Разработка и исследование новых видов регулируемого электропривода

Ю. П. Сонин; И. В. Гуляев; В. В. Никулин; Г. М. Тутаев

&&&&&&&&&&&&&&<&&&&&&&&&&

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ НОВЫХ ВИДОВ РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Ю. П. СОНИН, доктор технических наук, И. В. ГУЛЯЕВ, кандидат технических наук, В. В. НИКУЛИН, аспирант, Г. М. ТУТАЕВ, аспирант

Современное развитие частотно-регулируемого мощного электропривода на основе использования синхронного и асинхронного двигателей выявило их ограничения при тяжелых условиях пуска с максимально возможным пусковым моментом, сопровождающихся достаточно длительным режимом упора, лимитирующим токовую нагрузку двигателей (например, на магистральных электровозах грузовой службы, судах ледокольного типа и др.). В данных областях требуется обеспечить также ускоренный реверс и электрическое рекуперативное торможение до полной остановки привода, а в режиме рабочих скоро-

стей максимально возможный КПД, Указанные требования к электроприводу могут быть обеспечены применением нового типа контактного и бесконтактного вентильного двигателя (ВД) на базе контактного и бесконтактного двигателя двойного питания (ДДП и БДДП) (рис.) с преобразователем частоты (ПЧ) в цепях обмоток якоря и возбуждения. Исходя из законов управления ПЧ якоря и возбуждения, характера статической устойчивости, а в итоге из свойств и характеристик данного ДДП (БДДП), последний можно определить еще как асинхронизиро-ванный вентильный двигатель (АВД)

[3, 4].

а

б

Рис. Функциональные схемы новых видов регулируемого электропривода: а вариант; б — бесконтактный вариант

контактный

Принцип действия АВД и БАВД (бесконтактный АВД) обеспечивается определенными законами управления во всех режимах работы:

1) поддержание примерного постоянства угла сдвига фаз первых гармоник напряжения и тока якоря;

2) поддержание постоянства часто-

л

ты возбуждения;

3) регулирование скорости вращения АВД и БАВД теми же способами, что и у двигателя постоянного тока

(ДПТ).

Указанные законы управления АВД и БАВД можно реализовать только в том случае, если обмотка якоря двигателя питается от ПЧ с инверторным звеном по типу инвертора тока (ИТ), а его обмотка возбуждения — от Г^ с инверторным звеном по типу инвертора напряжения (ИН) [3 ].

ПЧ и ПЧf могут быть выполнены в виде непосредственного преобразователя частоты (НПЧ) с естественной коммутацией (НПЧЕ), обладающего высоким КПД, возможностью двухсторонней передачи мощности. Недостатки НПЧЕ — невозможность поддержания угла сдвига фаз первых гармоник напряжения и тока якоря равным нулю и неполное использование тиристоров во всем диапазоне рабочих скоростей двигателя. Аналогично ВД постоянного тока ПЧ якоря АВД и БАВД может быть выполнен с явным звеном постоянного тока по схеме управляемый выпрямитель — инвертор тока с естественной коммутацией или по схеме управляемый выпрямитель — инвертор тока с искусственной коммутацией тока якоря. Последний позволяет поддерживать угол сдвига фаз равным нулю и тем самым обеспечивает лучшее использование активных материалов двигателей, их большую перегрузочную способность и кратность пускового момента [2].

ПЧ[ возбуждения может быть также выполнен с явным звеном постоянного тока и выходным автономным инвертором напряжения с широтно-импуль-сной модуляцией.

Наличие двух ПЧ в системе БАВД, усложняя электромашинно-вентиль-

ный комплекс электропривода, одновременно обеспечивает ему большую живучесть в аварийных режимах за счет его резервных вариантов, а значит, и живучесть объекта в целом.

К недостаткам АВД и БАВД следует отнести кроме наличия двух ПЧ следующее.

1. Худшее использование меди фазной обмотки возбуждения, чем у ВД. Однако следует отметить, что у АВД и БАВД обмотка возбуждения одновременно выполняет функции компенсации магнитного поля якоря и компаундирования.

2. Ограничение конструкцией мак-, симальной скорости вращения двигателей. Последнее у БАВД может быть снято применением короткозамкнутой обмотки ротора по типу беличьей клетки.

3. Более сложный узел скользящего токосъемника у АВД, чем у ВД.

Оптимальным вариантом БАВД будет являться его конструктивное исполнение с совмещенным магнитопро-водом и ортогональным управлением АВД каскада. Представляют также интерес варианты АВД и БАВД с питанием обмотки якоря от ПЧ с выходным ИН на полностью управляемых вентилях. При этом за счет автоматического регулирования величины тока возбуждения АВД можно поддерживать соыр = 1 во всем диапазоне его рабочих нагрузок.

БДДП имеет в своем составе каскад из двух электрических машин — асинхронных двигателей с фазными роторами, которые имеют механическое и электрическое соединение.

Одна из электрических машин является собственно асинхронизирован-ным вентильным двигателем, вторая же машина предназначена для возбуждения АВД и называется возбудителем. Статоры обеих электрических машин подключены к собственным статическим преобразователям ПЧ и ПЧf с соответствующими системами управления, обеспечивающими БДДП те же свойства, что и у контактного АВД. У БДДП возможны два варианта электрического соединения роторов машин

каскада: если магнитные поля АВД и возбудителя вращаются в одну и ту же сторону относительно общего вала, то мы имеем дело с БДДП, включенным на „разность полюсов", что возможно при прямом порядке чередования фаз обмоток роторов (параллельный каскад); если же магнитные поля обеих машин вращаются в разные стороны относительно общего вала, то мы имеем дело с БДДП, включенным на „сумму полюсов", что возможно при обратном порядке чередования фаз обмоток ротора (последовательный каскад), Число пар полюсов машин и их соотношение могут быть в общем случае произвольными.

Работа БДДП осуществляется следующим образом. При подаче напряжения питания на преобразователи ПЧ и ПЧf напряжение низкой фиксированной частоты со( подается на обмотки

статора возбудителя. Протекающий по ним трехфазный переменный ток создает в возбудителе вращающееся магнитное поле, которое индуцирует в обмотках его неподвижного ротора ЭДС той же частоты со^ что и в обмотках

статора. Под действием ЭДС обмоток ротора возбудителя по обмоткам роторов обеих машин каскада протекает трехфазный переменный ток. Послед-

ний в свою очередь создает в двигателе вращающееся магнитное поле, направление вращения которого определяется порядком чередования фаз обмоток роторов.

Когда величина суммарного электромагнитного момента БДДП превысит величину момента сопротивления на валу, двигатель приходит во вращение. При этом в фазных обмотках якоря наводится ЭДС, частота которой может быть определена следующим образом:

со = согд ± согв + щ =

X С0ГД + Щ .

где со, сО{ — угловые частоты напряжений на обмотках якоря АВД и статора возбудителя соответственно; со 9 согв — угловые частоты вращения

* м

ротора, соответствующие числам пар полюсов двигателя и возбудителя; Pi, Р2 — числа пар полюсов двигателя

и возбудителя соответственно.

В формуле знак „+" используется для последовательного каскада БДДП, а знак „-" — для параллельного.

БДДП по схеме рис. 16 позволяет реализовать различные режимы работы этой машины. При этом возможны два способа управления БДДП: поддержание постоянства частоты возбуждения cof = const и, следовательно, s0 = var и

поддержание постоянства скольжения ротора s0 = const и a)f = var.

Сигнал обратной связи по каналу возбуждения вырабатывается датчиком фазы напряжения, содержащим в себе информацию о скорости вращения ротора.

Для обеспечения БДДП принципа действия обобщенного ДПТ необходимо выполнить следующие требования:

— ПЧ якоря АВД должен иметь инверторное звено по типу инвертора тока и жестко фиксировать фазу тока относительно его напряжения;

— n4f статора возбудителя должен иметь инверторное звено по типу инвертора напряжения и обеспечивать свободный обмен энергией между обмоткой статора и питающей сетью.

В качестве n4f целесообразно использование автономного инвертора

с широтно-импульсной [1 ], обеспечивающего симметричную трехфазную систему напряжений с частотой 3 — 10 Гц.

Основным достоинством БДДП, как и контактного АВД, является возможность воздействия на параметры электропривода посредством изменения как амплитуды напряжения и фазы тока якоря, так и частоты и амплитуды напряжения возбуждения, что делает БДДП одной из наиболее управляемых электрических машин. Благодаря наличию четырех каналов управления параметрами БДДП возможна одновременная реализация нескольких законов его управления:

— поддержание постоянства угла сдвига фаз между первыми гармони-

напряжения модуляцией

ками тока и напряжения якоря, чем имитируется положение щеток на коллекторе ДПТ и обеспечивается возможность получения как жестких, так и мягких механических характеристик;

мального по КПД магнитного потока

в АВД (¥<5 - const);

— поддержание ортогональности векторов результирующего потоко-сцепления и тока якоря АВД, что обеспечивает максимальное значение элек-

поддержание постоянства опти- тромагнитного момента.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Гуляев И. В., СонинЮ. П., Байнев В. Ф. Цифровая система управления преобразователем для возбуждения бесконтактного асинхронизиро-ванного вентильного двигателя // Вестн. Морд.

ун-та. 1994. № 2. С. 57 — 59.

2. Сонин Ю. П., Байнев В. Ф., Гуляев И. В. Статические характеристики бесконтактного асинхронизированного вентильного двигателя // Электротехника. 1994. № 9. С. 15 — 20.

3. Сонин Ю. П., Стромин Б. А., Тургенев И. В., Гуляев И. В. Исследование асинхронизированного вентильного двигателя // Электротехника. 1982. № 10. С. 49 — 51.

4. Сонин Ю. П., Юшков С. А., Прусаков Ю. И. Бесконтактный асинхронизированный вентильный двигатель // Электричество. 1989.

№ 11. С. 41 — 45.

оооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооооосхзоооооооооооооо

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОДУЛЯ ДЕФОРМАЦИИ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО УПЛОТНЕННЫХ ОСНОВАНИЙ ФУНДАМЕНТОВ

А. Е. ДУРАЕВ, кандидат технических наук

Верхние слои грунтов, уплотненных трамбованием, укаткой тяжелыми катками, методом поверхностного вибрирования, втрамбованием в грунт щебня или гравия, имеют большую плотность с большим модулем деформации по сравнению с нижележащими слоями. С учетом этого обстоятельства в ряде работ, например [1 — 3], даны решения задач напряженно-деформирован-ного состояния грунтового массива и изучено его влияние на работу конструкций для случая, когда модуль деформации убывает (уменьшается) по глубине г по закону

Е = Е

о

+ Епе

nz

(1)

где Е0

модуль деформации грунта

до его уплотнения; Еп

приращение

модуля на поверхности грунта в результате уплотнения; е — основание натуральных логарифмов; п — параметр, характеризующий интенсив-

ность уменьшения модуля деформации (п < 0).

Рассмотрим возможный вариант определения параметров, входящих в формулу (1). Для получения модуля деформации Ео следует провести испытания грунта штампом до уплотнения в соответствии с ГОСТом. Что ка-

сается двух других параметров

Е

п

и п, их предлагается получить по результатам испытания уплотненного грунтового массива штампами с разными опорными площадями. Осадку квадратного штампа со стороной Ь, лежащего на грунтовом основании с модулем деформации, изменяющимся по закону (1), можно определить из формулы [3 ]

W,

Ш

,2

)

л b Eq

F

(2)

где Р

v

— суммарная нагрузка на штамп; коэффициент Пуассона грунта;

Текст научной работы на тему «Разработка и исследование новых видов регулируемого электропривода»