы многочисленные технические решения,

направленные на совершенствование ВД и определившие его

принципиальную структуру. Теоретические исследования

статических и динамических характеристик ВД проводились с

помощью двух основных методов. Первый метод, ориентированный

на ВД малой мощности, предполагает постоянство индуктивных

параметров обмотки якоря независимо от положения индуктора.

Второй метод связан с подходом к ВД с позиции обобщенной

электрической машины. Реальный ВД заменяется

идеализированной обобщенной моделью, для которой уравнения

электрического и механического равновесий записываются в той

или иной системе координат.

Третий период развития теории и практики ВД и

автоматизированного электропривода на его основе связан с

появлением интегральной полупроводниковой технологии. В

результате реализации огромного количества разнообразных в

функциональном отношении интегральных микросхем и элементов

энергетической электроники в руках исследователей оказался не

просто электродвигатель в общепринятом смысле этого слова, а

практически полностью укомплектованный электропривод. Этот

период характеризуется широким спектром теоретических и

экспериментальных исследований вентильно-машинных цепей,

свойств электрических машин (в частности, машин синхронного

типа) в этих цепях и синтезом новых классов комплектных

автоматизированных электроприводов. Работы этого периода,

несмотря на большое количество используемых допущений,

позволяют оценить перечень, приоритеты и механизмы действия

основных физических факторов, явлений; указать целесообразные

пределы значений электромагнитных параметров электрических

машин; интервалы линеаризации дискретных процессов

вентильных преобразователей, обеспечивающих оптимальное

функционирование ВД и электроприводов на их основе в

статических (квазиустановившихся) и динамических режимах.

Важнейшие результаты в этом направлении получены в работах

И.А. Глебова, И.Е. Овчинникова, Н.И. Лебедева, Ш.И. Лутидзе,

А.А. Афанасьева, 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, И.И. Эпштейна, В.А. Балагурова,

В.К. Лозенко, А.М. Вейнгера, А.Я. Бернштейна, А.А. Булгакова и др.

B.4. Современное научно-техническое направление

теории автоматизированного электропривода

с вентильным двигателем. Проблема классификации

Развитие теории и практики электропривода с ВД ведется по

пути органичного синтеза приемов и методов теории обобщенной

электрической машины на основе двигателей синхронного типа с

электромагнитным либо магнитостатическим возбуждением,

средств энергетической (силовой) электроники и современной

теории автоматического управления (регулирования) многосвязных

многомерных нелинейных электромеханических систем. При этом

заметное место занимают проблемы: 1 - представления и аппаратной

реализации ПЧ с зависимым инвертором как безынерционного звена

со свойствами усилителя постоянного тока, обеспечивающего

формирование выходных переменных по амплитуде и частоте

согласованных с алгоритмом ДПР и частотой вращения ротора СД;

2 - повышения использования синхронной машины в схеме ВД по

мощности путем оптимизации потерь мощности на основе связанного

целесообразного регулирования выходных координат ВД (скорости

и электромагнитного момента) управляющими воздействиями; 3 -

снижения уровня виброактивности непосредственно ВД и исключения

резонансов в окрестностях собственных частот свободных

колебаний механической части САР при частотном пуске и

совместной работе электроприводов с ВД и рабочего механизма

как единого динамического объекта регулирования; 4 - снижения

уровня греющих потерь в электрических и магнитопроводящих

контурах СД от гармонических высоких порядков токов и напряжений,

порождаемых "скачущим" характером магнитного поля в зазоре СД

из-за коммутационного режима ПЧ; 5 - разработки научно

обоснованного метода компенсации внутренней связи по ЭДС

вращения СД, обеспечивающего использование теории многосвязных

систем подчиненного регулирования с последовательной коррекцией

и синтезом САР на электроприводы с ВД.

При рассмотрении электроприводов с ВД существующие

классификации принципов управления выходными координатами

и способов их технической реализации обусловливают два подхода:

абстрагирование САР с ВД: как САР с двигателем постоянного тока

либо как САР с частотным управлением синхронного двигателя.

Однако путь к точной классификации САР с ВД лежит через

рациональное представление физической картины процесса

электромеханического преобразования энергий вентильно-

машинного комплекса в функции пространственного положения

ротора СД. Поэтому основой для классификации ВД и САР на его

базе целесообразно считать тип вентильного коллектора,

определяемый способом задания угловых параметров,

характеризующих взаимное пространственное положение векторов

основных гармоник ЭДС холостого хода, тока и напряжения обмотки

якоря (табл. В.1):

;

011 mm

EI ,-







;

111 mm

UI ,







01 mm

EU ,







Характеристики

задаваемых углов между

векторами







Скорость

вращения

якоря,

ротора

Тип электродвигателя

const

var var var

постоянного тока с механическим

коллектором

ar var var var асинхронный

ar var

var

const

синхронный

const

var var var

ентильный

—

с коллект

ором

первого рода

 

const



const

var var

ентильный

— с коллектором

второго рода

 

const



ar var

const

var

ентильный

—

с коллект

ором

третьего рода

 

const



Таблица B.I

Ч АС Т Ь ПЕ Р ВА Я

ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Г л а в а п е р в а я

СИНХРОННАЯ МАШИНА КАК ЭЛЕМЕНТ

ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Синхронная машина, являясь составным элементом

вентильного двигателя постоянного тока, сохраняет многие из

своих свойств, присущих нормальной схеме питания.

Специфические качества, приобретаемые ею при совместной

работе с преобразователем частоты, проявляются только вследствие

нетипичного режима пропускания тока через фазные обмотки

якоря. Известные общие дифференциальные уравнения

синхронной машины, взятые в той или иной системе координат,

позволяют определить реакцию электрических контуров машины

на любой режим их электромагнитного возбуждения. Поэтому эти

уравнения могут быть исходными при исследовании рабочих

процессов и свойств также и вентильного двигателя.

1.1. Уравнения Парка-Горева

Наиболее распространенной формой записи дифференци-

альных уравнений синхронной машины является представление

их в координатах d, q, 0 — уравнения Парка-Горева [91]:

;

u 









(1.1)

;

u 









(1.2)

;

u 





(1.3)

;

u 





(1.4)

kdkd







(1.5)

kqkq







(1.6)

 

;

вн

Miip

dqqd





(1.7)

где

;

kdakdfafddd

iLiLiL









(1.8)

;

kqakqqqq

iLiL







(1.9)

;

000





(1.10)

;

kdfkdfffdaff

iLiLiL











(1.11)

;

kdkdffkddakdkd

iLiLiL









(1.12)

kqkqqakqkq

iLiL







(1.13)

Первые шесть уравнений отвечают условиям электрического

равновесия обмоток, седьмое - равновесию моментов на валу

машины.

Пятое и шестое уравнение соответствуют успокоительной

(пусковой) короткозамкнутой обмотке на полюсах ротора,

представленной эквивалентными одновитковыми контурами,

расположенными по осям d и q ротора.

Уравнения (1.3) и (1.10) вводятся в рассмотрение, если токи

статора содержат составляющую нулевой последовательности

 

0 cba

iiii 

(1.14)

Эта составляющая отлична от нуля при несимметрии фазных

токов i

, i

и i

Уравнения Парка-Горева оперируют с преобразованными

(осевыми) токами и напряжениями, соответствующими фиктивным

обмоткам статора, расположенным по осям d и q. Осевые и нулевой