НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

Шуруб Юрій Вікторович

УДК 62-83:621.313.33

АСИНХРОННИЙ ТРИФАЗНО-ОДНОФАЗНИЙ ЕЛЕКТРОПРИВОД

З ТИРИСТОРНИМ КЕРУВАННЯМ

Спеціальність 05.09.03 – електротехнічні комплекси та системи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ 2001

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у відділі електромеханічних систем Інституту електродинаміки НАН України.

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор Войтех Олександр Арсенійович, провідний науковий співробітник Інституту електродинаміки НАН України.

Офіційні опоненти:

-

-

Провідна установа – Національний технічний університет України “КПІ” Міносвіти і науки України, кафедра електроприводу та автоматизації промислових установок.

Захист дисертації відбудеться “3” липня 2001 р. о 14-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.187.01 в Інституті електродинаміки НАН України за адресою: 03680, м.Київ-57, проспект Перемоги, 56, тел.446-91-15.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту електродинаміки НАН України (03680, м.Київ-57, проспект Перемоги, 56).

Автореферат розіслано “30” травня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.С.Федій

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. Трифазнi асинхроннi двигуни (АД) з короткозамкненим ротором малої потужностi знаходять масове застосування в рiзних галузях промисловостi i сiльського господарства завдяки високiй надiйностi, простотi обслуговування, малiй цiнi. Ускладнювання технологiчних вимог з боку виробничих механiзмiв та необхiднiсть вирiшення соцiально-економiчних проблем обумовлюють проблему бiльш широкого застосування регульованого асинхронного електроприводу (ЕП), пiдвищення якості технологiчних процесів без значних втрат енергетичних та матерiальних ресурсiв. Врахування всiх протирiч i вимог при створеннi оптимальної електромеханiчної системи - дуже складне i в бiльшостi випадкiв невирiшене питання. Тому задача максимального пристосування АД до вимог конкретного приводу розв`язується методом синтезу систем ЕП з врахуванням заданих показникiв якостi регулювання i найбiльш простих схемотехнiчних рiшень на доступнiй елементнiй базi. При цьому безперечним фактором ефективностi в умовах ринкової економiки перехiдного перiоду є мiнiмальний термiн окупностi витрат на регульований ЕП.

Актуальність теми. Одним iз шляхiв розширення межi застосування регульованих асинхронних ЕП малої потужностi у сферi аграрного виробництва та житлово-комунального господарства, враховуючи iснуючу систему електроживлення та невисоку якiсть електроенергiї в цих галузях, є застосування нетрадицiйних трифазно-однофазних ЕП - включення обмоток статора трифазного АД з конденсатором на однофазну мережу живлення через однофазний тиристорний перетворювач напруги (ОТПН). Така система ЕП, маючи переваги асинхронного конденсаторного двигуна (АКД) в напрямi енергетичних характеристик, при деяких умовах забезпечує прийнятнi регулювальнi характеристики ЕП. Бiльш простi i дешевшi ЕП по системi ОТПН-АКД вiдповiдають вимогам значного числа споживачiв, для яких можливості ЕП з перетворювачами частоти були б надмірними.

Разом з тим, через підвищені втрати енергії iснують обмеження для застосування системи ОТПН-АКД. Оптимальні рішення можуть бути тiльки при комплексному дослiдженні ЕП з врахуванням параметрiв АД, напруги живлення та навантаження. Особливої уваги потребують механізми з вентиляторним моментом опору, на долю яких припадає до 60% встановленої потужності двигунів.

Незважаючи на чисельнi публiкацiї, що вiдображають накопичений досвiд багаторiчних дослiджень як несиметричних режимiв асинхронних двигунiв, так i систем тиристорного електроприводу з фазовим керуванням, залишаються невирiшеними ряд наукових, технiчних i економiчних питань. Зокрема, при дослідженнях трифазно-однофазних ЕП енергетичні та регулювальні характеристики АД з конденсатором при тиристорному керуванні були вивчені недостатньо, а питання оптимізації параметрів елементів ЕП та синтезу схемних рішень при регулюванні швидкості та моменту не досліджувались. Ці проблеми розглядаються в дисертацiйній роботі.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Представлена дисертація є результатом виконання НДР з науково-технiчної тематики Інституту електродинаміки НАНУ: тема “Електромашина 4М”, 2000, №ГР0100U004682, де автором проведені розрахунки енергетичних характеристик та досліджені оптимальні режими та параметри трифазно-однофазних електроприводів з тиристорним керуванням при змінних навантаженнях; “Гама-П”, 2000, №ГР0198U007306, де автором проведено математичне моделювання та дослідження електромагнітних процесiв в асинхронному електроприводі малої потужностi з тиристорним керуванням та впроваджено нові схемо-технічні рішення регульованого трифазно-однофазного електроприводу вісьових вентиляторів, виконаними у відповідності з Постановою Президії НАН України, а також проекту №4.97.257 державного замовлення Кабінету міністрів України №15870/10 від 07.08.98 по програмі “Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології”, де автором виконано дослідження АД в умовах критичних режимів роботи.

Мета i задачi наукових дослiджень. Метою дисертацiї є розробка методiв пiдвищення ефективності та якості роботи асинхронних трифазно-однофазних електроприводів з тиристорним керуванням на основі удосконалених математичних моделей шляхом синтезу схемо-технічних рішень та оптимізації параметрів силових елементів.

В дисертацiйнiй роботi вирiшувалися наступнi задачi:

- аналiз i класифiкацiя iснуючих схемотехнiчних рiшень регульованих ЕП малої потужностi;

- побудова узагальнених математичних моделей для спiльного порiвняльного аналiзу найбiльш перспективних схем системи ОТПН-АКД, що дозволяють проводити як попереднi (пошуковi) дослiдження для синтезу ЕП, так i точнi розрахунки з урахуванням впливу несиметрiї та несинусоїдальностi струмiв та напруг на процеси в системi;

- комплексне дослiдження квазіусталених та динамічних режимiв трифазно-однофазних електроприводiв за системою ОТПН-АКД, що дозволяють оцiнити вплив параметрiв елементiв системи на енергетичнi, регулювальнi та динамічні характеристики ЕП, визначити рацiональнi областi застосування кожного розглядаємого схемо-технiчного рiшення;

- розробка та дослiдження методiв покращення енергетичних показникiв системи ОТПН-АКД при роботi механiзмiв iз змiнним навантаженням;

- дослiдження можливостей пiдвищення якостi перетворюваної енергiї та вибiр оптимального за технiко-економiчними показниками способу покращення гармонічного складу струмів та напруг в трифазно-однофазному асинхронному ЕП малої потужностi;

- розробка рекомендацiй по вибору параметрiв та схемотехнiчних рiшень ЕП за системою ОТПН-АКД за заданою механiчною характеристикою та вiдомою довготривалістю включення.

Об`єкт дослiдження в роботi - система, яка включає в себе однофазний тиристорний перетворювач напруги, трифазний асинхронний двигун з конденсатором та виконавчий механізм, функцiональнi можливостi якої реалiзуються за двома основними напрямками: регулювання швидкостi обертання в обмеженому дiапазонi та мiнiмiзацiя втрат потужностi при змiнному навантаженні.

Предмет дослідження в роботі - механічні, регулювальні та енергетичні характеристики трифазно-однофазного електроприводу з тиристорним керуванням.

Методи дослідження. Задачі, що поставлені в роботі, вирішувались за допомогою метода числового інтегрування диференційних рівнянь асинхронної машини, метода перемикаючих функцій, що враховує дискретність перетворювача, метода симетричних складових для попереднього аналізу та вибору параметрів елементів електроприводу, експериментальних досліджень на фізичних моделях та натурних зразках.

Наукова новизна одержаних результатiв:

- отримали подальший розвиток теоретичні дослідження трифазно-однофазного асинхронного електроприводу як одного з варіантів техніко-економічного вирішення проблеми енерго-ресурсозбереження;

- вперше побудована узагальнена математична модель трифазно-однофазного асинхронного електроприводу з тиристорним фазовим керуванням для аналізу перспективних схем вмикання трифазного асинхронного двигуна з фазозсуваючим конденсатором та ОТПН в однофазну мережу, що враховує вплив ЕРС обертання, несинусоїдальнiсть та несиметрiю струмiв i напруг, та отримані співвідношення, що зв`язують змiннi стану АД в координатах статора ,,0 з параметрами зовнiшнього кола двигуна;

- визначена раніше невідома область оптимальних співвiдношень реактивних параметрiв асинхронного двигуна та фазозсуваючого конденсатора, в якiй середнiй ККД електроприводу за робочий цикл має максимум при заданих коефiцiєнтi несиметрії напруг та дiапазонi зміни ковзання за умови забезпечення статичної стійкості та допустимих втрат потужності;

- запропоновано новий засіб запобігання режиму автоколивань в розімкнутій системі ОТПН-АКД шляхом параметричного синтезу силової електричної та механічної частин електроприводу та визначена межа стійкої роботи в площині параметрів додаткового опору статора та сумарного моменту інерції;

- удосконалено метод комбiнованого керування в системi ОТПН-АКД на основi схемних перемикань обмоток статора, фазозсуваючого конденсатора i ОТПН, що об`єднує у собi плавний (фазовий) та дискретний (релейний) засоби регулювання напруги в залежностi вiд заданих діапазонiв змiни швидкостi та моменту.

Практичне значення одержаних результатiв полягає в отриманнi науково обгрунтованих схемотехнiчних рiшень трифазно-однофазного електроприводу (структура, схеми, параметри) з тиристорним керуванням як одного з варiантiв енерго-ресурсозбереження в асинхронному електроприводi малої потужностi. Розробленi математичнi моделi i методики розрахунку параметрiв та характеристик асинхронних електроприводiв використовуються при створеннi засобiв малої механiзацiї з вентиляторним моментом опору (в тому числi - з постiйною складовою) в галузях агропромислового комплексу та житлово-комунальнiй сферi. Зокрема, результати дослiдження знайшли практичне використання в АТ "СКБ Укрелектромаш" (м.Харкiв) при розробцi трифазно-однофазних ЕП вiсьових вентиляторiв для тваринницьких ферм. Результати дослiджень використовуються в IМЕСГ УААН при обгрунтуваннi створення нових машин для фермерських господарств.

Особистий внесок здобувача полягає в побудовi узагальнених математичних моделей трифазно-однофазного ЕП з тиристорним керуванням, виборi параметрів елементiв електроприводу, розрахунку механiчних, регулювальних i енергетичних характеристик та порiвняльному аналiзi силових схем системи ОТПН-АКД в залежностi вiд характеру навантаження та заданого дiапазону регулювання, синтезi способiв керування та побудовi структур ЕП, що їх реалiзують. Роботи [2,3,5,7] написанi особисто. В працях, опублiкованих в спiвавторствi, особисто здобувачу належать: розрахунок механiчних характеристик [1], методика вибору оптимальних спiввiдношень реактивних параметрiв АД та фазозсуваючого конденсатора [4], результати математичного моделювання [6].

Апробацiя результатiв дисертацiї. Основнi положення i результати роботи доповiдалися i обговорювалися на: Мiжнароднiй науково-практичнiй конференцiї "Ефективнiсть систем електроенергетики" (Київ, 1996 р.); 2-й Мiжнароднiй науково-технiчнiй конференцiї "Unconventional electromechanical and electrotechnical systems" (Польща, Щецiн, 1996 р.); Мiжнароднiй науково-технiчнiй конференцiї "Науково-технiчний прогрес у сiльськогосподарському виробництвi" (Глеваха, 1999 р.); 3-й Мiжнароднiй науково-технiчнiй конференцiї "Математичне моделювання в електротехнiцi, електронiцi та електроенергетицi" (Львiв, 1999 р.), Мiжнароднiй науково-технiчнiй конференцiї "Проблеми сучасної електротехнiки" (Київ, 2000 р.); семiнарах Наукової ради НАН України "Науковi основи електроенергетики", 1998-2000 р.

Публiкацiя результатiв наукових дослiджень. Основнi результати дисертацiї опублiковано в 7 наукових роботах, в тому числi 5 статтях у фахових наукових виданнях (з них 3 самостiйно) та 2 тезах доповiдей.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п`ятьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та додатку. Загальний обсяг роботи складає 213 сторінок, в тому числі на 67 сторінках розміщені 73 рисунка, 9 таблиць, список використаних джерел з 110 найменувань та один додаток.

ОСНОВНИЙ ЗМIСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність проблеми, сформульовано мету і основні задачі, показано наукову новизну і практичне значення роботи.

У першому розділі розглянуто сучасний стан в регульованому асинхронному ЕП з позицій особливостей технологічних процесів в галузях економіки, зокрема, в сільськогосподарському виробництві, житлово-комунальному господарстві, пов`язаних з сезонністю, кліматом, умовами праці з врахуванням існуючих трифазно-однофазних систем живлення та умов ринкового господарства. Показано переваги асинхронних конденсаторних двигунів з трифазними обмотками статора. В якості критерія ефективності регульованого ЕП прийнято метод повних витрат.

В роботi дана класифiкацiя ЕП з тиристорним перетворювачем напруги та трифазним асинхронним двигуном з короткозамкненим ротором, проведено аналiз впливу несиметрiї та несинусоїдальностi живлячих напруг на основнi характеристики АД в усталених режимах. Розглянуто методи математичного дослiдження систем ТПН-АД та вибрано метод миттєвих значень та перемикаючих функцiй як найбiльш рацiональний та точний.

Таким чином, проблема пiдвищення ефективностi ЕП за системою ОТПН-АКД зводиться до задачi енерго- та ресурсозбереження. Складовi ефективностi системи ОТПН-АКД: параметри АД та фазозсуваючих i керуючих елементiв, енергетичнi втрати, момент та швидкiсть обертання визначаються рiвнем, несиметрiєю, несинусоїдальнiстю напруги. Визначенню кiлькiсних та якiсних показникiв таких систем, оптимiзацiї параметрiв та режимiв роботи ЕП при тиристорному керуваннi присвяченi наступнi роздiли роботи.

Другий роздiл присвячений розробцi узагальненої математичної моделi трифазно-однофазного ЕП з тиристорним фазовим керуванням, що дозволяє проводити з єдиних позицiй спiльний аналiз квазiусталених та динамiчних процесiв для ряду перспективних вiдомих та нових схем силової частини системи ОТПН-АКД (деякі з їх варіантів наведено на рис.1) з урахуванням таких специфiчних для даного класу ЕП факторiв, як несиметрiя та несинусоїдальнiсть струмiв та напруг. На вiдмiну вiд iснуючих методик аналiзу таких систем, де АКД розглядався як пасивне RLC-навантаження, побудована модель враховує вплив протиЕРС обертання на процеси в системi, оскiльки через присутнiсть магнiтного зв`язку мiж обмотками статора i ротора процеси комутацiї у двигунi, що обертається, значно вiдрiзняються як кiлькiсно, так i якicно вiд процесiв у звичайному RLC-навантаженнi, зокрема можливiстю виникнення автоколивань та генераторного режиму однiєї з фаз при роботi самого АКД в режимi двигуна.

а) б)

Рис.1

Крива напруги статора при фазовому керуваннi складається з рiзних дiлянок провiдностi тиристорiв, межi яких визначаються моментами комутацiї. Тому в основу розрахункової методики покладено метод числового iнтегрування диференцiальних рiвнянь АД та метод перемикаючих функцiй, що враховує дискретнiсть перетворювача та змiнну структуру силового кола. Оскiльки для визначення моментiв комутацiї тиристорiв необхiдний контроль в процесi обчислення значень струмiв статора, а при змiнi схеми вмикання необхiдно дотримуватися принципу безперервностi потокозчеплень ротора, то моделювання ЕП за системою ОТПН-АКД проводиться у координатах статора , , , а в якостi змiнних стану використовуються струми статора та потокозчеплення ротора .

Електромеханiчнi перехiднi процеси в АД описуються системою диференцiальних рiвнянь, що в матричнiй формi має слiдуючий вигляд:

;

; (1)

; ,

де - матриця, що визначає ЕРС обертання, - символ диференціювання по часу.

Для вирiшення системи (1) необхiдно виразити вектор напруг статора через параметри зовнiшнього кола двигуна (напруга мережi, ємнiсть кондесатора) та змiннi стану. За рiвняннями Кiрхгофа та вiдомими рiвняннями зв`язку мiж електромагнiтними величинами у координатах , , та у фазних координатах A,B,C для кожної з розглядаємих схем та для кожного з двох (провiдного i непровiдного) станiв ОТПН отримано загальний вираз для визначення вектора напруг статора:

(2)

У правiй частинi виразу (2) перша складова зумовлена дiєю напруги мережi, друга - напругою на конденсаторi, третя - протиЕРС вiд вiльних складових перехiдних струмiв замкнених контурiв, утворюємих обмотками статора та конденсатором, четверта - дiєю протиЕРС вiд струмiв нульової послiдовностi, п`ята - протиЕРС обертання. Для кожної з схем були отриманi матрицi коефiцiентiв ,, що дозволяють зв`язати напруги статора двофазної моделi АД у координатах , , з параметрами зовнiшнього кола та змiнними стану.

Для переходу вiд рiвнянь при провiдному станi тиристорiв до рiвнянь при непровiдному та навпаки застосовуються засоби алгебри логiки. За вiдсутнiстю необхiдностi урахування процесiв у самих тиристорах ОТПН моделюється спрощено у виглядi iдеального ключа, стан якого описується логiчною функцiєю

, (3)

де логічні функції відповідають ненульовому значенню струмів через тиристори, логічні функції - напругам на тиристорах, - перемикаюча функція, що відповідає сигналу керування тиристорами.

Перемикаюча функцiя П при фазовому керуваннi має слiдуючий вигляд:

;

, (4)

де -кут керування тиристорів, - тривалість імпульсів керування (в ел. град.), що вибирається з умов надійного відкривання тиристорів,

Порiвняння характеристик, розрахованих на побудованiй моделi та на моделi, де АКД представлено у виглядi RLC-навантаження, з експериментальними показало, що похибка розрахунку представленої моделі зменшилась порівняно з наближеною методикою на 14...22% при визначеннi моменту та 23...37% при визначенi втрат. Бiльшi цифри вiдповiдають бiльшим кутам керування та бiльшим швидкостям обертання. Найбiльш відчутно похибка наближеної методики проявляється у послiдовно-паралельнiй схемi з включенням ОТПН у головну фазу, де при наближеннi до швидкостi холостого ходу вiдбувається спотворення механiчних характеристик, обумовлене переходом регулюємої фази в генераторний режим, що неможливо для пасивного RLC-навантаження.

Розрахунки та експериментальні дослідження проводились для АД загального призначення серій 4А, АІ висоти вісі обертів 71,80 мм та їх модифікацій.

Система диференцiйних рiвнянь (1) внаслiдок своєї нeлiнiйностi не має вирiшення у виглядi аналiтичного виразу, що ускладнює попереднiй вибiр параметрiв елементiв системи та аналiз їх впливу на характеристики ЕП. Для аналiзу статичних режимiв регульованого за напругою АКД запропонована методика попереднього аналiтичного розрахунку механiчних та енергетичних характеристик на основi методу симетричних складових, де несинусоїдальна форма напруги на статорi, що обумовлена комутацiєю тиристорiв замiнена синусоїдальною напругою, амплiтуда та фаза якої дорiвнює амплiтудi та фазi першої гармонiки.

За цiєю методикою отримано узагальненi для рiзних схем несиметричного ЕП формули для визначення електромагнiтного моменту та втрат:

; (5)

, (6)

де - коефiцiент несиметрiї напруг, - рiвень напруги прямої послiдовностi, що обчислюються окремо для кожної схеми i залежать вiд ковзання, параметрiв схеми замiщення АД та ємностi конденсатора, - коефіціент, рівний відношенню моментів противключення та двигунного в трифазному симетричному режимі.

При iнших однакових умовах втрати в АКД бiльшi, нiж при трифазному симетричному живленнi, внаслiдок неминучої несиметрiї напруги. Вибiр ємностi конденсатора та схеми вмикання обмоток статора залежить вiд параметрiв АД, характеру навантаження та дiапазону регулювання. На основi розробленої аналiтичної методики визначена область оптимальних вiдношень реактивних параметрiв фазозсуваючого конденсатора та АД , в якiй середнiй ККД електроприводу за робочий цикл (цикловий ККД) має максимум, а коефiцiент несиметрiї напруг не перевищує допустимих значень в діапазонi змiни ковзання .

У третьому роздiлi на основi побудованої математичної моделi було проведено дослiдження механiчних, регулювальних та енергетичних характеристик перспективних схемо-технiчних рiшень трифазно-однофазного ЕП за системою ОТПН-АКД з фазовим керуванням.

Розраховані механiчнi характеристики при рiзних кутах керування для послiдовно-паралельної схеми з включенням ОТПН до фазного проводу (рис.1а), де регулюється тiльки напруга головної фази, наведено на рис.2. Їх особливостями є залежність критичного ковзання від кута та злиття з пiдвищенням швидкостi штучних механiчних характеристик при <100...110 ел.град. з природньою, що вiдбувається в результатi переходу регульованої фази в генераторний режим, внаслiдок чого кут провiдностi тиристорiв досягає 180 ел.град. i до обмоток двигуна прикладається повна напруга мережi. Послiдовно-паралельна схема має меншу жорсткість робочих ділянок штучних характеристик, але й меншу амплiтуду коливальних моментiв (), що мають подвiйну частоту мережi i обумовленi впливом несиметрiї та неcинусоїдальностi струмiв, нiж схема Штейнметца з включенням ОТПН до лінійного проводу ().

Рис.2

Проведений гармонічний аналіз струмів ЕП при роботі по різних схемах його силової частини виявив, що включення ОТПН до головної фази є ефективним засобом покращення гармонiчного складу вхiдного струму (при однакових механiчних потужностях коефiцiєнт гармонiк зменшується в середньому в 1,5...2 рази порівняно з схемами, де ОТПН включено до лінійного проводу), однак досягається воно цiною пiдвищення коефiцiента несиметрiї. Оптимальний вибiр ємностi фазозсуваючого конденсатора та схеми вмикання системи ОТПН-АКД в залежностi вiд виду навантаження та дiапазону регулювання швидкостi дозволяє пiдвищити енергоефективнiсть ЕП.

В загальному випадку розглядається навантаження, момент опору якого складається з вентиляторної та постійної складових:

, (7)

де за базове значення моменту прийнято момент опору, що відповідає верхній межі діапазону регулювання швидкості і пов`язаний з номінальним моментом АД через коефіцієнт завищення потужності ( в залежності від нижньої межі діапазону регулювання).

Порiвняльний аналiз енергетичних характеристик схем трифазно-однофазного ЕП показав, що при малих значеннях постiйної cкладової (=0...0,1) в усьому дiапазонi регулювання швидкостi меншi втрати має схема Штейнметца. При постiйнiй складовiй навантаження =0,1...0,5 зменшення втрат можливе шляхом застосування рiзних схем силової частини системи на рiзних пiддiапазонах регулювання швидкостi. Такий пiдхiд названий тут комбiнованим керуванням, що вмiщує в собi дискретний (релейний) та здiйснюваний в рамках кожного ступеня дикретного плавний (фазовий) способи керування. При такому керуваннi в верхнiй частинi дiапазону регулювання швидкостi (>0,6...0,8в залежностi вiд значення ) використовується з`єднання обмоток статора у схему Штейнметца та вмикання ОТПН до лiнiйного проводу, а в нижньому дiапазонi (<0,6...0,8) - послiдовно-паралельне з`єднання обмоток з вмиканням ОТПН до головної фази.

Розглянуто особливостi динамiчних характеристик розiмкнутої системи ОТПН-АКД, обумовленi присутнiстю внутрiшнього позитивного зворотнього зв`язку (ЗЗ) по куту провiдностi тиристорiв . Отримано структурну схему ЕП (рис.3) та передаточнi функцiї системи з урахуванням нелiнiйностi ланки внутрiшнього ЗЗ. Визначено, що при кутах керування 50-120 ел.град. та моментах опору <0,2 можлива втрата стiйкостi приводу на робочiй дiлянцi штучних механiчних характеристик, що призводить до незатухаючих автоколивань швидкостi, моменту та струмiв, якi на вiдмiну вiд коливань з подвiйною частотою мережi внаслiдок взаємодiї прямого та зворотнього обертаючихся магнiтних полiв, мають частоту 0,2..0,25 i обумовленi взаємним впливом двигуна та перетворювача. Запропоновано засiб запобiгання режиму автоколивань шляхом параметричного синтезу силової електричної та механiчної частин ЕП. За допомогою методу гармонiчної лiнеаризацiї визначена межа стiйкої роботи в площинi параметрiв демпфіруючого опору , що вмикається на виході перетворювача паралельно обмоткам статора АД, та сумарного моменту iнерцiї.

Рис.3

Четвертий роздiл присвячений дослiдженню можливостей покращення енергетичних показникiв в системi ОТПН-АКД при змiнних навантаженнях. Параметри фазозсуваючих елементiв звичайно вибираються з умови отримання мiнiмума коефiцiента несиметрiї при номiнальному навантаженнi. Якщо навантаження зменшується, втрати в двигунi внаслiдок пiдвищення коефiцiенту несиметрiї та високого споживання реактивної потужностi значно пiдвищуються, а режим холостого ходу в деяких випадках стає небезпечним через перегрiв однiєї з фаз.

Найбiльш ефективним вирiшенням задачi оптимiзацiї енергетики АКД з нагрузкою, що змiнюється, є одночасне регулювання двох параметрiв: ємностi фазозcуваючого конденсатора та напруги живлення. На практицi через складнiсть схем плавного регулювання ємностi доцiльно застосовувати дискретне ступеневе регулювання ємностi конденсаторної батареї, де ОТПН використовуєься в якостi безконтактного комутатора. Запропонована схема АКД з дискретним керуванням ємностi, в якiй з метою обмеження швидкостi зростання струму через тиристорний комутатор в якостi струмообмежуючого елементу використовуєься частина фази статорної обмотки, що дозволяє вiдмовитися вiд зовнiшнього струмообмежуючого елементу та отримати додаткову ступiнь регулювання для режиму неповного навантаження.

При постiйних параметрах фазозсуваючого конденсатора оптимальний за критерiєм мiнiмуму втрат режим може бути отриманий за рахунок регулювання напруги при умовi сталостi ковзання. Електричнi втрати в АД, що працює в несиметричному режимi, при врахуваннi тiльки першої гармонiки напруги та сталих параметрах схеми замiщення визначаються виразом (6). Мiнiмуму втрат вiдповiдає ковзання , що визначається при вирiшеннi рiвняння:

. (8)

При цьому напруга, що оптимізує роботу АКД, має змiнюватись в залежностi вiд момента навантаження у вiдповiдностi з вiдношенням:

. (9)

Показано, що при змiнному навантаженні АКД умови забезпечення мiнiмуму втрат в двигунi та мiнiмуму коефiцiєнту несиметрiї при постiйних параметрах фазозсуваючого конденсатора збiгаються. Тому в якостi стабілізуємого параметру при енергетичнiй оптимiзацiї АКД слiд використовувати коефiцiєнт несиметрiї напруг.

Кривi втрат в АКД на природнiй (схема “зірка”) та оптимальних регулювальних у відповідності з (9) характеристиках наведенi на рис.4.

Рис.4

Вищi гармонiки струмiв статора, що вносяться ОТПН, погiршують енергетичнi характеристики в режимi оптимiзацiї порiвняно з випадком регулювання напруги синусоiдальної форми. Запропоновано спосiб компенсацiї вищих гармонiк за рахунок застосування комбiнованого керування в системi ОТПН-АКД, де при навантаженнях 0,4 вiдбувається перемикання обмоток АД та конденсатора з схеми Штейнметца "зiрка" на схему "зiрка з нульовим проводом" (рис.1б), що позбавлена недолiку iнших схем вмикання АКД - пiдвищених втрат холостого ходу, тому її використання при малих навантаженнях є виправданим. При цьому необхідний кут керування зменшується, через що застосування комбiнованого керування дозволяє знизити амплiтуду третьої гармонiки при малих навантаженнях в зонi робочого ковзання майже на 60%, та, як наслiдок, зменшити втрати до значень, близьких до таких при синусоiдальнiй регульованiй напрузi.

У п`ятому роздiлi розглянуто засоби пiдвищення якостi перетворення електроенергiї в асинхронних ЕП малої потужностi, таких як використання перетворювачiв змiнної напруги з низьким складом вищих гармонiк (комутацiйнi трансформаторно-ключовi перетворювачi, мостовi схеми ТПН, перетворювачі з штучною комутацiєю тиристорiв та високочастотною модуляцiєю напруги) та застосування пасивних та активних коректорiв спотворень. Показано, що у застосуваннi до системи ОТПН-АКД одним з варiантiв вирiшення задачi покращення якiсного складу струмiв в обмотках статора та в мережi є використання комбiнованого керування на основi схемних перемикань обмоток АД, фазозсуваючого конденсатора i ОТПН в залежностi вiд заданих діапазонiв змiни швидкостi та моменту, що дозволяє зменшити втрати в двигунi вiд вищих гармонiк, зпростити силову частину системи та зменшити її масогабаритнi показники.

Запропонована комбiнована схема лiнiйно-фазного керування АКД, в якiй дискретне регулювання вiдбувається з боку мережi шляхом переключення обмоток двигуна з лiнiйної на фазну напругу живлення, що дає можливiсть обмежити максимальний кут керування, і, як наслiдок, зменшити коефiцiєнт гаромонiк при глибокому регулюваннi напруги.

Розглянуто особливостi технiчної реалiзацiї асинхронних ЕП з однофазним ТПН. Проведено вибiр схеми вмикання, розрахунок характеристик та результати випробування ЕП вiсьових вентиляторiв типу ВО для тваринницьких ферм. В ході аналізу результатів експериментальних досліджень та розрахунків характеристик на основі запропонованої моделі була визначена середня похибка, що складає 7%. Виконано аналiз характеристик трифазно-однофазного ЕП гвинтового насосу малярної установки. В обох випадках пуск i робота забезпечуються при постiйнiй величині робочого конденсатора, але при рiзних схемах вмикання.

Вiдзначається, що системи керування мiкроклiматом тваринницьких примiщень передбачають вмикання груп з 3-х і більше вентиляторiв, ЕП яких працюють паралельно вiд одного джерела живлення. В цьому випадку вищi гармонiки струму, що генеруються кожним одиночним ЕП, сумуються не арифметично, а геометрично, значно компенсуючи одна одну. Крiм того, з`єднання групи з трьох одиночних ЕП у "трикутник" запобiгає появленню третьої гармонiки. Разом з застосуванням методу комбiнованого керування, цi засоби достатньо ефективно знижують рiвень вищих гармонiк в мережi.

Розроблено практичнi рекомендацiї по застосуванню розглянутих у роботi схемо-технiчних рiшень у ЕП малої потужностi з навантаженням, що вмiщує в собi вентиляторну та постiйну складовi.

В додатку наведенi документи, що підтверджують використання результатів дисертаційної роботи науковими і відомчими організаціями.

ВИСНОВКИ

У дисертацiйнiй роботi на основі удосконалених математичних моделей, синтезу схемо-технічних рішень та оптимізації параметрів силових елементів розроблено методи підвищення ефективності та якості роботи асинхронних трифазно-однофазних електроприводів з тиристорним керуванням та показана їх практична реалізація. Одержані науково обгрунтовані результати (математичні моделі, схемо-технічні рішення, параметри та характеристики ЕП) у сукупності є суттєвими для створення електромеханічних систем на базі однофазного тиристорного перетворювача напруги, асинхронного двигуна з трифазними обмотками статора та фазозсуваючим конденсатором.

1. Аналіз стану питання показав доцільність поглибленого дослідження режимів роботи асинхронних трифазно-однофазних електроприводів з тиристорним керуванням за допомогою удосконалених математичних моделей, що дозволяє отримати оптимальні параметри та характеристики системи.

2. Побудована математична модель трифазно-однофазного асинхронного ЕП дозволяє проводити спiльний аналiз рiзних варiантiв силових схем системи ОТПН-АКД та враховує такi специфiчнi для розглядаємого класу ЕП фактори, як несиметрiя i несинусоїдальнiсть струмiв i напруг, вплив протиЕРС обертання, вiльних складових перехiдних струмiв, обумовлених присутнiстю "незатухших" полiв статора та ротора, та струмiв нульової послiдовностi на електромагнитнi процеси в системi, а також дискретнiсть роботи перетворювача та змiнну структуру силового кола. Отримано в загальному виглядi вирази, що зв`язують змiннi стану двофазної моделi АД в координатах , , з параметрами зовнiшнього кола двигуна (напруга мережi, ємнiсть конденсатора), та визначено коефiцiенти матриць перетворення до двофазної системи координат для кожної з схем.

3. Запропоновано методику аналiтичного розрахунку механiчних характеристик та втрат регулюємого за напругою АКД, що необхiдна для попереднього аналiзу системи ОТПН-АКД та вибору оптимальних схеми включення, параметрiв АД та ємностi фазозсуваючого конденсатора. Розрахунковi формули для кожної схеми приведенi до єдиної форми, що дозволяє об`єднати їх в унiверсальнiй програмi розрахунку. Згiдно з цiєю методикою визначена область оптимальних спiввiдношень реактивних параметрiв АД та конденсатора, в якiй ККД за робочий цикл регульованого АКД має максимум, а коефiцiєнт несиметрiї напруг не перевищує наперед заданих значень у всьому діапазонi змiнення ковзання .

4. Проведено порiвняльний аналiз та визначенi рацiональнi областi застосування схем системи ОТПН-АКД:

а) при роботi з швидкостями, близькими до номiнальної або iз зменшеними швидкостями в механiзмах, що мають вентиляторний характер навантаження без постiйної складової () найкращими енергетичними та регулювальними характеристиками визначається схема Штейнметца з включенням ОТПН до лiнiйного проводу;

б) при роботi в нижньому дiапазонi механiзмiв з постiйною складовою навантаження (0,1...0,5) доцiльно застосовувати послiдовно-паралельну схему з`єднання обмоток АД з включенням ОТПН до головної фази, яка має в 1,5…2 рази менший коефіцієнт гармонік i, як наслiдок, бiльший ККД;

в) в механiзмах, що працюють в режимах холостого ходу та неповного завантаження, доцiльно використання схеми "зiрка з нульовим проводом", яка має при малих навантаженнях втрати потужності менші на 20-50% порівняно з схемою Штейнметца.

5. Розглянуто особливості динамічних характеристик системи ОТПН-АКД, обумовлені присутністю нелінійної ланки внутрішнього позитивного зворотнього зв`язку по куту провідності тиристорів. Запропоновано метод запобігання автоколивань моменту та швидкості шляхом параметричного синтезу силової електричної та механічної частин ЕП. За допомогою метода гармонічної лінеаризації визначена межа стійкої роботи в площині параметрів приводу.

6. Найбiльш ефективним вирiшенням задачi оптимiзацiї енергетики АКД при змiнному навантаженнi є одночасне регулювання ємностi фазозсуваючого конденсатора та напруги живлення. На практицi через складнiсть схем плавного регулювання ємностi доцiльно використання дискретного регулювання ємностi конденсаторної батареї та безперервне регулювання напруги. Запропонована схема ступеневого регулювання ємностi з тиристорним комутатором, в якiй в якостi струмообмежуючого елементу використовується частина фази статорної обмотки, що дозволяє покращити експлуатацiйнi якостi системи.

7. Отримані аналiтичнi вирази для розрахунку оптимального ковзання по критерiю мiнiмума втрат в АКД, що працює при неповному завантаженнi, i показано, що в ЕП по системi ОТПН-АКД критерiєм оптимiзацiї енергетики слiд використовувати мiнiмум коефiцiєнту несиметрiї.

8. Розроблено новi схемотехнiчнi рiшення системи ОТПН-АКД, що дозволяють покращити гармонiчний склад, енергетичнi характеристики системи та умови сумiсностi з мережею. Показано, що в ЕП малої потужностi по системi ОТПН-АКД одним з рацiональних засобів пiдвищення якостi перетворювання електроенергiї є використання комбiнованого керування, що з`єднує в собi плавне (фазове) та дискретне (релейне).

9. Вірогідність та обгрунтованість наукових досліджень, висновків та рекомендацій підтверджено узгодженням розрахунків з отриманими експериментальними даними і обумовлено використанням коректних методів дослідження трифазно-однофазних ЕП з тиристорним керуванням.

10. Розроблено рекомендацiї по вибору схем та параметрiв елементiв асинхронних трифазно-однофазних електроприводів на базі елементів серійного виробництва для машин і механізмів агропромислового комплексу. Прості і надійні малоелементні ЕП по системі ОТПН-АКД дозволяють розширити межу застосування технічних засобів, покращити їх споживацькі властивості, зменшити капітальні затрати в цілому на 40-50%.

ПУБЛIКАЦIЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦIЇ

1.Шуруб В.А., Шуруб Ю.В. Асинхронный конденсаторный двигатель с тиристорным управлением// Технiчна электродинамiка. - 1997. -N3. -С.64-66.

2.Шуруб Ю.В. Гармонический анализ токов однофазного конденсаторного двигателя с импульсным управлением// Працi Iнституту електродинамiки Нацiональної академiї наук України. Електроенергетика: Зб.наук.пр. - Київ: IЕД НАН України, 1999. -С. 126-132.

3.Шуруб Ю.В. Математическая модель асинхронного конденсаторного двигателя с тиристорным управлением// Технiчна электродинамiка. -1999. -N4. -С.52-56.

4.Шуруб Ю.В., Шуруб В.А. Оптимизация параметров регулируемого по напряжению однофазного конденсаторного двигателя// Техн. електродинамiка. - Тематичний випуск: Проблеми сучасної електротехнiки. - Частина 9. -Київ,2000. -С.31-34.

5.Шуруб Ю.В. Улучшение энергетических характеристик трехфазно-однофазного электропривода ТПН-АД// Працi Iнституту електродинамiки Нацiональної академiї наук України. Енергоефективнiсть: Зб.наук.пр. - Київ: IЕД НАН України, 2000. -С.184-189.

6.Шуруб В.А., Шуруб Ю.В. Моделирование нагрузки и оптимизация параметров трехфазно-однофазных асинхронных электроприводов// Матерiали мiжнародної науково-практичної конференцiї "Ефективнiсть систем електроенергетики - ЕСЕ 96". Частина 2. -Київ, 1996. -С.42-43.

7.Шуруб Ю.В. Оптимизация энергетических характеристик однофазного конденсаторного двигателя с тиристорным управлением// Тези доповiдей. 3-я Мiжнародна науково-технiчна конференцiя "Математичне моделювання в електротехнiцi, електронiцi та електроенергетицi". -Львiв, 1999. -С.308-309.

АНОТАЦIЇ

Шуруб Ю.В. Асинхронний трифазно-однофазний електропривод з тиристорним керуванням. - Рукопис.

Дисертацiя на здобуття наукового ступеня кандидата технiчних наук за спецiальнiстю 05.09.03 - електротехнiчнi комплекси та системи. - Iнститут електродинамiки НАН України, м.Київ, 2001.

Дисертацiю присвячено розробцi математичних моделей, аналiзу та синтезу структур регульованого електроприводу по системi "однофазний тиристорний перетворювач напруги - асинхронний двигун з трифазними обмотками статора малої потужностi та фазозсуваючим конденсатором". Специфiка такої системи полягає в рiзноманiтностi простих схемо-технiчних рiшень i в складностi електромагнiтних та електромеханiчних процесiв, обумовлених якiстю напруг та струмiв в елементах ЕП. Розроблена узагальнена математична модель, що враховує ЕРС обертання, несиметрiю та несинусоїдальнiсть струмiв та напруг, дозволяє проводити порiвняльний аналiз рiзних схем силової частини ЕП. На її основi дослiдженi механiчнi, енергетичнi та регулювальнi характеристики системи, також динамiчнi характеристики, обумовлено вибiр рацiональних схемо-технiчних рiшень та проведено оптимiзацiю параметрiв силових елементiв ЕП. Функцiональнi можливостi цiєї системи реалiзуються за двома основними напрямками: регулювання швидкостi обертання в обмеженому дiапазонi та мiнiмiзацiя втрат потужностi при змiнному навантаженнi. Основнi результати дослiджень використанi при проектуваннi ЕП механiзмiв з вентиляторним та змiнним моментами опору.

Ключовi слова: трифазний асинхронний двигун, однофазний тиристорний перетворювач напруги, фазозсуваючий конденсатор.

Shurub Y.V. Induction 3-1 phase electric drive with thyrystor control. - Manuscript.

The thesis for candidate of sciences in speciality 05.09.03 - electrotechnical complexes and systems. - The Institute of Electrodynamics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2001.

The thesis is devoted to creation of mathematical models, to analysis and synthesis of structure of controlled electric drive "1-phase thyrystor voltage convertor - 3-phase induction motor with symmetried capacitor". Peculiarity of such a system is variety of simple scheme and technical decisions and complication of electrical and mechanical processes due to voltages and currents quality in drive elements. Generalized mathematical model, that takes into account rotation EMF, currents and voltages unsymmetry and distortion, allows to analyse the different schemes of drive power part comparatively. On its basis mechanical, power, regulation and dynamical characteristics are investigated, power elements parameters and scheme decisions are optimizied. This system function possibilities are realised in two ways: speed regulation in limited range and minimization of loss if load is changing. The results of investigation have been used in designing of electric drives of devices with fan and alternate loads.

Key words: 3-phase induction motor, 1-phase thyrystor voltage convertor, symmetried capacitor.

Шуруб Ю.В. Асинхронный трехфазно-однофазный электропривод с тиристорным управлением. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы. - Институт электродинамики НАН Украины, г.Киев, 2001.

Диссертация посвящена разработке математических моделей и методов повышения технико-экономических показателей регулируемых ЭП малой мощности на базе трехфазных АД с короткозамкнутым ротором и однофазных тиристорных преобразователей напряжения путем синтеза схем включения и оптимизации параметров силовых элементов ЭП. Специфика такой системы заключается в многовариантности простых схемотехнических решений и сложности электромагнитных и электромеханических процессов, обусловленных качеством напряжений и токов в элементах ЭП.

Построена математическая модель трехфазно-однофазного асинхронного ЭП, позволяющая проводить сравнительный анализ вариантов схем включения силовой части системы с учетом несимметрии и несинусоидальности токов и напряжений, влияния противоЭДС вращения, свободных составляющих переходных токов, обусловленных наличием незатухших полей статора и ротора, а также дискретности преобразователя и переменной структуры силовой цепи.

На основании разработанной модели определено влияние схемы включения и параметров силовых элементов ЭП на механические и энергетические характеристики, выявлены рациональные области применения вариантов схем системы ОТПН-АКД.

Функциональные возможности этой системы реализуются по двум основным направлениям: регулирование скорости вращения в ограниченном диапазоне и минимизация потерь мощности при изменении нагрузки ЭП.

Показано, что при работе на скоростях, близких к номинальной, и при пониженных скоростях в механизмах с вентиляторной характеристикой нагрузки лучшими энергетическими и регулировочными характеристиками обладает схема соединения обмоток статора "звезда" с тиристорным преобразователем в линейном проводе. При работе в нижнем диапазоне скоростей механизмов с постоянной составляющей момента нагрузки () целесообразно использовать последовательно-параллельную схему соединения обмоток статора с включением тиристорного преобразователя в рассечку главной фазы, которая имеет лучший гармонический состав, и, как следствие, больший КПД.

Наиболее эффективным решением задачи оптимизации энергетики систем ОТПН-АКД при изменяющейся нагрузке является одновременное регулирование емкости фазосдвигающего конденсатора и напряжения питания двигателя. В ЭП мобильных малогабаритных установок целесообразно плавное регулирование напряжения и дискретное регулирование емкости конденсаторной батареи. Предложена схема ступенчатого изменения емкости тиристорным коммутатором, в которой в качестве токоограничивающего элемента используется часть обмотки статора, что позволяет улучшить эксплуатационные свойства системы.

Определены аналитические выражения для расчета оптимального скольжения по критерию минимума потерь в АКД, работающем при неполной нагрузке. В механизмах с продолжительным режимом холостого хода или недогрузки целесообразно использовать схему "звезда с нулевым проводом", которая лишена недостатка схемы "звезда" - повышенных потерь холостого хода.

Определены особенности динамических характеристик системы ОТПН-АКД, обусловленные наличием нелинейного звена внутренней положительной обратной связи по углу проводимости тиристоров. Предложен метод исключения автоколебаний момента и скорости путем параметрического синтеза силовой электрической и механической частей ЭП, определена граница устойчивой работы в плоскости параметров привода.

Разработаны комбинированные схемотехнические решения систем