Повышение точности расчета энергетических процессов элементов электропривода переменного тока с учетом свойств магнитной системы

Как отмечалось выше, знание точных параметров схемы замещения АД, как основного элемента электропривода, позволяет выполнять уточненный расчет энергетических характеристик всей электромеханической системы. Исполь с зования математического аппарата теории мгновенной мощности при анализе схемы замещения АД позволяет ун и кнуты потери информации и повысить точность расчетов энергетических процессов с уч в ем наличии нелинейных эл е ментов и вихревых токов.

Анализ источников, посвященных вопросам определения параметров асинхронных двигателей, указывает на отсутствие простого и надежного метода, который позволял бы с достаточной точностью определять все параметры схемы замещения, включая эквивалентные параметры, характеризующие составляющие потерь в стали статора и ротора.

Одной из характеристик электротехнической стали является ее кривая намагничивания, нелинейность которой приводит к появлению в схеме замещения асинхронного двигателя нелинейного индуктивного сопротивления. Однако при решении большинства инженерных задач часто возникают сложности, связанные с анализом нелинейных цепей. Нелинейные цепи содержат элементы, которые могут быть описаны с помощью постоянных коэффициентов, а характеристики являются функциями одной или нескольких переменных. Поскольку математический аппарат для анализа линейных цепей сводится к решению простых алгебраических уравнений, то исследователи часто пренебрегают нелинейностью кругов. Однако при таком рассмотрении вопроса теряется важная информация, а в некоторых случаях и все физический смысл явления. Более того, вихревые токи, как отдельно взятый фактор, влияющий на энергоэффективность работы всей электрической машины, до настоящего времени не рассматривался. Отсутствие достоверных методик для определения параметров, как показывает анализ, обусловлено стремлением получить результаты из самых простых, и, как правило, неадекватных схем замещения, перенесенных из теории описания процессов в трансформаторах.

Развитие математического аппарата теории мгновенной мощности для решения задач анализа енергопроцесив в несимметричных электромеханических системах с нелинейными потребителями предоставил возможность сформулировать следующие научные выводы:

- впервые получены аналитические выражения для мгновенной мощности на индуктивном элементе, позволяющие анализировать энергетические режимы асинхронного двигателя на базе схем замещения с учетом нелинейности характеристики намагничивания и явления гистерезиса;

- теоретически обосновано, что, в отличие от известных методов, введения в контур намагничивания схемы замещения асинхронного двигателя дополнительной ЭДС, которая характеризует режим насыщения стали, позволяет с использованием уравнений мгновенной мощности определить нелинейную зависимость индуктивности от тока этого контура;

- впервые предложен метод определения потерь в стали статора асинхронного двигателя с использованием эквивалентной ЭДС, который, в отличие от существующих, учитывает гармонические составляющие, характеризующие явление насыщения стали.

Решение проблемы повышения точности расчетов энергетических процессов в электроприводе переменного тока с учетом свойств магнитной системы позволило сформулировать следующие выводы:

- Для повышения точности расчетов нелинейной характеристики индуктивности контура намагничивания АД получено выражения мгновенной мощности на индуктивном элементе при наличии нелинейности характеристики намагничивания и явления гистерезиса;

- Предложено математический аппарат для определения кривой намагничивания асинхронной машины с использованием баланса мгновенной мощности, который в отличие от существующих, позволяет учесть высшие гармонические тока появляются в результате насыщения;

- Для расчета потерь в стали статора асинхронного двигателя обоснована необходимость введения дополнительной ЭДС в контур намагничивания, что позволило учесть нелинейность кривой намагничивания, которая формирует высшие гармоники тока в силовых цепях;

- Теоретически получена и экспериментально подтверждена аналитическая зависимость для оценки потерь в стали АД в функции гармонических составляющих ЭДС и их порядкового номера, которая позволяет учесть эффект насыщения;

- Обоснованно схемы замещения, которые позволяют учесть нелинейность круга намагничивания, влияние вихревых токов, ширину петли гистерезиса, что дает возможность, используя математический аппарат теории мгновенной мощности, рассчитать характеристики машины с учетом изменений параметров магнитной системы асинхронного двигателя;

- На основе результатов математического моделирования доказано, что вид кривой намагничивания существенно влияет на форму кривых тока статора и электромагнитного момента, при этом крутизна характеристики кривой намагничивания, определяет высокочастотные составляющие электромагнитного момента;

- Доказано, что применение скорректированного с учетом увеличения потерь в стали от вихревых токов, способа управления напряжением статора АД в системе частотно-регулируемого электропривода позволяет стабилизировать скорость вращения АД в системе привода на необходимом уровне с погрешностью стабилизации, не превышает 0,5%, при этом время переходного процесса уменьшается примерно на 12%, а также повысить пусковой момент и уменьшить энергопотребление до 7 % В режиме пуска;

- Разработаны и внедрены программы для компьютерного оборудования, которое позволяет реализовать в автоматизированном режиме предложены методы определения потерь в стали асинхронных двигателей.