Развитие теории и разработка электромеханических и электромагнитных вентильных преобразователей для автономных энергоустановок (19.07.2010)

Автор: Грачев Павел Юрьевич

Грачев Павел Юрьевич

развитие теории и разработка электромеханических и электромагнитных вентильных преобразователей

для автономных энергоустановок

Специальность 05.09.01 Электромеханика и электрические аппараты

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Самара – 2010

Работа выполнена на кафедре «Теоретическая и общая электротехника» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет».

Научный консультант: Доктор технических наук, профессор

Костырев Михаил Леонидович

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

Беспалов Виктор Яковлевич

Доктор технических наук, профессор

Казаков Юрий Борисович

Доктор технических наук, профессор

Гуляев Игорь Васильевич

Ведущая организация: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский государственный технический университет» (УГТУ-УПИ) (г. Екатеринбург)

Защита диссертации состоится 26 октября в 10 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 Гоувпо «Самарский государственный технический университет» (СамГТУ) по адресу:

Самара, ул. Первомайская, 18, первый учебный корпус, ауд. 4.

Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: Россия, 443100, Самара, ул. Молодогвардейская 244, Главный корпус, на имя ученого секретаря диссертационного совета Д 212.217.04; факс: (846) 278-44-00

Автореферат разослан " " __________ 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.217.04

к.т.н. доцент Е.А. Кротков

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Одной из проблем современной электромеханики, к которой традиционно относят не только электромеханические (ЭМХ), но и электромагнитные (ЭМГ) преобразователи энергии, является повышение энергетических показателей преобразователей с вентильными элементами (диодами, транзисторами или тиристорами), которые называют электромеханическими и электромагнитными вентильными преобразователями. Они нашли широкое применение в автономных энергетических установках: ветроэнергетических станциях, микро и малых ГЭС для промышленности и сельского хозяйства, транспортных средствах, в частности - для систем запуска первичных двигателей и генерирования электроэнергии в бортовую сеть летательных аппаратов и автомобилей. Здесь нашли применение асинхронные машины (АМ) с короткозамкнутым или фазным ротором, а также - трансформаторы с вращающимся магнитным полем (ТВП). Для автономных энергетических установок значительной мощности целесообразно применять многообмоточные преобразователи. При небольших мощностях в автомобильных комбинированных энергетических установках (КЭУ) требуются специальные многополюсные низковольтные АМ, создающие значительные моменты в пусковых режимах, а также позволяющие вырабатывать электроэнергию в широком диапазоне частот вращения вала в генераторных режимах.

В автономных энергетических установках подвижных объектов, например, системах «Переменная скорость вращения вала – постоянная частота выходного напряжения» летательных, в том числе космических, аппаратов, недопустим скользящий контакт и предъявляются жесткие требования к массогабаритным показателям, уровню излучения электромагнитных помех, а также качеству электроэнергии. Поэтому здесь целесообразно применение АМ с короткозамкнутым ротором и трансформаторов с вращающимся магнитным полем. Они работают совместно с вентильными источниками реактивной мощности, создающими токи намагничивания ЭМХ и ЭМГ преобразователей.

Трансформаторы с вращающимся магнитным полем, в сравнении со стержневыми трансформаторами, не содержат ярем и воздушных зазоров в стыках. Исключение из конструкции ярем на 20 - 30 % снижает удельную массу трансформаторов. Обмотки таких трансформаторов расположены в пазах внутри магнитопровода, поэтому имеют пониженный уровень электромагнитного излучения. Эти факторы определяют перспективность их использования в автономных энергетических установках.

В стационарных автономных объектах с диапазоном изменений частот вращения вала около 1:2 зачастую скользящий контакт допустим. Поэтому здесь возможно применение асинхронных машин с фазным ротором, с преобразованием только мощности скольжения, позволяющих уменьшить установленную мощность вентильных коммутаторов.

Весомый вклад в теорию и разработку ЭМХ и ЭМГ вентильных преобразователей внесен как отечественными, так и зарубежными учеными. Вот далеко не полный их список: Горев А.А., Копылов И.П., Балагуров В.А., Бертинов А.И., Беспалов В.Я, Булгаков А.А., Бут Д.А., Винокуров В.А., Глазенко Т.А.., Гуляев И.В., Еременко В.Г., Загорский А.Е., Зиннер Л.Я., Казаков Ю.Б., Костырев М.Л., Лабунцов В.А., Лищенко В.А., Лозенко В.К., Лукутин Б.В., Мазуренко Л.И. Мишин В.И., Мыцык Г.С., Онищенко Г.Б., Сандлер А.С., Сарапулов Ф.Н., Сидельников Б.В., Сипайлов Г.А., Скороспешкин А.И., Титов В.Г., Торопцев Н.Д., Хватов С.В., Хватов О.С., Шакарян Ю.Г., Шрейнер Р.Т., Шукалов В.Ф. а также Г. Крон, Р. Парк, Б. Бедфорд, Р. Хофт, Л. Джюджи, Т. Такеути и многие другие.

Автором также накоплен значительный опыт в области разработки и исследования ЭМХ и ЭМГ преобразователей автономных энергоустановок. Современные силовые электронные ключи (вентили) осуществляют преобразование электроэнергии с малыми потерями, позволяют формировать напряжения и токи в обмотках ЭМХ и ЭМГ преобразователей, обеспечивая в автономных энергетических установках требуемое качество электрической и механической энергии. Однако, еще недостаточное внимание уделялось процессам квантования ЭДС, напряжений и токов обмоток. Поэтому представляется актуальным развитие теории таких преобразователей в части углубленного анализа процессов квантования ЭДС, напряжений и токов и их влияния на процессы преобразования энергии.

Необходимы также рациональные схемные решения и способы управления автономными ЭМХ и ЭМГ преобразователями, построение математических моделей, разработка алгоритмов и пакетов прикладных программ, позволяющих проводить детальные исследования процессов в таких преобразователях. Решение этих вопросов дает возможность подойти к проектированию различных вариантов преобразователей, включая многообмоточные асинхронные машины и многообмоточные трансформаторы с вращающимся магнитным полем, при дискретном характере ЭДС, напряжений и токов фаз.

Можно сделать вывод, что направленность диссертации на развитие теории ЭМХ и ЭМГ преобразователей с вентильными элементами для возможно более полного учета факторов, вносимых в работу вентильными коммутаторами и разработка на основе этой теории эффективных технических решений, соответствует перспективному направлению развития областей технических наук и электротехнической промышленности, связанных с электромеханическим и электромагнитным преобразованием энергии в автономных энергетических установках.

Цель работы. Целью работы является развитие обобщенной теории ЭМХ и ЭМГ вентильных преобразователей для автономных энергетических установок на базе асинхронных машин, а также многообмоточных трансформаторов с вращающимся магнитным полем, позволяющей создавать преобразователи с улучшенными энергетическими и эксплуатационными показателями.

Задачи диссертационной работы. В работе поставлены и решены следующие основные задачи.

Оценено современное состояние проблемы в области создания ЭМХ и ЭМГ вентильных преобразователей переменного тока для автономных энергетических установок, и проанализирован опыт их разработок и исследований.

На основе обобщенной теории многообмоточных преобразователей энергии с вентильными элементами и вращающимся магнитным полем построены математические модели для исследования особенностей протекания электромагнитных процессов, с целью определения ЭДС, напряжений и токов фаз вентильных ТВП и АМ.

Изучено влияние алгоритмов переключений вентилей в цепи ротора АМ на характер электромагнитных процессов, изменения полезных составляющих переменных, параметров и фазовых сдвигов токов при изменении режимов работы АМ.

Исследовано влияние пространственных сдвигов фаз обмоток, изменения форм фазных напряжений и способов управления вентильными преобразователями на электромагнитные процессы многообмоточных АМ и ТВП.


загрузка...