автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Асинхронный электропривод управляемых многодвигательных систем

Введение б

1.Особенности большегрузных многоопорных транспортных средств

1.1. Конструктивные особенности большегрузных МТС

1.2. Тяговый привод большегрузных МТС

1.3. Влияние скоростных и тяговых свойств пневмоколесного транспортного средства на требуемые характеристики тягового электропривода

1.3.1. Прямолинейное движение транспортного средства

1.3.2. Криволинейное движение транспортного средства

1.3.3. Изменение скоростного режима МТС'

1.4. Требования, предъявляемые к тяговому приводу МТС

1.5. Электромеханическая трансмиссия МТС

1.6. Частотно-каскадный электропривод МТС

1.7. Цели и задачи исследования

1.8. Выводы по первой главе 38 2.Анализ установившихся режимов асинхронного электродвигателя при частотно-каскадном регулировании 39 2 1. Исходные уравнения и основные допущения 40 2.2. Выбор системы координат

2.3. Уравнения АДФ при частотно-каскадном управлении в системе ортогональных подвижных самоориентирующихся координат

2.4. Установившийся режим АДФ при частотно-каскадном управлении

2.5. Схема замещения АДФ при частотно-каскадном управлении

2.6. Эквивалентная схема ЦВТР при частотно-каскадном управлении

2.7. Выводы по второй главе

3.Автоматическое управление частотно-каскадным электроприводом

3.1. Электродвигатель при частотно-каскадном управлении как объект автоматического регулирования

3.2. Динамика разомкнутой системы частотно-каскадного электропривода при типовых входных и возмущающих воздействиях

3.3. Система стабилизации частоты вращения

3-4. Астатическая система управления частотно-каскадным электроприводом

3.5. Синтез системы автоматического управления частотно-каскадным электроприводом 7 9 3.5.1. Система управления движением частотно-каскадного электропривода.

3.6. Выводы по третьей главе

4.Идентификация параметров электродвигателя при частотно-каскадном управлении

4.1. Идентификация параметров частотнокаскадного электропривода

4.1.1. Оценка точности способа параметрической идентификации

4.1.2. Способ идентификации параметров электродвигателя

4.2. Идентификация параметров электродвигателя в замкнутой системе регулирования

4.3. Выводы по четвертой главе 104 5.Экспериментальное исследование частотнокаскадного электропривода

5.1. Описание экспериментальной установки.

5.1.1. Схема силовой части экспериментальной установки

5.1.2. Метрологическое обеспечение

5.1.3. Схема управления экспериментальной установкой

5.2. Порядок проведения эксперимента

5.3. Экспериментальное исследование двух-двигательной системы электропривода

5.4. Экспериментальное исследование статических и регулировочных свойств частотно-каскадного электропривода

5.4.1. Определение параметров электродвигателя

5.4.2. Экспериментальное исследование энергопреобразующих свойств частотно-каскадного электропривода

5.4.3. Исследование статических характеристик и регулировочных возможностей АДФ при частотно-каскадном регулировании ^

5.4.4. Экспериментальная проверка способа идентификации параметров эквивалентной схемы ЦВТР

5.5. Исследование замкнутой системы автоматического управления частотно-каскадным электроприводом

5.6. Выводы по пятой главе 14 9 Основные результаты и выводы по работе 150 Список литературы 151 Приложения

П.1 Справки об использовании результатов диссертационной работы

Актуальность темы: Научно-технический прогресс невозможен без применения регулируемого электропривода. Поэтому для проектируемых в настоящее время промышленных установок, транспортных средств, механизмов непрерывных технологий и т.д. характерны увеличение количества электродвигателей одной рабочей машины, усложнение функций, выполняемых электроприводом, а также взаимосвязь этих функций в едином цикле работы.

Среди многообразия многодвигательных систем электропривода важнейшее место занимают следящие системы, воспроизводящие заданную траекторию движения рабочего органа в плоскости (двумерные системы) или в пространстве (трехмерные системы). Характерным примером этого класса систем служат следящие системы многодвигательного электропривода копировально-фрезерных станков, сварочных и газорезательных машин, а также системы тягового электропривода (ТЭП) пневмоколесных транспортных средств (ТС) (бортовой разворот, маневрирование, специальные виды перемещений). При этом значительная часть производственных механизмов требует реализации в многодвигательной системе электропривода заданного, постоянного или переменного соотношения частот вращения (скоростей) электродвигателей. К этой группе относятся электроприводы бумагоделательных машин, ряд прокатных станов, электроприводы металлорежущих станков (обработка конических поверхностей), системы ТЭП пневмоколесных" ТС обеспечение устойчивости криволинейного движения) .

Другая часть многодвигательных систем требует обеспечения синхронности частот вращения отдельных электродвигателей с перераспределением моментов (электрический вал). Эта задача актуальна для многодвигательных механизмов шлюзов (исключение перекосов) , разводных мостов (обеспечение синхронности движения створок моста), ТЭП пневмоколесных ТС (обеспечение повышенной проходимости ТС) и т. д.

Таким образом, разработка, систем автоматического управления многодвигательным электроприводом с целью формирования требуемых характеристик является важной и актуальной задачей. При этом одной из наиболее сложных систем многодвигательного электропривода является ТЭП пневмоколесных ТС, требования к которому существенно возрастают с увеличением количества ведущих пневмоколес. Поэтому рассмотрение управляемых многодвигательных систем электропривода целесообразно осуществить на примере ТЭП многоопорных ТС (МТС).

Работа выполнена в рамках госбюджетной НИР кафедры автоматизации технологических процессов Воронежского государственного архитектурно-строительного университета «Функционально ориентированные системы управления технологическими процессами и оборудованием строительства и стройинду-стрии».

Цель диссертационной работы: Разработка систем автоматического управления многодвигательными системами с заданными статическими и динамическими свойствами на примере тягового частотно-каскадного электропривода многоопорного транспортного средства.

Поста пленная цель предусматривает решение следуххцрос задач:

- Разработать инженерный подход для исследования процесса электромеханического преобразования энергии в частотно-каскадном электроприводе.

- Уточнить зависимость параметров эквивалентной схемы цепи выпрямленного тока ротора (ЦВТР) от частоты статорного напряжения.

- Получить динамическую модель асинхронного двигателя с фазным ротором (АДФ) при частотно-каскадном управлении, пригодную для синтеза системы автоматического управления.

- Выявить требования, предъявляемые к тяговым характеристикам ТС.

- Обосновать требования, предъявляемые к показателям качества регулирования системы тягового электропривода ТС.

- Разработать способ синтеза системы автоматического управления тяговым электроприводом, реализующий заданные показатели статического и динамического качества регулирования.

Методы исследований

Экспериментально-аналитические исследования процессов, взаимосвязей и закономерностей в многодвигательной системе электропривода осуществлены с использованием основных положений и методов теории электропривода, линейных и нелинейных электрических цепей, автоматического управления и математического моделирования.

Научная новизна

В диссертации получены следующие результаты, Ф имеющие научную новизну:

- Установлены аналитические зависимости, определяющие функциональную взаимосвязь между параметрами Т-образной схемы замещения асинхронного двигателя и параметрами эквивалентной схемы цепи выпрямленного тока ротора, отличающуюся от известных учетом перераспределения активных потерь в функции частоты напряжения на статоре.

Предложены зависимости для расчета основных статических характеристик асинхронного двигателя при частотно-каскадном управлении, отличающиеся от известных учетом перераспределения активных потерь в .функции частоты напряжения на статоре.

Предложена динамическая математическая модель асинхронного двигателя в системе управляемого частотно-каскадного электропривода, отличающаяся от известных учетом установленной функциональной взаимосвязи параметров схемы замещения и эквивалентной схемы цепи выпрямленного ока ротора.

Предложена структура управляемого частотно-каскадного электропривода, разработанная в рамках метода синтеза, отличающегося от известного разделением • электромагнитного и электромеханического движений привода.

Впервые установлены аналитические зависимости для непрерывной параметрической идентификации параметров эквивалентной схемы цепи выпрямленного тока ротора при импульсном регулировании скольжения.

Практическая значимость работы

Результаты работы создают основу для технической реализации многодвигательного электропривода, обеспечивающего требуемое соотношение частот вращения. При этом обеспечивается синхронность и идентичность переходных процессов электродвигателей многодвигательной системы.

Предложен алгоритм управления частотно-каскадным электроприводом обеспечивающий реализацию заданного движения в системе.

Предложен алгоритм непрерывной идентификации эквивалентных параметров цепи выпрямленного тока ротора при импульсном регулировании скольжения.

Разработан и изготовлен действующий макет многодвигательного электропривода и системы микропроцессорного управления.

Основные положения, выносимые на Заидету

Функциональная взаимосвязь параметров Т-образной схемы замещения АДФ с эквивалентными параметрами ЦВТР.

Уточненные зависимости для расчета основных статических характеристик асинхронного двигателя при частотно-каскадном управлении.

Динамическая математическая модель асинхронного двигателя с фазным ротором при частотно-каскадном управлении.

Структура управляемого частотно-каскадного электропривода.

Функциональная взаимосвязь между измеряемыми координатами асинхронного двигателя и параметрами эквивалентной схемы цепи выпрямленного тока ротора.

Реализация результатов работы

Результаты диссертационной работы использованы при выполнении грантов и научно технических программ, а именно:

- Грант «Разработка основ теории тяговых электроприводов большегрузных автотранспортных средств» (1996 г.)

- Грант в области энергетики и электромеханики «Энергосберегающий многодвигательный асинхронный электропривод тяговых систем пневмоколесного транспорта» (1998 - 2000 гг.)

- НТП «Научные исследования высшей школы в области транспорта» «Асинхронный электропривод многодвигательных тяговых систем пневмоколесного транспорта» (2000 г.)

- НТП «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» «Разработка объектно-ориентированных систем автоматического управления технологическим оборудованием строительной отрасли» (2003 г.)

По материалам разработанных положений получен патент РФ № 2187194 «Устройство для управления скольжением асинхронного двигателя с фазным ротором». Приоритет от 22 января 2001 г.

Полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 210200 «Автоматизация технологических процессов» в Еоронежском государственном архитектурностроительном университете.

Результаты диссертационной работы использованы АООТ «ВЗПП» при проведении перспективных разработок в области моделирования и оптимизации интегральных схем управления электроприводом на базе интеллектуальной силовой электроники для современных систем управления многодвигательными электроприводами технологического назначения.

Апробация результатов работы

Основные положения диссертационной работы были доложены, обсуждались и получили одобрение на международной конференции «100 лет Российскому автомобилю. Промышленность и высшая школа» (Москва 1996 г) ; на международном симпозиуме «Проблемы развития отечественного автотракторостроения и подготовки кадров» (Москва 2000г); на межвузовской научно-технической конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (г. Воронеж, 2001 г.); на ежегодных научных конференциях и семинарах кафедры автоматизации технологических процессов Воронежского государственного архитектурно-строительного университета (Воронеж 1996 - 2003);

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов по работе, изложенных на 160 страницах машинописного текста, иллюстрированного 5 таблицами и 53 рисунками, списка литературы, включающего 77 наименований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

В теоретических и экспериментальных исследованиях, проведенных в диссертационной работе, получены следующие основные результаты:

Установлены аналитические зависимости, определяющие функциональную взаимосвязь между параметрами Т-образной схемы замещения асинхронного двигателя и параметрами эквивалентной схемы цепи выпрямленного тока ротора, отличающуюся от известных учетом перераспределения активных потерь в функции частоты напряжения на статоре.

Предложены зависимости для расчета основных статических характеристик асинхронного двигателя при частотно-каскадном управлении, отличающиеся от известных учетом перераспределения активных потерь в функции частоты напряжения на статоре.

Предложена динамическая математическая модель асинхронного двигателя в системе управляемого частотно-каскадного электропривода, отличающаяся ст известных учетом установленной функциональной взаимосвязи параметров схемы замещения и эквивалентной схемы цепи выпрямленного тока ротора.

Предложена структура управляемого частотно-каскадного электропривода, разработанная в рамках метода синтеза, отличающегося от известного разделением электромагнитного и электромеханического движений.

Получены аналитические зависимости для непрерывной параметрической идентификации параметров эквивалентной схемы цепи выпрямленного тока ротора.

Экспериментально подтверждена правомерность полученных результатов.

1. Транспортирование крупногабаритного тяжеловесного оборудования/ В.М. Орлов, JI.B. Гришаков, Н.С. Акимушкин и др. М., ЦНТИ Минмонтажспецст-роя, 1985. -32 с.

2. Сергеев В.А., Корнилов П.Ю. Зарубежные транспортные средства для перевозки крупногабаритных тяжеловесных грузов. М. : ЦНИИТЭИавтопром, 1998. -42с.

3. Фирменный каталог итальянской фирмы Комет-то. Передовые системы транспортировки.

4. Модульный транспортер НИКОЛЯ// За рулем. -1987. -№3. -с26.

5. Кагно П. Дорожно-транспортное средство для транспортировки космических кораблей многоразового использования. RTV-SKF, Turin.

6. Модуль наиболее прогрессивная система транспортировки, признанная в 80 странах./ Пер. материалов фирмы Кометто, 1984.

7. Самоходные и не самоходные модули композиционных большегрузных автотранспортных средств. ./ Пер. материалов фирмы Кометто, 1984.

8. Серия самоходных машин «ОТОМА» ASR-12, ASR-19 ASR-25 фирмы НИКОЛАС/ Пер. материалов фирмы НИКОЛАС, 1982.

9. Транспортирование крупногабаритного тяжеловесного оборудования/ В.М. Орлов, Л.В. Гришаков, Н.С. Акимушкин и др. -М., ЦНТИ Минмонтажспецст-роя, 1985. -32с.

10. Ю.Аксенов П. В. Многоосные автомобили. М. : Машиностроение, 1989. -280 с.

11. И.Петленко Б. И., Волков В. Д. Электронные системы управления большегрузных автотранспортных средств: Уч. пособие. -М. : МАДИ, 1989. -75 с.

12. Погарский H.A., Степанов А.Д. Универсальные трансмиссии пневмоколесных машин првыенной единичной мощности. -М.: Машиностроение, 1976. -224с.

13. Волков В.Д. Исследование совместной работы системы «певмоколесный движитель тяговый элек-тропивод» // Исследование и расчет строительных и дорожных машин. -Воронеж, 1975. вып. 2. с 3343.

14. Электрические машины в тяговом автономном электроприводе/ Под ред. А.П. Пролыгина -М.: Энергия, 1979. -240с.

15. A.C. № 983961 СССР. Многодвигательный электропривод/ H.A. Ульянов, В.Д. Волков// -Б.И. -1982. -№ 47.

16. Электрические трансмиссии пневмоколесных транспортных средств/ И.С. Ефремов, А.П. Пролыгин, Ю.Н. Андреев, A.B. Миндлин. М. : Энергия , 1976. -с. 225.

17. Антонов A.C. Силовые передачи колесных и гусеничных машин: Теория и расчет. Л.: Машиностроение, 1975. -с.480.

18. Ульянов H.A. Колесные движители строительных и дорожных машин: Теория и расчет. -М. : Машиностроение, 1982. -240с.

19. Никулин П.И. Теория криволинейного движения колесного движителя. -Воронеж, ВГУ, 1992. -212 с.

20. Петленко Б.И., Волков В.Д. Моделирование движения многоопорной транспортной платформы при повороте// Электроника и автоматическое управление в автотранспортном комплексе: Сб. науч. тр./ МАДИ. -М., 1989. -с.30-37.

21. Митин В.В. Мотор-колесный электропривод многоопорного транспортного средствах Дис. канд. техн. наук. -Москва, 1997. -213с.

22. Митин В.В. Мотор-колесный электропривод многоопорного транспортного средствах Автореферат дис. . канд. техн. наук -Москва, 1997. -213с.

23. Петленко Б.И., Волков В.Д. Электромагнитные процессы в тяговом электродвигателе с фазным ротором в частотно-каскадной схеме регулирования// Материалы I Международной конф. по электромеханике и электротехнологии (МКЭЭ-94) 4.II. -Суздаль, 1994,с.117.

24. Волков В.Д., Петленко Б.И. Характеристики двигателя в каскадной схеме с частотным регулированием/ Электричество № 2, 1995, с. 42 46.

25. Волков В.Д., Белкина Е.В. Новая схема электропривода для многодвигательных электромеханических систем / Сб. докладов международной конференции «Нетрадиционные электромеханические и электротехнические системы» Севастополь, 1995 , с. 379 - 386.

26. А.В. Смольянинов. Управляемый тяговый электропривод многоопорных транспортных средств. // Электротехнические комплексы и системы управления. сб. науч. тр., Воронеж: ВГТУ, 2003. -с. 113-117.

27. Волков В.Д. Коэффициент мощности асинхронного двигателя в частотно-каскадной схеме регулирования/ Вестник УГТУ 4.2. Екатеринбург, Издво УГТУ, 1996, с. 99-103.

28. Волков В.Д. Расчет коэффициента мощности асинхронного двигателя в тяговом электроприводе переменного тока \ Сб. научн. тр. -Воронеж: Изд-во ВГАСА, 1996.

29. Петленко Б.И., Волков В.Д., Митин В.В. Алгоритм управления асинхронно-вентильным электроприводом многоопорного транспортного средства/ Межвуз. сб. научн. тр. -М. : МГААТМ, 1997 с. 813.

30. В.Д. Волков, A.B. Смольянинов Экспериментальное исследование энергетических характеристик частотно-каскадного электропривода// Межвуз. сб. научн. тр. -М. : МГААТМ (МАМИ), 1997. -с 8-12.

31. В.Д. Волков, A.B. Смольянинов, В.В. Митин. Технико-экономическая оценка асинхронных многодвигательных систем с частотным управлением.// Межвуз. сб. науч. тр. -М. : МГААТМ (МАМИ), 1997, -с. 88-91

32. Волков В.Д. Автоматизированный тяговый электропривод переменного тока для самоходных землеройно-транспортных машин: Дис. канд. техн. наук. -Воронеж, 1986. -344с.

33. Волков В.Д. Основы теории частотно-каскадного электропривода: Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук.

34. Сандлер A.C., Сарбатов P.C. Автоматическое частотное управление электроприводами. -М. : Энергия, 1974. с. 328.

35. Онищенко Г.В., Локтева И.Л. Асинхронные вентильные каскады и двигатели двойного питания. -М.: Энергия, 1979. -200с.

36. Сандлер A.C., Тарасенко Л.М. Динамика каскадных асинхронных электроприводов. М. : Энергия, 1977. -200с.

37. Костенко М.П. Электрические машины. М. -Л.: Госэнергоиздат, 1944. 816 с.47 . Иванов-Смоленский A.B. Электрические машины. М. : Энергия, 1980

38. Сипайлов Г.А., Кононенко Е.В., Хорьков Е.А. Электрические машины (специальный курс). -М.: Высшая школа, 1987

39. Krön G. Application of Tensors to the Analysis of Rotating Electrical Machinery. GER, Schenectady, 1942

40. Горев A.A. Основные уравнения неустановившегося режима синхронной машины: Труды ЛИИ, №5, 1936

41. Иосифьян А.Г. О линейных преобразованиях токов электрических машин: Бюлл. ВЭИ, №8, 1940

42. Stanley Н.С. An Analysis of the Induction Machine. AIEE Transactiens, V.57, 1938.

43. Янко-Триницкий A.A. Уравнения переходных процессов асинхронного двигателя и их решение // Электричество -№3, 1950

44. Ковач К.П. Рац И. Переходные процессы в машинах переменного тока. -М. -Л.: Госэнергоиздат, 1963

45. Трещев И.И. Исследование машин переменноготока при переменной скорости вращения. // Электричество. -№2, 1967

46. Трещев И.И. Методы исследования электромагнитных процессов в машинах переменного тока. -J1.: Энергия, 1969. 235с.

47. Иванов-Смоленский A.B. Влияние скорости изменения скольжения на момент асинхронной машины. // Электричество. -№б, 1950

48. Казаковский Е.Я. Переходные процессы в электрических машинах переменного тока. -М. -Л. : Изд-во АН СССР, 1962

49. Мамикоянц Л. Г. Токи и моменты асинхронных и синхронных машин при изменении скорости их вращения. // Электричество -№8, 1958

50. Горев A.A. Переходные процессы синхронной машины. -М. -Л.: Госэнергоиздат, 1950

51. Иосифян А.Г. Теория преобразований дифференциальных уравнений синхронной машины. : Докл. АнССР. -Т. VII. -№3, 1947

52. Горушкин В.И. Линейные преобразования координат в теории электромашин и матричное исчисление. : Изв. АнССР, Отд. техн. наук. —№4, 1948

53. Кривицкий С.О., Эпштейн И.И. Динамика частотно-регулируемых электроприводов с автономными инверторами. -М.: Энергия, 1975

54. Костенко М.П. Работа многофазного асинхронного двигателя при переменном числе периодов. // Электричество -№2, 1925

55. Булгаков A.A. Частотное управление асинхронными двигателями. М.: Изд-во АН СССР, 1955

56. Онищенко Г.Б., Юньков М.П. Электропривод турбомеханизмов. -М.: Энергия, 1972

57. Бутаев Ф.И., Эттингер E.JI. Вентильный электропривод. -М.: Госэнергоиздат, 1951

58. Кулик Ю.А. Электрические машины. Учеб. Пособие для втузов. -М.: «Высш. школа», 1971. 456с.

59. Поссе A.B. Эквивалентные параметры вентильного преобразователя при линейном изменении угла регулирования. // Электричество -№5, 197 4

60. Литвин-Седой М.З., Саввин А.Б. О синтезе систем автоматического регулирования второго порядка с ограниченными переходными процессами. Вестник московского университета. -№5, 1961

61. Ван-Трис Г. Синтез оптимальных нелинейныхсистем управления.: Изд-во «Мир», 1964

62. Бойчук Л.М. Метод структурного синтеза нелинейных систем автоматического управления. -М. : «Энергия», 1971

63. Электротехнический справочник: в 3-х т. * Т.2. Электротехнические изделия и устройства/

64. Под общ. ред. Профессоров МЭИ (гл. ред. И.Н. Орлов) и др. 7-е изд., испр. и доп. -М.: Энерго-атомиздат, 1986 - 712 е.: ил.использовании результатов диссертационной работы1. Утверждаюгенерального директора

65. СПРАВКА об использовании результатов диссертационной работы

66. Смольянинова A.B. «Асинхронный электропривод управляемых многодвигательных систем»

67. Руководитель отдела систем управления, к.т.11. В.И.Бойко1. Утверждаю1. СГУ. ы И шоб использовании в учебном процессе результатов диссертационной работы Смольянинова A.B. "Асинхронный электропривод управляемыхмногодвигательных систем"