Цилиндрический линейный асинхронный привод с частотным управлением

Для преобразования электрической энергии в механическую обычно [33] используются асинхронные двигатели (АД) с вращающимся магнитным полем. В то же время следует отметить, что примерно в 40−50% исполнительных механизмов промышленности, транспорта, рабочего инструмента, в быту используется возвратно-поступательное движение [11, 34, 35]. Электропривод, используемый для получения возвратно-поступательного движения (рис. 1.1), обычно состоит из вращающегося двигателя (1), редуктора (2) и кинематической передачи (3) для преобразования вращательного движения в поступательное (кривошипно-шатунный механизм, червячная передача и т. п.). При применении линейных двигателей [1, 2, 63] из кинематической схемы электропривода исключаются кинематическая передача и редуктор. Современный линейный электропривод (ЛЭП) состоит из линейного электродвигателя (чаще асинхронного), устройств управления, диагностирования и защиты, а также энергетических электронных устройств (обычно это преобразователь частоты) [48]. Применение преобразователя частоты позволяет регулировать скорость механизма, улучшить его энергетические характеристики.

Применение линейных асинхронных двигателей (ЛАД) в электроприводах возвратно-поступательного движения обеспечивает упрощение кинематической схемы электропривода, повышение надежности, снижение механических потерь и ряд других преимуществ. Чаще других в ЛЭП используются ЛАД плоского (ПЛАД) и цилиндрического (ЦЛАД) исполнений (рис. 1.2). На рис. 1.2 обозначены: 1 — индуктор- 2 — вторичный элемент (бегун).

Рис. 1.1 Электропривод для получения возвратно-поступательного движения на основе вращающегося двигателя.

Рис. 1.2 Цилиндрический линейный асинхронный двигатель 8.

Наряду с преимуществами ЛЭП имеет недостатки, связанные с возникновением в ЛАД краевых эффектов, снижающих энергетические показатели и ухудшающих рабочие характеристики ЛЭП. Различают продольный (ПрКЭ) и поперечный (ПоКЭ) краевые эффекты [11, 96]. ПрКЭ возникает из-за разомкнутости магнитопровода индуктора [34] и обуславливает неравномерное распределение магнитного потока вдоль индуктора при движении, а также отставание в пространстве токов, наводимых во вторичном элементе (ВЭ) двигателя относительно набегающего и сбегающего концов индуктора. В результате появляются паразитные тормозные усилия, обусловленные наличием, наряду с бегущей, пульсирующей составляющей магнитного полявозникает неравномерное распределение токов в фазах обмоткипоявляются дополнительные потери в ВЭ [11, 12].

ПоКЭ вызывает неравномерное распределение токов по ширине ВЭ и приводит к появлению поперечных сил, действующих параллельно плоскости индуктора и стремящихся сдвинуть ВЭ относительно индуктора в поперечном направлении. Кроме этого, следствием ПоКЭ является появление поперечных сил, стремящихся притянуть плоский ВЭ к индуктору. В ЦЛАД ПоКЭ отсутствует.

Исследования [96] показывают, что проявления ПрКЭ в высокоскоростных и низкоскоростных ЛАД различны. В низкоскоростных ЛАД волна ПрКЭ достаточно быстро затухает, а в высокоскоростных ЛАД затухание происходит медленно и волна входного ПрКЭ может существовать на протяжении всей длины воздушного зазора. Следствием краевых эффектов является уменьшение тягового усилия, коэффициента мощности и КПД ЛЭП [96].

В настоящее время опыт создания ЛАД и приводов на их основе мал [63] по сравнению с опытом создания АД с вращающимся ротором. Такой 9 опыт должен бы отражать особенности электромагнитных, механических и тепловых расчетов ЛАД, технологий конструирования, производства и испытаний ЛАД. При этом должно учитываться влияние преобразователя частоты (ПЧ) на ЛАД, которое обусловлено несинусоидальным напряжением на выходе ПЧ и перенапряжениями и, при определенных условиях может привести к выходу ЛЭП из строя. Для ЛЭП возвратно-поступательного движения наиболее предпочтительной представляется цилиндрическая конструкция ЛАД, исключающая действие ПоКЭпри низких скоростях ВЭ действие ПрКЭ ослаблено [11].

Развитие исследований и разработка технологий ЛЭП с ЦЛАД в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете (ЛЭТИ) были обусловлены потребностями СПб метрополитена, поставившего перед кафедрой электромеханики ряд задач, связанных с созданием линейных асинхронных электроприводов. Разработка экспериментальных образцов для данной диссертации производилась в рамках научно-исследовательской работы по хоздоговору № 5895 / ЭМ и ЭМТ — 116 от 12.03.1998 с государственным предприятием подземного транспорта (ГППТ) «Петербургский метрополитен». Возвратно-поступательное движение предполагалось применить для открывания и закрывания станционных автоматических дверей закрытых станций метрополитена. Экономическую сторону актуальности работы можно проиллюстрировать следующими цифрами: в настоящее время в эксплуатации находятся 480 дверей на 10 станциях метрополитена. Капитальный ремонт электроприводов, эксплуатационные затраты и зарплата обслуживающего персонала в 1999 году составили 1.441 миллиона рублей. Число отказов электроприводов за последние годы растет и основными причинами их являются изломы рычагов, выход из строя редукторов и электродвигателей (рис. 1.1).

Анализ опубликованной литературы показывает, что общие вопросы теории ЛАД изложены в работах А. И. Вольдека [13, 15−17], О. Н. Веселовского [9−11], А. П. Епифанова [25−28], Г. И. Ижели [34], Ф. Н. Сарапулова [77−79], С. Ямамуры [96], П.-К. Будига [104], Дж.Ф. Гираса [115, 116], Е. А. Мендрелы и Е. Гирзака [117, 135−137], К. Оберретля [103, 141−144, 150]. В [13] дан анализ ПрКЭ в плоских магнитогидродинамических машинах и предложены способы его компенсации. Работа ЛАД с различными исполнениями ВЭ, численный и аналитический методы расчета магнитных полей и основных характеристик рассмотрены в [11]. В книге [34] изложены принцип действия, устройство и методика расчета ПЛАД, основанная на упрощенной схеме замещения. Особенности тяговых ПЛАД, включая расчет параметров и характеристик, приведены в [25−28]. Численный метод расчета ПЛАД на базе схем замещения магнитной и электрической цепи разработан в [11, 77−79]. Аналитические решения для магнитного поля в зазоре ПЛАД в одно-, двухи трехмерной постановке получены в работе [96]. В [104] разработана теория поля в зазоре ЛАД при разбиении активной зоны на 5 участков и учтена ассимметрия токов в фазах. Трехмерная теория ПЛАД с учетом высших пространственных гармоник применительно к модели «чередующихся индукторов» приведена в [143, 144]. Двухмерный анализ ПЛАД с использованием рядов Фурье дан в [135 137]. Наличие высших временных гармоник в ПЛАД при питании от преобразователя частоты с широтно-импульсной модуляцией (ПЧ-ШИМ) учтено в [116].

При выполнении электромагнитных расчетов используются два подхода: аналитический и численный [63]. При аналитическом подходе поле в воздушном зазоре рассчитывается в общем виде, применяя одномерные, двухмерные или трехмерные математические модели [9, 11,.

13, 15−17, 25, 94, 96, 101−103, 141−144 ]. Одномерная теория [9, 11, 13, 1517, 94, 96] исходит из того, что нормальная составляющая индукции по толщине зазора не изменяется, а индуктор имеет бесконечную ширину (ПоКЭ отсутствует). В этом случае индукция зависит только от продольной координаты. Решение задачи в одномерном приближении получается относительно простым, но не учитывает ПоКЭ в ПЛАД, эксцентриситета бегуна ЦЛАД, а также торцевого рассеяния. Более точными являются двухмерные модели, учитывающие ПрКЭ и рассеяние силовых линий магнитного поля [12, 89] или ПрКЭ и ПоКЭ [11, 13, 96]. Решение двухмерной задачи обычно получают с использованием рядов или интегралов Фурье. Трехмерные модели, учитывая изменение поля в зависимости от продольной, поперечной и нормальной координаты и от времени, наиболее адекватно отражают процессы в ЛАД. Однако получение рациональных решений без грубых допущений сильно затруднено [12], а результаты получаются громоздкими и неудобными для инженерных расчетов [11, 63].

Для электромагнитных расчетов используются также численные методы: метод конечных элементов [114, 146], метод конечных разностей [65], метод подробных развернутых схем замещения магнитной и электрической цепей ЛАД [63, 79], сеточно-матричный метод [113, 122]. Численные методы обеспечивают достаточную точность расчетов, хорошее совпадение с экспериментальными данными (расхождениеоколо 10%), но требуют больших затрат машинного времени. Так, например, при использовании сеточно-матричного метода [113, 122] решается система матричных уравнений, описывающих установившееся состояние ЛАД. Число дифференциальных уравнений, которые нужно решить, очень велико: около 150. При применении метода развернутых магнитных и электрических схем замещения [63, 79] ЛАД рассматривается.

12 как несимметричная система. Каждому зубцу соответствует уравнение магнитной схемы замещения, а каждому пазу — уравнение электрической схемы замещения. При расчетах ЛАД, имеющих большое число зубцов (более 70) также появляются трудности в отношении затрат машинного времени.

В трудах С. Ямамуры [96] наиболее полно и системно рассмотрены одномерные, двухмерные и трехмерные математические модели электромагнитного поля в воздушном зазоре плоского линейного асинхронного двигателя (ПЛАД), методы расчета, краевые эффекты в ЛАД и способы их компенсации, трехмерная математическая модель ЛАД с односторонним и двухсторонним индуктором и различными типами ВЭ. Анализ результатов расчетов, выполненных на базе одномерной модели [11, 96] показывает, что совпадение опытных и расчетных данных при этом хорошее, но одномерная модель не позволяет учесть эксцентриситет положения бегуна в воздушном зазоре. Все модели, рассмотренные в [96], относятся к ПЛАД, одномерная модель, предложенная в [13] использует индуктор и бегун бесконечной длины, то есть краевые эффекты не учитываются. Методика расчета ЦЛАД [11] учитывает ПрКЭ, но также основана на одномерной модели, высшие временные гармоники питающего напряжения также не учитываются. Таким образом в опубликованной литературе не рассматриваются двухмерные модели ЦЛАД, позволяющие одновременно оценить влияние ПрКЭ и несинусоидальности напряжения питания и учесть эксцентриситет положения бегуна в воздушном зазоре, который обуславливает появление сил одностороннего магнитного тяжения.

В данной диссертации используется одномерная модель магнитного поля в зазоре ПЛАД [96], которая изменена в соответствии с конструкцией ЦЛАД (используется цилиндрическая система координат), а также.

13 разработана для учета эксцентриситета. Таким образом разрабатывается новая двухмерная модель ЦЛАД, индукция в зазоре которого зависит от координат z и ф, а также времени.

Наличие в структуре ЛЭП упругих звеньев приводит к дополнительным нагрузкам на оборудование [35]. Бегун ЛАД с точки зрения электропривода является растягиваемым и сжимаемым стержнем, который из-за наличия люфтов и зазоров исполнительного механизма, соединительной муфты и подшипников может испытывать нагрузки в направлении, перпендикулярном направлению движения. Возвратно-поступательное движение бегуна обуславливает наряду с участками установившейся работы частые режимы пуска, торможения и реверса. Эти режимы увеличивают нагрузку на бегун. Следствием этого может стать изменение положения бегуна в расточке индуктора. Из-за того, что бегун ЦЛАД не является абсолютно жестким, может возникнуть прогиб бегуна под действием силы тяжести. Причиной эксцентричного положения бегуна может стать также неточная сборка машины. Применительно к АД с вращающимся ротором вопросы, связанные с эксцентриситетом, рассмотрены достаточно полно [19, 60, 95]. Есть также публикации, касающиеся сил притяжения между индуктором и бегуном в ПЛАД [12, 25, 143]. В двухстороннем ПЛАД нормальная сила считается очень малой и не учитывается, а при симметричном расположении бегуна — равной нулю [12]. Для цилиндрической конструкции ЛАД в опубликованных работах радиальные силы считаются равными нулю из-за симметричного положения бегуна в расточке индуктора. Возникновение радиальных сил вследствие эксцентриситета влияет на работоспособность и рабочие характеристики ЛЭП и поэтому требует рассмотрения в рамках данной диссертации.

Кроме механических факторов, влияющих на работу ЛЭП, приходится учитывать и электрические факторы. При питании ЦЛАД от сети переменного тока перенапряжения в обмотках ЦЛАД возникают редко (например, грозовые перенапряжения). В ЛЭП с ПЧ-ШИМ при соединениии ЦЛАД с ПЧ с помощью электрически длинного кабеля коммутационные перенапряжения воздействуют на обмотку постоянно. Поэтому для создания управляемого линейного электропривода на основе ЦЛАД и ПЧ-ШИМ и обеспечения надежной работы представляется актуальным рассмотреть ряд вопросов, связанных с перенапряжениями. Известно, что наиболее универсальным способом управления, обеспечивающим как пониженные скорости, так и значительные тяговые усилия ЛАД, является частотное управление [63]. Опубликовано большое число работ, посвященных частотному регулированию АД [5−7, 31, 32, 53, 55, 64, 91−93]. В трудах М. П. Костенко [47], А. А. Булгакова [5], М. Г. Чиликина [91], Р. Т. Шрейнера [93] и других опубликованы фундаментальные решения и сформулированы законы изменения напряжения и частоты, обеспечивающие разработку и эксплуатацию ЧУ АД. Некоторые вопросы, связанные с регулированием скорости ЛАД рассмотрены в [39, 54, 107, 126]. При применении АД и ЛАД средней и малой мощности чаще всего используются ПЧ-ШИМ [100, 116, 121]. Такой преобразователь частоты [92] обеспечивает ЛЭП повышенную управляемость, быстродействие, прецизионность, возможность получения практически любых требуемых соотношений частоты и амплитуды напряжения питания.

Наряду с преимуществами ПЧ-ШИМ обладает также рядом недостатков [93]. Напряжение на выходе ПЧ-ШИМ существенно отличается от синусоидального, получаемого при питании от сети переменного тока частотой 50 Гц. Это обстоятельство требует учета.

15 наличия высших временных гармоник в кривой питающего напряжения [116, 117]. К последствиям несинусоидального питания следует отнести колебания силы ЛАД, увеличение вихревых токов и механические резонансы в диапазоне килогерц, которые ведут к усилению шума. Колебания момента и акустический шум уменьшают благодаря увеличению частоты коммутации вентилей. Поэтому разрабатываются ПЧ-ШИМ со все большей частотой коммутации, что стало возможным благодаря применению современных ЮВТ-транзисторов [100]. Частота коммутации при этом достигает 20 кГц, следствием чего являются очень крутые фронты нарастания напряжения (dU/dt), а также перенапряжения, связанные с распространением волн в кабеле, соединяющем ПЧ-ШИМ и АД [100, 121]. Эти явления вызывают преждевременный выход изоляции АД из строя. Аналогичные явления наблюдаются и при питании ЦЛАД от ПЧ-ШИМ. Изза отличия конструкции и параметров ЦЛАД от АД с вращающимся ротором они требуют дополнительного исследования. Совместное влияние ПрКЭ и коммутационных перенапряжений на изоляцию обмотки индуктора в опубликованной литературе не рассматривается. Решение этих вопросов в рамках данной диссертации представляется необходимым для обеспечения безотказной работы ЛЭП на основе ЦЛАД с ПЧ-ШИМ.

Анализ опубликованной литературы и учет задач, выдвигаемых практикой эксплуатации электроприводов в СПб метрополитене позволяют считать, что разработка теории ЛЭП возвратно-поступательного движения на основе ПЧ-ШИМ и ЦЛАД является актуальной научно-исследовательской задачей. При этом должны учитываться перечисленные выше механические и электрические факторы, влияющие на работоспособность ЛЭП и не учитываемые в известных технологиях.

5.4. Выводы и практические рекомендации.

1. Проведенное экспериментальное исследование показывает, что двухмерная математическая модель поля в рабочем зазоре, разработанная в разделе 2 может быть рекомендована для применения при проектировании ЛЭП с ЦЛАД, так как расхождение экспериментальной и расчетной характеристик Fn = f (uф) не превышает 3−4%.

2. Предложенная в разделе 2 формула для коэффициента изменения силы тяги позволяет уточнить методику расчета ЛЭП. Отклонение экспериментальной пусковой характеристики от расчетной не превышает 4%.

3. Определена частотная область «залипания» бегуна ЦЛАД, которая подтвердила наличие сил одностороннего магнитного тяжения при эксцентриситете и влияние частоты и амплитуды питающего напряжения на эти силы.

4. Выполнено экспериментальное исследование волновых процессов в ЛЭП, которое показало влияние кабеля на волновые процессы, правильность результатов исследования перенапряжений с помощью компьютерного моделирования, а также правомерность предлагаемого экспериментального метода определения параметров схемы замещения для волновых процессов.

5. Применение предлагаемой методики расчета ЛЭП обеспечивает достаточно хорошую сходимость экспериментальных и расчетных данных для низкоскоростного ЛЭП, расхождение по пусковой силе находится в пределах 7.8%, по потребляемой мощности — 12.1%, по фазному току 9.9% (рис. 5.17 — 5.19). При учете ПрКЭ расчетная зависимость Fn = /([Уф) расходится с экспериментальной на 4,2% (рис. 5.20). Приведенные данные относятся к ЛЭП-2.

6. ЛЭП на основе ПЧ-ШИМ и ЦЛАД обеспечивает выполнение требуемых временных диаграмм и безударное закрытие створок двери при одинаковых параметрах створок и ЦЛАД.

7. Практические рекомендации по разработке ЛЭП:

7.1. При проектировании ПЧ-ШИМ для предотвращения волновых процессов рекомендуется уменьшать частоту коммутации ниже 4 кГц и увеличивать длительность фронта нарастания импульса напряжения на выходе ПЧ-ШИМ /пч> 200 не.

7.2. Присоединение ПЧ-ШИМ к обмотке индуктора ЦЛАД рекомендуется осуществлять электрически коротким экранированным кабелем. При необходимости использования длинного соединительного кабеля и превышении напряжения на первой катушке L/qp нужно принимать специальные меры для уменьшения перенапряжений (раздел 3).

7.3. При механическом соединении ЛЭП с исполнительным механизмом следует обратить внимание на устранение усилий, действующих на бегун ЦЛАД в поперечном направлении, так как эти усилия могут привести к изгибу вала, появлению сил одностороннего магнитного тяжения и «залипанию» бегуна ЦЛАД, особенно в области низких частот.

7.4. При работе одного ПЧ-ШИМ на несколько ЦЛАД рекомендуется обеспечивать равенство параметров исполнительных механизмов и сил тяги ЦЛАД (расхождение не более 3%).

7.5. Подшипниковый узел на основе подшипников качения обеспечивает меньшую силу трогания и лучше выдерживает нагрев бегуна, чем исследованные подшипники скольжения, основное преимущество которых — простота конструкци, хорошие массо-габаритные показатели и низкий уровень шума. В то же время износ подшипников скольжения практически не позволяет избежать сил одностороннего магнитного тяжения.

7.6. При изготовлении катушек ЦЛАД, предназначенных для питания от ПЧ-ШИМ рекомендуется осуществлять 1-^2 дополнительные пропитки.

7.7. Применение сплошных (нешихтованных) сердечников индуктора ЦЛАД заметно упрощает изготовление при небольшом увеличении потерь в стали. Наиболее простой конструкцией сердечников индуктора является конструкция, полученная из разрезной стальной трубы.

7.8. Чистота обработки внутренней поверхности сердечников индуктора (А < 50 мкм) обеспечивает равномерность воздушного зазора между индуктором и бегуном и уменьшение технологических зазоров между зубцами и сердечниками индукторов. При изготовлении бегуна важным является отсутствие изгибов для предотвращения возникновения сил одностороннего магнитного тяжения.

8. Результаты экспериментальных исследований внедрены при разработке ЛЭП станционных автоматических дверей метрополитена и коммутационных аппаратов системы электроснабжения метрополитена. Результаты конструктивной и технологической проработки ЦЛАД внедряются во ВНИИ МЭМ.

Заключение

.

1. Разработана математическая модель магнитного поля в воздушном зазоре ЦЛАД, отличающаяся от известных [11−13, 96] учетом эксцентриситета и несинусоидальности напряжения питания. Индукция в зазоре описывается линейным неоднородным дифференциальным уравнением второго порядка в частных производных. В одномерном приближении получено выражение, определяющее индукцию в зазоре в установившемся и переходном режимах работы. Для двухмерной модели получено решение в установившемся режиме работы: индукция зависит от продольной и угловой координат и времени и имеет три составляющие. Первая определяет основную составляющую магнитного поля — бегущую волнувторая возникает из-за разрыва сердечника индуктора со стороны входа и представляет собой затухающую волну, движущуюся в положительном направлении оси z третья составляющая индукции появляется из-за разрыва сердечника индуктора со стороны выхода, она также является затухающей, но движется навстречу основной составляющей. Без упрощающих допущений, связанных со скоростью бегуна, из выражения для индукции получены новые формулы для составляющих силы от ПрКЭ. Из-за полей краевых эффектов вычисление токораспределения бегуна значительно усложняется, поэтому вычислено усилие, которе испытывает индуктор (бегун испытывает то же усилие, но направленное в обратную сторону). Произведены теоретические исследования влияния частоты питающего напряжения, материала вторичного элемента и величины воздушного зазора на составляющие силы тяги и коэффициент ослабления силы. Исследования показали, что увеличение воздушного зазора приводит к уменьшению основной составляющей силы и одновременно к увеличе.

219 шло тормозных усилий от входного и выходного ПрКЭ. Применение для пазов ВЭ меди обеспечивает лучшие механические характеристики, так как увеличенное удельное сопротивление алюминия приводит к увеличению глубин проникновения волн ПрКЭ. Для ослабления действия ПрКЭ рекомендуется увеличивать число пар полюсов индуктора. Механические характеристики, построенные для различных частот питающего напряжения (при — = const) подтверждают возможность применения f.

ЧУ ЦЛАД, хотя при уменьшении частоты влияние ПрКЭ растет.

2. Получено новое выражение для нормальной составляющей индукции в зазоре при учете входного и выходного ПрКЭ и несинусоидальности питающего напряжения. Выведены формулы для составляющих силы ЦЛАД, учитывающие высшие временные гармоники питающего напряжения.

3. Исследованы силы одностороннего магнитного тяжения, действующие на бегун ЦЛАД, которые из-за эксцентриситета перестают быть взаимноскомпенсированными и приводят к прогибу бегуна. Получены новые выражения для сил одностороннего магнитного тяжения с учетом входного и выходного ПрКЭ. Получено новое выражение для прогиба бегуна под действием силы одностороннего магнитного тяжения и силы тяжести, для расчета прогиба использован метод прямого интегрирования.

4. Для изучения волновых процессов в ЛЭП предложена схема замещения, включающая источник трапецеидального сигнала (ПЧ-ШИМ), кабель и трехфазную обмотку индуктора ЦЛАД. Исследования соответствующей модели в пакете MATLAB 5.2 показало, что при подаче импульса на вход обмотки индуктора начальное распределение напряжения по фазе обмотки индуктора ЦЛАД является неравномерным,.

220 большая часть напряжения падает на первую катушку. Переход к установившемуся значению напряжения осуществляется волновым процессом. Кривая напряжения на входе ЦЛАД зависит от напряжения на выходе ПЧ-ШИМ, длины кабеля и входного полного сопротивления обмотки, а амплитуда бросков напряжения между фазой и корпусом может превышать двойное напряжение звена постоянного тока 114-ШИМ, если переключение происходит в момент, когда волновой процесс еще не завершен.

5. Из-за наличия волновых процессов электрическая нагрузка на изоляцию обмотки при питании от ПЧ-ШИМ значительно превышает нагрузку при питании от сети, причем в наиболее неблагоприятных условиях оказывается межвитковая изоляция первых катушек фаз, особенно при касании входного и выходного проводов катушки. При определенных условиях возможно возникновение ЧР, которые разрушают межвитковую изоляцию. Расчет напряженностей поля в воздушном клине между касающимися проводами произведен численным методом в пакете FEMAG с учетом длины силовой линии в клине, толщины и диэлектрической проницаемости лака и напряжения между проводами. Впервые проведен анализ совместного действия перенапряжений от ПЧ-ШИМ и от ПрКЭ на изоляцию обмотки индуктора ЦЛАД.

6. Для обеспечения безотказной работы изоляции ЦЛАД сформулированы рекомендации, выполнение которых с одной стороны обеспечивает уменьшение перенапряжений, и с другойувеличение электрической прочности изоляции. К числу первых относятся: укорочение соединительного кабеля между ПЧ-ШИМ и ЦЛАД, уменьшение напряжения звена постоянного тока ПЧ-ШИМ, уменьшение частоты коммутации, увеличение длительности фронта нарастания.

221 импульса на выходе ПЧ-ШИМ, а также применение фильтра на входе ЦЛАД. Входные катушки ЦЛАД следует располагать по возможности ближе к центру ЦЛАД для ослабления вляиния ПрКЭ на перенапряжения. Для увеличения электрической прочности следует избегать касания входного и выходного проводов катушек, использовать пропитку и увеличение толщины слоя лака обмоточной изоляции.

7. Разработана новая методика расчета ЛЭП на базе ЦЛАД и ПЧ-ШИМ исходя из нагрузочных диаграмм и сил ЛЭП и учитывающая ряд особенностей, связанных с наличием электрически длинного соединительного кабеля. Алгоритм расчета ЦЛАД в рамках методики основан на известных уравнениях и схемах замещения обычных АД, но учитывает конструктивные особенности ЦЛАД, к которым относятся круговое замыкание токов и линейное движение бегуна.

8. Изменение силы тяги ЛЭП из-за наличия ПрКЭ в ЦЛАД учитывается с помощью коэффициента^ПрКЭ > который определяется с учетом частоты питающего напряжения f, числа пар полюсов р, величины воздушного зазора 5Э, материала и толщины электропроводящего слоя бегуна и скорости движения ВЭ. Основой для расчета послужило решение для магнитного поля в воздушном зазоре, приведенное в разделе 2. Учет несинусоидальности напряжения питания в методике приводит к более точному определению потерь в обмотках индуктора и ВЭ. Анализ магнитного поля, выполненный в п. 2.5, показывает, что даже при минимальной относительной частоте коммутации sK =10 искажение индукции от высших временных гармоник незначительно. Современные ПЧ-ШИМ имеют частоту коммутации в 10 -г 50 раз больше. Кроме того, силы от высших гармоник направлены навстречу друг другу, а бегун и исполнительный механизм обладают значительной инерционностью. По.

222 этому влиянием высших временных гармоник на тяговую силу можно пренебречь. Предложен упрощенный способ расчета перенапряжений в обмотке индуктора при питании от ПЧ-ШИМ, основанный на уравнениях длинной линии и экспериментальном способе определения волновых параметров. Граничным напряжением, превышение которого влечет за собой выход изоляции из строя, считается напряжение возникновения частичных разрядов Uцр. Расчет допустимого эксцентриситета положения бегуна в расточке индуктора основан на двумерной модели магнитного поля в воздушном зазоре. Прогиб бегуна при эксцентриситете обусловлен силами одностороннего магнитного тяжения. Учтено влияние трех составляющих индукции Bs, В, В2 (основной и двух составляющих от входного и выходного ПрКЭ) на силу, действующую на бегун. Основными величинами, влияющими на прогиб бегуна, являются относительный эксцентриситет s, амплитуда основной составляющей индукции Bs, длина активной зоны индуктора, масса и модуль упругости ВЭ, частота питающего напряжения f.

9. Для оценки эффективности предложенных моделей и методик расчета проведены экспериментальные исследования тождественных с расчетными режимов ЛЭП, которые показали, что двухмерная математическая модель поля в зазоре ЦЛАД, разработанная в разделе 2, обеспечивает расчет индукции с погрешностью 3 — 5% (расхождение экспериментальных и расчетных характеристик Fn = f ((Jф) в опытах не превышало 3.8%). По предложенной в разделе 4 методике изготовлено два электропривода. Сравнение полученных экспериментальных данных с расчетными показало адекватность предложенных моделей в целом, поскольку наибольшие расхождения расчетных значений от опытных по пусковой силе составили 7.8%, по фазному току 9.9%, а по.

223 потребляемой мощности 12.1%. При учете ПрКЭ расхождение данных по пусковой силе сокращается до 3.8%.

10. Определена частотная область «залипания» бегуна, которая подтвердила наличие сил одностороннего магнитного тяжения при эксцентриситете и влияние частоты и амплитуды питающего напряжения на эти силы. Выполнено экспериментальное исследование волновых процессов в ЛЭП, которое позволило оценить влияние кабеля на волновые процессы, достоверность исследования перенапряжений с помощью компьютерного моделирования, а также правомерность предлагаемого экспериментального метода определения параметров схемы замещения для волновых процессов.

11. Произведена технологическая и конструктивная проработка ЦЛАД, включающая изготовление и исследование различных конструкций индуктора и подшипниковых узлов. Эксперименты со сплошными и шихтованными сердечниками показали, что увеличение потерь в стали окупается значительным упрощением и удешевлением конструкции индуктора, что позволило перейти к конструкции сердечников индуктора, выполняемых из разрезной толстостенной стальной трубы. Исследование подшипникового узла на основе подшипников качения показало, что он обеспечивает меньшую силу трогания и лучше выдерживает нагрев бегуна, чем исследованные подшипники скольжения, основное преимущество которых — простота конструкци, хорошие массо-габаритные показатели и низкий уровень шума. В то же время износ подшипников скольжения практически не позволяет избежать сил одностороннего магнитного тяжения.

12. Разработанные модели и методики, а также результаты исследования перенапряжений, возникающих при питании ЦЛАД от ПЧ-ШИМ через электрически длинный кабель внедряются при.

224 проектировании и настройке линейных электроприводов во ВНИИ МЭМ, АО «Электросила» и ЗАО «SEW Eurodrive», а также при модернизации электроприводов станционных автоматических дверей и коммутационных аппаратов в С.-Петербургском метрополитене.

Основные положения и результаты были представлены и доложены на 3-ей международной конференции «Электромеханика и электротехнологии» ICEE-98, г. Клязьма, 14−18 сентября 1998 г.- 4-ой международной конференции по нетрадиционным электромеханическим и электрическим системам UEES-99, г. Санкт-Петербург, 21−24 июня 1999 г.- внутривузовских научно-технических конференциях, а также на научных семинарах кафедры электромеханики и электромеханотроники СПбГЭТУ (ЛЭТИ). По теме диссертации опубликовано четыре печатных работы, в том числе одно учебное пособие.

Двигатель ЦЛАД-2 был представлен на выставке научно-технических достижений СПбГЭТУ (ЛЭТИ) в 1999 г.