Актуальность проблемы. Производство и потребление различных видов энергии в мире растет быстрыми темпами, определяя прогресс во всех областях жизнедеятельности человека. Одновременно усложняются процессы преобразования энергии, расширяется многообразие энергетических установок и агрегатов, обеспечивающих наиболее рациональные режимы энергопитания разнородных потребителей. В последние десятилетия наиболее интенсивно развиваются импульсные электроэнергетика и электротёхника, для которых характерна дискретизация энергии, подводимой к потребителю.
Количество потребителей импульсной энергии в различных областях науки и техники непрерывно возрастает. Экспериментальные установки для получения и удержания плазмы, мощные лазерные системы и другая электрофизическая аппаратура работают в импульсных режимах в связи с высокими уровнями потребляемой энергии. Производственное оборудование для электроэрозионной, лазерной, электрогидравлической обработки материалов, импульсной сварки принципиально требуют импульсного питания и дают значительные преимущества по сравнению с оборудованием, работающим в непрерывном режиме при постоянной потребляемой мощности /1−4/. Широкое распространение получили импульсные методы в радиотехнике, в частности в системах радиолокации и связи /2, 3/, а также в автономных электроэнергетических установках для питания потребителей в системе электроснабжения /5/. Для крупномасштабных применений характерно использование инерционных накопителей больших размеров и массы, предназначенных для сглаживания пиков потребляемой мощности в электроэнергетических системах /6−8/.
Системы импульсного питания указанных групп потребителей выполняются, как правило, связанными с электрической сетью не непосредственно, а через промежуточные накопители энергии различных типов. Основными характеристиками импульсных систем с НЭ являются: количество, плотность и стоимость запасаемой энергии в импульсном режиме, коэффициенты ее преобразования в импульсном режиме, параметры генерируемых электрических импульсов — напряжение, ток, длительность, частота повторения, скважность.
В настоящее время широко используются электрохимические, емкостные, индуктивные, механические и электромеханические НЭ. Каждый их них имеет свою область предпочтительного применения, обусловленную его характеристиками. Наиболее энергоемкими и экономичными накопителями из указанных являются инерционные накопители, способные запасать до Ю10 Дж кинетической энергии при плотности порядка 100 Дж/г /9/. Импульсное преобразование кинетической энергии в инерционных НЭ осуществляется, как правило, с помощью специальных ЭМ.
Уникальным свойством ЭМН, выделяющим их из ряда НЭ других типов, является возможность их непосредственного использования для питания импульсных потребителей на подвижных объектах с отбором механической мощности с вала, т. е. в полностью автономных системах. Это свойство определяет особую важность проблемы совершенствования методов электромашинного генерирования импульсной мощности.
Наиболее широко для импульсного преобразования кинетической энергии в электромагнитную и питания потребителей в ударных и кратковременных режимах применяются синхронные генераторы переменного тока /10−13/ и униполярные генераторы /14−17/, реже используются ЭМН на базе машин постоянного тока /18, 19/.
С давних пор внимание исследователей привлекает идея применения асинхронных машин в автономных системах. Известно, что АМ с ко-роткозамкнутым ротором наиболее проста по устройству, в 1,5−3 легче бесконтактной регулируемой СМ и может быть использована как в генераторном, так и в стартерном режимах. Главная проблема, затрудняющая применение асинхронных генераторов, состоит в разработке компактного регулируемого источника реактивной мощности. Давно известно применение для этой цели синхронных машин и конденсаторов /20−24/. Новые возможности по использованию асинхронных генераторов открыла реализация идеи их возбуждения с помощью полупроводникового преобразователя/25−33/.
Несмотря на то, что в настоящее время установившиеся режимы работы асинхронных генераторов с вентильным возбуждением исследованы достаточно хорошо /33/, в качестве источников импульсной мощности АМ используются до сих пор очень редко.
Данная диссертационная работа посвящена исследованию ЭМН на базе АМ с вентильным возбуждением — импульсного асинхронного вентильного генератора.
Целью работы является определение законов регулирования напряжения при торможении и разгоне ЭМН на базе АМ с вентильным возбуждением, являющейся одновременно генератором и двигателем, которые обеспечивают отдачу в нагрузку максимально возможной для данной машины импульсной электрической мощности при заданных значениях длительности, периода повторения импульсов и неизменном напряжении на нагрузке.
Методы исследований. При выполнении работы использовались теоретические и экспериментальные методы исследований.
Теоретические исследования основывались, главным образом, на теории частотного управления асинхронными двигателями, а также общей теории электрических машин. Математические модели рассчитывались на персональном компьютере с использованием пакета МаШсас! Р1иэ 5.0.
Экспериментальные исследования проводились на специальных установках, представляющих собой макеты ИАВГ с микропроцессорным управлением, созданных автором на кафедре робототехнических и электромеханических систем ГУАП.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
1) разработаны математические модели электромеханических и энергетических процессов в ИАВГ с учетом взаимосвязи генераторного и двигательного режимов, которые позволяют определять значения электромеханических и энергетических величин при торможении и разгоне, параметры и характеристики импульсного генератора;
2) разработаны математические модели тепловых процессов в АМ в квазиустановившемся режиме и методика определения предельно допустимых по перегреву значений относительной частоты статора в конце разгона и времени разгона при рассмотрении машины как однородного тела и системы из трех тел;
3) созданы нелинейная и линеаризованная динамические модели ЭМН на базе АМ при торможении с учетом автоматического регулятора напряжения;
4) определены законы регулирования напряжения АМ и разработаны алгоритмы, позволяющие управлять работой ИАВГ в генераторном и двигательном режимах и генерировать униполярные импульсы электрической энергии с формой, близкой к идеальной прямоугольной;
5) создана методика расчета ИАВГ, с помощью которой можно определять параметры, характеристики и законы регулирования напряжения импульсного генератора, построенного на базе данной АМ, соответствующие максимально возможной отдаваемой мощности.
Практическая ценность диссертационной работы.
Полученные в работе математические модели, законы и алгоритмы управления позволяют проектировать и создавать ЭМН на базе АМ с вентильным возбуждением для питания импульсных потребителей энергии в различных областях науки и техники.
Разработанная на основе проведенных исследований, реализованная с помощью пакета МаШсас! Р1иэ 5.0 и экспериментально проверенная методика расчета ИАВГ может быть использована в системах автоматизированного проектирования импульсных асинхронных генераторов.
Экспериментальные установки, созданные при выполнении работы, могут использоваться для отладки новых микропроцессорных устройств и алгоритмов управления ИАВГ и, вообще, асинхронным электроприводом широким кругом разработчиков, а также в учебном процессе.
Реализация работы. Теоретические результаты работы и экспериментальные установки использовались при выполнении госбюджетной НИР отделом интегрированных электромеханических комплексов ГУАП, что подтверждено соответствующим актом. Полученные результаты используются также в учебном процессе на кафедре робототехнических и электромеханических систем ГУАП.
Основные положения, выносимые на защиту:
1) аналитические выражения для электромеханических и энергетических величин в генераторном и двигательном режимах, параметров и характеристик ИАВГ;
2) математические модели тепловых процессов в АМ в квазиустано-вившемся режиме и методика определения предельно допустимых по перегреву значений относительной частоты статора в конце разгона и времени разгона;
3) нелинейная и линеаризованная динамические модели ЭМН на базе АМ при торможении с учетом автоматического регулятора напряжения;
4) законы регулирования напряжения АМ и алгоритмы управления ИАВГ в генераторном и двигательном режимах;
5) методика расчета импульсного асинхронного генератора.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на I научной сессии аспирантов ГУАП, посвященной Дню космонавтики (г. Санкт-Петербург, апрель 1998 г.) и научных семинарах кафедры робототехнических и электромеханических систем ГУАП.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 4 печатные работы (научно-технические статьи) и одна работа (тезисы доклада на конференции) находится в печати.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов и заключения, содержащих 104 страницы машинописного текста и 50 рисунков на 46 страницахсписка использован.
4. Результаты исследования кривой нагревания машины показали, что тепловая модель АМ правильно отражает реальные тепловые переходные процессы в машине при условии точного определения тепловых.
Зависимости относительных напряжения (а) и скорости (б) от времени в генераторном режиме при различных значениях задающего воздействия по частоте для ЭУ1.
Зависимости относительных напряжения (а) и скорости (б) от времени в генераторном режиме при различных значениях задающего воздействия по частоте для ЭУ2 а) б).
Зависимости относительных напряжения (а) и скорости (б) от времени в генераторном режиме при изменении задающего воздействия по частоте по различным законам для ЭУ1.
У 1.
0.0 0.6 0.4 0.2.
32^).
0.1.
0.2.
0.3.
0.4 1, с а) 1 г.
— расчетх, о — эксперимент Рис. 6.9.
Зависимости относительных напряжения (а) и скорости (б) от времени в генераторном режиме при изменении задающего воздействия по частоте по различным законам для ЭУ2 а) о б).
148 сопротивлений, что возможно, в большинстве случаев, только при проведении соответствующих экспериментов,.
5. Экспериментальные исследования электромагнитных переходных процессов продемонстрировали устойчивую работу ИАВГ в генераторном режиме, а также подтвердили справедливость пренебрежения электромагнитными переходными процессами при достаточно большой длительности импульса.
6. Экспериментальные исследования электромеханических переходных процессов показали, что динамическая модель ИАВГ в генераторном режиме правильно отражает реальные переходные процессы в импульсном генераторе при различных законах изменения задающего воздействия по частоте.
7. Все вышесказанное, а также экспериментальные исследования импульсного генератора в двигательном режиме позволяют сделать вывод о том, что разработанные в диссертации математические модели и законы управления напряжением ИАВГ верно отражают действительность и могут быть использованы при проектировании и создании ЭМН на базе АМ с вентильным возбуждением.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Прогресс в области техники научных исследований и развитие производства на основе применения новых промышленных технологий тесно связаны с совершенствованием систем электроснабжения экспериментальных установок и производственного оборудования. Значительное место в решении возникающих при этом проблем отводится НЭ, являющихся важным промежуточным звеном между системами генерирования и потребления энергии.
В диссертационной работе исследовался ЭМН на базе АМ с вентильным возбуждением, являющейся одновременно генератором и двигателем, предназначенный для питания различных импульсных потребителей энергии.
Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные в данной работе, позволили получить математические модели, законы и алгоритмы управления, методику расчета ИАВГ при рассмотрении процессов торможения и разгона с учетом их взаимосвязи. Полученные результаты, вследствие общности физических процессов в машинах, могут быть использованы для построения импульсных генераторов на базе АМ различных типов не только малой, но и большой мощности (с учетом характерных для них особенностей). Учитывая, что конкретные результаты каждого раздела исследования изложены в выводах по этим разделам, остановимся на наиболее важных результатах работы.
1. Разработаны математические модели электромеханических и энергетических процессов в ИАВГ. Полученные аналитические выражения позволяют определять значения основных электромеханических и энергетических величин в генераторном и двигательном режимах с учетом насыщения магнитной цепи машины, а также рассчитывать параметры и характеристики импульсного генератора.
2. Разработаны математические модели тепловых процессов в АМ в квазиустановившемся режиме при рассмотрении ее как однородного тела и системы из трех тел, на основании которых получены кривые нагревания и охлаждения машины в генераторном и двигательном режимах и создана методика, которая позволяет определять предельно допустимые по перегреву значения относительной частоты статора в конце разгона и времени разгона.
3. Разработаны динамические модели ИАВГ в генераторном и двигательном режимах с учетом автоматических регуляторов напряжения и абсолютного скольжения, которые позволяют исследовать электромеханические переходные процессы в ЭМН на базе АМ, а также, при необхо.
150 димости, находить мгновенные значения всех величин импульсного генератора при торможении и разгоне путем подстановки в соответствующие формулы значений относительных напряжения, частоты статора и параметра абсолютного скольжения.
4. Определены законы регулирования напряжения АМ в генераторном и двигательном режимах и разработаны алгоритмы, которые позволяют управлять работой ИАВГ в квазиустановившёмся режиме, при начальном разгоне и окончательном торможении, и генерировать униполярные импульсы электрической энергии с формой, близкой к идеальной прямоугольной.
5. Создана методика расчета ИАВГ, которая позволяет определять параметры, характеристики и законы регулирования напряжения импульсного генератора, построенного на базе данной АМ, соответствующие максимально возможной отдаваемой мощности с учетом заданных требований к параметрам генерируемых импульсов и системы технических ограничений.
6. Экспериментальные исследования ИАВГ и проверка основных теоретических положений и методики расчета показали, что ЭМН на базе АМ с вентильным возбуждением устойчиво работает в генераторном и двигательном режимах, и полученные в диссертации результаты верно отражают действительность. Это дает возможность использовать их при проектировании и создании импульсных асинхронных генераторов для потребителей в различных областях науки и техники.
Таким образом, на основании изложенного выше можно сделать вывод, что поставленные задачи решены и цель диссертационной работы достигнута.
