Тепловые модели вентильно-индукторных двигателей в электроприводе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Докукин, Александр Львович
- Специальность ВАК РФ05.09.03
- Количество страниц 112
Оглавление диссертации кандидат технических наук Докукин, Александр Львович
Введение.
Глава 1.Тепловые модели электродвигателей.
1.1. Обзор методов построения тепловых моделей.
1.2. Выбор и обоснование метода получения тепловых моделей вентильно-индукторных электродвигателей.
1.3. Предварительные тепловые испытания двигателя.
1.4. Разработка алгоритма построения моделей.
1.5. Выводы.
Глава 2. Разработка математического аппарата построения тепловых моделей.
2.1. Условия и допущения.
2.2 Модель обмотки в теле двигателя.
2.3. Модель двигателя как однородного тела.
2.4. Критерии подобия.
2.5. Выводы.
Глава 3. Экспериментальное оборудование для получения тепловых моделей.
3.1. Образцы вентильно-индукторных двигателей с встроенными датчиками температуры.
3.2. Испытательный стенд двигателей 5 и 7,5 кВт.
3.3. Испытательный стенд велодвигателя.
3.4. Выводы.
Глава 4. Тепловые испытания вентильно-индукторных двигателей в модельном» режиме.
4.1. Организация экспериментов в «модельном» режиме.
4.2. Обработка данных - получение тепловых характеристик образцов машин.
4.3. Тепловые испытания базового образца.
4.4. Тепловые испытания образцов №2 и №3.
4.5. Выводы.
Глава 5. Проверка адекватности тепловых моделей в форме критериев подобия.
5.1. Алгоритм проверки.
5.2. Проверка адекватности тепловых моделей на базовом образце.
5.3. Проверка адекватности тепловых моделей на двигателях №2 и №3.
5.4. Испытания базового образца в рабочих режимах.
5.5. Проверка применимости моделей для рабочих режимов двигателей.
5.6. Выводы.
Рекомендованный список диссертаций по специальности «Электротехнические комплексы и системы», 05.09.03 шифр ВАК
Разработка методического и аппаратного обеспечения испытаний вентильно-индукторного электропривода2006 год, кандидат технических наук Кузьмичёв, Виктор Анатольевич
Разработка и исследование микропроцессорных систем управления электроприводами собственных нужд с индукторными двигателями2000 год, кандидат технических наук Максимов, Андрей Александрович
Основы теории, управление и проектирование вентильно-индукторного электропривода1999 год, доктор технических наук Бычков, Михаил Григорьевич
Разработка и исследование двухфазного вентильно-индукторного электропривода насосов горячего водоснабжения2012 год, кандидат технических наук Алямкин, Дмитрий Иванович
Вентильный индукторный электропривод для водяных насосов центробежного типа2005 год, кандидат технических наук Петунин, Алексей Алексеевич
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Тепловые модели вентильно-индукторных двигателей в электроприводе»
В настоящее время все большее количество электроприводов, которые еще недавно были нерегулируемыми, приобретают возможность быть управляемыми. Это стало возможным благодаря достижениям силовой полупроводниковой техники - созданию мощных управляемых силовых ключей, коммутирующих с большой частотой значительные токи и имеющих высокие обратные напряжения, а также, благодаря появлению микропроцессорных устройств, производимых такими компаниями, как Texas Instruments, Motorola, Analog Devices и предназначенных для построения систем управления электроприводов.
Именно эти достижения электроники оказали сильное, определяющее влияние на развитие современного электропривода: появились доступные преобразователи частоты, кардинально изменившие традиционный массовый электропривод с короткозамкнутыми асинхронными двигателями, возникла целая гамма новых электроприводов с различными типами электромеханических преобразователей - синхронными реактивными, синхронными с постоянными магнитами, индукторными и др., и электронными коммутаторами - аналогами традиционных коллекторов. Среди всех этих новых, рожденных электроникой электроприводов, особенно выделяется один -вентильно-индукторный (ВИЛ) или в англоязычной литературе - Switched Reluctance Drive (SRD).
Внешне вентильно-индукторный электропривод очень прост, и в этом одна из его привлекательных сторон. Он состоит (рис. В.1) из собственно двигателя - индукторной машины ИМ, электронного коммутатора К, подключенного к выпрямителю В параллельно с конденсатором С и управляемого обычно датчиком положения ротора ДП через схему управления СУ. ИМ имеет явнополюсный статор, например, с п = 8 полюсами, несущий сосредоточенные катушки, образующие п/2 фаз и явнополюсный пассивный ротор, число полюсов которого отличается от числа полюсов статора, например, т-6.
Катушки связаны с электронным коммутатором, подающим на каждую фазу двигателя импульсы тока; в рассматриваемом примере на фазу приходятся два ключа - транзистора и два диода (на рис. В.1 показана только одна фаза).
Работу ВИД на принципиальном уровне можно свести к поочередному последовательному включению электромагнитов (индукторов), якорями у которых являются зубцы ротора. Возбуждение фазы при несогласованном положении зубцов статора и ротора вызывает возникновение электромагнитных сил притяжения между зубцами этой фазы статора и ближайшими к ним зубцами ротора. В результате ротор перемещается в согласованное положение (совпадение осей зубцов статора и ротора). Так как число зубцов статора и ротора различно, то в согласованном положении ротора для одной фазы следующая фаза оказывается в рассогласованном положении, т.е. подготовленной к включению. Последовательная коммутация фаз с помощью, например, датчика положения ротора обеспечивает непрерывное создание вращающего момента и, следовательно, непрерывное вращение ротора. Управление движением - выбор моментов включения и отключения фаз, формирование нужных импульсов тока и т.п. осуществляется схемой управления СУ [16].
Принцип работы ВИД очень схож с работой индукторных шаговых двигателей в дискретном электроприводе, появившемся в 60-е годы на волне развития первых полупроводниковых приборов и применяющемся для преобразования цифры или кода в дозированные механические перемещения. В 60 - 70-е годы этот электропривод получил серьезное развитие в нашей стране благодаря работам М.Г.Чиликина, Б.А.Ивоботенко и их учеников. Были сформулированы основные принципы его организации, критически осмыслены и обобщены многочисленные варианты конструкций, отработаны алгоритмы управления, предложены эффективные новые технические решения, построена теория дискретного электропривода [10].
Рис. В.1 Упрощенная функциональная схема ВИП
Однако, в то время не удалось перейти к силовой версии электропривода, построенного на шаговом принципе в силу ограниченности элементной базы. Переход к силовой версии шагового привода был предпринят в 80-е годы прошлого столетия. Роль создателя силового вентильного электропривода (Switched Reluctance Drive) по праву принадлежит проф. П.Лоуренсону (Лидс, Великобритания), первые работы которого, демонстрирующие преимущества SRD [43], открыли целую волну разработок и публикаций на эту тему. Часть их удачно собрана и обобщена в монографии Т.Миллера [44], дающей достаточно полное представление о состоянии дел с этой проблемой в мире.
К основным особенностям ВИД можно отнести предельно простую, технологичную, дешевую и надежную конструкцию собственно вентильно-индукторного двигателя ВИД. В нем не используются существенно усложняющие технологию производства и дорогие постоянные магниты. Отсутствует технологическая операция заливки ротора, обязательная при производстве к.з. асинхронных двигателей. Обмотки (катушки) статора хорошо приспособлены к машинному производству, проста сборка и, что важно при массовых применениях, разборка для ремонта или утилизации. Пропитка осуществляется только собственно катушек, а не статора в целом, как у других типов машин, что также снижает долю технологических затрат. Таким образом, машина в ВИП позволяет преодолеть уже устойчивую тенденцию роста на 1012% в год цены основных типов электрических машин. Оптимально спроектированная вентильно-индукторная машина в сравнении с асинхронным двигателем той же мощности имеет на 20-25% меньше меди и на 10-15% меньше стали. В условиях мелкосерийного производства ВИД эти двигатели дешевле асинхронных в 1,4 - 1,6 раза, при больших сериях разница будет около 2 раз за счет отсутствия участка заливки ротора, машинного изготовления катушек обмотки, и других особенностей, указанных выше [2].
Электронный коммутатор К должен обеспечивать подачу на фазы ИМ однополярных импульсов, что позволяет выполнить его более надежным в сравнении с аналогичным преобразователем частоты для асинхронного электропривода - ликвидируется опасность сквозных коротких замыканий, упрощается защита. Среди большого числа исполнений коммутатора, разработанных для дискретного электропривода еще в 60-е годы, удается найти варианты с наименьшим количеством дорогих ключей - транзисторов, снизив в итоге его стоимость. Система управления ВИП определяется требованиями к характеру функционирования привода и может видоизменяться в широких пределах - от одной микросхемы до развитого микропроцессорного модуля [2].
По основным массо-габаритным и энергетическим показателям ВИП не уступает и даже превосходит за счет использования насыщения магнитной цепи ВИД [3], например, частотно-регулируемый асинхронный привод. Так, в [43] приводятся кривые КПД английских ВИД вместе с аналогичными кривыми для электропривода с электромагнитной муфтой и асинхронного электропривода обычного исполнения, а также массо-габаритные и энергетические показатели вентильно-индукторного привода, в сравнении с приводом постоянного тока (ДПТ) и асинхронным (АД) для двигателей с высотой оси 112 мм (см. табл. 1).
Таблица 1 дпт АД ВИП
Рн, кВт 7 9 11,3
Рн / Vct)* 1 1,23 1,74
КПД, % 76 81 86
Благоприятные функциональные особенности ВИД - большие моменты при низких скоростях и небольших токах, гибкое управление скоростью, простая реализация тормозных режимов и т.п. делают этот привод весьма привлекательным для широких применений. Большое разнообразие структур ВИД (различные отношения п/т - 4/2, 6/4, 8/6 и др., различные способы коммутации фаз) делают этот привод хорошо применимым как в низкооборотных (сотни об/мин), так и высокооборотных (десятки тысяч об/мин) версиях [16].
В настоящий момент ВИП уже получил некоторое развитие. Разработан ряд типоразмеров фирмой SRD Ltd в Лидсе, перешедшей во владение американской корпорации Эмерсон, выпускаются SRD в Италии, Великобритании (фирмы Allenwest и Jeffrey Diamond), КНР, пропагандирует SRD немецкая фирма MACCON [16]. В России также существует ряд фирм, начавших производство или разрабатывающих данный тип привода (см. табл. 2). Варианты реализации данного типа электродвигателей проиллюстрированы на рисунках В.2 - В.4. Мощности уже существующих ВИП значительны и достигают 500 кВт (компрессор на одной из шахт в Великобритании).
Рис.В.2 ВИП запорной арматуры
Рис. В.З ВИП электровелосипеда Рис.В.4 ВИП насоса
Таблица 2
Организация Сфера деятельности
ОАО «ELDIN» производство вентильно-индукторных электродвигателей [36]
ОАО НИПТИЭМ производство вентильно-индукторных электродвигателей [39]
ЗАО КАСКОД производство вентильно-индукторных электроприводов для запорной арматуры [38]
ОАО "Канашский завод электропогрузчиков" подготавливается запуск в производство электропрогрузчиков на базе тягового вентильно-индукторного электродвигателя [41 ]
ООО «АРК-Электропривод» производство вентильно-индукторных приводов для насосного применения[40]
ЗАО Производственно-инженерная фирма ""ЭлКоН" проходит испытания привод электротележки мощностью 5,5 кВт[32]
ФГУП СКБ "ТОПАЗ" подготовлен к выпуску электропривод ВИП-500-10000, Рном 500 Вт, п = 10.000 об/мин [34]
ООО "ПК ЗТЭО" (на базе ОАО Татэлектромаш) разработка тяговых электроприводов на базе ВИД для нефтедобывающей промышленности и грузопассажирских лифтов [42]
КБ Автоматики разработка систем управления вентильно-индукторными электроприводами [33]
ОАО "ЧЕБОКСАРСКИМ ЭЛЕКТРОАППАРАТНЫЙ ЗАВОД" производство вентильно-индукторных электродвигателей [35]
Вентильно-индукторному электроприводу посвящено большое количество работ. Они относятся главным образом к созданию совершенной схемы управления ВИП, которая должна получать сигналы о фактическом положении ротора в данный момент и формировать на этом основании с учетом параметров и режимов привода воздействие на ключи коммутатора.
Решению проблемы рационального управления ВИП посвящены работы М.Г.Бычкова [3,4,7], П.А. Дроздова [14], В.А. Семенчука [27], С.Ю. Уткина [29], Р.В. Фукалова [31]. Комплексу исследований ВИП методом имитационного моделирования посвящена работа А.Б. Красовского [23]. В работах Е.В. Бычковой, А.Г. Федорова и др. разработаны процедуры проектирования вентильно-индукторных двигателей [20]. В этих работах подробно изучен и описан объект управления, проведены экспериментальные исследования с использованием специального компьютеризированного испытательного оборудования, позволяющего регистрировать весьма сложные процессы в реальном времени и в легко перестраиваемых структурах, найдены рациональные алгоритмы проектирования и управления, разработан соответствующий программный продукт. В процессе исследований удалось в основном избавиться от датчика положения ротора, заменив его простыми датчиками напряжения и тока. Это повлияло на конструктивный облик ВИД - теперь эта машина стала заметно проще основного конкурента - короткозамкнутого асинхронного двигателя.
Несмотря большое количество проведенных исследований такими исследователями как Бычков М.Г. [3,4,5], Дроздов П.А. [14], В. Ранлин [45], группа Т. Миллера [37,44], до настоящего времени не построены тепловые модели, достоверно описывающие поведение ВИД в составе электропривода. Такие модели необходимы для правильного проектирования электропривода с ВИД, оптимального использования данного типа двигателя, рациональной организации защит.
Данная работа посвящена тепловым моделям вентильно-индукторных электродвигателей в составе электропривода.
Тепловые исследования в рамках данной работы проводятся с применением теории планирования инженерного эксперимента [17], что позволяет на основе специально организованных испытаний образцов строить тепловые модели, описывающие объект исследования в определенных, заданных границах изменяемых факторов.
Для создания обобщенной тепловой модели ВИД будет использовано распространение результатов испытаний отдельных образцов на ряд подобных двигателей с помощью теории подобия и представление тепловых моделей подобных двигателей в виде критериев подобия.
В первой главе рассматриваются возможные способы построения тепловых моделей электрических машин, приводятся результаты предварительных тепловых испытаний ряда образцов вентильно-индукторных двигателей и обосновывается принцип и алгоритм построения тепловых моделей в форме критериев подобия.
Во второй главе формулируются условия и допущения и разрабатывается математический аппарат построения тепловых моделей в форме критериев подобия.
Третья глава посвящена испытательным стендам и образцам ВИД со встроенными термопарами.
В четвертой главе представлено описание экспериментальных исследований образцов вентильно-индукторного электродвигателя и обработка экспериментальных данных.
В пятой главе представлена проверка адекватности полученных тепловых моделей, сопоставление экспериментальных характеристик и кривых, построенных по моделям. Приведены примеры использования полученных тепловых моделей.
Похожие диссертационные работы по специальности «Электротехнические комплексы и системы», 05.09.03 шифр ВАК
Разработка и исследование вентильно-индукторного электропривода с независимым возбуждением и микроконтроллерным управлением2008 год, кандидат технических наук Жарков, Александр Александрович
Разработка и исследование бездатчиковых систем управления вентильно-индукторными электродвигателями2003 год, кандидат технических наук Глухенький, Тимофей Георгиевич
Развитие теории и практика проектирования энергосберегающих вентильно-индукторных электроприводов2001 год, доктор технических наук Пахомин, Сергей Александрович
Разработка вентильно-индукторных двигателей для легких электрических транспортных средств2006 год, кандидат технических наук Нестеров, Евгений Вячеславович
Разработка высокоэффективных микроконтроллерных модульных систем управления вентильно-индукторными двигателями и базового комплекта программного обеспечения1998 год, кандидат технических наук Семенчук, Виталий Анатольевич
Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Докукин, Александр Львович
5.6 Выводы
1. Представлен алгоритм использования тепловых моделей в форме критериев подобия на основе пересчета масштабов величин. Входящих в критерии подобия.
2. Проверка адекватности тепловых моделей на базовом образце в «модельном» режиме работы показала удовлетворительное совпадение теоретических кривых, вычисленных по модели и соответствующих экспериментальных характеристик.
3. Проверка адекватности на образцах ВИД №2 и №3 свидетельствует о применимости моделей к двигателям другой конфигурации и обращенной конструкции: погрешности не превышают 15% при усреднении коэффициента теплоотдачи и других сильных допущениях.
4. Тепловые испытания базового образца в «рабочем» режиме и проверка адекватности тепловых моделей при применении для «рабочего» режима подтверждают предположение о возможности учета потерь в стали эквивалентным увеличением плотности тока. Это делает тепловые модели, полученные в результате простых «модельных» испытаний, эффективным инструментом оценки теплового состояния вентильно-индукторных двигателей в составе электропривода.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Получены универсальные тепловые модели вентильно-индукторных электродвигателей в виде экспериментальной базовой характеристики гбаз(/баз) и двух безразмерных комплексов - критериев подобия, содержащих минимальное количество параметров и отражающих тепловые процессы в наиболее нагретой зоне двигателя.
2. Построение тепловых моделей и определение коэффициентов теплоотдачи, входящих в критерии подобия, основано на специально организованных «модельных» экспериментах на базовом образце двигателя, в которых исключены потери в стали.
3. Показано, что потери в стали магнитопровода могут учитываться эквивалентным увеличением входной величины - плотности тока.
4. Адекватность тепловых моделей подтверждена экспериментами на двигателях 0,16 кВт, 5 кВт и 7,5 кВт с различной геометрической структурой и параметрами.
5. Тепловые модели могут использоваться как при паспортизации вентильно-индукторных электродвигателей, так и при их эксплуатации в составе электропривода.
Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Докукин, Александр Львович, 2006 год
1. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. Изд. 2-е. М.: Наука, 1976. - 279 с.
2. Ахунов Т.А., Макаров JI.H., Бычков М.Г., Ильинский Н.Ф. Вентиль-но-индукторный электропривод перспективы применения // Материалы 2-ой междунар. конф. "Состояние разработок и перспективы применения ВИП". - М.: ИНТЕРЭЛЕКТРО, 2001. - С. 54 - 59
3. Бычков М.Г. Анализ вентильно-индукторного электропривода с учетом локального насыщения магнитной системы // Электричество, 1998, № 6.
4. Бычков М.Г. Основы теории, управление и проектирование вен-тильно-индукторного электропривода: Дисс. докт. техн. наук. М., Моск. энерг. ин-т, 1999. - 372 с.
5. Бычков М.Г. Элементы теории вентильно-индукторного электропривода / Электричество, 1997, № 8, с. 35-44.
6. Веников В.А. Веников Г.В. Теория подобия и моделирования. Учебное пособие для вузов. Изд. 3-е. М. Высшая школа, 1984. 439 с.
7. Голован А.Т. Основы электропривода.
8. Гольдберг О.Д. Испытания электрических машин. Учеб. Для вузов. -М. Высш.школа, 1990. 255.
9. Горнов А.О. Нагревание и охлаждение электрических двигателей. -М.: МЭИ, 1980.
10. Дискретный электропривод с шаговыми двигателями / Б.А.Ивоботенко, В.П.Рубцов, Л.А.Садовский и др. М.: Энергия, 1972.
11. Докукин А.Л. Тепловая модель вентильно-индукторного электродвигателя электровелосипеда. // Тр. МЭИ (ТУ). Вып. 678, М.: Издательство МЭИ, 2002. - С. 64-67.
12. Докукин A.JI. Тепловые испытания вентильно-индукторных электродвигателей в рабочем режиме. // Тр. МЭИ (ТУ). Вып. 680, М.: Издательство МЭИ, 2004. - С. 35-39.
13. Докукин A.JI. Экспериментальные тепловые модели вентильно-индукторных электродвигателей // Электричество, 2004, № 7, С. 64-65.
14. Дроздов П.А. Разработка новых алгоритмов управления вентильно-индукторных электроприводов: Дисс. . канд. техн. наук. М., 2002. - 120 с.
15. Жерве Г.К. Промышленные испытания электрических машин. -Изд. 4-е J1. Энергоатомиздат. 1984. - 408с.
16. Ильинский Н.Ф. Вентильно-индукторный электропривод перед выходом на широкий рынок. //Приводная техника, 1998, № 3, С. 2-5.
17. Ильинский Н.Ф. Моделирование в технике. М.: Издательство МЭИ, 2004.
18. Ильинский Н.Ф. Основы электропривода. М.: Издательство МЭИ,2003
19. Ильинский Н.Ф., Докукин А.Д., Кузьмичев В.А. Тепловые модели вентильно-индукторного электродвигателя. //Электричество, 2005, № 8, С. 27-34.
20. Ильинский Н.Ф., Прудникова Ю.И., Федоров А.Г. и др. Проектирование вентильно-индукторных машин общепромышленного назначения // Вестник МЭИ, 2004, №1, с. 37 - 43.
21. Каган В.Г. Электроприводы с предельным быстродействием для систем воспроизведения движений. М.: Энергия, 1975.
22. Ключев В.И. Теория электропривода. М.: Энергоатомиздат, 2001.
23. Красовский А.Б. Имитационные модели в теории и практике вентильно-индукторного электропривода: Дисс. . докт. техн. наук. М.: Моск. энерг. ин-т , 2004. — 317 с.
24. Основы теории электрических аппаратов /Под ред. Г.В. Буткевича. -М.: Высшая школа, 1970.
25. Остриров В.Н. Создание гаммы электронных преобразователей для электропривода на современной элементной базе / Дисс.докт. техн. наук -М.: Моск. энерг. ин-т, 2004.
26. Проектирование электрических машин. /Под ред. Копылова И.П. -М.: Высшая школа, 2002
27. Семенчук В.А. Разработка высокоэффективных микроконтроллерных модульных систем управления вентильно-индукторными двигателями и базового комплекта программного обеспечения: Дисс. . канд. техн. наук. М.: Моск. энерг. ин-т, 1998. - 119 с.
28. Токарев Б.Ф. Электрические машины. -М.: Энергоатомиздат, 1990
29. Уткин С. Ю. Разработка электронных коммутаторов вентильно-индукторных электроприводов широкого применения / Дисс. . канд. техн. наук. М.: Моск. энерг. ин-т, 2002.
30. Филиппов И.Ф. Теплообмен в электрических машинах. JL: Энергоатомиздат, 1986.
31. Lawrenson P. J. Brief Status Review of Switched Reluctance Drives. -EPE Journal, Vol.2, No.3, Oct. 1992, p. 133-144.
32. Miller T.J.E. Switched Reluctance Motors and Their Control. Oxford : Magna Physics Publishing and Clarendon Press, 1993. 205 c.
33. V. Ranlin, A. Radun, I. Hussain. Modeling of Losses in Switched Reluctance Machines. IEEE Transaction on Industry Applications. Vol. 40. №6 Nov/Dec 2004
Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.