Обеспечение устойчивой работы тяговых вентильных электроприводов на низких частотах вращения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Бербиренков, Иван Александрович

• Бербиренков, Иван Александрович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бербиренков, Иван Александрович

Введение.

Глава 1. Анализ конструктивных схем и особенностей тяговых электродвигателей с постоянными магнитами в составе вентильного электропривода.

1.1. Области применения и основные конструктивные схемы тяговых электродвигателей с постоянными магнитами в составе вентильного электропривода.

1.2. Особенности расчетного проектирования тяговых электродвигателей с постоянными магнитами.

1.3. Рационализированные расчеты электрических машин с постоянными магнитами на минимум массы активных материалов.

1.4. Выводы.

Глава 2. Пульсации основных параметров тягового двигателя в структуре вентильного электропривода.

2.1. Пульсации параметров тягового электродвигателя, вызванные колебаниями угла нагрузки.

2.2. Пульсации параметров тягового электродвигателя, вызванные зубчатостью статора.

2.3. Пульсации параметров, вызванные работой бортового вентильного преобразователя.

2.4. Выводы.

Глава 3. Вопросы обеспечения устойчивой работы тягового вентильного привода на низких частотах вращения.

3.1. Применение критериев устойчивой работы синхронной машины к тяговому вентильному электроприводу.

3.2. Устойчивые колебания тягового электродвигателя в системе вентильного электропривода на низких частотах вращения.

3.3. Малые колебания тягового электродвигателя в системе вентильного электропривода и возможность представления больших колебаний как малых.

3.4. Выводы.

Глава 4. Особенности рационального расчета тяговых двигателей с возбуждением от постоянных магнитов для вентильного электропривода.

4.1. Рациональное конструирование ротора тягового электродвигателя с постоянными магнитами. Рекомендуемые материалы постоянных магнитов.

4.2. Анализ технического задания на расчет тягового электродвигателя и выбор основных технологических и конструктивных ограничений.

4.3. Алгоритм расчета тягового электродвигателя и его реализация в виде программы расчета на ЭВМ.

4.4. Некоторые результаты рациональных расчетов тяговых электродвигателей с постоянными магнитами.

4.5. Выводы.

Глава 5. Экспериментальные исследования колебаний тяговых электродвигателей в системе вентильного электропривода.

5.1. Стенды для исследования неустойчивых режимов работы тяговых электродвигателей в системе вентильного электропривода.

5.2. Некоторые результаты экспериментального исследования колебаний ротора тягового электродвигателя на низких частотах вращения и сравнение их с данными расчета.

5.3. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обеспечение устойчивой работы тяговых вентильных электроприводов на низких частотах вращения»

Актуальность работы.

Транспортный электропривод с тяговым двигателем на постоянных магнитах целесообразен в структуре вентильного электропривода. В такой структуре полностью проявляются достоинства тягового электродвигателя: бесконтактность, простота конструкции, надежное возбуждение и высокие энергетические характеристики. Разработка и внедрение в практику таких вентильных электроприводов постоянно стимулируется достижениями в области создания высокоэнергетических постоянных магнитов, развитием силовой электроники и микропроцессорных систем управления, а также вышеперечисленными достоинствами тяговых электродвигателей с постоянными магнитами.

Разработке теории и методов проектирования тяговых электродвигателей в структуре вентильного электропривода посвящено достаточное количество работ. В этих работах основное внимание уделено асинхронным тяговым электродвигателям и двигателям постоянного тока. По этой причине тяговые электродвигатели с постоянными магнитами оказались менее исследованными. Недостаточно рассмотрены рабочие процессы и вопросы расчетного проектирования, обусловленные особенностями магнитных систем таких тяговых электродвигателей. Например, в процессе эксплуатации тяговых электродвигателей с постоянными магнитами в некоторых случаях появляется шаговый режим работы привода на низких и сверхнизких частотах вращения, что недопустимо, именно в тяговых режимах. Для получения рекомендаций, исключающих вышеуказанный режим работы, необходимо исследовать рабочий -режим тяговых электродвигателей с постоянными магнитами, именно с указанных позиций. Для исследования целесообразно использовать численные методы с применением ЭВМ, например, такие как: конечных разностей, интегральных уравнений, конечных элементов гармонического анализа. Для указанных методов, во многих случаях, уже разработаны программные модули, которые целесообразно использовать для достижения поставленных задач.

Целью работы является исследование рабочих режимов вентильных электроприводов на низких частотах вращения и развитие на этой основе методов и средств расчетного проектирования тяговых электродвигателей с постоянными магнитами с учетом особенностей их магнитных систем, исключающих неустойчивые режимы работы.

Поставленная цель была достигнута на основе решения следующих задач:

1. Анализ конструктивных схем и особенностей тяговых электродвигателей с постоянными магнитами в составе вентильного электропривода и рационализированных расчетов электрических машин с постоянными магнитами на мииимум массы активных материалов.

2. Анализ пульсаций основных параметров тягового двигателя в структуре вентильного электропривода, вызванных колебаниями угла нагрузки, зубчатостью статора и работой бортового вентильного преобразователя.

3. Введение ограничений, обеспечивающих устойчивую работу тягового вентильного привода на низких частотах вращения, а также обоснование рассмотрения качаний ротора в вентильных электроприводах как малых колебаний.

4. Апробация предложенной математической модели и методики расчета на примере современного электропривода, выполненного на базе тягового вентильного двигателя с постоянными магнитами.

5. Разработка рекомендаций по анализу и выбору основных технологических и конструктивных ограничений на расчет тягового электродвигателя.

Методы исследования.

В работе были использованы теория электромеханического преобразования энергии и теория синхронных машин с постоянными магнитами, методы теории электрических и магнитных цепей, математической физики, теории поля и математического моделирования.

Объектами исследования являются тяговый электродвигатель с постоянными магнитами в системе вентильного электропривода. Основное внимание в работе уделено тяговому электродвигателю с индуктором на подвижной части.

Научная новизна.

1. Предложена уточненная математическая модель для исследования неустойчивых режимов работы на низких частотах вращения и позволяющая определить границу начала шагового режима работы вентильного электропривода.

2. Получены расчетные соотношения, позволяющие рационально выбрать размеры и параметры тяговых электродвигателей с постоянными магнитами, исключающие шаговый режим работы.

3. Определены закономерности, позволяющие прогнозировать область неустойчивого режима работы привода, и факторы, позволяющие сузить эту область до сверхнизких частот вращения.

Практическая значимость.

1. Уточнена математическая модель, позволяющая на рабочем месте проектировщика проводить расчетные исследования, и выбрать режим работы, исключающий шаговый режим работы привода.

2. Разработана испытательная установка для экспериментального определения зоны начала неустойчивой работы привода.

3. Предложены практические рекомендации, позволяющие сузить область неустойчивой работы до сверхнизких частот вращения привода (порядка нескольких оборотов в минуту).

Достоверность научных положений и выводов, изложенных в работе, положения, выводы и рекомендации подтверждены теоретическими и экспериментальными исследованиями. Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет 122 страницы, в том числе, 11 таблиц, 32 рисунка, 94 наименования списка литературы и 1 приложения.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Бербиренков, Иван Александрович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Анализ конструктивных особенностей электрических машин с возбуждением от постоянных магнитов позволяет рекомендовать для высокоиспользованных тяговых электродвигателей конструкции ротора с концентрацией магнитного потока в рабочем воздушном зазоре, с использованием постоянных магнитов высоких энергий (Ш-Ре-В, 8т-Со5 и др.).

2. Проанализированы причины шагового режима тягового электродвигателя на низких частотах вращения и показана необходимость изучения таких режимов, вызванных качаниями ротора тягового электродвигателя.

3. Анализ рационализированных расчетов тяговых электродвигателей с постоянными магнитами позволяет решать такую задачу на уровне производственных затрат и при этом за критерий рационализации целесообразно выбрать минимум объема (массы) активных материалов.

4. Тяговый электродвигатель является глубокорегулируемым двигателем, поэтому пульсация его параметров на низких частотах вращения может вызывать его неустойчивую работу, выражающуюся в неравномерности его вращения и даже шаговом режиме работы.

5. Пульсация параметров, вызванная зубчатостью пакета статора, может быть удалена выполнением гладкого якоря или минимизирована скосом пазов или полюсов ротора на зубцовом делении и грамотным соотношением числа полюсов и зубцов статора.

6. Анализ работы тягового электродвигателя с бортовым вентильным преобразователем показал, что пульсация параметров в квазиустановившихся режимах есть свойство тяговых электродвигателей и минимизация их лежит, например, на пути увеличения числа фаз обмотки статора.

7. Применение методов, позволяющих ускорить затухание колебаний (совершенная демпферная система на роторе, увеличенный момент инерции, обратные связи по датчику положения ротора и тахогенератору и некоторые другие), дают возможность рассматривать колебания в таких тяговых электродвигателях, как малые.

8. В тяговом вентильном электроприводе, в котором присутствуют обратные связи по положению и частоте вращения ротора тягового электродвигателя, колебания ротора, показанные в работе как малые колебания, не могут вызвать выпадение ротора из синхронизма.

9. Малые колебания тягового электродвигателя в системе вентильного привода описываются достаточно простым математическим аппаратом, рекомендуемым в работе, и, который может быть использован при инженерных расчетах тяговых электродвигателей.

10. Для исключения шагового режима работы тягового электродвигателя в системе вентильного электропривода, вызванного качаниями ротора, в методику рационального расчета введены дополнительные ограничения по минимальной частоте вращения привода.

11. Результаты расчета опытных образцов по уточненной рационализированной методике расчета тягового электродвигателя показали эффективность предложенных рекомендаций по выбору конструктивных параметров ротора и ограничений по минимальным частотам вращения привода.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бербиренков, Иван Александрович, 2011 год

1. А.И;Вольдек. Электрические машины. Учебник для; ВТУзов. СПб., «Питер Пресс», 2007, 840 с.

2. Н.Н.Постников. Обобщенная теория и переходные: процессы электрических машин. Учебник; для ВУЗов. М., «Высшая; школа». 1975. 319 с.

3. Б.С.Зечихин. Электрические машины летательных аппаратов. Гармонический анализ активных зон. М;, Издательство МАИ. 1995.149 с.

4. Л.Я.Зиннер; А.И.Скороспелкин. Вентильные двигатели постоянного и переменного тока. М., «Энергоиздат», 1981, 136 с.

5. Е.Я.Казовский. Переходные процессы в электрических машинах переменного тока. СПб, «Наука», 1994, 624 с.

6. И.Д.Урусов Линейная теория колебаний синхронной машины. М. Л. Из-во АН СССР, 1960, 167 с.

7. Е.В.Арменский, Г.Б.Фалк. Электрические микромашины. М., «Высшая школа», 1985.

8. В.А.Балагуров, Ф.Ф.Галтеев, А.Н.Ларионов. Электрические машины с постоянными магнитами. М., «Энергия», 1964.

9. А.И.Бертинов. Специальные электрические машины. Источники и преобразователи энергии. М., «Энергоатомиздат», 1993: .

10. И.Л'.Осип, В.П.Колеспиков, Ф.М.Юферов. Синхронные микродвигатели с постоянными магнитами. М., «Энергия», 1976.

11. Под ред. Ю.М.Пятина. Справочник «Постоянные магниты». М., «Энергия», 1980.

12. Л.М.Паластин. Синхронные машины автономных источников питания. М., «Энергия», 1980.

13. А. Ф. Дьяков^ Э: М. Перминов, Ю. Г. Шакарян. Ветроэнергетика России: Состояние и перспективы развития. М., Изд-во МЭИ., 1996.

14. В. В. Сергеев, Т. И. Булыгина. Магнитотвердые материалы. М., «Энергия», 1980.

15. Л.Е.Серкова. Расчет магнитных систем беспазовых электрических машин с высококоэрцитивными магнитами. Автореферат дис. кандидата технических наук. Томск, 1993.

16. В.А. Лифанова. Расчет электрических машин малой мощности с возбуждением от постоянных магнитов. Челябинск, Изд-во ЮУрГУ, 2003. '

17. А.Г.Сливинская. Электромагниты и постоянные магниты. М., «Энергия», 1972.

18. М.Г.Чиликин. Общий курс электропривода. М., «Энергоиздат», 1981, с. 380.

19. В.А.Кузнецов. Вентильно-индукторные двигатели. М., Изд-во МЭИ, 2004.

20. Е.В.Кулешов. Магнитоэлектрический синхронный генератор на базе асинхронной машины для автономной ветроэлектрической установки. Автореферат дис., кандидата технических наук. Владивосток. 2001.

21. В.А.Балагуров, А.А.Кецарис, В.В.Лохнин. Расчет внешних характеристик синхронного генератора с регулированием напряжения посредством подмагничивания спинки якоря. Электротехника, №5, 1974, с. 15-16.

22. А.Ф.Харченко. Неуправляемые силовые полупроводниковые выпрямители. М., РОАТ, 2009.

23. Гельман М.В. Преобразовательная техника. Челябинск, Изд-во ЮУрГУ, 1998, с. 247.

24. А.П.Кругликов. Автоматизированный вентильный электропривод постоянного тока. Алма-Ата, КазПИ, 1985, с.224.

25. В.Е.Тонкаль. Многофазные автономные инверторы напряжения с улучшенными характеристиками. Киев, «Наук. Думка», 1980, с. 3-38.

26. М.Ю.Петушков. Автономные инверторы. Магнитогорск, МГТУ, 2007, с. 95.

27. Б.Н.Тихменев, Н.Н.Горин, В'.А. Кучумов, В.А.Сенаторов. Вентильные двигатели и Pix применение на электроподвижном составе. М., «Транспорт», 1976, с.280.

28. В.А.Балагуров, Ф.Ф.Галтеев. Авиационные генераторы переменного тока комбинированного возбуждения. М., Машиностроение, 1977, с.96:

29. А.Е.Загорский, М.Б.Золотов. Автономный электропривод повышенной частоты. М., Энергия, 1973, с. 184.

30. А.И.Важнов'. Электрические машины. Д., «Энергия», 1968, с. 768.

31. В.А.Балагуров. Проектирование авиационных генераторов переменного тока. 4.1, II. М., МЭИ, 1973.

32. А.И.Бертинов. Специальные электрические машины. Источники и преобразователи энергии. М., «Энергоатомиздат», 1993.

33. М.Ю.Васильев, Ф.Ф.Галтеев. Электропривод летательных аппаратов. Вопросы проектирования замкнутых и разомкнутых систем* электропривода. М., МЭИ, 1989.

34. Е.Л.Шиманович. С/С++, в примерах и задачах. Минск, «Новое знание», 2004.

35. В.В.Лохнин. Исследование и разработка бесконтактных генераторов^ постоянного тока с магнитами' на базе1 редкоземельных металлов и кобальта. Дисс. на соиск. уч. степени к.т.н. М., МЭИ, 1976.

36. В.В.Лохнин. Магнитоэлектрические бесконтактные генераторы для транспортных средств. Известия ВУЗов. Электромеханика. №2, 1982, с. 238-240.

37. В.В.Жуловян. Электрические машины переменного тока. Новосибирск, НГТУ, 1996.

38. А.Л.Кислицын. Синхронные машины. Ульяновск, УлГТУ, 2000.

39. Б.С.Эечихин. Электрические машины летательных аппаратов. М., Машиностроение, 1983.

40. Б.С.Зечихин. Автоматизированный расчет синхронного генератора с постоянными магнитами. М., Изд-во МАИ, 1991.90

41. Л.И.Столов. Моментные двигатели постоянного тока. М., «Энергоатомиздат», 1989.

42. И.Е.Овчинников. Вентильные электрические двигатели и привод на их основе. Санкт-Петербург, «Корона-Век», 20061

43. А.С. 930508. Способ сборки ротора магнитоэлектрической машины. Авт. изобретения: В.В.Лохнин, В.П.Коробченко. -Заявлено 30.06.1980. Опубликовано в Б.И., 1982, №19,чМКИ Н02К 15/02.

44. А.С. 936253. Электрический генератор. Авт. изобретения: В.В.Лохнин, А.С.Зубков. Заявлено 29.05.1980. Опубликовано в Б.И'., 1982, №22.

45. А. И. Бертинов. Специальные электрические машины. Источники^ и преобразователи энергии. М., Энергоатомиздат, 1993, с. 134.

46. В.А.Балагуров, А.А.Кецарис, В.В.Лозенко, В.В.Лохнин, А.М.Санталов. Применение магнитоэлектрических машин в автономных системах энергоснабжения и привода. Труды МЭИ., 1975, вып. 258, с. 18-24.

47. Г.С.Векслер, В.И.Штильман. Транзисторные сглаживающие фильтры. М., «Энергия», 1979, с. 176.

48. С.Ф.Быстров. Тиристорные преобразователи в электроприводах постоянного тока. Самара, СПИ, 1991.

49. А.К.Шидловский. Тиристорные преобразователи постоянного напряжения для низковольтного электротранспорта. Киев, «Наук, думка», 1982.

50. Н. Н. Блоцкий. Регулируемые электроприводы механизмов собственных нужд электростанций, мощные асинхронизированные машины. Сб. науч. тр. ВНИИ электроэнергетики. 1988.

51. Г. В. Грабовецкий. Силовые тиристорные преобразователи. Новосибирск, «НЭТИ». 1987.

52. Г. В. Грабовецкий. Силовые преобразователи электрической энергии. Новосибирск. «НЭТИ». 1989.

53. Л. Джюджи. Силовые полупроводниковые преобразователи частоты: Теория, характеристики, применение. М., Энерго-атомиздат, 1983.

54. В.И.Синько. Преобразователи частоты. Киев, «КПИ», 1984.

55. В.И.Авдзейко. Управляемые вентильные преобразователи частоты. Томск, «ТЛИ», 1989.

56. Б.И.Фираго. Непосредственные преобразователи частоты в электроприводе. Минск, «Университетское», 1990.

57. Ю.Г.Соколов. Проектирование тиристорного преобразователя частоты регулируемого электропривода переменного тока. Казань, Казан, гос. технол. ун-т, 2005, с.20-23.

58. В.А.Долженков. Моделирование преобразователя частоты на ЭВМ. М., «МИРЭА», 1991.

59. Г.В.Грабовецкий. Непосредственные преобразователи частоты с естественной коммутацией для электромеханических систем. Новосибирск, Новосиб. гос. техн. ун-т, 2004, с. 58.

60. Г.В. Грабовецкий. Тиристорные преобразователи частоты с непосредственной связью и естественной коммутацией для частотно-регулируемого электропривода. Новосибирск, Новосиб. гос. техн. ун-т, 2007.

61. Н.Н.Мелихов, В.А.Морозов, А.А.Мельников, В.В.Трифонов. Исследование особенностей рабочего процесса в магнитоэлектрических синхронных машинах при широтно-импульсном управлении. Труды МЭИ, вып. 523, 1981, с.19-25.

62. Г.Г.Счастливый. Погружные асинхронные электродвигатели. М., «Энергоатомиздат», 1983.

63. В.А.Балагуров, А.А.Кецарис. Определение главных размеров магнитоэлектрических генераторов. Электротехника, №3, 1985.

64. В.Д.Косулин. Вентильные электродвигатели малой'мощности для промышленных роботов. JIi, «Энергоатомиздат» : Ленингр. отд-ние, 1988; с.11-14.

65. Магниты постоянные литые для электротехнических изделий. ГОСТ 24936-8 Г.

66. В.В.Безрученко, Ф.Ф.Галтеев. Электрические машины с постоянными магнитами. ВИНИТИ, 1982, №5, с.115.

67. М.Г.Калашников и др. Системы электроснабжения транспортных машин. М., «Машиностроение», 1982, с. 143.

68. Н.Г.Коробан. Энергоснабжение летательных аппаратов. М., «Машиностроение», 1985, с.536.

69. А.И.Бертинов. Специальные электрические машины: М., «Энергоиздат», 1982, с.552.

70. А.Н. Дедовский. Электрические машины с высокоя коэрцитивными постоянными магнитами. М., «Энергоатомиздат», 1985.

71. Е.К.Сычев*. Вентильные двигатели' с постоянными магнитами на базе асинхронных машин. Дисс. на соиск. степени, канд. техн. наук, М., МЭИ, 1982.

72. А.А.Лаансоо. Исследование магнито диэлектрических магнитопроводов электротехнических устройств переменного тока и разработка технологии и изготовления. Дисс. на соиск. степени канд. техн. наук, Таллин, 1978.

73. И.Т.Пар. Исследование непосредственного преобразователя частоты в системах электропривода с автономным источником электроэнергии. Дисс. на соиск. степени канд. техн. наук, М., 1988.

74. А.А.Рогозовский. Разработка и исследование системы непосредственный преобразователь частоты синхронный двигатель. Дисс. на соиск. степени канд. техн. наук, Алма-Ата, 1978.

75. Ю.М.Божин. Исследование и разработка частотно-регулируемого синхронного электропривода с возбуждением от постоянных магнитов. Дисс. на соиск. степени канд. техн. наук, М., 1988.

76. А.Д.Поздеев, А.А.Афанасьев, В.А.Нестерин и др. Синхронный двигатель с постоянными магнитами для электропривода металлообрабатывающих станков. Электротехника, №10, 1983, с.33-37.

77. В.В.Лохнин. Повышение использования активных материалов электрических машин с коллекторным размещением постоянных магнитов. Электротехника, №7, 1984, с. 48-49.

78. И.Я.Ранькис, А.И.Бессмертный. Некоторые особенности разработки электрооборудования для аккумуляторных электротранспортных машин с ипмульсным регулированием скорости. Известия ВУЗов. Электромеханика, №6, 1984, с.58-65.

79. В.В.Апсит. Синхронные машины с когтеобразными полюсами. Изд.АН Латв. ССР, Рига, 1989, с. 298.

80. Э.Г.Атамалян. Приборы и методы измерения электрических величин. М., «Высшая школа», 1982, с. 223.

81. Г.И.Марчук. Методы вычислительной математики. М., Наука, 1980.

82. А.Н.Ледовский. Электрические машины : 1000 понятий для практиков : Справочник. М., «Энергоатомиздат», 1988.

83. Бербиренков И.А. Перспективы вентильного тягового привода: // Электроника и электрооборудование транспорта. № 4.2008. с.2-5.

84. Бербиренков И.А., Лохнин B.B. Тяговые двигатели на постоянных магнитах в электроприводе автомобиля. // Известия ВУЗов. Электромеханика. №5.2008. с. 77-80.

85. Бербиренков И.А. Колебания ротора тягового вентильного-элеткродвигателя. // Известия МГТУ «МАМИ». Научный рецензируемый журнал. № 1. 2009 с. 12-15.

86. Лохнин В .В., Бербиренков И.А. Повышение эксплуатационных характеристик тягового электродвигателя электромобиля малой грузоподъемности. // 11МНТК студентов и аспирантов. Том 2. 2005. с.82-83. Москва. МЭИ(ТУ)

87. Лохнин В.В., Бербиренков И.А. Тяговый электродвигатель электромобиля с улучшенными характеристиками. //12 МНТК студентов и аспирантов. Том 2. 2006. с.64-65. Москва. МЭИ (ТУ).

88. Лохнин В.В., Бербиренков И.А. Тяговые электрические машины на постоянных магнитах в комбинированной энергоустановке автомобиля. // Труды 2 Всероссийской МТК с международным участием. Часть 2. с. 12-15. Тольятти. 2007

89. Лохнин В.В., Бербиренков И.А. Вентильные тяговые двигатели в электроприводе автомобиля. // Известия МГТУ «МАМИ». Научный рецензируемый журнал. № 1. 2008 с. 7983.

90. Астапенко A.B., Бербиренков И.А., Лохнин В.В, Прохоров В.А. Методическое пособие к выполнению лабораторных работ «Электрические машины». Москва, МГТУ «МАМИ», 2007.