Анотація до роботи:

Петрушин В.С. Проектний синтез високоефективних регульованих асинхронних двигунів потужністю до 400 кВт. Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.01 – електричні машини і апарати. Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, 2002

Дисертацію присвячено вдосконаленню одного з найбільш важливих елементів регульованого електропривода – асинхронного двигуна (АД). Проектування спеціальних регульованих асинхронних двигунів (РАД), що виконується із урахуванням специфіки їхньої роботи в електроприводі (ЕП) з напівпровідниковими перетворювачами, дозволяє істотно знизити їхню масу, габарити, вартість, поліпшити енергетичні показники, динамічні та регулювальні характеристики. Визначено основні принципи і методологію побудови проектних ММ і організації проектного синтезу РАД, що базуються на системному підході і методах системного аналізу. Розроблено уточнені ММ для аналізу електромагнітних, електромеханічних і теплових процесів в усталених та перехідних режимах роботи двигуна. Вдосконалено методики та розроблено ММ для розрахунків додаткових магнітних втрат, механічних та віброакустичних показників. Систематизовано проектні критерії РАД. Розроблено ММ проектних критеріїв і функціональних показників. Розроблено програмні комплекси для автоматизованого синтезу, аналізу й оптимізації РАД у системах ЕП “напівпровідниковий перетворювач напруги - асинхронний двигун” і “напівпро-відниковий перетворювач частоти з автономним інвертором напруги - асинхронний двигун”. Представлені результати виконаних проектних досліджень і оптимізації РАД та підтверджена можливість суттєвого удосконалення ЕП за рахунок застосування оптимальних РАД.

Основний науковий зміст дисертації складається в теоретичному узагальненні і розв’язанні наукової проблеми проектного синтезу, аналізу й оптимізації спеціальних регульованих асинхронних двигунів потужністю до 400 кВт. Загальні принципи математичного моделювання і методологія проектного синтезу засновані на системному підході, що дозволяє здійснювати комплексне урахування усієї необхідної сукупності проектних факторів у їхньому взаємозв'язку і взаємовпливі. Розроблені ефективні математичні і програмні засоби надають можливість виконувати при значному скороченні термінів проектних досліджень перспективні проектні розробки оптимальних РАД, що забезпечують істотне ресурсо- та енергозбереження при підвищенні якості регульованих ЕП.

1. Необхідність розробки і застосування РАД визначена широким упровадженням регульованих ЕП. Аналіз показав, що використання в ЕП спеціальних РАД замість серійних АД дозволяє знизити масу, габарити, вартість, підвищити ККД, поліпшити динамічні та регулювальні характеристики.

2. Проектний синтез і аналіз роботи РАД ефективно реалізується на основі методів системного аналізу. Особливості проектного синтезу РАД у порівнянні з про-ектуванням загальнопромислових АД полягають у використанні в комплексі оптимізаційних і перевірних розрахунків проектних ММ, що містять моделі усіх взаємодіючих компонентів ЕП з урахуванням їх взаємозв'язків. У ММ ЕП використовуються не лише традиційні моделі перетворювачів, але й моделі, що синтезовані програмою моделювання електронних схем PSPICE.

3. Визначені раціональні шляхи рішення проблеми проектного синтезу ефективних РАД на основі структурно-параметричної оптимізації, декомпозиції та агрегування, поєднання методів уступок по критеріям і релаксації обмежень.

4. Для аналізу електромагнітних, електромеханічних і теплових процесів усталених режимів повині використовуватись проектні ММ, які враховують особливості роботи РАД при полігармонічності напруги живлення та зміни параметрів електричних та теплових заступних схем в процесі регулювання.

5. Розрахунок додаткових магнітних втрат РАД доцільно виконувати згідно удосконаленої методики та розроблених проектних ММ, за рахунок чого досягається уточнення розрахунків енергетичних і теплових показників 512 % у порівнянні зі значеннями, отриманими при використані традиційних методик і ММ. Визначення змін механічних показників РАД у діапазоні регулювання виконується по розробленим системним ММ механічних перевірочних розрахунків. Аналіз магнітних вібрацій і шумів РАД здійснюється по уточненій методиці та розробленим системним ММ, що враховують вплив на віброакустичні показники часових гармонійних складових магнітного поля. Окрім слід розраховувати механічні вібрації та вентиляційний шум.

6. При аналізі динамічних характеристик і показників необхідно використовувати проектні ММ електромагнітних та електромеханічних процесів РАД у неуста-лених режимах, які надають можливість враховувати зміни параметрів напруги живлення, параметрів заступних схем та навантажувального моменту на кожнім кроці інтегрування. Системні ММ для розрахунку енергетичних показників РАД регульованих ЕП у динамічних режимах, в яких з достатньою точністю урахо-вуються усі істотні складові втрат, дозволяють на 812 % уточнити значення ККД та на 1923 % значення коефіцієнта потужності. Використання розроблених проектних ММ теплових процесів у перехідних режимах, у яких враховуються зміни теплових провідностей і втрат у конструктивних частинах двигуна в процесі регулювання, підвищує точність теплових розрахунків і дозволяє оцінити тепловий стан при його роботі в різних режимах у регульованому ЕП.

7. Систематизація технічних вимог, проектних критерієв та обмежень РАД здійсне-на на основі системи показників ефективності загальнопромислових АД. Розроб-лені ММ часткових та узагальнених діапазонних проектних критеріїв, що харак-теризують показники ефективності РАД і ЕП у заданому діапазоні регулювання, і ММ функціональних показників використовуються при проектному синтезі РАД. Виконаний аналіз чутливості проектних критеріїв дозволив встановити степені впливу КЗ на діапазонні проектні критерії.

8. На основі дослідження сепарабельних та квазісепарабельних властивостей цільових функцій реалізовано раціональну функціональну декомпозицію РАД. Оптимізаційне декомпозиційне проектування РАД, виконане із урахуванням сепарабельних і квазісепарабельних властивостей, при практично однаковій точності в порівнянні із недекомпозиційним проектуванням надає істотне зниження витрат обчислювальних ресурсів.

9. Сформовані комплексні ММ для аналізу роботи АД в ЕП з фазовим керуванням, на основі яких здійснюється автоматизований вибір АД для таких ЕП із урахуванням необхідного комплексу технічних, економічних і екологічних вимог.

10. Розроблені комплексні ММ для аналізу роботи АД в ЕП з частотним керуванням інваріантні до різних схемних виконань перетворювачів, видів регулювання та законів частотного керування, що використовуються у них. Вони дозволяють зробити економічно обґрунтований вибір АД для ЕП з частотним керуванням.

11. Застосування розробленого ПЗ для проектування РАД ЕП з частотним керуванням вентиляторних установок змінної продуктивності дозволило зменшити ЗВ витрати двигунів на 2027 % і за рахунок цього ЗВ ЕП на 1421 %. Ефект досягається за рахунок зниження витрат активних матеріалів та підвищення ККД у порівнянні з цими ж показниками серійних АД, що використовуються у таких пристроях.

12. Спроектовано ряд РАД на базі серійних АД, що випускаються Ново-Каховським електромашинобудівним заводом, для визначених діапазону регулювання і зако-ну частотного керування. Спроектовані модифікації спроможні працювати з навантажувальними моментами на 2428 % вище припустимих моментів навантаження серійних двигунів.

13. Впровадження розроблених програмних комплексів у навчальне проектування забезпечує ефективне навчання інженерів-електромеханіків принципам і методам математичного моделювання, автоматизованого вибору і проектного синтезу РАД для систем регульованого ЕП.

Публікації автора:

1. Петрушин В.С. Асинхронные короткозамкнутые двигатели в системах полу-проводникового электропривода: Учеб. пособие – Одесса: ОГПУ, 1997. – 144 с.

2. Петрушин В.С. Особливостi роботи асинхронних електродвигунiв у системах тиристорного привода: Навч. посiбник. – Одесса: ОДПУ, 1997.– 98 с.

3. Петрушин В.С. Особенности работы асинхронных электродвигателей в систе-мах тиристорного привода: Конспект лекций. – Одесса: ОГПУ,-1995. – 47 с.

4. Петрушин В.С. Коэффициент мощности электрических нагрузок в автономных деформированных системах // Изв. ВУЗов "Энергетика". – 1990.– №4.– С. 41 – 43.

5. Петрушин В.С. Исследование коэффициента мощности асинхронного двигателя, работающего в условиях несимметрии // Электромашиностроение и электрооборудование: Респ. межвед. науч.-техн. сб. –1990. – Вып. 44.– С. 48 – 53.

6. Петрушин В.С., Мильсон Цафарасон. Исследование рабочих характеристик асинхронного двигателя при несимметрии питающего напряжения // Электромашиностроение и электрооборудование: Респ. межвед. науч.-техн. сб. – 1991. – Вып. 45. – С. 92 – 95.

7. Петрушин В.С.,Фан Доай Бак. Анализ работы асинхронного двигателя при питании от тиристорного преобразователя напряжения // Электромашиностроение и электрооборудование: Респ. межвед. науч.-техн. сб. –1991. –Вып. 45.–С. 95 – 97.

8. Петрушин В.С., Фан Доай Бак. Исследование рабочих характеристик асинхрон-ного двигателя при параметрическом фазовом управлении в разомкнутой системе электропривода // Электротехника.–1991. – №4. – С. 16 – 18.

9. Петрушин В.С. Коэффициент мощности асинхронного двигателя в деформи-рованных трехфазных системах // Электромашиностроение и электрооборудо-вание: Респ. межвед. науч.-техн. сб.– 1993.– Вып.46.– С. 71– 75.

10. Петрушин В.С., Вильберт Лоуренс. Характеристики асинхронного двигателя в системе электропривода ТПН-АД с обратной связью по частоте вращения // Техническая электродинамика. – 1994. – №2. – С. 74 – 78.

11. Петрушин В.С., Подгорный В.И. Анализ работы АД при питании от тиристорного преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения // Электромашиностроение и электрооборудование: Респ. межвед. науч.-техн. сб.– 1995.– Вып. 47. – С. 69 – 73.

12. Петрушин В.С. Хаpактеpистики АД в частотных элекpопpиводах с различной несимметричностью управления инверторами напряжения // Изв. ВУЗов "Электpомеханика". – 1995. – №3. – С. 49 – 53.

13. Петрушин В.С. Характеристики асинхронного двигателя в частотном электро-приводе при различных законах регулирования // Труды Одесск. политехн. ун-та.– 1996.–Вып.1.– С. 77 – 79.

14. Лысенко С.И., Петрушин В.С., Слободниченко Б.И. Учет изменения параметров схем замещения асинхронных электродвигателей при фазовом регулировании // Електромашинобудування та електрообладнання: Респ. міжвід. наук.- техн. зб.

– 1997. – Вип.49 – С. 48 – 53.

15. Петрушин В.С. Влияние высших гармонических напряжения на характеристики асинхронного двигателя в электроприводе с фазовым управлением // Труды Одесск. политехн. ун-та. – 1997. – Вып.1. – С. 214 – 219.

16. Петрушин В.С., Рябинин С.В. Выбор асинхронных двигателей для систем частотного электропривода // Проблемы автоматизированного привода. Теория и практика: Вестник ХГПУ. Спец. вып. – Харьков, ХГПУ. – 1998. – С. 347 – 349.

17. Петрушин В.С., Рябинин С.В. Регулировочные характеристики асинхронного двигателя при питании от циклоконвертора // Труды Одесск. политехн. ун-та. – 1998. – Вып. 1. – С. 222 –225.

18. Лысенко С.И., Петрушин В.С., Слободниченко Б.И. Математическая модель асинхронного короткозамкнутого двигателя при частотном регулировании // Техническая электpодинамика. Спец. вып. – 1998. – С. 31 – 35.

19. Петрушин В.С., Рябинин С.В., Якимец А.М. Проектирование модификаций асинхронных короткозамкнутых двигателей для систем полупроводникового электропривода // Проблемы автоматизированного привода. Вестник Харьковск. гос. политехн. ун-та. – 1999. – Вып. 61. – С. 196 – 197.

20. Петрушин В.С., Рябинин С.В., Якимец А.М. Анализ потерь и теплового состояния асинхронного двигателя при частотном управлении / Праці Ін-ту електродинаміки НАН України. – Київ: ІЕД НАН України,1999. – Вип.1. – С. 31 – 36.

21. Петрушин В.С., Кельбас Д.Н., Рябинин С.В. Применение программы моделирования PSPICE для анализа работы асинхронного двигателя в полупроводниковом частотном электроприводе // Труды Одесск. политехн. ун-та. – 1999. – Вып.2 (8). – С. 170 – 173.

22. Петрушин В.С. Проектный синтез частотно-регулируемых асинхронных двигате-лей // Вестник Харьковск. гос. политехн. ун-та. – 2000. – Вып. 84. – С. 157 – 160.

23. Петрушин В.С., Рябинин С.В., Якимец А.М. Исследование динамических режимов асинхронных двигателей в регулируемых электроприводах // Вісник Нац. ун-ту «Львівська політехніка». – 2000. – № 403. – С. 142 – 145.

24. Петрушин В.С., Рябинин С.В., Якимец А.М. Расчет температур конструктивных элементов асинхронных двигателей в динамических режимах // Вісник Нац. ун-ту «Львівська політехніка». – 2000. – № 403. – С. 145 – 149.

25. Малахов В.П., Петрушин В.С., Кельбас Д.Н., Рябинин С.В. Модели регулируемых асинхронных электроприводов, использующие программу моделирования PSPICE // Вестник Харьковск. гос. политехн. ун-та. – 2000. – Вып. 113. – С. 105 – 106.

26. Малахов В.П., Петрушин В.С., Кельбас Д.Н., Рябинин С.В. Анализ энергетических показателей частотного электропривода с помощью программы моделирования PSPICE // Вісник Нац. ун-ту «Львівська політехніка». – 2000. – №403. – С. 96 – 101.

27. Малахов В.П., Петрушин В.С., Кельбас Д.Н., Рябинин С.В. Расчет энергетических показателей электродвигателей в приводе ТПН-АД с использованием программы моделирования электронных схем PSPICE // Електpомашинобудування та електрообладнання: Респ. міжвід.наук.-техн. зб. – 2000. – Вип. 54. – С. 26 – 29.

28. Петрушин В.С., Рябинин С.В., Якимец А.М. Анализ потерь и теплового состояния асинхронного двигателя при параметрическом управлении // Технічна електpодинаміка. – 2000. – №.4. – С. 34 – 38.

29. Петрушин В.С., Таньков А.А. Энергетические показатели асинхронного двигателя в частотном электроприводе при различных законах управления // Електpомашинобудування та електрообладнання: Респ. міжвід.наук.-техн. зб. – 2000. – Вип. 55. – С. 71 – 75.

30. Петрушин В.С. Диапазонные критерии оптимальности при проектировании регулируемых асинхронных двигателей // Труды Одесск. политехн. ун-та. – 2001. – Вып.1(13). – С. 81 – 86.

31. Петрушин В.С. Приведенные затраты асинхронных двигателей в частотном электроприводе при различных законах управления // Електpомашинобудування та електрообладнання: Респ. міжвід.наук.-техн. зб. – 2001. – Вип. 56. – С. 51 – 54.

32. Петрушин В.С., Якимец А.М. Моделирование динамических режимов асинхронных двигателей при частотном регулировании // Вестник Нац. техн. ун-та “ХПИ”. – 2001. – Вып. 10. – С. 156 – 157.

33. Пуйло Г.В., Петрушин В.С. Декомпозиция в задачах оптимального проектного синтеза регулируемых асинхронных двигателей // Вiсник Нац. техн. ун-ту “ХПI”. – 2001. – Вип. 16. – С. 134 – 137.

34. Петрушин В.С., Якимец А.М. Исследование энергетических показателей асинхронных двигателей в динамических режимах при параметрическом управлении // Технічна електpодинаміка. – 2001. – №5. – С. 50 – 52.

35. Петрушин В.С., Рябинин С.В., Якимец А.М. Программный продукт “DIMASDrive”. Программа анализа работы, выбора и проектирования асинхронных короткозамкнутых двигателей систем регулируемого электропривода (свидетельство о регистрации программы ПА №4065). – Киев: Министерство образования и науки Украины, Государственный департамент интеллектуальной собственности, 26.03.2001.

36. Петрушин В.С. Работа асинхронного двигателя при питании от тиристорного преобразователя напряжения // Тезисы докл. У1 нац. науч.-техн. конф. "Регулируемые электрические машины". - НРБ. - 1990. – С. 22-23.

37. Петрушин В.С. Определение регулировочных характеристик асинхронного двигателя в системах электропривода ТПН-АД // Тезисы докл. науч.-техн. конф. “Проблемы внедрения и технической эксплуатации тиристорных устройств в судовых и береговых установках”. – Одесса. - 1993. – С. 29.

38. Петрушин В.С., Вильберт Лоуренс. Работа асинхронного двигателя в системах электропривода с параметрическим фазовым управлением // Тезисы докл. науч.-техн. конф. “Проблемы внедрения и технической эксплуатации тиристорных устройств в судовых и береговых установках”. – Одесса. - 1993. – С. 30.

39. Петрушин В.С., Специальный А.В. Работа АД в электроприводе с непосредственным преобразователем частоты // Труды 17-го междунар. симпоз. – Том 3. – Зелена Гура, ПНР. – 1995. – С. 116-120.

40. Петрушин В.С., Специальный А.В. Анализ работы АД в электроприводе с НПЧ // Проблемы автоматизированного привода. Теория и практика. Труды науч.-техн. конф. – Крым, Алушта. – 1995. – С. 88 – 90.

41. Петрушин В.С. Анализ на основе математических моделей электромагнитной совместимости преобразователей и асинхронных двигателей // Тезисы докл. междунар. конф. "Математическое моделирование в электротехнике, электронике и электроэнергетике". – Львов. – 1995. – С. 82-83.

42. Петрушин В.С. Об учебной дисциплине – Асинхронные двигатели в тиристорном электроприводе // Тезисы докл. науч.-техн. конф. – Кишинев. – 1996. – С. 279-280.

43. Петрушин В.С. Влияние высших гармонических напряжения на характеристики асинхронного двигателя в частотном электроприводе // Тезисы докл. науч.-техн. конф.– Кишинев. – 1996. – С. 281-286.

44. Петрушин В.С. Анализ работы асинхронного двигателя в частотно-регулируемом электроприводе с импульсным управлением // Електромеханіка. Теорія і практика. Праці конф. – Львів. – 1996. – С. 149-151.

45. Пуйло Г.В., Петрушин В.С., Якимец А.М. Автоматизированное проектирование регулируемых асинхронных двигателей // Матеріали міжнародної конференції з управління “АВТОМАТИКА – 2001”. – Одеса. – 2001. – С. 173-174.

46. Petrouchin V.S. Facteur de puissance des consommateurs electriques dans des systemes autonomes deformens // MODELLING, MEASUREMENT & CONTROLA. - LION (FRANCE). - 1994. - Vol. 63, N3. – С. 1 – 6.

47. Petrouchin V.S. Analyse du travail d`un moteur asynchrone dans les sys temes de commande electrique avec command par dephasage paramet-rique // MODELLING, MEASUREMENT & CONTROLA. - LION (FRANCE). -1994. -Vol.63,N3. –С. 1– 6.

48. Petrouchin V.S. Mathematical model of nonsynchronised frequencial electricale drive // International conference CCM'98. – Lyon (FRANCE). – 1998. – С. 13.5 – 13.7.

49. Petrouchin V.S., Ryabinin S.V. Induction motor in frequencial electrical drive. Work analysis. Selection. Design // International conference CCM'98. – Lyon (FRANCE). – 1998. – С. 13.7 – 13.9.