Запорізький національний технічний університет

Лучко Андрій Романович

УДК 621.313.33:62-83

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ЕЛЕКТРОПРИВОДА

ПОБУТОВИХ ЗАНУРЮВАЛЬНИХ ПОМП ШЛЯХОМ ВИКОРИСТАННЯ

ВЕНТИЛЬНИХ ІНДУКТОРНИХ ДВИГУНІВ

05.09.03-Електротехнічні комплекси та системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Запоріжжя – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Запорізькому національному технічному університеті

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Метельський Володимир Петрович,

декан електротехнічного факультету,

професор кафедри електричних машин

Запорізького національного технічного університету,

м. Запоріжжя.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Ткачук Василь Іванович,

завідувач кафедри „Електричні машини та апарати”

Національного університету „Львівська політехніка”,

м. Львів;

кандидат технічних наук

Галько Сергій Віталійович,

декан факультету заочного навчання

Таврійської державної агротехнічної академії,

м. Мелітополь.

Провідна установа: Одеський національний політехнічний університет, інститут електромеханіки і енергоменеджменту, кафедра електромеханічних систем з комп’ютерним управлінням, м. Одеса

Захист відбудеться 10 червня 2005г. о “___” годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К17.052.02 в Запорізькому національному технічному університеті за адресою: 69063, Запоріжжя, вул. Жуковського 64, тел. 64-25-06.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Запорізького національного технічного університету: 69063, Запоріжжя, вул. Жуковського 64, тел. 64-25-06.

Автореферат розісланий “___” __________2005г.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.І. Бондаренко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. Побутові занурювальні помпи – це механізми, які короткочасно або постійно знаходяться в рідині що перекачується. У наш час вони є виробами серійного або масового виробництва і використовуються в галузі водопостачання. Враховуючи, що в багатьох регіонах світу в останні роки гостро відчувається дефіцит прісної води для побутових потреб, і, маючи на увазі, що на глибинах до 30 м. чистої води стає все менше, для господарського водопостачання необхідні побутові електропомпи, які можуть підняти воду зі свердловини глибиною 50 м. і більше.

У наш час в Україні для привода побутових занурювальних помп використовуються однофазні асинхронні двигуни (АД). За кордоном для приводів побутових занурювальних помп набули розповсюдження регульовані синхронні двигуни (СД) з постійними магнітами (ПМ) та регульовані АД. Для глибоких свердловин використовуються труби діаметром 3-4 дюйми, тому радіальний розмір ротора двигуна невеликий, при цьому для отримання необхідного момента на валу для забезпечення заданої продуктивності необхідно збільшувати осьовий розмір двигуна, що ускладнює вирішення задачі відведення тепла, яке виділяється в обмотці ротора АД. Сьогодні ця задача вирішується шляхом зниження лінійного струмового навантаження, що призводить до ще більшого зростання осьового розміру двигуна і відповідно до збільшення вартості та маси занурювальної частини. Для СД використовуються ПМ, які також мають обмеження за температурою і значну вартість.

Значний вклад у дослідження приводів з вентильно-індукторними двигунами (ВІД) для занурювальних помп внесли наукові колективи ЦНТУ “Електромеханіка” і кафедра ЕМ Новосибірського електротехнічного інституту, доктора наук Андрієнко П.Д., Жулов’ян В.В.

Актуальність теми. Виходом з ситуації, яка склалась, є використання у електроприводі помпи ВІД, який вигідно відрізняється від традиційних двигунів технічними характеристиками і простотою конструкції. ВІД відрізняються технологічністю виготовлення, в них відсутні дефіцитні ПМ та додаткові обмотки збудження, відсутня обмотка ротора.

У поєднанні з напівпровідниковими комутаторами ВІД використовують у швидкісних електроприводах, які мають високі регулювальні властивості, близькі до двигунів постійного струму.

Відомо, що напір відцентрової помпи пропорційний квадрату частоти, а продуктивність пропорційна частоті обертання помпових коліс. Тому для піднімання води з глибин 50-100 м з продуктивністю 60-100 л/хв. необхідні занурювальні помпи з високими частотами обертання помпових коліс.

Одержання високих частот обертання можливе тільки за допомогою перетворювачів частоти у АД і СД або високочастотного комутатора в приводі на основі ВІД відомого за кордоном як Switched reluctance drive (SRD).

Електропривод помпи з ВІД дозволяє суттєво спростити конструкцію, підвищити надійність, підвищити ККД, спростити напівпровідниковий комутатор і в цілому зменшити масу занурюваної частини та вартість в порівнянні з приводом на базі АД.

Основні дослідження електроприводів з ВІД присвячені приводам спеціального призначення з низькими частотами обертання. При цьому характеристики привода з ВІД з урахуванням конструктивних особливостей та режимів роботи у складі занурювальної помпи мало дослідженні. З урахуванням вищесказаного такі дослідження є актуальними.

Зв’язок з науковими програмами, планами. Науково-дослідна робота за темою дисертації виконувалась відповідно держбюджетних програмам Міністерства промислової політики:“Наука – 2000”, договір 3048 №9777/07-23-94 “Проведення досліджень з розробки електроприводів на нових принципах і елементній базі з використанням двигунів з електромагнітною редукцією та гібридних інтегральних модулів”; „Розробка та виробництво електротехнічної продукції загально промислового призначення” („Електротехніка-2005”) "Електронний комутатор індукторного електродвигуна занурювального насоса для свердловин 3 дюйми”.

Мета та задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є дослідження електромеханічних режимів електроприводів з вентильним індукторним двигуном та створення на основі досліджень ефективних побутових занурювальних помп.

Досягнення поставленої мети потребує вирішення таких задач дослідження:

- аналіз стану існуючих досліджень в галузі електроприводів з ВІД з метою визначення основних шляхів для підвищення ефективності приводів даного типу;

- дослідження стаціонарних і динамічних електромеханічних режимів при середніх та високих частотах обертання електроприводів з ВІД з метою визначення технічних можливостей електропривода у досліджуваному діапазоні частот обертання;

- розроблення математичної моделі електропривода з ВІД, яка б дозволила урахувати електромеханічні режими роботи ВІД на високих частотах обертання та особливості побутової занурювальної помпи;

- розроблення інженерних методик розрахунку електроприводів з ВІД;

- оптимізації електромагнітного момента в залежності від параметрів електронного комутатора та двигуна;

- експериментальна перевірка достовірності отриманих теоретичних результатів;

- створення промислового зразка побутової занурювальної помпи з електроприводом на основі вентильного індукторного двигуна.

Об’єкт дослідження. Об’єктом дослідження є електромеханічні процеси в приводі занурювальної помпи з ВІД.

Предмет дослідження. Предмет дослідження є електромашиновентильний комплекс на базі ВІД з автокомутацією і регулятором струму, який є приводом побутової занурювальної помпи.

Методи дослідження. Розв’язання в дисертаційній роботі задач виконано з використанням методів математичного аналізу, чисельних методів рішення нелінійних диференціальних рівнянь, методів аналізу лінійних та нелінійних електричних кіл. Дослідження електромеханічних процесів виконувалось методами математичного та фізичного моделювання. Аналіз розрахункових та експериментальних даних виконувався з використанням методів аналізу даних: поліномінальної регресії, кубічних сплайнів, мінімізації цільової функцій (похибки).

Наукова новизна одержаних результатів. Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

- вперше розроблена математична модель електромашиновентильного комплексу на базі ВІД з автокомутацією і обмеженням струму, яка враховує пульсації моменту та особливості роботи електроприводу у складі занурювальної помпи;

- удосконалено розрахунок електромагнітного момента привода з ВІД, шляхом використання запропонованої аналітичної функції намагнічування, апроксимованої з допомогою рядів Фур’є, що дозволило отримати більш точне значення електромагнітного момента ВІД при високих частотах обертання;

- одержала подальший розвиток теорія електроприводів з ВІД, запропоновано методи вибору параметрів джерела живлення, величини обмеження струму, кутів ввімкнення фази, параметрів статорної обмотки в залежності від конструктивних особливостей та режимів роботи помпи, які дозволили на основі нових отриманих залежностей уточнити розрахунок електромеханічних режимів електропривода насоса з вентильним індукторним двигуном та виконати їх оптимізацію.

Практичне значення одержаних результатів

- Доведено доцільність використання електропривода з ВІД у побутових занурювальних помпах.

- Визначено технічні можливості електроприводу з ВІД при середніх та високих частотах обертання.

- Розроблено інженерну методику розрахунку статичних механічних та регулювальних характеристик електроприводів з ВІД, яка враховує електромагнітні процеси що протікають в двигуні при середніх та високих частотах обертання. Сформульовані рекомендації з вибору напруги живлення, величини струмообмеження, кута ввімкнення, параметрів статорної обмотки, які були використані при проектуванні побутових занурювальних помп для діаметрів свердловин 4 дюйми. Сформульовані також рекомендації з проектування привода з ВІД занурювальної помпи при діаметрі свердловин 3 дюйми

Застосування наукових результатів. Результати роботи використані при створенні серії побутових занурювальних помп типу БПЦИ-0,63 в ВАТ НДІ “Перетворювач” м. Запоріжжя та на заводі помпового обладнання “Південгідромаш” м. Бердянськ.

Апробація роботи. Всі найбільш важливі положення та результати дисертаційної роботи були обговорені на наукових конференціях та семінарах: міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми підвищення ефективності електромеханічних перетворювачів в електроенергетичних системах”, Севастополь, 2004 р; науково-тематичному семінарі за спеціальністю 05.09.03.”Електричні комплекси і системи”, ЗНТУ, Запоріжжя, 13.10.2004 р.; науковому семінарі кафедри електромеханічних систем з комп’ютерним управлінням, ОНПУ, Інститут електромеханіки та енергоменеджменту, м. Одеса, 18.11.2004 р.; науковому семінарі відділу „Стабілізація параметрів електромагнітної енергії” ІЕД НАНУ, м. Київ, 24.11.2004 р.; семінарі НДІ „Перетворювач”, м. Запоріжжя 13.01.2005; науковому семінарі кафедри ”Електропривод та автоматизація промислових установок”, ЛНПУ „Львівська політехніка”, м. Львів, 09.02.2005.

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковані 6 наукових статей.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків з роботи, списку використаних джерел із 109 найменувань та 6 додатків на 13 сторінках. Робота містить 108 ілюстрацій. Загальний обсяг дисертації - 155 сторінок, з яких основний зміст викладено на 130 сторінках друкованого тексту.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, визначена мета та основні задачі досліджень, дається загальна характеристика роботи, а також основні положення, що виносяться на захист.

У першому розділі наведений оглядовий аналіз: схемотехнічних рішень силової частини комутатора, алгоритмів управління силовими ключами, конструкції ВІД за виконаннями, механічних характеристик привода та параметрів привода в циклі комутації. Значне місце приділено розгляду існуючих методів розрахунку, які дозволяють урахувати різноманітні чинники в залежності від задач дослідження. Розглянуті та надані рекомендації з вибору схем комутаторів, алгоритмів керування, конструкцій ВІД для використання в приводі побутової занурювальної помпи з урахуванням специфічних потреб для такого типу виробів. На основі проведеного аналізу сформульовано мету та задачі дослідження, які полягають у розробленні методів дослідження стаціонарних та динамічних електромеханічних режимів при середніх та високих частотах обертання електроприводів з ВІД та створенні на основі досліджень ефективних побутових занурювальних помп.

Другий розділ присвячений розробленню математичної моделі привода занурювальної помпи.

Існуючі математичні моделі електроприводів з ВІД не дозволяють достатньою мірою врахувати фактичну форму напруги живлення (струму) двигуна, нелінійність його кривої намагнічування та електромагнітні процеси, що протікають у двигуні при середніх та високих частотах обертання. Тому запропонована математична модель, яка враховує ці особливості привода з ВІД у досліджуваному діапазоні частот обертання.

Структурну схему привода занурювальної помпи на основі ВІД можна подати таким чином (рис.1)

Рис.1. Структурна схема привода занурювальної помпи

Привод складається з випрямлювача, електронного комутатора, вентильно-індукторного двигуна ВІД та для синхронізації роботи комутатора з положенням ротора слугує давач положення ротора ДПР. Обмеження струму в обмотці на заданому рівні виконано з допомогою широтно-імпульсної модуляції напруги, тривалість імпульсу визначається пристроєм автокомутації. З допомогою датчика сухого ходу виконаний захист від роботи без занурення у воду.

Джерело живлення привода являє собою діодний міст, який ввімкнений в мережу, для випрямлення пульсацій на виході встановлений конденсатор великої ємності. В математичній моделі таке джерело живлення подано ідеальним джерелом постійної напруги.

Рис.2. До пояснення принципу роботи електропривода: а)електронний комутатор ; б) давач положення ротора; в) симетричний парний закон комутації фаз; г) вентильно-індукторний двигун.

Комутатор (рис.2,а) виконаний на базі польових транзисторів. Моделювання роботи транзисторів виконано з припущеннями що вмикання та вимикання їх відбувається миттєво, опір ввімкнутого ключа дорівнює нулю, при вимкнутому ключі його опір дорівнює безконечності. Стан транзисторних ключів визначається сигналом давача положення ротора (рис.2,б), котрий сигналізує про досягнення заданого положення зубця ротора відносно зубця статора.

При комутаторі (рис.2,а) та давачі положення ротора (рис.2,б) реалізується закон симетричної парної комутації (рис.2,в).

Статор електродвигуна (рис.2,г), виконаний з вісьма зубцями 1, на кожному зубці знаходиться зосереджена півобмотка 2, півобмотки протилежних зубців з’єднані послідовно, та ротора без обмоток з шістьма зубцями 3.

При математичному опису двигуна були прийняті наступні припущення:

­ магнітна характеристика магнітної системи подається апроксимованою функцією;

­ втрати в сталі дорівнюють нулю;

­ нехтується пульсаціями джерела живлення;

­ магнітний зв’язок між фазами відсутній (за дослідженнями в дисертації, не перевищує 3%).

Згідно з прийнятими припущеннями, кожну фазу ВІД можна розглянути окремо.

В математичну модель привода входять наступні вирази:

номер фази ВІД

, (1)

параметри моделі, та початкові умови,

, и=0, иs= иsn, U=Un, Ik=0, щ= щ0; (2)

функції потокозчеплення,

, (3)

; (4)

рівняння рівноваги напруг фаз і функції, що його складають,

, , (5)

вирази для визначення координат (ДПР),

, , , ,

(6)

, ;

визначення напруг фаз на двигуні,

, ,

, ; (7)

функції струму

, ; (8)

електромагнітний момент,

, ; (9)

середній момент,

, (10)

рівняння руху,

; (11)

де k – номер фази, U-напруга, ? - електричний кут, ?s - кут комутації, L` - диференціальна індуктивність, , Iобм - величина обмеження струму, Zr- число зубців ротора, ? кутова швидкість обертання, N- кількість мінімальних розрахункових проміжків, J- момент інерції, Mk електромагнітний момент фази, Мс – момент опору.

Функція потокозчеплення (3), запропонована автором роботи, значення коефіцієнтів , визначається з умови отримання мінімальної похибки,

, (12)

а0, а1, а2 – коефіцієнти розкладання в ряд Фур’є кривої індуктивності при ненасиченій магнітній системі, k – дійсне значення потокозчеплення при струмі Ik та куту положення ротора k, значення Ik вибираються з робочого діапазону струмів ВІД.

Функція потокозчеплення (4) запропонована проф. Ткачуком В.І., значення коефіцієнтів a, b, c, d також визначається з умови отримання мінімальної похибки,

. (13)

Функція потокозчеплення (3) використовується при розрахунках сталих режимів роботи електропривода, при розрахунках електромеханічних перехідних процесів під час пуску використовується функція потокозчеплення (4).

Для визначення статичних характеристик (характеристик при постійному опорі на валу і постійній кутовій швидкості обертання) розглянемо структурно-алгоритмічну схему розв’язання математичної моделі (рис.3,а)

Рис.3. Структурно - алгоритмічна схема розв’язання математичної моделі для визначення статичних (а) та динамічних (б) характеристик привода.

Блок “1” відповідає формулі (2), у ньому задаються параметри моделі та початкові умови розрахунків: кут ввімкнення та вимкнення джерела живлення, кутова швидкість обертання, тривалість елементарного розрахункового проміжку що визначає швидкість та точність розрахунків, тобто всіх необхідних параметрів для дослідження конкретного режиму роботи привода на основі ВІД. Для отримання, наприклад, залежності середнього момента від частоти обертання необхідно виконати розрахунки при відмінних частотах обертання, тому необхідно сформувати відповідний масив даних.

У блоці “2” за формулами (6) визначається кут положення ротора в залежності від номера розрахункового проміжку (i) та видається значення положення ротора для розрахункових блоків “3”, “4”, “5”.

У блоці “3” за формулами (7) визначається стан ключів комутатора. При досягненні ротором кута ввімкнення або вимкнення, він надає інформацію про величину та характер напруги в блок “6”.

Блок “4” визначає значення функцій, що входять у рівняння рівноваги напруг фази (5).

У блоці “6” розраховується величина струму фази на наступному кроці інтегрування математичної моделі методом Ейлера згідно з диференційним рівнянням (5) .

У блоці “5” визначається момент на валу при даному куту положення ротора та даній величині струму фази згідно з формулами (9).

У блоці “7” розраховується середній момент (10)

У блоці “8” формується вихідний масив даних для подальших розрахунків.

Інженерна методика розрахунку статичних та регулювальних характеристик міститься у наступному: для одержання сімей характеристик, наприклад, при відмінних напругах живлення, з допомогою математичної моделі отримуємо величини середніх моментів при заданих частотах обертання для відмінних напруг живлення, отримані масиви даних моментів, напруг живлення, частот обертання обробляємо з допомогою математичного методу інтерполяції кубічними сплайнами. Таким же шляхом отримуємо наступні сім’ї характеристик: механічні характеристики при відмінних напругах живлення залежності моментів при даній частоті обертання від напруги живлення, та залежності частоти обертання при постійних моментах від напруги живлення. Аналогічним шляхом отримуємо сім’ї характеристик при відмінних кутах ввімкнення фази, при відмінних обмеженнях струму, при відмінних параметрах статорної обмотки та інші.

Для отримання функцій потокозчеплення, індуктивності, побудування вебер-амперних характеристик та інших залежностей підставляємо одержані з допомогою математичної моделі масиви даних в необхідні формули.

Для дослідження динамічних характеристик привода, тобто характеристик пуску або характеристик при змінному моменті опору на валу, необхідно розглянуту модель доповнити модулем розрахунку динаміки (рис.3,б), у який входить рівняння руху (11).

Блок “10” визначає залежність момента опору на валу від частоти обертання.

Блок “9” підсумовує електромагнітний момент та момент опору .

У блоці “11” відбувається визначення прирощення швидкості обертання за час елементарного розрахункового проміжку.

У блоці “12” відбувається інтегрування кутової швидкості обертання, далі у блоці “2” визначається положення ротора в наступний розрахунковий момент з урахуванням зміни швидкості.

Рис.4. Залежність індуктивності фази ВІД при струмі у фазі I=7 A.

При адаптації формули моментів для симетричного парного закону комутації необхідно врахувати, що для насичення ділянок магнітної системи, котрі проводять основний магнітний потік достатньо дії напруженості поля створюваного однією обмоткою, і при ввімкненні другої фази не відбувається збільшення енергії робочого поля, фактично енергія перерозподіляється між двома фазами. В математичній моделі це перерозподілення враховано поділом момента на два.

У розділі також розглянуто: взаємний вплив одночасно ввімкнених фаз при законі симетричної парної комутації, визначено, що взаємний вплив не перевищує 3%; метод визначення аналітичного виразу (3) для кривої намагнічування ВІД з допомогою розкладання Фур’є, який дозволяє описати функціонально реальну криву намагнічування з похибкою, що не перевищує 5%; зроблені порівняння розрахунків статичного момента та індуктивності фази в залежності від кута положення ротора, розрахованих на основі існуючої аналітичної функції потоко-зчеплення (4), та запропонованої (3). Існуюча функція досить точно описує подані залежності для тихохідних електроприводів, у яких фаза вмикається в момент початку перекриття зубців ротора та статора й вимикається при співпаданні зубців. Для швидкісних машин вмикання фази характерно в момент, близький до співпадання осі зубця ротора з віссю паза статора, і до початку перекриття ротор повинен пройти певний шлях, відповідно індуктивність та момент на цьому відрізку змінюється значно повільніше ніж після перекриття зубців. Графічне порівняння функцій індуктивності наведені на рис.4.

Форма кривої індуктивності на (рис.4 крива 2), одержана з використанням аналітичного виразу (3), більш точно відповідає формі кривих, відомих у літературі, які отримані експериментальним шляхом або прямим розрахунком поля методом конечних елементів, ніж криві, отримані з допомогою аналітичного виразу (4) (рис.4, крива 1)

У третьому розділі досліджена ефективність перетворення енергій в ВІД, визначено, що ефективність системи або ККД циклу коливається у межах від 50% для ненасичених магнітних систем та коло 80% в залежності від магнітної характеристики електротехнічної сталі та величини повітряного зазору. Рекомендовано використати сталь з найбільш крутою кривою намагнічування, величину повітряного зазору робити мінімальною.

Досліджені статичні характеристики електропривода занурювальної помпи, побудована механічна характеристика ВІД в робочому діапазоні роботи помпи, була побудована розрахункова механічна характеристика у всьому діапазоні роботи привода, проведено порівняння з експериментальними даними.. Також були розроблені теоретичні положення з вибору основних параметрів при проектуванні привода. Отримані форми струмів фази двигуна та миттєві значення електромагнітного момента для різних режимів роботи привода. Досліджені наступні залежності:

­ залежність характеристик привода від прикладеної напруги (рис.8);

­ залежність характеристик привода від величини струму обмеження (рис.9);

­ залежність момента від кута ввімкнення фази (рис.10);

­ характеристики привода при послідовному та паралельному з’єднанні півобмоток (рис.11);

­ залежність характеристик привода від опору в електричному колі півобмоток;

­ залежність момента від параметрів статорної обмотки.

Побудовані залежності дозволяють провести вибір базових параметрів привода, в залежності від заданих споживчих властивостей занурювальної помпи.

Порівняння механічної характеристики, одержаної з допомогою математичної моделі з експериментальними даними, вказує на достатньо високий збіг розрахованих даних з даними експерименту на інтервалі швидкостей обертання, на якому були проведені експерименти (рис.5,а). Відповідно можна прийняти рішення про правдивість механічної характеристики розрахованої з допомогою математичної моделі у всьому діапазоні роботи привода, характер котрої, співпадає з описаним в літературі (рис.5,б).

Рис.5. Статичні механічні характеристики привода:

а) в експериментальному діапазоні , б) у всьому діапазоні роботи привода насоса

Також виконано порівняння механічних характеристик у експериментальному діапазоні частот обертання, отриманих на основі відомого виразу для потокозчеплення (4), і на основі запропонованого аналітичного виразу (3). Порівняно з експериментальними точками механічна характеристика (рис.5. крива 2) має похибку у діапазоні 3.7-26.2%, величина похибки зростає зі збільшенням частоти обертання. При виконанні розрахунків з допомогою запропонованої автором роботи аналітичної функції потокозчеплення діапазон похибок зменшився до 0.7-4.5%.

Форми струмів, зняті з допомогою цифрового осцилографа, також близькі до отриманих на математичній моделі (рис.6), відповідно, можна прийняти рішення про адекватність електромагнітних процесів, розрахованих з допомогою математичної моделі та реальних фізичних процесів, що відбуваються в приводі на основі ВІД. Відповідно одержані математичні вирази придатні для моделювання та аналізу різних режимів роботи привода та проектування.

Рис.6. Форма струмів фази ВІД: а) одержана з допомогою цифрового осцилографа на діючій занурювальній помпі; б) одержана з допомогою математичної моделі для такого ж режиму, що й знята осцилограма.

Рис.7. Форми струмів фази при частотах обертання: n1=3000, n2=3500, n3=4000, n4=4500, n5=5000

На рис.7 подано форми струмів при різних частотах обертання, з яких видно, що при збільшенні частоти форма струму з трапеції перетворюється на трикутну, відповідно зменшується електро-магнітний момент на валу

На основі розробленої інженерної методики розрахунку статичних та регулювальних характеристик електропривода з ВІД, отримані статичні та регулювальні характеристики електропривода для побутової помпи БПЦИ-0,63 (рис.8,9,10).

Рис.8. Залежність середнього момента від напруги при частотах обертання n1=3000, n2=3500, n3=4000, n4=4500, n5=5000, U=300 В

За функціональними залежностями, що описують механічні характеристики при різних напругах живлення, струмобмеженнях, кутах вмикання та інших виразів, отриманих в дисертаційній роботі, з урахуванням характеристик помпових коліс, надані рекомендації які ураховані при проектуванні привода побутової занурювальної помпи для свердловин діаметром 4 дюйми. Також отримані функціональні залежності можуть бути використані при створенні системи керування приводом з ВІД.

Рис.9. Залежність середнього момента від величини струмообмеження при різних частотах обертання, n1=3000, n2=3500, n3=4000, n4=4500, n5=5000, U=300 |

Рис.10. Статичні механічні характер-ристики привода ВІД при кутах комутації фаз ?1к=0.08, и2к=0.16, и3к=0.24, и4к=0.32, и5к=0.4, и6к=0.48, и7к=0.56, ел рад.

Відмінність роботи привода з ВІД при паралельному з’єднанні півобмоток фаз від послідовного з’єднання (рис.11,а) полягає у такому: струм у обмотці досягає обмеження значно швидше та спадає до нуля також швидше, відповідно миттєвий рушійний момент більший, а гальмівний менший (рис.11,в). Статичні механічні характеристики привода при паралельному та послідовному з’єднанні півобмоток подані на рис.11.г, з аналізу яких видно що паралельне з’єднання півобмоток фаз двигуна дозволяє значно збільшити момент при середніх та високих частотах обертання, але при цьому зросте у два рази струм, що проходить через комутатор.

Рис.11. До дослідження характеристик привода при послідовному та паралельному з’єднанні півобмоток: а)схеми з’єднання півобмоток, б) струми у фазі, в) миттєві моменти створені дією фази, г) механічні характеристики при послідовному та паралельному з’єднанні півобмоток фази.

У четвертому розділі досліджувались процеси пуску. Розраховані: пусковий режим роботи електропривода з урахуванням імпульсного живлення обмотки, пусковий режим роботи електропривода з використанням статичної механічної характеристики без урахування імпульсного характеру живлення обмотки. Досліджені залежності пускових характеристик привода від момента інерції та статичного момента на валу.

Рух електропривода визначається дією двох моментів: електромагнітного момента двигуна, та момента опору зумовленого механізмом, що приводиться в рух (у цьому випадку помпою)

, (14)

де Ме, електромагнітний момент, Мо- статичний момент помпи який визначається висотою водяного стовпа над помпою, А - коефіцієнт демпфірування який визначається з геометрії коліс, степенем оброблення лопаток і є константою для даної помпи, J,? – момент інерції та кутова частота обертання двигуна.

Момент опору це момент, що створюється силами реакції середовища на тіло що рухається. Відцентрові та аксіальні помпи, вентилятори, турбокомпресори і таке інше мають квадратичну характеристику (рис.12, криві 2,3)

Точки перетинання механічної характеристики привода з механічними характеристиками помпи (рис.12) визначають сталий режим роботи привода і визначають режим роботи помпи.

В результаті аналізу процесів у приводі на початковому етапі пуску, розрахованих на математичній моделі, з урахуванням імпульсного характеру живлення фаз двигуна, зроблені наступні висновки: момент на валу двигуна носить різко змінний у часі характер; максимальна величина сумарного момента складає 2,5 Н·м, пульсації сумарного момента складають 1 Н·м;

Рис.12. Механічні характеристики: 1-привода, 2- помпи з статичним моментом, 3-помпи без статичного момента.

Сталий режим настає через 0,2 с. при частоті обертання 3780 об/хв., середній електромагнітний момент на валу двигуна дорівнює 0,85 Н·м, при цьому розмах миттєвого момента складає 0,3 Н·м з частотою в чотири рази більшою від частоти роботи ключів комутатора, тобто при частоті обертання в 3780 об/хв. частота зміни миттєвого момента складає 1512 Гц. Через дію змінного електромагнітного момента виникають незначні коливання частоти обертання в 2 об/хв.

Тривалість електромагнітного перехідного процесу визначається тривалістю відкритого стану транзистора та величиною струмообмеження, цей час значно менший від тривалості розгону, практично можна вважати, що розгін відбувається без електромагнітних перехідних процесів, відповідно середній момент за період роботи ключа практично не залежить від режиму роботи електроприводу (пуск, сталий режим), тому автором пускові процеси досліджені без урахування імпульсного характеру живлення фаз двигуна та інерції електромагнітних процесів у двигуні. Розрахунок проведений за механічними характеристикам приводу та помпи з допомогою виразу (14) методом Ейлера.

При статичних мометах М1с=0 Н·м; М2с=0.3 Н·м; М3с=0.5 Н·м; М4с=0.7 Н·м, частота обертання складає відповідно 3780, 3450, 3225, 3000 об/хв., час входження у сталий режим складає відповідно t1с=0.197 c., t2с=0.207 c., t3с=0.214 c., t4с=0.224 c., кутове прискорення лінійно зменшується відповідно 3800 рад/с2; е2с=3250 рад/с2., е3с=2800 рад/с2., е4с=2500 рад/с2.

Одержані дані використані при: проектуванні напівпровідникового комутатора, визначенні закону керування транзисторними ключами, розрахунках механічної міцності конструктивних елементів помпи та розрахунках гідравлічних процесів, що виникають у системі водопостачання при пуску помпи.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена науково-технічна задача створення високоефективного привода занурювальної помпи і отримала подальший розвиток теорія електромашиновентильних комплексів з вентильними індукторними двигунами, у напрямку розширення галузі їх використання. Одержано нові практичні та теоретичні результати які є істотними для побудови електроприводів на базі ВІД:

1) виконано аналіз стану існуючих досліджень в галузі електроприводів з ВІД, визначені основні шляхи з підвищення ефективності приводів даного типу, обґрунтовано вибір виконання ВІД зі співвідношенням зубців статора до зубців ротора 8/6 та схеми електронного комутатора на 4-х транзисторах з метою забезпечення високих частот обертання та споживчих властивостей виробу;

2) досліджені при середніх та високих частотах обертання електропривода з ВІД стаціонарні та динамічні електромеханічні режими (статичні механічні характеристики, регулювальні характеристики для електромагнітного момента та швидкості електропривода, пульсації частоти обертання та момента), що дозволило визначити технічні можливості електропривода з ВІД в досліджуваному діапазоні частот обертання;

3) розроблена математична модель електропривода з ВІД, яка дозволяє достатньою мірою для інженерних задач урахувати фактичну форму напруги (струму) живлення двигуна, нелінійність його кривої намагнічування та електромагнітні процеси, що протікають у вентильному індукторному двигуні та електронному комутаторі;

4) удосконалено розрахунок електромагнітного момента привода з ВІД шляхом використання запропонованої аналітичної функції намагнічування, апроксимованої з допомогою рядів Фур’є, що дозволило отримати більш точне значення момента ВІД при високих частотах обертання.

5) розроблена інженерна методика розрахунку статичних механічних та регулювальних характеристик електроприводів з ВІД, які враховують електромагнітні процеси, що протікають у двигуні при середніх та високих частотах обертання, що дозволило спростити практичні розрахунки електроприводів з ВІД;

6) здійснена оптимізація електромагнітного момента вентильного індукторного двигуна в залежності від напруги живлення, струмообмеження, кута ввімкнення фазної обмотки й параметрів обмотки, що дозволило покращити техніко-економічні показники електропривода занурювальної помпи;

7) підтверджена достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджена збігом результатів теоретичних досліджень з експериментальними даними, отриманими на дослідному зразку електропривода побутової занурювальної помпи БЦПИ-0,63 з ВІД – з відхиленням між собою не більше (5-7%);

8) Результати роботи використані при створенні серії побутових занурювальних насосів типу БЦПИ-0,63 (рис.13) в ВАТ НДІ „Перетворювач” м. Запоріжжя та на заводі насосного обладнання „Південгідромаш” м. Бердянськ, а також рекомендуються для використання при проектуванні та експлуатації приводів з ВІД для побутових занурювальних помп інших типорозмірів.

Рис.13. Фото побутової помпи БПЦИ-0,63 з електроприводом на базі ВІД, ротора двигуна ВІД та масштабної лінійки 30 см.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Андриенко П.Д., Землянский В.В., Лучко А.Р., Молчанов А.М Привод погружного насоса на основе вентильно-индуктороного двигателя (ВИД) // Электротехника и электроэнергетика.- Запорожье,-2000.- №2.-С. 53-55.

2. Андриенко П.Д., Переверзев А.В., Землянский В.В., Ивашуткин ,К.Н., Лучко А.Р. Импульсный преобразователь вентильно-индукторного двигателя центробежного высоконапорного насоса / Электротехника и электроэнергетика.- Запорожье,-2001.- №1.-С. 59-61.

3. Андриенко П.Д., Лучко А.Р., Молчанов А.М. Методика определения аналитического выражения для индуктивности и потокосцепления фазы вентильно-индукторного двигателя (ВИД) // Электротехника и электроэнергетика.- Запорожье,-2003.- №2.-С. 53-55.

4. Андриенко П.Д. Лучко А.Р. Метельский В.П. Молчанов А.М. Исследование моментных характеристик привода погружного насоса на основе вентильно индукторного двигателя (ВИД) // Электротехника и электроэнергетика.- Запорожье,-2004.- №1.-С. 53-55.

5. Метельский В.П., Андриенко П.Д., Лучко А.Р. Математическое моделирование привода на основе вентильно-индукторного двигателя (ВИД)/ Праці інституту електродинаміки НАН України, - Київ, - 2004. - №3 (9), -С.86-89.

6. Андриенко П.Д, Метельский В.П, Лучко А.Р Исследование процессов пуска привода на основе вентильно-индукторного двигателя в системе погружного насоса.//Електромашинобудування та електрообладнання: Респ. між від. наук.-техн. зб. -2004. - №64, -С.56-59.

АНОТАЦІЇ

Лучко А.Р. Підвищення ефективності електропривода побутових занурювальних помп шляхом використання вентильних індукторних двигунів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 – „Електротехнічні комплекси та системи”. – Запорізький національний технічний університет, Запоріжжя, 2004.

Дисертація присвячена підвищенню ефективності електропривода побутових занурювальних помп шляхом використання вентильних індукторних двигунів (ВІД), дослідженню технічних характеристик електропривода помпи з ВІД в діапазоні середніх та високих частот обертання та на основі досліджень створенню побутових занурювальних помп з високими споживчими властивостями.

В роботі досліджені при середніх та високих частотах обертання електропривода з ВІД стаціонарні та динамічні електромеханічні режими (статичні механічні характеристики, регулювальні характеристики для електромагнітного момента та швидкості електропривода, пульсації частоти обертання та момента), визначені технічні можливості електропривода з ВІД в досліджуваному діапазоні частот обертання.

Розроблена математична модель електропривода з ВІД, яка дозволяє достатньою мірою для інженерних задач урахувати фактичну форму напруги (струму) живлення двигуна, нелінійність його кривої намагнічування та електромагнітні процеси, що протікають у вентильному індукторному двигуні та електронному комутаторі.

Удосконалено розрахунок електромагнітного момента привода з ВІД шляхом використання запропонованої аналітичної функції намагнічування, апроксимованої з допомогою рядів Фур’є, що дозволило отримати більш точне значення момента ВІД при високих частотах обертання

Ключові слова: вентильний індукторний двигун, електропривод, автокомутація, регулятор струму, комутатор, давач положення ротора, модель, дослідження.

Лучко А.Р. Повышение эффективности электропривода бытовых погружных насосов путем использования вентильных индукторных двигателей. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 – электротехнические комплексы и системы. – Запорожский национальный технический университет, Запорожье 2004.

Диссертация посвящена повышению эффективности электропривода бытовых погружных насосов путем использования вентильных индукторных двигателей (ВИД), исследованию технических характеристик электропривода насоса с ВИД в диапазоне средних и высоких частот вращения, и на основе исследований создание бытовых погружных насосов с высокими потребительскими свойствами.

В роботе исследованы при средних и высоких частотах вращения электропривода с ВИД стационарные и динамические электромеханические режимы (статические механические характеристики, регулировочные характеристики для электромагнитного момента и частоты вращения электропривода, пульсации частоты вращения и момента), определены технические возможности электропривода с ВИД в исследованном диапазоне частот вращения.

Разработана математическая модель электропривода с ВИД, которая позволяет в достаточной мере для инженерных задач учесть фактическую форму напряжения (тока) питания двигателя, нелинейность его кривой намагничивания и электромагнитные процессы, которые протекают в вентильном индукторном двигателе и электронном коммутаторе.

Усовершенствовано расчет электромагнитного момента привода с ВИД путем использования предложенной аналитической функции намагничивания, аппроксимированной с помощью рядов Фурье, что позволило получить более точное значение момента ВИД при высоких частотах вращения.

Разработана инженерная методика расчета статических механических и регулировочных характеристик электроприводов с ВИД, которая учитывает электромагнитные процессы, которые протекают в двигателе при средних и высоких частотах вращения.

Сформулированы рекомендации по выбору напряжения питания, величины токоограничения, угла включения, параметров статорной обмотки, которые были использованы при проектировании бытовых погружных насосов для диаметров скважин 4 дюйма. Также сформулированы рекомендации по проектированию привода с ВИД погружного насоса при диаметре скважин 3 дюйма.

Осуществлена оптимизация электромагнитного момента вентильного индукторного двигателя в зависимости от напряжения питания, ограничения тока, угла включения фазной обмотки и параметров обмотки.

Обоснованность и достоверность приведенных в работе положений и рекомендаций подтверждена совпадением результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными на опытном образце электропривода бытового погружного насоса БЦПИ-0,63 с ВИД.

Результаты работы использованы при создании серии бытовых погружных насосов типа БЦПИ-0,63 в ОАО НИИ „Преобразователь” г. Запорожье и на заводе насосного оборудования „Южгидромаш” г. Бердянск.

Ключевые слова: вентильный индукторный двигатель, автокоммутация, регулятор тока, коммутатор, датчик положения ротора, модель, исследование.

Luchko A.R. Efficiency increasing of the electric drive of household immersed pumps using switched reluctance engines. - Manuscript.

Thesis for a candidate degree of technical science of speciality 05.09.03 - electro technical complexes and systems. – Zaporozhian National Technical University, Zaporozhye 2005.

The dissertation is devoted to the following problems: efficiency increasing of electrical drive household of immersed pumps with the help of switched reluctance engines (SRE); researches of characteristics of electric drive of the pump with SRE within a range of average and high rotating velocities; creation of the household immersed pumps with high consumer properties on the basis of the researches.

In this work stationary and dynamic electromechanical modes (static mechanical characteristics, adjusting characteristics for the electromagnetic moment and rotating velocity of the electric drive, the pulsation of the rotating velocity and the moment) are investigated at average and high rotating velocity of the electric drive with SRE. Also technical opportunities of the electric drive with SRE within the investigated range of the rotating velocity are determined.

The mathematical model of the electric drive with SRE that allows to take into account adequately for engineering problems the actual form of the voltage (current) for the engine power supply, nonlinearity of its curve of magnetization and electromagnetic processes that take place in the switched reluctance engine and the electronic switchboard.

There is improving of calculation of the electromagnetic moment of a drive with SRE using the offered analytical function of the magnetization approximated with the help of Fourier raws that allowed to receive more exact value of the moment SRE at high rotating velocity.

Key words: switched reluctance engine, autoswitching, a regulator of a current, the switchboard, the gauge of position of a rotor, model, and research.