ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЙ  ЭЛЕКТРОПРИВОД  С  СИНХРОННОЙ  РЕАКТИВНОЙ  МАШИНОЙ  НЕЗАВИСИМОГО  ВОЗБУЖДЕНИЯ

Журавлев  Артем  Михайлович

аспирант  кафедры  электропривода  и  автоматизации  промышленных  установок  Южно-Уральского  государственного  университета,  РФ,  г.  Челябинск

E-mail: 

Белоусов  Евгений  Викторович

аспирант  кафедры  электропривода  и  автоматизации  промышленных  установок  Южно-Уральского  государственного  университета,  РФ,  г.  Челябинск

Сычев  Дмитрий  Александрович

аспирант  кафедры  электропривода  и  автоматизации  промышленных  установок  Южно-Уральского  государственного  университета,  РФ,  г.  Челябинск 

Кинас  Станислав  Игоревич

аспирант  кафедры  электропривода  и  автоматизации  промышленных  установок  Южно-Уральского  государственного  университета,  РФ,  г.  Челябинск 

THE  ENERGY  EFFICIENT  ELECTRIC  DRIVE  WITH  THE  FIELD  REGULATED  RELUCTANCE  MACHINE

Zhuravlev  Artem

post-graduate  student  of  the  Electric  Drive  and  Automation  of  Industrial-Scale  Plant  Department  of  South  Ural  State  University,  Russia  Chelyabinsk

Belousov  Evgeniy

post-graduate  student  of  the  Electric  Drive  and  Automation  of  Industrial-Scale  Plant  Department  of  South  Ural  State  University,  Russia  Chelyabinsk

Sychev  Dmitry

post-graduate  student  of  the  Electric  Drive  and  Automation  of  Industrial-Scale  Plant  Department  of  South  Ural  State  University,  Russia  Chelyabinsk

Kinas  Stanislav

post-graduate  student  of  the  Electric  Drive  and  Automation  of  Industrial-Scale  Plant  Department  of  South  Ural  State  University,  Russia  Chelyabinsk

АННОТАЦИЯ

Рассмотрена  математическая  модель  электропривода  с  синхронным  реактивным  двигателем  независимого  возбуждения  (СРДНВ).  Модель  состоит  из  нескольких  блоков:  электромеханического  преобразователя,  который  описан  методом  конечных  элементов,  электрического  преобразователя,  представленного  в  виде  непрерывных  звеньев.  Обращается  внимание  на  допущения,  принятые  при  синтезе  обобщенной  математической  модели.  Сопоставлены  расчетные  данные  модели  со  значениями,  полученными  на  основании  традиционных  электрических  схем  замещения. 

ABSTRACT

The  article  presents  the  mathematical  model  of  a  field  regulated  reluctance  machine  (FRRM).  The  model  consists  of  several  parts:  an  electromechanical  transducer  that  is  described  with  the  finite  element  technique,  electric  converter  that  is  presented  of  continuous  links.  Attention  directed  to  the  assumptions  used  in  the  synthesis  of  generalized  mathematical  model.  Сomparison  of  calculated  data  is  obtained  by  the  proposed  model  and  the  values  is  obtained  by  the  tradiotional  electric  equivalent  circuits. 

Ключевые  слова:  математическая  модель;  электроприводы  с  синхронной  реактивной  машиной  независимого  возбуждения;  метод  конечных  элементов.

Keywords:  mathematical  model;  electric  drives  with  field  regulated  reluctance  machine;  finite  element  technique.

Сегодня  в  силу  высокого  развития  силовой  полупроводниковой  преобразовательной  техники  наиболее  распространенным  в  промышленном  применении  является  частотнорегулируемый  асинхронный  электропривод.  Однако  современные  технологии  производства  постоянно  повышают  требования  по  быстродействию,  перегрузочной  способности  и  надежности  систем  электроприводов.  В  этой  связи  уместно  рассмотреть  и  другие  варианты  исполнения  электромеханических  преобразователей.

Лучше  всего  вышеуказанным  требованиям  отвечает  синхронная  реактивная  машина  независимого  возбуждения  СРМНВ  (Field  regulated  reluctance  machine).  Применяя  новые  подходы  к  управлению  приводом  [8,  с.  35],  можно  достичь  существенных  результатов.  Так,  компания  ABB  сегодня  выпускает  линейку  электроприводов  с  синхронной  реактивной  машиной  независимого  возбуждения.  По  данным  компании,  инженерам  удалось  разработать  привод,  у  которого  масса-габаритные  показатели  на  40%  лучше  по  сравнению  с  АД.  Кроме  того,  отсутствие  обмоток  на  роторе  СРМНВ  улучшает  энергетические  показатели  машины  [9,  c.  87].

Моделирование  процессов  в  электроприводе  с  СРМНВ  производилось  нами  в  конечно-элементной  системе  ANSYS  Maxwell.  Отличительной  особенностью  данного  продукта  является  возможность  его  работы  в  связке  с  программой  ANSYS  Simplorer,  где  моделируется  силовая  часть  электропривода  и  система  управления,  что  позволяет  учитывать  работу  электрической  машины  от  преобразователя  частоты.  Разработанная  модель  позволяет  учесть  также  нелинейность  кривой  намагничивания  стали,  из  которой  выполнена  машина,  насыщение  источников  питания,  краевые  эффекты.

Рисунок  1.  Функциональная  схема  модели  Simplorer

Конечно-элементная  модель  электрической  машины,  разработанная  в  программном  продукте  ANSYS  Maxwell  интегрируется  в  модель  системы  управления,  расчет  обоих  моделей  происходит  одновременно  (рис.  1).  Питание  машины  производится  от  шести  независимых  источников  тока  ИТ1…ИТ6,  сигнал  управления  на  которые  приходит  с  узла  формирования  фазных  токов  УФФТ.  Амплитуда  этого  сигнала  зависит  от  выхода  регулятора  скорости  РС,  а  частота  переключения  —  от  скорости  вращения  ротора,  текущее  положение  которого  фиксируется  датчиком  положения  ДП.  Кроме  того,  модель  позволяет  имитировать  статическую  нагрузку  на  валу  и  варьировать  момент  инерции  ротора.

Синтез  структуры  управления  в  установившихся  режимах  сводится  к  оптимизации  зоны  коммутации  тока  посредством  корректировки  угла  поворота  ротора  [1,  c.  221].  Дело  в  том,  что  для  обеспечения  наилучших  энергетических  показателей,  необходимо,  чтобы  машина  работала  на  максимуме  угловой  характеристики  [2,  c.  50].  При  увеличении  скорости  из-за  инерционности  источников  тока  этот  максимум  будет  смещаться.  Корректирующий  угол  подбирается  таким  образом,  чтобы  среднеквадратичный  фазный  ток  за  период  был  минимальным.  На  рис.  2  представлена  математическая  модель  электропривода  с  СРМНВ  в  системе  ANSYS  Simplorer.

Рисунок  2.  Математическая  модель  СРМНВ  в  ANSYS  Simplorer

Наилучшие  энергетические  показатели  удалось  получить  в  шестифазном  электроприводе  с  трапецеидальной  формой  фазного  тока  [3,  c.  1305].  В  этом  случае  при  постоянстве  момента  статической  нагрузки  привод  потребляет  наименьший  ток  из  сети.  На  рис.  3  представлен  сравнительный  анализ  различных  форм  фазного  тока  и  различного  числа  фаз  питания  машины. 

Рисунок  3.  Сравнительный  анализ  форм  фазного  тока  машины,  где  1  —  кривая  для  прямоугольной  формы  тока;  2  —  кривая  для  синусоидальной  формы  тока;  3  —  кривая  для  трапецеидальной  формы  тока

Наиболее  приемлемым,  с  нашей  точки  зрения,  является  число  фаз  равное  6.  При  увеличении  числа  фаз  схема  значительно  усложняется.  При  меньшем  числе  фаз  увеличиваются  коммутационные  пульсации  момента  и  нагрев  машины.  Переход  к  нетрадиционной  форме  фазного  тока,  возможность  высокой  перегрузочной  способности  машины,  её  количественная  оценка  также  делают  актуальным  тепловой  расчет  электродвигателя. 

Основным  источником  выделения  тепла  в  СРМНВ  являются  обмотки  с  током,  однако,  следует  учитывать  добавочные  потери  на  гистерезис  и  вихревые  токи,  обусловленные  высшими  гармониками  МДС  статора  и  зубцовыми  пульсациями  [7,  c.  36].  Дополнительно  нагрев  происходит  из-за  механических  потерь,  например,  трения  в  подшипниках  двигателя.

Количественную  оценку  этих  потерь  можно  получить  в  системе  конечно-элементного  анализа  ANSYS.  Преимуществом  такого  подхода  является  получение  картины  распределения  тепла  в  машине,  что  позволяет  выявить  местный  перегрев  отдельных  частей  двигателя.

На  первом  этапе  теплового  исследования  необходимо  было  верифицировать  конечно-элементную  модель.  Для  этого  проводился  следующий  эксперимент.  Ротор  машины  затормаживался,  а  по  обмоткам  пропускался  гладкий  постоянный  ток,  другими  словами  оценивались  только  активные  потери.  После  расчета  в  конечно-элементной  системе  ANSYS  Maxwell,  эти  потери  экспортировались  в  тепловую  конечно-элементную  модель  ANSYS  Transient-thermal.  В  принятой  математической  модели  учитывался  лучистый  и  конвективный  теплообмен  между  обмоткой  и  магнитопроводом.

Рисунок  4.  Трехмерная  тепловая  модель    магнитопровода  СРМНВ

На  рис.  4  приведена  трехмерная  тепловая  модель  СРМНВ  с  учетом  только  активных  потерь  в  меди.  Как  и  ожидалось,  наиболее  горячей  получается  обмотка,  которая  выделяет  тепло,  по  большей  части  в  статор.  Ротор  же  при  этом  нагревается  гораздо  меньше.  Для  корректности  расчета  результаты  моделирования  проверялись  на  лабораторном  образце  СРДНВ,  выполненном  в  корпусе  асинхронного  двигателя  4A100L4.  На  рис.  5  приведены  результаты  эксперимента.

Рисунок  5.  Результаты  натурного  эксперимента,  где  1  —  температура  станины;  2  —  температура  ротора;  3  —  температура  обмотки

При  работе  СРМНВ  от  преобразователя  важно  также  учесть  магнитные  потери,  вызванные  коммутацией  токов  [11,  c.  31].  Графически  распределение  потерь  в  разрезе  двигателя,  полученное  в  конечно-элементной  модели  машины  (рис.  2),  приведено  на  рис.  6. 

Рисунок  6.  Распределение  магнитных  потерь  в  разрезе  машины

Наибольшие  потери  выделяются  в  «набегающем»  крае  полюса  за  счет  коммутации  токов.  Потери  в  зубцовой  зоне  обусловлены  перемагничиванием  [12,  c.  43].  Важно  отметить,  что  для  получения  корректных  результатов  моделирование  необходимо  производить  с  шагом  порядка  1  мс  [5,  c.  115;  6,  c.  120].  Постоянная  времени  нагрева  машины  при  этом  составляет  не  менее  2  часов  (рис.  5).  Наиболее  точным  решением  в  случае,  когда  нет  необходимости  учитывать  самовентиляцию,  является  усреднение  потерь  за  несколько  периодов  коммутации  и  их  дальнейший  экспорт  в  стационарную  трехмерную  тепловую  модель  [10,  с.  108;  4,  с.  93]. 

На  последнем  этапе  производилась  оптимизация  формы  и  габаритных  размеров  рифлений  ротора  в  трехмерной  модели,  что  позволило  снизить  нагрев  машины  на  5  %.

Таким  образом,  можно  сделать  вывод,  что  в  СРДНВ  за  счет  «холодного»  шихтованного  ротора  и  оптимизированной  формы  рифлений  можно  увеличивать  линейную  нагрузку  в  среднем  на  15  %  по  сравнению  с  АД  тех  же  габаритных  размеров,  что  не  приведет  к  перегреву  машины.

Список  литературы:

1.Алтунин  Б.Ю.  Математическая  модель  компенсатора  неактивной  мощности  на  базе  многоуровневого  инвертора  с  зонной  ШИМ  на  высокой  частоте  /  Б.Ю.  Алтунин,  И.А.  Карнавский  //  Труды  НГТУ  им.  Р.Е.  Алексеева.  —  2010.  —  №  4.  —  С.  219—225.

2.Бухтояров  В.Ф.  Зависимости  между  затратами  на  охрану  труда  и  показателями  производственного  электротравматизма  (на  примере  Южно-Уральской  железной  дороги)  /  В.Ф.  Бухтояров,  К.Ю.  Рыбалченко  //Журнал  РАЕ  «Фундаментальные  исследования»  —  2013.  —  №  8  —  Часть  1.  —  С.  49—52.

3.Бухтояров  В.Ф.  Концепция  системы  управления  процессами  обеспечения  безопасности  при  эксплуатации  электроустановок  /  В.Ф.  Бухтояров,  К.Ю.  Рыбалченко  //  Журнал  РАЕ  «Фундаментальные  исследования».  —  2013.  —  №  8,  —  Часть  6.  —  С.  1303—1306.

4.Григорьев  М.А.  Системы  с  переменной  структурой  для  синхронных  реактивных  электроприводов  с  независимым  управлением  по  каналу  возбуждения  /  М.А.  Григорьев  //  Вестник  Южно-Уральского  государственного  университета.  Серия  «Энергетика».  —  2013.  —  Том  13.  —  №2.  —  С.  91—96.

5.Григорьев  М.А.  Удельные  массогабаритные  показатели  электроприводов  /  Григорьев  М.А.  //  Вестник  Южно-Уральского  государственного  университета.  Серия:  Энергетика,  —  2013.  —  Т.  13.  —  №  1.  —  С.  111—117.

6.Григорьев  М.А.  Электропривод  с  синхронной  реактивной  машиной  независимого  возбуждения  /  Григорьев  М.А.  //  Вестник  Южно-Уральского  государственного  университета.  Серия:  Энергетика,  —  2013.  —  Т.  13.  —  №  1.  —  С.  118—123.

7.Журавлев  А.М.  Математическая  модель  электропривода  с  синхронной  реактивной  машиной  независимого  возбуждения  /  А.М.  Журавлев,  Е.В.  Белоусов,  А.Е.  Бычков,  В.Л.  Кодкин,  С.П.  Гладышев  //  Вестник  Южно-Уральского  государственного  университета.  Серия:  Энергетика,  —  2012.  —  №  37  (296).  —  С.  34—37.

8.Смирнов  Ю.С.  Информационное  обеспечение  электромехатронных  преобразователей  /  Ю.С.  Смирнов,  А.Н.  Лысов,  П.Б.  Серебряков  //  Вестник  Южно-Уральского  государственного  университета.  Серия:  Энергетика,  —  2012.  —  №  16  (275).  —  С.  31—36.

9.Смирнов  Ю.С.  Особенности  динамики  замкнутых  электромехатронных  преобразователей  с  шаговыми  электродвигателями  /  Ю.С.  Смирнов,  А.В.  Соколов  //  Вестник  Южно-Уральского  государственного  университета.  Серия:  Компьютерные  технологии,  управление,  радиоэлектроника.  —  2012.  —  №  3  (262).  —  С.  87.

10.Усынин  Ю.С.  Моделирование  электропривода  активного  прицепа  /  Ю.С.  Усынин,  М.А.  Григорьев,  А.Н.  Шишков  и  др.  //  Вестник  Южно-Уральского  государственного  университета.  Серия  «Энергетика».  —  2013.  —  Том  13.  —  №  2.  —  С.  106—114.

11.Усынин  Ю.С.  Параметрическая  оптимизация  частотно-регулируемых  электроприводов  /  Ю.С.  Усынин,  М.А.  Григорьев,  А.Н.  Шишков,  С.П.  Лохов,  А.М.  Журавлев  //  Вестник  Южно-Уральского  государственного  университета.  Серия:  Энергетика,  —  2012.  —  №  37  (296).  —  С.  30—33.

12.Усынин  Ю.С.  Энергосбережение  в  электроприводах  тягодутьевых  механизмов  многосвязных  объектов  /  Ю.С.  Усынин,  М.А.  Григорьев,  А.Н.  Шишков,  А.Е.  Бычков,  Д.И.  Кашаев  //  Вестник  Южно-Уральского  государственного  университета.  Серия:  Энергетика,  —  2011.  —  №  15  (232).  —  С.  40—45.