Алгоритмические методы снижения шумов и вибраций в частотно-регулируемом асинхронном электроприводе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Доброскок, Никита Александрович

• Доброскок, Никита Александрович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Доброскок, Никита Александрович

ОГЛАВЛЕНИЕ

Оглавление

Введение

Глава 1. Анализ проблемы проектирования малошумного асинхронного электропривода

1.1 Источники шумов и вибраций асинхронного электропривода

1.2 Методы уменьшения уровней электромагнитных шумов и вибраций асинхронного двигателя

1.2.1 Метод коррекции спектра вибровозмущающих сил посредством управления спектром напряжения статора

1.2.2 Метод исключения гармоник вибровозмущающих сил путем преднамеренного введения высокочастотных гармоник в ток статора

1.2.3 Метод избирательного исключения гармоник из спектра вибровозмущающих сил

1.3 Выводы по первой главе

Глава 2. Математическое моделирование магнитных вибраций асинхронного двигателя

2.1 Анализ радиальной магнитной вибровозмущающей силы при синусоидальном напряжении питания и односторонней зубчатости

2.2 Анализ радиальной магнитной вибровозмущающей силы при несинусоидальном напряжении питания и односторонней зубчатости

2.3 Исследование вибраций статора асинхронного двигателя

2.4 Исследование частот собственных колебаний статора асинхронного двигателя

2.5 Выводы по второй главе

Глава 3. Минимизация влияния несинусоидальности напряжения питания асинхронного двигателя на расширение спектра вибровозмущающих сил

3.1 Исследование спектров магнитных вибровозмущающих сил при питании от автономного инвертора напряжения с классическими алгоритмами формирования широтно-импульсной модуляции

3.1.1 Анализ случая скалярной синусоидальной широтно-импульсной модуляции

3.1.2 Анализ случая векторной симметричной широтно-импульсной модуляции

3.2 Разработка алгоритмов формирования широтно-импульсной модуляции, улучшающих виброшумовые характеристики асинхронного двигателя

3.2.1 Формирование выходного напряжения автономного инвертора напряжения заданного гармонического состава

3.2.2 Формирование выходного напряжения автономного инвертора напряжения на основе кратномасштабного анализа

3.3 Сравнительное исследование алгоритмов формирования широтно-импульсной модуляции

3.4 Выводы по третьей главе

Глава 4. Исследование системы векторного управления асинхронного электропривода с улучшенными виброакустическими характеристиками

4.1 Математическое описание электромагнитных процессов в асинхронном двигателе при ориентации модели по вектору потокосцепления ротора

4.2 Исследование системы прямого векторного управления асинхронным двигателем

4.3 Исследование бездатчиковой системы прямого векторного управления

4.4 Разработка системы прямого векторного управления асинхронного электропривода с улучшенными виброакустическими характеристиками

4.5 Выводы по четвертой главе

Глава 5. Экспериментальные исследования малошумного асинхронного электропривода

5.1 Методика проведения экспериментальных исследований

5.2 Исследование влияния алгоритмов формирования широтно-импульсной модуляции на виброакустические характеристики асинхронного двигателя при частотном управлении

5.3 Исследование влияния алгоритмов формирования широтно-импульсной модуляции на виброакустические характеристики асинхронного двигателя при работе на номинальной частоте

5.4 Выводы по пятой главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Алгоритмические методы снижения шумов и вибраций в частотно-регулируемом асинхронном электроприводе»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность и степень разработанности темы исследования. Автоматизированный АЭП в настоящее время находит широкое применение во всех отраслях промышленности. Так согласно данным, приведенным в [6], в 2002 году на европейском рынке доля продаваемых регулируемых электроприводов переменного тока составила 68 % из всего числа продаваемых регулируемых приводов (15 % составили регулируемые электроприводы постоянного тока и 17 % механические и гидравлические приводы). При этом доля АЭП в общем числе продаваемых электроприводов переменного тока составила 82 %. Тенденция на возрастание доли АЭП, среди применяемых в промышленности регулируемых приводов, сохраняется с 1990 года по настоящее время. Такая же тенденция наблюдается и в судо- и кораблестроении. При этом АД применяются как в качестве исполнительных двигателей вспомогательных устройств, некоторые из которых не требуют регулирования скорости в широких диапазонах, так и в качестве гребного электродвигателя. Применение АЭП в судо- и кораблестроении обусловлено не только технологичностью и массовостью его производства, но и рядом других существенных факторов. Согласно [23] к преимуществам АД можно отнести такие как отсутствие прямого электрического контакта между ротором и системой электроснабжения, отсутствие таких деталей как изолированные обмотки, возбудитель, вращающиеся диоды или постоянные магниты, что повышает надежность АД по сравнению с СД и уменьшает время на техобслуживание.

В связи с широким применением АЭП в настоящее время проводится большое число исследований, направленных на обеспечение желаемых динамических и статических показателей работы АД. Кроме того, все большее внимание при проектировании АЭП уделяется снижению уровней акустического шума и виброактивности. Решение последней задачи обусловленно необходимостью уменьшения негативного влияния работы АЭП на человеческий организм, а также применением АЭП в специальных системах, требующих обеспечения минимума излучаемого акустического шума с целью обеспечения скрытности. Что касается негативного влияния на организм человека, то воздействие акустического шума и вибраций зависит от их спектрального состава, продолжительности воздействия и ряда других факторов. В общем случае согласно [4] вредное влияние может сказываться как на функциональном состоянии человека (повышение утомляемости, увеличение времени двигательной реакции, увеличении времени зрительной реакции, нарушение вестибулярной реакции и др.), приводящей к снижению качества работы, так и на общем физическом состоянии (развитие нервных заболеваний, нарушение функций сердечнососудистой системы, нарушение функций опорно-двигательного аппарата, поражение мышечной ткани суставов и др.), приводящих к появлению профессиональных хронических заболеваний и виброболезни.

Важность проблемы улучшения ВАХ электрооборудования, в том числе АД, подтверждается введением регламентирующих нормативных документов во многих странах мира. Так в настоящее время в РФ действуют санитарные нормы (СН 2.5.2.047-96) «Уровни шума на морских судах», (СН 2.5.2.048-96) «Уровни вибрации на морских судах». Кроме того, особые требования по излучаемому акустическому шуму и вибрациям предъявляются и непосредственно к вращающимся электрическим машинам. Уровни шумов и вибраций электрических машин определяются межгосударственными стандартами: (ГОСТ 20815-93) «Машины электрические вращающиеся. Механическая вибрация некоторых видов машин с высотой оси вращения 56 мм и более. Измерение, оценка и допустимые значения», (ГОСТ 16372-93) «Машины электрические вращающиеся. Допустимые уровни шума». При применении АД в специальных системах, например, в качестве приводов вспомогательных устройств на военных кораблях, на АЭП накладываются повышенные требования к ВАХ, оговоренные соответствующими требованиями и стандартами.

В настоящее время проводится большое количество НИОКР, направленных на исследование причин возникновения акустических шумов и вибраций, на поиск конструкторских решений улучшения ВАХ АД, а также разработку СУ АЭП, позволяющих в условиях несинусоидального напряжения питания получить ВАХ, близкие ВАХ АД при питании от сети с синусоидальным напряжением или улучшенными ВАХ. Исследования в этой области проводились и проводятся такими российскими и зарубежными исследователями, как Н. В. Астахов, В. С. Малышев, Н. Я. Овчаренко, J1. К. Волков, Р. Н. Ковалев, Г. Н. Никифорова, Е. Е. Чаадаева, К. Н. Явленский, А. К. Явленский, В. А. Воронкин, В. Я. Геча, Э. А. Городецкий, В. В. Евланов, А. Б. Захаренко, Б. И. Зубренков, А. И. Каплин, В. И. Дедовской, И. В. Склярова, JL П. Смирнова, М. X. Шапиро, И. Г. Шубов, A. Astfalck, D. Belkhayat, D. Roger, J.F. Brudny, A. M. Trzynadlowski, B. Cassoret, R. Corton, D. Roger, J.-F. Brudny, W. R. Finley, S. Garcia-Otero, M. Devaney, N. Hashemi, R. Lisner, D. G. Holmes, K.C. Maliti, R. Yakamini, S.C. Chang и др.

Одной из проблем проектирования регулируемого ЭП на базе АД является увеличение уровней вибрации и излучаемого акустического шума при питании АД от ПЧ с АИН с ШИМ. Поэтому проектирование ЭП с улучшенными ВАХ необходимо производить с учетом несинусоидальности напряжения питания статора АД. Разработанные к настоящему времени схемы частотно-регулируемого ЭП расчитываются либо по эффективному, либо по амплитудному значению первой гармоники напряжения питания АД. Влиянию высших гармонических составляющих напряжения, которые существенно изменяют уровни вибраций и излучаемого акустического шума, уделяется меньшее внимание. Следовательно, актуальным направлением улучшения ВАХ АД при эксплуатации в составе ЭП является проведение комплексного исследованияработы АД при питании от АИН с учетом высших гармонических составляющих напряжения, обусловленных использованием различных алгоритмов формирования ШИМ.

Целью диссертационной работы является разработка СУ АЭП, позволяющей минимизировать влияние несинусоидальности напряжения питания АД, получаемого от ПЧ с двухуровневым АИН, и получить ВАХ АД, которые по своим параметрам приближались бы к ВАХ АД, получающего питание от источника синусоидального напряжения.

Для достижения поставленной цели в диссертации последовательно решаются следующие задачи

1. Анализ существующих активных методов улучшения ВАХ АД, основанных на управлении спектральными составами токов и напряжений статора АД.

2. Разработка математического описания радиальной составляющей магнитных вибровоз-мущающих сил АД, обусловленных высшими гармоническими составляющими напряжения питания, пригодного для анализа работы АД при управлении посредством изменения частоты и действующего значения напряжения, подаваемого на статор с выхода двухуровневого АИН с различными алгоритмами формирования ШИМ.

3. Анализ влияния алгоритма формирования ШИМ и его настраиваемых параметров на расширение спектра радиальной составляющей магнитных вибровозмущающих сил АД.

4. Исследование процессов формирования магнитных вибровозмущающих сил при работе АД в составе системы прямого векторного управления при ориентации по полю ротора с адаптивным наблюдателем состояния в условиях ограниченной неопределенности активного сопротивления статора.

5. Проведение экспериментальных исследований ВАХ АД, получающего питание от двухуровневого АИН с различными алгоритмами формирования ШИМ.

Основным объектом исследования является СУ, состоящая из трехфазного АД с коротко-замкнутым ротором, получающего напряжение питания статора от трехфазного двухуровневого АИН.

В качестве предмета исследования выступают алгоритмы формирования ШИМ на выходе АИН и методы улучшения ВАХ АД при несинусоидальном напряжении питания статора.

Методы и средства исследования. В диссертации использовались методы высшей алгебры, современной теории управления и теории электропривода, теории рядов и двойных рядов Фурье, функций Ляпунова, а также методы, основанные на применении теории вейвлетов. Компьютерные исследования электромагнитных процессов в АД проводены посредством компьютерного моделирования в программе Matlab (Simulink), частот собственных колебаний АД - в САПР ANS YS. Экспериментальные исследования проведены на электротехническом стенде филиала «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «КГНЦ» с использованием программно-аппаратного комплекса регистрации переходных процессов РЭС-4 и виброанализатора СД-21.

Научные результаты, выносимые на защиту

1. Математическая модель радиальной составляющей магнитных вибровозмущающих сил АД при питании статора от АИН с различными алгоритмами формирования ШИМ.

2. Способ минимизации амплитуд гармоник радиальной составляющей магнитных вибровозмущающих сил.

3. Методика выбора алгоритма формирования ШИМ и его параметров для обеспечения заданного спектрального состава радиальной составляющей магнитных вибровозмущающих сил.

4. Комплекс программ доя ЭВМ и МК, реализующих различные алгоритмы формирования ШИМ.

Научная новизна исследования заключается в следующем

1. Математическая модель формирования радиальной составляющей магнитных вибровозмущающих сил АД при питании статора от АИН, отличающаяся тем, что учитывает спектральный состав напряжения питания статора АД для различных алгоритмов формирования ШИМ, рассчитанный на основе теории рядов Фурье и двойных рядов Фурье.

2. Способ минимизации амплитуд гармоник радиальной составляющей магнитных вибровозмущающих сил, заключающийся в минимизации намагничивающего тока за счет оптимизации сигнала задания на потокосцепление ротора в системе прямого векторного управления.

3. Методика выбора алгоритма формирования ШИМ и его параметров для обеспечения заданного спектрального состава радиальной составляющей магнитных вибровозмущающих сил, отличающаяся тем, что улучшает ВАХ АД за счет максимизации расстояния между частотами собственных колебаний конструкции АД и частотами высших гармоник радиальной составляющей магнитных вибровозмущающих сил, возникающих на частотах, модулированных ШИМ.

4. Комплекс программ для ЭВМ и МК, реализующих различные алгоритмы формирования ШИМ, позволяющий применить алгоритм исключения гармонических составляющих для управления АИН при исключении до 12 наперед заданных гармоник линейного напряжения двухуровневого АИН, обеспечивающий отсутствие составляющих спектра вибровозмущающих сил вблизи частот собственных колебаний конструкции АД; позволяющий реализовать вариант алгоритма формирования ШИМ, основанного на применении кратномасштабного анализа.

Теоретическая и практическая значимость работы. Проведенные исследования позволяют добиться уменьшения уровней магнитных шумов и вибраций АД при работе в составе частотно-регулируемого ЭП, выполненного на базе АЭП.

Реализация результатов работы. Результаты проведенных исследований нашли применение при выполнении ОКР «Гибрид», проводимой в филиале «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «Крыловский государственный научный центр» в рамках Федеральной целевой программы № 1 в течение 20122014 г. г.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ХХХХ1 Всероссийском симпозиуме по механике и процессам управления (г. Миасс Челябинской обл., 2011 г.), заседании секции «Судовые электроэнергетические системы» НТО А. Н. Крылова (г. Санкт-Петербург, 2011 г.), четырех молодежных научно-технических конференциях «Взгляд в будущее» (ОАО «ЦКБ МТ «Рубин», г. Санкт-Петербург, 2011-2014 г. г.), научно-технической конференции «Судовые единые электроэнергетические системы и гребные электрические установки» (СПбГМТУ, г. Санкт-Петербург, 2013 г.) и ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательсокго состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) в 2012-2014 г. г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, среди которых 3 статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 1 работа в материалах всероссийского симпозиума, 5 работ в материалах научно-технических конференций, 1 статья в прочих изданиях. Основные положения защищены 1 патентом на изобретение и 4 свидетельствами о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами, заключения, списка сокращений и библиографического списка. Работа содержит 162 страницы машинописного текста, включая 93 рисунка и 17 таблиц. Библиографический список включает 75 наименований, среди которых 31 отечественное и 44 иностранное.

ГЛАВА 1.

АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАЛОШУМНОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

1Л Источники шумов и вибраций асинхронного электропривода

Как шум, так и вибрация, представляют собой механические колебания однородных сред и конструкций, обусловленные вынуждающими силами различной физической природы. В ЭМ переменного тока, к которым относится АД, выделяют шумы и вибрации механического и электромагнитного происхождения, а также аэродинамический шум.

Кратко рассмотрим причины каждого из перечисленных видов шумов и вибраций.

Анализ известной литературы [13], [30] показывает, что при частотах вращения выходного вала свыше 1500 об/мин у трехфазных АД с короткозамкнутым ротором и самовентиляцией преобладает шум, созданный потоками воздуха, т. е. аэродинамический шум. В [30] к основным источникам аэродинамического шума отнесены следующие:

- шум вентилятора, обусловленный срывающимися вихрями от рассечения воздушной струи кромками лопаток и диском вентилятора;

- шум вращения ротора, обусловленный срывом вихрей с его поверхности от рассечения воздушной струи головками обмоток ротора или выступающими концами стержней беличьей клетки короткозамкнутых роторов;

- шум воздушных потоков, вызываемый срывом вихрей с неподвижных препятствий в вентиляционных путях, например, на решетках входных и выходных окон, с ребер статора, лобовых частей обмоток статора и др.

Согласно [13] преобладающим среди перечисленных источников является шум вентилятора, который состоит из двух компонент: вихревого шума и шума от неоднородности потока. При этом шум, создаваемый неоднородностью потока воздуха, обладает дискретным спектром. Частота дискретных составляющих определяется числом лопаток вентилятора

г 2П ■ п\

/. =—1, С1)

- 60

где г - число лопаток вентилятора;

п - частота вращения, об/мин;

/ е N - кратность частоты относительно числа лопаток.

Что касается вихревого шума, то он генерируется турбулентным потоком воздуха и имеет сплошной спектр, аналогичный белому.

Среди механических источников шумов и вибраций в литературе [3], [13], [18], [30] выделяют такие, как: остаточный небаланс ротора и находящихся на нем деталей; тепловая деформация ротора; подшипники и др.

Спектр вибраций, порожденных небалансом ротора, имеет дискретный характер с составляющими на частоте вращения /о и кратных ей.

Наиболее существенными согласно [30] из источников вибраций подшипников качения, которые применяются во многих АД, являются следующие:

- радиальный бой внутреннего кольца подшипника, вызывающий вибрации со спектром, аналогичным спектру вибраций при остаточном небалансе ротора;

- овальность и конусность колец, вызывающая вибрации с двойной частотой

2 п

/ =—; (2) 7 60

- разноразмерность шариков, вызывающая при равномерном чередовании в подшипнике шариков большого и малого размера вибрации на частотах

/ = -—, (3)

г{+г2 2 60

где и г2 - радиусы дорожек качения внутреннего и наружного колец, м; гк - число тел качения;

- гранность тел качения, вызывающая вибрации на частотах

(1.

г -2 ^

с1.

КП (Л\

2 60 ' К)

1—

V А2у

где Ц, - диаметр центров тел качения, м; с1ш - диаметр тел качения, м; к} - число граней;

- зазоры в гнездах сепараторов, приводящие к смещению сепаратора на величину зазора и вызывающие вибрации на частотах

2

^ (1„

А, у

-; (5)

60

волнистость дорожек качения, вызывающая вибрации на частотах

г _ т

^ .7 ^

. А>у

(6)

60

где т - число волнистостей по окружности дорожки качения внутреннего или наружного диаметра и др.

Как видно, спектр вибраций обладает богатым гармоническим составом. При этом диапазон частот вибраций может составлять от десятков Гц до десятков кГц. Однако, если применять высокоточные подшипники качения и использовать специальные процедуры при монтаже (например, введение предварительного нагружения подшипников [24]), то спектры вибрации становятся более стабильными и снижаются по величине.

Последняя группа источников шумов и вибраций АД имеет электромагнитное происхождение. При этом в качестве особого вида источника электромагнитных шумов и вибраций выделяют явление магнитострикции, которое заключается в деформации тел при изменении их магнитного состояния. Количественная оценка вибраций, обусловленных явлением магнитострикции, затруднена ввиду большого числа процессов и факторов, способствующих как механической деформации, так и изменению магнитных свойств материала. Так в АД изменение магнитного состояния может сопровождаться эффектами Видемана, Маттеучи, Вилари и др., которые способны приводить не только к изменению линейных размеров, но и к возникновению крутильных колебаний. Явление магнитострикции в случае АД наиболее существенно проявляется в электротехнической стали статора.

В работе наибольшее влияние уделяется изучению и подавлению непосредственно электромагнитных шумов и вибраций, обусловленных пульсирующими или вращающимися магнитными силами и моментами, которые действуют в воздушном зазоре АД. Как правило, силы электромагнитного происхождения особенно выражены в диапазоне частот от 0.1 до 4 кГц. По направлению действия электромагнитные силы делятся на три составляющие [18]:

- аксиальные силы, вызывающие смещение ротора по отношению к сердечнику статора;

- тангенциальные силы, создающие вращающий момент и вызывающие вибрации обмоток, особенно в зоне лобовых частей, определяются следующим выражением

/;(<м) = 4а»0-Я(аД (7)

где - мгновенное значение линейной токовой нагрузки статора или ротора, А/ см;

В(а- мгновенное значение магнитной индукции в воздушном зазоре в точке с координатой а в момент времени I, Тл;

- радиальные силы, вызывающие в широком спектре частот изгибные колебания корпуса ЭМ пропорциональны квадрату магнитной индукции в воздушном зазоре

(8)

где д0 = 4я ■ 10~7 - магнитная проницаемость воздуха, Гн/м.

Согласно исследованиям [30], [59], [66] и др. наиболее существенное влияние на возникновение шумов и вибраций электромагнитного происхождения оказывают радиальные составляющие вибровозмущающих сил, определяемые выражением (8). При этом в общем случае индукция электромагнитного поля

в воздушном зазоре, которая и определяет вибровозмущающую силу, имеет несинусоидальное распределение, однако может быть представлена как пространственно-временное распределение следующего вида

где Вш - амплитуда у-й гармоники индукции электромагнитного поля в воздушном зазоре АД, Тл;

2р\ - эквивалентное число пар полюсов для у-й гармоники;

юу— частота у-й гармоники индукции электромагнитного поля в воздушном зазоре АД,

рад/с;

ФУ- фазовый угол у-й гармоники индукции электромагнитного поля в воздушном зазоре АД, рад.

Из уравнения (9) очевидно, что в спектральном составе индукции электромагнитного поля в воздушном зазоре кроме основной гармоники V = 1 с частотой, равной частоте напряжения питания статора соу = со, = 2л/0, появляются также высшие гармоники, обусловленные рядом факторов. Эти высшие гармоники принято разделять на пространственные и временные. Каждый из этих видов высших гармонических составляющих имеют свою причину. Так к наиболее важным факторам, определяющим появление высших пространственных гармоник, относятся следующие:

- статический и динамический эксцентриситет ротора;

- насыщение магнитной цепи в воздушном зазоре;

- несинусоидальное распределение обмоток в статоре и роторе;

- наличие пазов на статоре и роторе.

Что касается причин возникновения высших временных гармоник, которые в свою очередь приводят к появлению высших пространственных составляющих спектра, то они появляются в случае питания АД от несинусоидального источника напряжения, которым, например, может быть АИН.

Влияние несинусоидальности напряжения питания на вибровозмущающие силы будет рассмотрено подробно во второй главе. На данном этапе допустим, что индукция электромагнитного поля в воздушном зазоре (9) имеет синусоидальное распределение, т. е.

В(а, /) = ВтХ со^{т,ра - со/ - ср,). (10)

Очевидно, что расчет радиальной составляющей магнитной силы по выражению (8) в случае индукции вида (10) даст следующий результат

/г (а, /)=-^-[1 + соз^а - 2 со/ - 2ср,)]. (11)

Анализ выражения (11) позволяет сделать важные выводы. Радиальная составляющая магнитных сил содержит как постоянную составляющую, так и переменную, вращающуюся с двой-

ной частотой питания. Что касается постоянной составляющей, то она не оказывает какого-либо значительного влияния на вибрации АД, т. к. равномерно распределена по всей длине воздушного зазора. Вибрации же вызывает переменная составляющая радиальной магнитной силы. Кроме того, эта вибровозмущающая сила присутствует в АД в силу его принципа работы и не может быть подавлена полностью конструктивными решениями. По выражению (11) можно оценить амплитуду основной гармоники радиальной составляющей магнитной силы для АД. Так в работе в качестве примера взят специальный малошумный АД типа 4ДМШ, для которого расчетное значение индукции электромагнитного поля в воздушном зазоре составляет ВтХ - 0.645 Тл. Такая

индукция вызовет магнитные вибровозмущающие силы с амплитудой РтЛ = 82.8 кН/м2. Согласно [59] вибровозмущающие силы такой амплитуды могут вызывать значительные вибрации в двигателях большой мощности.

1.2 Методы уменьшения уровней электромагнитных шумов и вибраций

асинхронного двигателя

Все известные способы уменьшения шумов и вибраций, имеющих электромагнитную природу, согласно [66] и [58] принято подразделять на активные и пассивные. Пассивные методы в работе не рассматриваются. Они связаны в большой степени с использованием специальных конструктивных решений, например, применением магнитного подвеса, амортизаторов и т. д. Кроме того, существуют некоторые правила проектирования АД, которые позволяют уменьшить податливость АД к колебаниям, обусловленным вибровозмуащющими силами (8), посредством изменения геометрических размеров и параметров статора и ротора.

Среди конструктивных методов уменьшения магнитных вибраций можно выделить такие как: увеличение высоты воздушного зазора; использование скоса пазов статора и ротора; увеличение числа полюсов на статоре АД; выбор благоприятного соотношения числа пазов статора и ротора; выбор соответствующей формы пазов статора и ротора; увеличение числа фаз обмотки статора; применение «демпфирующих» материалов. Кратко рассмотрим влияние некоторых из этих решений на виброактивность АД.

По существу, ВАХ АД определяются еще на стадии выбора главных размеров и поперечной геометрии. Очевидно, что геометрические размеры статора оказывают существенное влияние на значения собственных частот колебаний конструкции. Так отношение наружного диаметра статора к высоте спинки пакета листов статора определяет жесткость статора к изгибным колебаниям: чем больше диаметр статора и тоньше спинка статора, тем больше податливость АД к колебаниям [57].

К понятию поперечной геометрии в частности относятся формы пазов статора и ротора, которые оказывают значительное влияние на излучение АД акустического шума в окружающую среду. Так уменьшение открытия пазов статора и ротора приводит к уменьшению фиктивного увеличения величины воздушного зазора, что более подробно рассмотрено во второй главе. В АД типа 4ДМШ пазы ротора выполнены закрытыми, и наружная поверхность ротора, таким образом, является гладкой. Однако такое закрытие пазов ротора согласно [46] может привести к существенному увеличению потока рассеяния.

Выбор благоприятного соотношения числа пазов статора и ротора также оказывает значительное влияние на снижение электромагнитных вибраций. Так число пазов статора и ротора непосредственно определяют следующие величины [24]:

- число пар полюсов высших гармоник магнитных полей статора и ротора и связанные с ними порядки сил магнитного тяжения, действующих на статор со стороны воздушного зазора;

- амплитуды индукции высших гармоник магнитных полей статора и ротора и количество высших гармоник магнитных полей;

- частоты магнитных вибраций и степень отстройки частот вибровозмущающих сил электромагнитной природы от собственных частот элементов конструкции АД в области рабочих скольжений.

Рекомендации по правильному выбору соотношения числа пазов статора и ротора даны во многих источниках [30], [51] и др. При использовании таких рекомендаций необходимо иметь в виду, что соотношение числа пазов статора и ротора влияет не только на виброактивность АД, но и на пусковые, двигательные и тормозные свойства АД [30]. Например, в [30] показано, что для уменьшения асинхронных моментов, вызванных зубцовыми гармониками проводимости воздушного зазора, гармониками МДС обмоток статора и ротора, добавочными потерями при открытых пазах в статоре необходимо выбирать из соотношения

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Доброскок, Никита Александрович, 2014 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ананьев, С. С. Асинхронный электропривод с улучшенными виброшумовыми характеристиками: дис. к.т.н. 05.09.03 / С. С. Ананьев. - Иваново, 2008. - 120 с.

2. Архангельский, Н. Л. Контур тока асинхронного электропривода с улучшенными регулировочными и энергетическими характеристиками / Н. Л. Архангельский, А.Б. Виноградов // Электротехника. - 1997. - №4. - с. 6-11.

3. Астахов, Н. В. Математическое моделирование вибраций асинхронных машин / Н. В. Астахов, В. С. Малышев, Н. Я. Овчаренко. - Кишинев: Штиинца, 1987. - 145 с.

4. Барановский, В. В. Защита от вибраций и шума на производстве - учебное пособие / В. В. Барановский, Ю. В. Колосов. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2011 - 38 с

5. Барков, А. В. Идентификация состояния механизмов с узлами вращения по результатам вибрационного мониторинга и контроля температуры / А. В. Барков, Н. А. Баркова, Д. В. Грищен-ко. - Учебное пособие. — СПб.: НОУ «Северо-западный учебный центр», 2011. — 80 с.

6. Браславский, И. Я. Энергосберегающий асинхронный электропривод / И. Я. Браславский, 3. Ш. Ишматов, В. Н. Поляков, М. - академия, 2004 - 256 с

7. Бриллинджер, Д. Временные ряды. Обработка данных и теория / Д. Бриллинджер. - М.: Мир, 1980.-536 с.

8. Булгаков, А. А. Частотное управление асинхронными двигателями / А. А. Булгаков. — 3-е перераб. изд. -М.: Энергоиздат, 1982.-216 с.

9. Виноградов, А. Б. Анализ энергетических показателей и методика выбора оптимальных алгоритмов широтно-импульсной модуляции для управления трёхфазным инвертором напряжения /

A. Б. Виноградов, Д. Б. Изосимов // Электричество. - 2009. - №5. - с. 37-41.

10. Виноградов, А. Б. Векторное управление электроприводами переменного тока / А. Б. Виноградов. - Иваново, 2008. - 298 с.

11. Волков, Л. К. Вибрация и шум электрических машин малой мощности / Л. К. Волков, Р. Н. Ковалев, Г. Н. Никифорова, Е. Е. Чаадаева, К. Н. Явленский, А. К. Явленский. - Л.: Энергия, 1979. -206 с.

12. Вольдек, А. И. Электрические машины / А. И. Вольдек. - Л.: Энергия, 1978. - 832 с.

13. Воронкин, В. А. Методы проектирования малошумных электрических машин/ В. А. Ворон-кин, В. Я. Геча, Э. А. Городецкий, В. В. Евланов, А. Б. Захаренко, Б. И. Зубренков, А. И. Каплин,

B. И. Ледовской, И. В. Склярова, Л. П. Смирнова, М. X. Шапиро // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. - 2006. - том: 103

14. Выгодский, М. Я. Справочник по высшей математике / М. Я. Выгодский. - М.: Гос. изд-во технико-теоретической литературы, 1956. - 784 с.

15. Выгодский, M. Я. Справочник по элементарной математике / М. Я. Выгодский. - М.: Гос. изд-во технико-теоретической литературы, 1956. - 412 с.

16. Геллер, Б. Высшие гармоники в асинхронных машинах / Б. Геллер, В. Гамата. - пер. с англ. под ред. 3. Г. Каганова. - M.: Энергия, 1981. -352 с.

17. Калинина, Е. А. Теория исключения / Калинина Е. А., Утешев А. Ю. - СПб.: Изд-во НИИ химии СПбГУ, 2002. — 72 с.

18. Копылов, И. П. Электрические машины: Учебник для вузов / И. П. Копылов. - М.: Энерго-атомиздат, 1986. - 360 с.

19. Кояин, Н. В. Оптимизация контуров регулирования систем электропривода по типовым методикам / Н. В. Кояин, О. П. Мальцева, JI. С. Удут // Известия Томского политехнического университета, 2005. Т. 308, № 7, стр. 120-125

20. Огородникова, О. М. Расчёт конструкций в ANSYS / О. М. Огородникова. - Техноцентр компьютерного инжиниринга, 2009. - 454 с

21. Панкратов, В. В. Энергооптимальное векторное управление асинхронными электроприводами / В. В. Панкратов, Е. А. Зима. - Учеб. пособие. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2005. - 120 с.

22. Перельмутер, В. М. Прямое управление моментом и током двигателей переменного тока / В. М. Перельмутер. - Харьков: Основа, 2004 - 210 с.

23. Приходько, В. М. Интенсификация комплексных испытаний судового электрооборудования по энергосберегающей технологии в судостроении и судоремонте: научная монография / В. М. Приходько, СПб: СПГУВК, 2031 - 244 с.

24. Разработка малошумного электропривода: научно-технический отчет о составной части ОКР / А. С. Бердичевский - ЗАО «Уралэлектромаш», 2013. - 108 с. (1-5,2-12)

25. Сандлер, А. С. Электроприводы с полупроводниковым управлением. Тиристорные инверторы с широтно-импульсной модуляцией для управления асинхронными двигателями / А. С. Сандлер, Ю. М. Гусяцкий. - М.: Энергия, 1968. - 96 с.

26. Соколовский, Г. Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием / Г. Г. Соколовский. - М.: Академия, 2006.

27. Фираго, Б. И. Регулируемые электроприводы переменного тока / Б. И. Фираго, Л. Б. Павля-чик. - Минск: Техноперспектива, 2006. - 363 с.

28. Фираго, Б. И. Теория электропривода / Б. И. Фираго, JI. Б. Павлячик. - учебное пособие. 2-е изд. - Мн.: Техноперспектива, 2007. - 585с.

29. Шатков, А. П. Реализация релейно-векторного принципа управления в асинхронном электроприводе при непосредственном измерении параметров магнитного поля / А.П. Шатков // Вестник ИГЭУ, вып. 5,2011

30. Шубов, И. Г. Шум и вибрация электрических машин / И. Г. Шубов. - JL: Энергоатомиздат, 1986.-208 с. (1-2, 2-2)

31. Шуйский, В. П. Расчет электрических машин / В. П. Шуйский. - Л.: Энергия, 1968. - 732 с.

32. Aktaibi, A. A Critical Review of Modulation Techniques [Электронный ресурс] / A. Aktaibi, M.A. Rahman, A. Razali // academia.edu. - URL:

http://www.academia.edu/3077823/A_Critical_Review_of_Modulation_Techniques.

33. Astfalck, A. Analysis of electromagnetic force and noise in inverter driven induction motors: PhD thesis/A. Astfalck. - University of South Wales, 2002. - 332 p.

34. Bech, M. M. Random Modulation Techniques with Fixed Switching Frequency for Three-Phase Power Converters / M. M. Bech, F. Blaabjerg, J. K. Pedersen // Power Electronics, IEEE Transactions on (Volume: 15, Issue: 4). - 2000. - Jul.

35. Belkhayat, D. Active reduction of magnetic noise in asynchronous machine controlled by stator current harmonics / D. Belkhayat, D. Roger, J. F. Brudny // Electrical Machines and Drives, 1997 Eighth International Conference on. - 1997. - Sep.

36. Borisov, K. Experimental investigation of a naval propulsion drive model with PWM-based attenuation of the acoustic and electromagnetic noise / K. Borisov, A. M. Trzynadlowski // Industrial Electronics Society, 2003. IECON '03. The 29th Annual Conference of the IEEE (Volume: 1 ). - 2003. - Nov.

37. Cassoret, B. Magnetic noise reduction of induction machines / B. Cassoret, R. Corton, D. Roger, J.-F. Brudny // Power Electronics, IEEE Transactions on (Volume: 18, Issue: 2). - 2003. - Mar.

38. Chiasson, J. N. A Complete Solution to the Harmonic Elimination Problem / J. N. Chiasson, L. M. Tolbert, K. J. McKenzie, Du Zhong // Power Electronics, IEEE Transactions on (Volume: 19, Issue: 2). -2004.-Mar.

39. Chiasson, J. N. Elimination of Harmonics in a Multilevel Converter using the Theory of Symmetric Polynomials and Resultants / J. N. Chiasson, L. M. Tolbert, K. J. McKenzie, Du Zhong // Decision and Control, 2003. Proceedings. 42nd IEEE Conference on (Volume:4). - 2003. - Dec.

40. Del. Pizzo, A. Implementing an improved direct torque control feeding algorithm for full-digital induction motor drive / A. Del. Pizzo, M. Pasquariello // PEMC'98 Conference Proceedings, Prague, vol. 4, pp. 216-221

41. Dwivedi, U. D. A Wavelet-based Carrierless PWM Scheme for dc-ac Converter [Электронный ресурс] / U. D Dwivedi // Computational Intelligence Applications to Renewable Energy. -Indian Institute of Technology, 2012. - URL:

http://www.iitmandi.ac.in/ciare/files/14_Umakant_Wavlet_power_electronics_Converter.pdf

42. Esteves Araujo, R. Induction motors - modeling and Control / Rui Esteves Araujo. - InTech, 2012.

43. Finley, W. R. Noise in induction motors-causes and treatments / W. R. Finley // Industry Applications, IEEE Transactions on (Volume: 27, Issue: 6). - 1991. -Nov/Dec.

44. Franck, D. Active reduction of audible noise exciting radial force-density waves in induction motors/ D. Franck, M. van der Giet, K. Hameyer// Electric Machines & Drives Conference (IEMDC), 2011 IEEE International. - 2011. - May.

45. Garcia-Otero, S. Minimization of Acoustic Noise in Variable Speed Induction Motors Using a Modified PWM Drive / S. Garcia-Otero, M. Devaney // Industry Applications, IEEE Transactions on (Volume:30, Issue: 1). - 1994. - Jan/Feb.

46. Gieras, J., Wang, C., and Lai, J. Noise of polyphase electric motors / J. Gieras, C. Wang, J. Lai. -Boca Raton: CRC Press, 2005. - 360 p.

47. Grahame, D. Pulse width modulation for power converters. Priciples and practice / D. Grahame Holmes, Thomas A. Lipo. - New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2003. - 724 p.

48. Hashemi, N. Acoustic noise reduction for an inverter-fed three-phase induction motor / N. Hashemi, R. Lisner, D. G. Holmes // Industry Applications Conference, 2004. 39th IAS Annual Meeting. Conference Record of the 2004 IEEE (Volume:3 ). - 2004. - Oct.

49. Iqbal, A. Sensorless control of a vector controlled three-phase induction motor drive using artificial neural network / A. Iqbal, M. R. Khan // Power Electronics, Drives and Energy Systems (PEDES) & 2010 Power India, 2010 Joint International Conference on. - 2010. - Dec.

50. Kang, Jun-Koo. New Direct torque control of induction motor for minimum torque ripple and constant switching frequency / Jun-Koo Kang, Seung-Ki Sul // Industry Applications, IEEE Transactions on (Volume: 35, Issue: 5). - 1999. - Sep/Oct.

51. Kron, G. Induction motor slot combinations: rules to predetermine crawling vibration, noise and hooks in the speed-torque curve / G. Kron // AIEE, Transactions of the (Volume: 50, Issue: 2). - 1931. -June.

52. Kubota, H. New adaptive flux observer of induction motor for wide speed range motor drives / H. Kubota, K. Matsuse, T. Nakano // Industrial Electronics Society, 1990. IECON '90., 16th Annual Conference of IEEE. - 1990. Nov.

53. Kubota, H. Speed Sensorless Field oriented control of induction motor with rotor resistance adaption / H. Kubota. K. Matsuse // Industry applications, IEEE Transactions on (Volume: 30, Issue: 5). - 1994. - Sep/Oct.

54. Laftman, L. Magnetostriction and its contribution to noise in a PWM inverter fed induction machine/ L. Laftman // Journal de Physique. - 1998. - June.

55. Lanfranchi, V. Comparison of a natural sampling and random PWM strategy for reducing acoustic annoyances / V.Lanfranchi, A. Hubert, G Friedrich // European Power Electronics and drive conference (EPE 03).-2003.

56. Lanfranchi, V. Spread spectrum strategies study for induction motor vibratory and acoustic bahevi-or / V. Lanfranchi, G. Friedrich, J. Le Besnerais, M. Hecquet // IEEE Industrial Electronics, IECON 2006 -32nd Annual Conference on 6-10 Nov. 2006. - 2006. - Nov.

57. Le Besnerais, J. Acoustic noise of electromagnetic origin in a fractional-slot induction machine / J. Le Besnerais, V. Lanfranchi, M. Hecquet, P. Brochet, G. Friedrich // COMPEL - The international journal for computation and mathematics in electrical and electronic engineering (Volume 27, Issue 5). - 2008.

58. Le Besnerais, J. Reduction of magnetic noise in PWM-supplied induction machines - low-noise design rules and multi-objective optimization: PhD thesis / J. Le Besnerais. - Laboratoire d'Electricit'e et d'Electronique de Puissance de Lille Ecole Centrale de Lille, 2008. - 178 p.

59. Maliti, K. C. Modelling and analysis of magnetic noise in squirrel-cage induction motors: doctoral dissertation / K. C. Maliti. - Stockholm., 2000. - 209 p.(l-6, 2-3)

60. Mininger, X. Vibration damping with piezoelectric actuators for electrical motors / X. Mininger, M. Gabsi, M. Lécrivain, E. Lefeuvre, C. Richard, D. Guyomar, F. Bouillault // COMPEL: The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering(Vol. 26 Issue: 1). -2007.-pp. 98-113

61. Monmasson, E. Extension of the DTC concept / E Monmasson, A. A. Naassani, Jean-Paul Louis // Industrial Electronics, IEEE Transactions on (Volume: 48, Issue: 3). - 2001. - Jun.

62. Preitl, S. An extension of tuning relations after symmetrical optimum method for PI and PID controllers / Stefan Preitl, Radu-Emil Precup // Automatica Volume 35, Issue 10. - 1999. - Oct.

63. Proca, A. B. Sliding-mode flux observer with online rotor parameter estimation for induction motors / A. B. Proca, A. Keyhani // Industrial Electronics, IEEE Transactions on (Volume: 54, Issue: 2). -2007.-Apr.

64. Ryvkin, S. Commutation Laws Transfer Strategy for the Feedforward Switching Losses Optimal PWM for Three-phases Voltage Source Inverter / S. Ryvkin, D. Isosimov, S. Belkin // Industrial Electronics Society, 1998. IECON '98. Proceedings of the 24th Annual Conference of the IEEE (Volume: 2). -1998.-Aug/Sep.

65. Saleh, S. A. An introduction to wavelet modulated inverters / S. A. Saleh, M. Azizur Rahman. -New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2011. - 150 p.

66. Shahaj, A. Mitigation of vibration in large electrical machines: doctoral dissertation / A. Shahaj. -Nottingham, 2010. - 424 p.

67. Stemmler, H. Spectral analysis of the sinusoidal PWM with variable switching frequency for noise reduction in inverter-fed induction motors / H. Stemmler, T. Eilinger // IEEE Power Electronics Specialist s Conference (PESC), vol. 1. - 1994. - June.

68. Suwankawin, S. Design Strategy of an Adaptive Full-Order Observer for Speed-Sensorless Induction Motor Drives-Tracking performance and stabilization / S. Suwankawin, S. Sangwongwanich // Industrial Electronics, IEEE Transactions on (Volume: 53, Issue: 1). - 2006. - Feb.

69. Takashi, I. Optimum PWM Waveforms of an Inverter for Decreasing Acoustic Noise of an Induction Motor / Isao Takashi, Hiroshi Mochikawa // Industry Applications, IEEE Transactions on (Volume: IA-22, Issue: 5). - 1986. - Sept.

70. Timar, P. Effect of application of semi-conductors on vibrations and noise of slip ring induction motors / P. Timar // Elektrotechnika 70, 3. - 1977. - Mar.

71. Vasic, V. A stator resistance estimation scheme for speed sensorless rotor flux oriented induction motor drives / V. Vasic, S. N. Vukosavic, E. Levi // Energy Conversion, IEEE Transactions on (Volume: 18, Issue: 4).-2003.-Dec.

72. Wang, C. Sound power radiated from an inverter driven induction motor: experimental investigation / C. Wang, A. Astfalck, J.C.S. Lai // Electric Power Applications, IEE Proceedings - (Volume: 149, Issue: 1 ).-2002.-Jan.

73. Wells, J. R. Generalization of Selective Harmonic Control/Elimination / J. R. Wells, P. L. Chapman, P.T. Krein// Power Electronics Specialists Conference, 2005. PESC '05. IEEE 36th. - 2005. - June.

74. Yacamini, R. Noise and vibration from induction machines fed from harmonic sources / R. Yaka-mini, S. C. Chang // Energy Conversion, IEEE Transactions on (Volume: 10, Issue: 2). - 1995. - Jun.

75. Zelechowski, M. Space vector modulated - direct torque controlled (DTC - SVM) inverter - fed induction motor drive / Marcin Zelechowski. - Warsaw: Warsew University of Technologies, 2005. -175 p.