Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИИ МАШИНЫ ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ НА ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА КОЛЕБАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ

Актуальность темы. Безредукторный электропривод колебательного движения (ЭКД) переменного тока, в состав которого входит машина двойного питания (МДП), всё чаще и чаще применяется в современной промышленности.
К областям использования электропривода колебательного движения с машиной двойного питания относятся: вибровозбудители для транспортировки, сортировки и перемешивания готового сырья при производстве пластмасс; валогенераторные и гребные установки автономных судов; электроприводы с глубоким регулированием скорости, высокой перегрузочной способностью и обеспечением тяжелого пуска из стопорного режима, а так же колонковые электромеханические буровые снаряды с возвратно-вращательным движением коронки на базе погружного маслонаполненного асинхронного двигателя [1, 19, 25, 26, 72].
Вопросами разработки данного типа электрических машин занимаются ведущие организации и научные коллективы: НИИэлектроприводов, МЭИ, ВНИИЭ, НИИ ГП "ХЭМЗ", ИТЦ «ЛаборКомплексСервис», и за рубежом фирмы «Siemens AG», «AEG», «Brown Boveri», «Mizubisi», «Toshiba», а компанией «Matsushita Electric Industrial Co» уже начат серийный выпуск бесконтактных асинхронизированных двигателей.
Общим вопросам теории машины двойного питания (МДП) посвящен ряд публикаций, как отечественных [4, 18, 25, 33, 53, 54], так и зарубежных авторов [58, 64, 67, 70, 71]. Огромный научный вклад в развитие этого направления, в плане создания современной теории МДП и основ их практического использования внесены Касьяновым В. Т., Загорским А. Е., Abdessemed, R. , R., Huang S., J. Shun, Xie G., Scian Ilario, Dorrell David G., Holik Piotr J. и многими другими российскими и зарубежными учеными [24, 30, 82, 85, 87]. Следует отметить работы Г. Б. Онищенко и И.Л. Локтевой, которые разработали методику расчета и проектирования МДП, при работе ее в режиме однонаправленного движения [40], а также работы В. И. Луковникова, А. В. Аристова, Е. А. Шутова, С. А. Ткалича по исследованию колебательных режимов работы электродвигателей переменного тока [9-11, 30, 31, 58-60].
Не смотря на это, ряд теоретических и практических вопросов остаются до сих пор недостаточно изученными. Так, фактически не рассмотрены вопросы влияния геометрии машины двойного питания на статические и динамические характеристики электропривода колебательного движения при линейной фазовой модуляции, что существенно снижает его внедрение в производство.
Таким образом, теоретические исследования влияния геометрии машины двойного питания на динамические свойства безредукторного электропривода колебательного движения, а также вопросы проектирования его являются актуальной задачей и имеют практическую ценность.
Объектом исследования является безредукторный электропривод колебательного движения, выполненный на базе машины двойного питания
Предметом исследования являются динамические показатели электропривода колебательного движения при амплитудно-фазовой модуляции питающих напряжений или токов.
Цель работы состоит в исследовании влияния геометрических размеров электрической машины двойного питания на динамические показатели электропривода колебательного движения и разработка на ее основе научно-обоснованных рекомендаций по их проектированию, настройке и промышленному применению.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Рассмотреть основные особенности и тенденции развития колебательных электроприводов с машиной двойного питания.
2. Провести анализ оценки динамических показателей
электропривода колебательного движения.
3. Установить аналитическую взаимосвязь между геометрическими размерами машины двойного питания и её динамическими характеристиками.
4. Реализовать математические модели электропривода колебательного движения для исследования его динамических показателей.
5. Разработать методику оптимизации геометрических размеров исполнительного двигателя для анализа и синтеза по заданным динамическим показателям.
6. Разработать рекомендации по проектированию и эксплуатации ЭКД с улучшенными динамическими показателями.
7. Провести экспериментальные исследования с целью проверки адекватности математического описания ЭКД.
Методы исследования. В диссертационной работе применены: положения математической теории электрических машин, численные методы решения дифференциальных уравнений, математическое моделирование и программирование в средах MathCAD-14, Matlab-2007. Проверка результатов теоретических исследований осуществлялась экспериментальными методами.
Достоверность полученных результатов. Обоснованность и достоверность научных выводов и результатов базируется на строгом использовании математического аппарата теории электрических машин, подтверждается моделированием на основе современных программных продуктов, качественным и количественным соответствием данных соответствием данных проведённых исследований.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Установлена аналитическая зависимость геометрических размеров электрического двигателя и параметров электрической машины двойного питания при фазовом способе возбуждения колебательного режима работы.
2. Определена аналитическая зависимость динамических показателей электропривода колебательного движения с геометрическими размерами электрического двигателя, включенного по схеме машины двойного питания, с учётом параметров источников питания и нагрузки.
3. Разработаны математические модели электроприводов периодического движения с учетом несимметрии параметров обмоток двигателя, вызванной разночастотным возмущением, позволяющие исследовать динамические и кинематические характеристики с учетом геометрии машины двойного питания при потенциальной и токовой фазовой модуляциях.
4. Разработана методика определения геометрических параметров электродвигателя колебательного движения, обеспечивающая минимум динамических показателей при фазовом способе возбуждения колебательного режима работы.
Практическая ценность работы:
1. Разработана программа расчета позволяющая определять статические и динамические характеристики электропривода колебательного движения, выполненного на базе асинхронного двигателя или машины двойного питания при фазовом способе возбуждения колебательного режима работы.
2. Найдено решение, защищенное патентом РФ на полезную модель «Электропривод колебательного движения», позволяющее расширить эксплуатационные возможности электропривода колебательного движения, работающего в режиме источника колебательного усилия путем улучшения качества воспроизводимых колебаний за счет устранения высокочастотных пульсаций в выходном спектре электромагнитного усилия.
3. Предложены практические рекомендации по оптимизации геометрических размеров машины двойного питания в составе электропривода колебательного движения с целью обеспечения требуемых динамических показателей.
Реализация результатов работы.
Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, а также выработанные рекомендации по проектированию электроприводов колебательного движения с машиной двойного питания переданы для внедрения на ООО «Сибирская метанольная химическая компания» г. Томск, подразделение ОАО «Газпром», а так же в учебный процесс, для подготовки студентов Энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического университета по направлению 140400 «Электроэнергетика и электротехника» по дисциплине «Имитационное моделирование электромеханических систем».
Подтверждением реализации результатов диссертационной работы является наличие актов о внедрении.
Основные защищаемые положения:
1. Методика расчёта параметров электрической машины двойного питания в зависимости от её геометрических размеров.
2. Методика расчета динамических показателей электропривода колебательного движения с учетом геометрии машины двойного питания и способа возбуждения колебательного режима работы.
3. Методика оптимизации геометрии исполнительного двигателя ЭКД по заданным динамическим показателям при работе его в режиме вынужденных колебаний.
4. Рекомендации на основе численных результатов моделирования по проектированию, разработке и применению машины двойного питания в составе ЭКД с требуемыми динамическими показателями.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы обсуждались на следующих конференциях: X Юбилейной международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Современные техника и технологии», г. Томск, 2004-2011 гг.; международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», г. Томск, 2009 г, 2011 г; всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Наука, технологии и инновации», г. Новосибирск, 2011 г.
Публикации. Результаты выполненных исследований отражены в 12 научных работах, в том числе: 4 статьях в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 патенте РФ на полезную модель.
Структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объём работы составляет 148 страницы машинописного текста, включая 60 рисунков, 9 таблиц, список использованной литературы из 102 наименований и 2 приложений на 5 страницах.
В первой главе проведён анализ области исследования, рассмотрены основные тенденции развития ЭКД, в том числе с машиной двойного питания, обоснованы перспективы применения её в безредукторном электроприводе колебательного движения, определены основные динамические показатели, характеризующие качество переходного процесса.
Приведенный обзор позволяет заключить, что перспективными с точки зрения обеспечения высоких динамических и энергетических показателей являются колебательные электроприводы переменного тока на базе АД и МДП при разночастотном питании. Такие ЭКД характеризуются простотой, хорошей управляемостью и позволяют регулировать выходные параметры колебаний в широких пределах.
Во второй главе было составлено математическое описание МДП, как обобщенного электромеханического преобразователя энергии, работающего в режиме вынужденных колебаний. Были получены аналитические зависимости, устанавливающие взаимосвязь между параметрами электрической машины и ее геометрическими размерами для фазового способа возбуждения колебательного режима работы. Полученные выражения позволили определить при заторможенном вторичном элементе двигателя значения пусковых токов обмоток и пускового колебательного электромагнитного момента. На основании их анализа было установлено, что наибольшее влияние на значения ударных токов обмоток статора и ротора МДП, а также колебательного электромагнитного момента оказывают выбор размеров внутреннего диаметра расточки статора D и сечения эффективного числа проводников фаз обмоток статора q -ф-л и ротора дэф2. Полученные результаты исследований позволяют на этапе структурного проектирования провести оптимизацию геометрии МДП по требуемым динамическим показателям.
На основании анализа свободных составляющих токов и момента были определены условия и рекомендации по обеспечению безударного пуска машины двойного питания при запуске в колебательный режим за счет выбора начальных фаз питающих напряжений.
В третьей главе на разработанной математической модели были проведены исследования работы ЭКД.
Подтверждено влияние частоты колебаний ротора на параметры МДП и динамические показатели электропривода. Составлен алгоритм, который позволяет определить оптимальные геометрические размеры исполнительного двигателя ЭКД с обеспечением заданных динамических показателей. Приведены статические характеристики ЭКД.
В четвёртой главе приведены экспериментальные исследования оптимизации геометрии МДП при заданных динамических показателях. Результаты исследований, полученных экспериментальным путём, подтверждают результаты, полученные на математической модели ЭКД и при помощи аналитических выражений.
Экспериментально подтверждена возможность использования алгоритма оптимизации геометрии ЭМ при заданных динамических показателях.

Купить

Внедрение современных высокоэффективных электроприводов колебательного движения в различные области народного хозяйства невозможно без дальнейшего развития теории и практики исследования динамических показателей электрических машин и, в частности, электрической машины двойного питания, работающей в режиме мягкого периодического реверса. В связи с этим, проведенные в диссертационной работе исследования позволяют осуществлять управление переходными процессами, что является новым шагом на пути совершенствования данного класса электроприводов.
Полагая, что результаты проведенных исследований достаточно полно сформулированы в выводах, сопровождающих каждую главу, в заключении отметим лишь наиболее важные из них, имеющие принципиальные значения:
1. В настоящее время просматривается тенденция роста потребности в электроприводах колебательного движения средней и большой мощности, обладающих высокой управляемостью и обеспечивающих требуемые динамические характеристики. Наиболее перспективным видится применение в них в качестве исполнительного двигателя машины двойного питания, колебательный режим в которых обеспечивается за счет линейной фазовой модуляции питающих напряжений или токов.
2. На основании математического описания обобщенной модели электрической машины двойного питания разработана математическая модель электропривода колебательного движения, учитывающая несимметрию параметров электрической машины, за счет разночастотного питания обмоток статора и ротора.
3. Впервые выявлена аналитическая взаимосвязь между параметрами машины двойного питания и её геометрическими размерами, что позволяет на этапе структурного синтеза осуществлять выбор исполнительного двигателя для заданного частотного диапазона изменения частоты колебаний.
4. Впервые установлена аналитическая взаимосвязь между динамическими показателями электропривода колебательного движения и геометрией исполнительного двигателя при пуске на заданную частоту колебаний. Установлено, что расчет и проектирование исполнительного двигателя следует осуществлять, руководствуясь следующими положениями:
- наибольшее влияние на формирование ударных значений токов статора и ротора оказывают изменение внутреннего диаметра расточки статора (D), сечения эффективного числа проводников фаз обмоток статора (^эф1) и ротора (Яэф1), а на значение ударного колебательного электромагнитного момента - сечение эффективного числа проводников фазы обмотки статора (^эф1);
- исходя из целевого назначения электропривода колебательного движения приоритет при выборе исполнительного двигателя из стандартного ряда необходимо отдавать: при потенциальном питании - электрическим машинам с минимальной длиной магнитопровода (ls), а при токовом - с максимальной. Такой подход позволяет на этапе структурного синтеза снизить величины ударных значений токов и колебательного электромагнитного момента в среднем на 5 - 7%;
- для обеспечения при пуске на заданную частоту колебаний минимального значения ударного момента необходимо, чтобы при проектировании электромеханического преобразователя энергии, в случае постоянства сечения эффективного числа проводников фаз обмоток статора (^эф1) и ротора (дэф2), выполнялось условие lg/D =1,05 [о.е.], а при постоянстве внутреннего диаметра расточки статора (D) и длины магнитопровода (lg) - ^эф1/^эф2=0,88 [о.е.];
- для обеспечения при пуске минимального значения ударного тока необходимо, что бы при условии постоянства сечения эффективного числа проводников фаз обмоток статора (^эф1) и ротора (дэф2) выполнялось условие lg/D =0,97 [о.е.], а при постоянстве внутреннего диаметра расточки статора (D) и длины магнитопровода (lg) - ^эф1/^эф2=0,9 [о.е.].
5. Теоретически обоснован алгоритм и экспериментально доказана возможность обеспечения безударного пуска электропривода колебательного движения по моменту или току за счет выбора начальных фаз питающих напряжений (токов).
6. На базе метода градиентного спуска разработан алгоритм оптимизации геометрии электрической машины двойного питания при колебательном режиме работы по динамическим показателям.
7. Предложено устройство для расширения функциональных возможностей электропривода колебательного движения с машиной двойного питания, защищенное патентом РФ №90277, позволяющее приблизить закон изменения развиваемого колебательного усилия к гармоническому закону, за счет токовой частотной модуляции.

Купить