автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Асинхронный трехфазно-однофазный электропривод с тиристорным управлением.

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

Шуруб Юрій Вікторович /ШіСууо

УДК 62-83:621.313.33

АСИНХРОННИЙ ТРИФАЗНО-ОДНОФАЗНИЙ ЕЛЕКТРОПРИВОД З ТИРИСТОРНИМ КЕРУВАННЯМ

Спеціальність 05.09.03 - електротехнічні комплекси та системи

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ 2001

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у відділі електромеханічних систем Інституту електродинаміки НАН України.

’ Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Бойтех Олександр Арсенійович, провідний науковий співробітник Інституту електродинаміки НАН України.

Офіційні опоненти: . .

- доктор технічних наук, професор Повстень Віктор Олександрович,

професор кафедри електротехніки Національного авіаційного університету Міносвіти і науки України; '

- кандидат технічних наук, доцент Мамалига Володимир Михайлович, доцент кафедри енергоресурсозбереження Промислової академії Держкомітету промислової політики України.

Провідна установа - Національний технічний університет України “КПІ” Міносвіти і науки України, кафедра електроприводу та автоматизації промислових установок.

Захист дисертації відбудеться “ 2001 р. о Ґ9с •

годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.187.01 в Інституті електродинаміки НАН України за адресою: 03680, м.Київ-57, проспект Перемоги, 56, тел.446-91-15.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту електродинаміки НАН України (03680,' м.Київ-57, проспект Перемоги, 56).

. Автореферат розіслано “ 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. Трифазні асинхронні двигуни (АД) з короткозамкненим роторбм малої потужності знаходять масове застосування в різних галузях промисловості і сільського господарства завдяки високій надійності, простоті обслуговування, малій ціні. Ускладнювання технологічних вимог з боку виробничих механізмів та не.обхідність вирішення соціально-економічних проблем обумовлюють проблему більш широкого застосування регульованого асинхронного електроприводу (ЕП), підвищення якості технологічних процесів без значних втрат енергетичних та матеріальних ресурсів. Врахування всіх протиріч і вимог при створенні оптимальної електромеханічної системи - дуже складне і в більшості випадків невирішене питання. Тому задача максимального пристосування АД до вимог конкретного приводу розв’язується методом синтезу систем ЕП з врахуванням заданих показників якості регулювання і найбільш простих схемотехнічних рішень на доступній елементній базі. При цьому безперечним фактором ефективності в умовах ринкової економіки перехідного періоду є мінімальний термін окупності витрат на регульований ЕП.

Актуальність теми. Одним із шляхів розширення межі застосування регульованих асинхронних ЕП малої потужності у сфері аграрного виробництва та житлово-комунального господарства, враховуючи існуючу систему електроживлення та невисоку якість електроенергії в цих галузях, є застосування нетрадиційних трифазно-однофазних ЕП - включення обмоток статора трифазного АД з конденсатором на однофазну мережу живлення через однофазний тиристорний перетворювач напруги (ОТПН). Така система ЕП, маючи переваги асинхронного конденсаторного двигуна (АКД) в напрямі енергетичних характеристик, при деяких умовах забезпечує прийнятні регулювальні характеристики ЕП. Більш прості і дешевші ЕП по системі ОТГІН-АКД відповідають вимогам значного числа споживачів, для яких можливості ЕІІ з перетворювачами частоти були б надмірними.

Разом з тим, через підвищені втрати енергії існують обмеження для застосування системи ОТПН-АКД. Оптимальні рішення можуть бути тільки при комплексному дослідженні ЕП з врахуванням параметрів АД, напруги живлення та навантаження. Особливої уваги потребують механізми з вентиляторним моментом опору, на долю яких припадає до 60% встановленої потужності двигунів.

Незважаючи на чисельні публікації, що відображають накопичений досвід багаторічних досліджень як несиметричних режимів асинхронних двигунів, так і систем тиристорного електроприводу з фазовим керуванням, залишаються невирішеними ряд наукових, технічних і економічних питань. Зокрема, при дослідженнях трифазно-однофазних ЕП енергетичні та.

регулювальні характеристики АД з конденсатором при тиристорному керуванні були вивчені недостатньо, а питання оптимізації параметрів елементів ЕП та синтезу схемних рішень при регулюванні швидкості та моменту не досліджувались. Ці проблеми розглядаються в дисертаційній роботі. •

Зв'язок роботи з науковим» програмам», планами, темами. Представлена дисертація с результатом виконання НДР з науково-технічної тематики Інституту електродинаміки НАНУ: тема “Електромашина 4М”, 2000, №ГР0100и004682, де автором . проведені розрахунки енергетичник характеристик та досліджені оптимальні режими та параметри трифазно-однофазних електроприводів з тиристорним керуванням при змінних навантаженнях; “Гама-П”, 2000, №ГР0198Ш07306, де автором проведено математичне моделювання та дослідження електромагнітних процесів в асинхронному електроприводі малої потужності з тиристорним керуванням та впроваджено нові ’ схемо-технічні рішення регульованого трифазно-однофазного електроприводу вісьових вентиляторів, виконаними у відповідності з Постановою Президії НАН України, а також проекту №4.97.257 державного замовлення Кабінету міністрів України №15870/10 від 07.08.98 по програмі «Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології», де автором виконано дослідження АД в умовах критичних режимів роботи.

Мета і задачі наукових досліджень. Метою дисертації є розробка методів підвищення ефективності та якості роботи асинхронних трифазно-однофазних електроприводів з тиристорним керуванням на основі удосконалених математичних моделей шляхом синтезу схемо-технічних рішень та оптимізації параметрів силових елементів.

В дисертаційній роботі вирішувалися наступні задачі:

- аналіз і класифікація існуючих схемотехнічних рішень регульованих ЕП малої потужності;

- побудова узагальнених математичних моделей для спільного порівняльного аналізу найбільш перспективних схем системи ОТПН-АКД, що дозволяють проводити як попередні (пошукові) дослідження для синтезу ЕП, так і точні розрахунки з урахуванням впливу несиметрії та несинусоїдальності струмів та напруг на процеси в системі;

- комплексне дослідження квазіусталених та динамічних режимів трифазно-однофазних електроприводів за системою ОТПН-АКД, що дозволяють оцінити вплив параметрів елементів системи на енергетичні, регулювальні та динамічні характеристики ЕП, визначити раціональні області застосування кожного розглядаємого схемо-технічного рішення;

- розробка та дослідження методів покращення енергетичних показників системи ОТПН-АКД при роботі механізмів із змінним навантаженням;

- дослідження можливостей підвищення якості перетворюваної енергії та вибір оптимального за техніко-економічними показниками способу покращення гармонічного складу струмів та напруг в трифазно-однофазному асинхронному ЕП малої потужності;

- розробка рекомендацій по вибору параметрів та схемотехнічних рішень ЕП за системою ОТПН-АКД за заданою механічною характеристикою та відомою довготривалістю включення.

Об'єкт дослідження в роботі - система, яка включає в себе однофазний тиристорний перетворювач напруги, трифазний асинхронний двигун з конденсатором та виконавчий механізм, функціональні можливості якої реалізуються за двома основними напрямками: регулювання швидкості обертання в обмеженому діапазоні та мінімізація втрат потужності при змінному навантаженні.

Предмет дослідження в роботі - механічні, регулювальні та енергетичні характеристики трифазно-однофазного електроприводу з тиристорним керуванням.

Методи дослідження. Задачі, що поставлені в роботі, вирішувались за допомогою метода числового інтегрування диференційних рівнянь асинхронної машини, метода перемикаючих' функцій, що враховує дискретність перетворювача, метода симетричних складових для попереднього аналізу та вибору параметрів елементів електроприводу, експериментальних досліджень на фізичних моделях та натурних зразках.

Наукова новизна одержаних результатів: (

- отримали подальший розвиток теоретичні дослідження трифазно-однофазного асинхронного електроприводу як одного з варіантів техніко-економічного вирішення проблеми енерго-ресурсозбереження;

- вперше побудована узагальнена математична модель трифазно-однофазного асинхронного електроприводу з тиристорним фазовим керуванням для аналізу перспективних схем вмикання трифазного асинхронного двигуна з фазозсуваючим конденсатором та ОТПН в однофазну мережу, що враховує вплив ЕРС обертання, несинусоїдальність та несиметрію струмів і напруг, та отримані співвідношення, що зв'язують змінні стану АД в координатах статора а,(3,0 з параметрами зовнішнього кола двигуна; •

- визначена раніше невідома область оптимальних співвідношень реактивних параметрів асинхронного двигуна та "фазозсуваючого конденсатора, в якій середній ККД електроприводу за робочий цикл має максимум при заданих коефіцієнті несимегрії напруг та діапазоні зміни ковзання за умови забезпечення статичної стійкості та допустимих втрат потужності;

- запропоновано новий засіб запобігання режиму автоколивань в розімкнутій системі ОТПН-АКД шляхом параметричного синтезу силової електричної та механічної частин електроприводу та визначена межа стійкої

роботи в площині параметрів додаткового опору статора та сумарного моменту інерції; .

- удосконалено метод комбінованого керування в системі ОТПН-АКД на основі схемних перемикань обмоток статора, фазозсуваючого конденсатора і ОТІ1Н, що об'єднує у собі плавний (фазовий) та дискретний (релейний) засоби , •регулювання напруги в залежності від заданих діапазонів зміни швидкості та моменту.

Практичне значення одержаних результатів полягає в отриманні науково обгрунтованих схемотехнічних рішень трифазно-однофазного електроприводу (структура, схеми, параметри) з тиристорним керуванням як одного з варіантів енерго-ресурсозбереження в асинхронному електроприводі малої потужності. Розроблені математичні моделі і методики розрахунку параметрів та характеристик асинхронних електроприводів" використовуються при створенні засобів малої механізації з вентиляторним моментом опору (в тому числі - з постійною складовою) в галузях агропромислового комплексу та житлово-комунальній сфері. Зокрема, результати дослідження знайшли практичне використання в AT "СКБ Укрелектромаш" (м.Харків) при розробці трифазно-однофазних ЕП вісьових вентиляторів для тваринницьких ферм. Результати досліджень використовуються в ІМЕСГ УААН при обгрунтуванні створення нових машин для фермерських господарств.

Особистий внесок здобувана полягає в побудові узагальнених математичних моделей трифазно-однофазного ЕП з тиристорним керуванням, виборі параметрів елементів електроприводу, розрахунку механічних, регулювальних і енергетичних характеристик та порівняльному аналізі силових схем системи ОТПН-АКД в залежності від характеру навантаження та заданого діапазону регулювання, синтезі способів керування та побудові структур ЕП, що їх реалізують. Роботи [2,3,5,7] написані особисто. В працях, опублікованих в співавторстві, особисто здобувачу належать: розрахунок

механічних характеристик [1], методика вибору оптимальних співвідношень реактивних параметрів АД та фазозсуваючого конденсатора [4], результати математичного моделювання [6].

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати роботи доповідалися і обговорювалися на: Міжнародній науково-практичній конференції "Ефективність систем електроенергетики" (Київ, 1996 p.); 2-й Міжнародній науково-технічній конференції "Unconventional electromechanical and electrotechnical systems" (Польща, Щецін, 1996 p.); Міжнародній науково-технічній конференції "Науково-технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві" (Глеваха, 1999 p.); 3-й Міжнародній науково-технічній •конференції "Математичне моделювання в електротехніці, електроніці та електроенергетиці" (Львів, 1999 p.), Міжнародній науково-технічній

конференції "Проблемігсучасної електротехніки" (Київ, 2000 р.); семінарах Наукової ради НАН України "Наукові основи електроенергетики", 1998-2000 р.

Публікація результатів наукових досліджень. Основні результати дисертації опубліковано в 7 наукових роботах, в тому числі 5 статтях у фахових наукових виданнях (з них З самостійно) та 2 тезах доповідей.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п'ятьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та додатку. Загальний обсяг роботи складає 213 сторінок, в тому числі на 67 сторінках розміщені 73 рисунка, 9 таблиць, список використаних джерел з 110 найменувань та один додаток.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність проблеми, сформульовано мету і основні задачі, показано наукову новизну і практичне значення роботи. .

У першому розділі розглянуто сучасний стан в регульованому асинхронному ЕП з позицій особливостей технологічних процесів в галузях економіки, зокрема, в сільськогосподарському виробництві, житлово-комунальному господарстві, пов'язаних з сезонністю, кліматом, умовами праці з врахуванням існуючих трифазно-однофазних систем живлення та умов ринкового господарства. Показано переваги асинхронних конденсаторних двигунів з трифазниміґ обмотками статора. В якості критерія ефективності регульованого ЕП прийнято метод повних витрат.

В роботі дана класифікація ЕП з тиристорним перетворювачем напруги та трифазним асинхронним двигуном з короткозамкненим ротором, проведено аналіз впливу несиметрії та несинусоїдальності живлячих напруг на основні характеристики АД в усталених режимах. Розглянуто методи математичного дослідження систем ТПН-АД та вибрано метод миттєвих значень та перемикаючих функцій^як найбільш раціональний та точний.

Таким чином, проблема підвищення ефективності ЕП за системою ОТПН-АКД зводиться до задачі енерго- та ресурсозбереження. Складові ефективності системи ОТПН-АКД: параметри АД та фазозсуваючих і керуючих елементів, енергетичні втрати, момент та швидкість обертання визначаються рівнем, несиметрією, несинусоїдальністю напруги. Визначенню кількісних та якісних показників таких систем, оптимізації параметрів та режимів роботи ЕІІ при тиристорному керуванні присвячені наступні розділи роботи.

Другий розділ присвячений розробці узагальненої математичної моделі трифазно-однофазного ЕП з тиристорним фазовим керуванням, що дозволяє проводити з єдиних позицій спільний аналіз квазіусталених та динамічних процесів для ряду перспективних відомих та нових схем силової частини

сястеми ОТПН-АКД (деякі з їх варіантів наведено на рис.1) з урахуванням таких специфічних для даного класу ЕП факторів, як несиметрія та несинусоїдальність струмів та напруг. На відміну від існуючих методик аналізу таких систем, де АКД розглядався як-пасивне ШХ-навантаження, побудована модель враховує вплив протиЕРС обертання на процеси в системі, оскільки через присутність магнітного зв'язку між обмотками статора і ротора процеси комутації у двигуні, що обертається, значно відрізняються як кількісно, так і якісно від процесів у звичайному КХС-навантаженні, зокрема можливістю виникнення автоколивань та генераторного режиму однієї з фаз при роботі самого АКД в режимі двигуна. . '

Рис.1

Крива напруги статора при фазовому керуванні складається з різник ділянок провідності тиристорів, межі яких визначаються моментами комутації. Тому в основу розрахункової методики покладено метод числового інтегрування диференціальних рівнянь АД та метод перемикаючих функцій, що враховує дискретність перетворювача та змінну структуру силового кола. Оскільки для визначення моментів комутації тиристорів необхідний контроль в процесі обчислення значень струмів статора, а при зміні схеми вмикання необхідно дотримуватися принципу безперервності потокозчеплень ротора, то моделювання ЕП за системою ОТПН-АКД проводиться у координатах статора

а, /?, 0, а в якості змінних стану використовуються струми статора ¡1,і‘р та потокозчеплення ротора у/'а,у/’ц. '

Електромеханічні перехідні процеси в АД описуються системою диференціальних рівнянь, що в матричній формі має слідуючий вигляд:

и, =

А

о=-д ^г-іг+^гч', + +&)^,; (і)

. А А

м - мс,

де 03 =

- матриця, що визначає ЕРС обертання, О - символ

0 (о

-сз 0

диференціювання по часу. '

• Для вирішення системи (1) необхідно виразити вектор напруг статора

Чі =|н',и^|'через параметри зовнішнього кола двигуна (напруга мережі, ємність

кондесатора) та змінні стану. За рівняннями Кірхгофа та відомими рівняннями зв'язку між електромагнітними величинами у координатах а, /?, 0 та у фазних координатах А,В,С для кожної з розглядаємих схем та для кожного з двох (провідного і непровідного) станів ОТПН отримано загальний вираз для визначення вектора напруг статора: -

¡¡, =£-,„ +І421;і + ^£з+а£Д-, і^),+ Оуз' (2)

У правій частині виразу (2) перша складова зумовлена дією напруги мережі, друга - напругою на конденсаторі, третя - протиЕРС від вільних складових перехідних струмів замкнених контурів, утворюємих обмотками статора та конденсатором, четверта - дією протиЕРС від струмів нульової послідовності, п'ята - протиЕРС обертання. Для кожної з схем були отримані

матриці коефіцієнтів кі,к2,к>Ли,к5, що дозволяють зв’язати напруги статора двофазної моделі АД у координатах а, р, 0 з параметрами зовнішнього кола та змінними стану.

Для переходу від рівнянь при провідному стані тиристорів до рівнянь при непровідному та навпаки застосовуються засоби атгебри логіки. За відсутністю необхідності урахування процесів у самих тиристорах ОТПН моделюється спрощено у вигляді ідеального ключа, стан якого описується логічною функцією '

/•= х,п+ х+хгп+ у;, (3)

де логічні функції Х’^2 відповідають ненульовому значенню струмів через тиристори, логічні функції А', Х2 - напругам на тиристорах, Я- перемикаюча функція, що відповідає сигналу керування тиристорами. •

Перемикаюча функція П при фазовому керуванні має слідуючий вигляд:

. П = 1 при а + як < сз0І < (а + 0) + як ;

П = ОприО + кк < й>0? < а + пк и (а + в) +• як < сз0І < я + як , (4)

де а -кут керування тиристорів,, в - тривалість імпульсів керування (в ел. град.), що вибирається з умов надійного відкривання тиристорів, к = 0,!,2,3,...

Порівняння характеристик, розрахованих на побудованій моделі та на моделі, де АКД представлено у вигляді ШХ-навантаження, з експериментальними показало, що похибка розрахунку представленої моделі зменшилась порівняно з наближеною методикою на 14.„22% при визначенні моменту та 23...З7% при визначені втрат. Більші цифри відповідають більшим

кутам керування та більшим швидкостям обертання. Найбільш відчутно похибка наближеної методики проявляється у послідовно-паралельній схемі з включенням ОТПН у головну фазу, де при наближенні до швидкості холостого ходу відбувається спотворення механічних характеристик, обумовлене переходом регулюємої фази в генераторний режим, що неможливо для пасивного РХС-навантаження.

Розрахунки та експериментальні дослідження проводились для АД загального призначення серій 4А, АІ висоти вісі обертів 71,80 мм та їх модифікацій. ■ ■

Система диференційних рівнянь (1) внаслідок своєї нсліншиості не має вирішення у вигляді аналітичного виразу, що ускладнює попередній вибір параметрів елементів системи та аналіз їх впливу на характеристики ЕП. Для аналізу статичних режимів регульованого за напругою АКД запропонована методика попереднього аналітичного розрахунку механічних та енергетичних характеристик на основі методу симетричних складових, де несішусоїдальна форма напруги на статорі, що обумовлена комутацією тиристорів замінена синусоїдальною напругою, амплітуда та фаза якої дорівнює амплітуді та фазі першої гармоніки-.

За цією методикою отримано узагальнені для різних схем несиметричного ЕП формули для визначення електромагнітного моменту та втрат: .

де кн=-^р - коефіцієнт несиметрії напруг, »/>=-^ - рівень напруги прямої послідовності, що обчислюються окремо для кожної схеми і залежать від

коефіцієнт, рівний відношенню моментів противключення та двигунного в трифазному симетричному режимі. , '

При інших однакових умовах втрати в АКД більші, ніж при трифазному симетричному живленні, внаслідок неминучої несиметрії напруги. Вибір ємності конденсатора та схеми вмикання обмоток статора залежить від параметрів АД, характеру навантаження та діапазону регулювання. На основі розробленої аналітичної методики визначена область оптимальних відношень

V,

- и,

ковзання, параметрів схеми заміщення АД та ємності конденсатора, к„ = —1

М,

і

реактивних параметрів фазозсуваючого конденсатора та АД = 0,4...0,7, в якій

.середній ККД електроприводу за робочий цикл (цикловий ККД) має максимум, а коефіцієнт несиметрії напруг не перевищує допустимих значень в діапазоні зміни ковзання <* <*х.

У третьому розділі на основі побудованої математичної моделі було проведено дослідження механічних, регулювальних та енергетичних характеристик перспективних схемо-технічних рішень трифазно-однофазного ЕП за системою ОТПН-АКД з фазовим керуванням.

Розраховані механічні характеристики при різних кутах керування для послідовно-паралельної схеми з включенням ОТПН до фазного проводу (рис.1а), де регулюється тільки напруга головної фази,' наведено на рис.2. їх особливостями є залежність критичного ковзання від кута а та злиття з підвищенням швидкості штучних механічних характеристик при ог<100...110 ел.град. з природньою, що відбувається в результаті переходу регульованої фази в генераторний режим, внаслідок чого кут провідності тиристорів досягає 180 ел.град. і до обмоток двигуна прикладається повна напруга мережі. Послідовно-паралельна схема мас меншу жорсткість робочих ділянок штучних характеристик, але й меншу амплітуду коливальних моментів (= 1Д..2Л4Д що мають подвійну частоту мережі і обумовлені впливом несиметрії та несинусоїдшіьності струмів, ніж схема Штейнметца з включенням ОТПН до лінійного проводу (ДЛ/та, = З...4МСГ).

Проведений гармонічний аналіз струмів ЕП при роботі по різних схемах його силової частини виявив, що включення ОТПН до головної фази є

ефективним засобом покращення гармонічного складу вхідного струму (при однакових механічних потужностях коефіцієнт гармонік зменшується в середньому в 1,5...2 рази порівняно з схемами, де ОТПН включено до лінійного проводу), однак досягається воно ціною підвищення коефіцієнта несиметрії. Оптимальний вибір ємності фазозсуваючого конденсатора та схеми вмикання системи ОТПН-АКД в залежності від виду навантаження та діапазону регулювання швидкості дозволяє підвищити енергоефективність ЕП.

В загальному випадку розглядається навантаження, мо\іент опору М„ якого складається з вентиляторної та постійної складових:

де за базове значення моменту мб прийнято момент опору, що відповідає верхній межі діапазону регулювання швидкості і пов'язаний з номінальним моментом АД через коефіцієнт завищення потужності М„=КгвМ6

. Порівняльний аналіз енергетичних характеристик схем трифазно-однофазного ЕП показав, що при малих значеннях постійної складової (Л/Сі,:і<,=0...0,1 Ме) в усьому діапазоні регулювання швидкості менші втрати має схема Штейнметда. При постійній складовій навантаження Л/С1)„,=0,1...0,5Л/б зменшення втрат можливе шляхом застосування різних схем силової частини системи на різних підціапазонах регулювання швидкості. Такий підхід названий тут комбінованим керуванням, що вміщує в собі дискретний (релейний) та здійснюваний в рамках кожного ступеня дикретного плавний (фазовий) способи керування. При такому керуванні в верхній частині

Л/с„„) використовується з'єднання обмоток статора у схему Штейнметца та вмикання ОТПН до лінійного проводу, а в нижньому діапазоні (со <0,6...0,8<у„)

- послідовно-паралельне з'єднання обмоток з вмиканням ОТПН до головної фази.

Розглянуто особливості динамічних характеристик розімкнутої системи ОТПН-АКД, обумовлені присутністю внутрішнього позитивного зворотнього зв'язку (33) по куту провідності тиристорів у. Отримано структурну схему ЕП (рис.З) та передаточні функції системи з урахуванням нелінійності ланки внутрішнього 33. Визначено, що при кутах керування 50-120 ел.град. та моментах опору М„<0,2 Мн можлива втрата стійкості приводу на робочій ділянці штучних механічних характеристик, що призводить до незатухаючих автоколивань швидкості, моменту та струмів, які на відміну від коливань з. подвійною частотою мережі внаслідок взаємодії прямого та зворотнього обертаючихся магнітних полів, мають частоту 0,2..0,25 в,, і обумовлені

(7)

(К]п = 1,5...2,5 в затежності від нижньої межі діапазону регулювання).

діапазону регулювання швидкості (<у>0,6...0,8&>„в залежності від значення

и

взаємним впливом двигуна та перетворювача. Запропоновано засіб запобігання режиму автоколивань шляхом параметричного синтезу силової електричної та механічної частин ЕП. За допомогою методу гармонічної лінеаризації визначена межа стійкої роботи в площині параметрів демпфіруючого опору Я, що вмикається на виході перетворювача паралельно обмоткам статора АД, та сумарного моменту інерції.

Рис. З

Четвертий розділ присвячений дослідженню можливостей покращення енергетичних показників в системі ОТПН-АКД при змінних навантаженнях. Параметри фазозсуваючих елементів звичайно, вибираються з умови отримання мінімума коефіцієнта несиметрії при номінальному навантаженні. Якщо навантаження зменшується, втрати в двигуні внаслідок підвищення коефіцієнту несиметрії'та високого споживання реактивної потужності значно підвищуються, а режим холостого ходу в деяких випадках стає небезпечним через перегрів однієї з фаз.

Найбільш ефективним вирішенням задачі оптимізації енергетики АКД з нагрузкою, що змінюється, є одночасне регулювання двох параметрів: ємності фазозсуваючого конденсатора та напруги живлення. На практиці через складність схем, плавного регулювання ємності доцільно застосовувати дискретне ступеневе регулювання ємності конденсаторної батареї, де ОТПН використовуєься в якості безконтактного комутатора. Запропонована схема АКД з дискретним керуванням ємності, в якій з метою обмеження'швидкості зростання струму через тиристорний комутатор в якості струмообмежуючого елементу використовуєься частина фази статорної обмотки, що дозволяє відмовитися від зовнішнього струмообмежуючого елементу та отримати додаткову ступінь регулювання для режиму неповного навантаження.

При постійних параметрах фазозсуваючого конденсатора оптимальний за критерієм мінімуму втрат режим може бути отриманий за рахунок регулювання напруги при умові сталості ковзання. Електричні втрати в АД, що

працює в несиметричному режимі, при врахуванні тільки першої гармоніки напруги та сталих параметрах схеми заміщення визначаються виразом (6). Мінімуму втрат відповідає ковзання що визначається при вирішенні рівняння:

(¡(АРЛ

лУ"?- <8>

При цьому напруга, що оптимізує роботу АКД, має змінюватись в залежності від момента навантаження у відповідності з відношенням:

и„2 м. эшт ’

Показано, що при змінному навантаженні АКД умови забезпечення мінімуму втрат в двигуні та мінімуму коефіцієнту несиметрії при постійних параметрах фазозсуваючого конденсатора збігаються. Тому в якості стабілізуємого параметру при енергетичній оптимізації АКД слід використовувати коефіцієнт несиметрії напруг.

Криві втрат в АКД на природній (схема “зірка”) та оптимальних регулювальних у відповідності з (9) характеристиках наведені на рис.4.

Ряс.4

• Вищі гармоніки струмів статора, що вносяться ОТПН, погіршують енергетичні характеристики в ре;:;имі оптимізації порівняно з випадком регулювання напруги синусоїдальної форми. Запропоновано спосіб компенсації вищих гармонік за рахунок застосування комбінованого керування в системі ОТПН-АКД, де при навантаженнях М < 0,4 Л/„ відбувається перемикання обмоток АД та конденсатора з схеми Штейнметца "зірка" на схему "зірка з нульовим проводом" (рис. 1о), що позбавлена недоліку інших

схем вмикання АКД - підвищених втрат холостого ходу, тому її використання при малих навантаженнях є виправданим. При цьому необхідний кут керування а зменшується, через що застосування комбінованого керування дозволяє знизити амплітуду третьої гармоніки при малих навантаженнях в зоні робочого ковзання майже на 60%, та, як наслідок, зменшити втрати до значень, близьких до таких при'синусоїдальній регульованій напрузі.

У п'ятому розділі розглянуто засоби підвищення якості перетворення електроенергії в асинхронних ЕП малої потужності, таких як використання перетворювачів 'змінної напруги з низьким складом вищих гармонік (комутаційні трансформаторно-ключові перетворювачі, мостові схеми ТПН, перетворювачі з штучною комутацією тиристорів та високочастотною модуляцією напруги) та застосування пасивних та активних коректорів спотворень. Показано, що у застосуванні до системи ОТПН-АКД одним з варіантів вирішення задачі покращення якісного складу струмів в обмотках статора та в мережі є використання комбінованого керування на основі схемних перемикань обмоток АД, фазозсуваючого конденсатора і ОТПН в залежності від заданих діапазонів зміни швидкості та моменту, що дозволяє зменшити втрати в двигуні від вищих гармонік, зпростити силову частину системи та зменшити її масогабаритні показники.

Запропонована комбінована схема лінійно-фазного керування АКД, в якій дискретне реіулювання відбувається з боку мережі шляхом переключення обмоток двигуна з лінійної на фазну напругу живлення, що дає можливість обмежити максимальний кут керування, і, як наслідок, зменшити коефіцієнт гаромонік при глибокому регулюванні напруги.

Розглянуто особливості технічної реалізації асинхронних ЕП з однофазним ТПН. Проведено вибір схеми вмикання, розрахунок характеристик та результати випробування ЕП вісьових вентиляторів типу ВО для тваринницьких ферм. В ході аналізу результатів експериментальних досліджень та розрахунків характеристик на основі запропонованої моделі була визначена середня похибка, що складає 7%. Виконано аналіз характеристик трифазно-однофазного ЕП гвинтового насосу малярної установки. В обох випадках пуск і робота забезпечуються при постійній величині робочого конденсатора, але при різних схемах вмикання.

Відзначається, ідо системи керування мікрокліматом тваринницьких приміщень передбачають вмикання груп з 3-х і більше вентиляторів, ЕП яких працюють паралельно від одного джерела живлення. В цьому випадку вищі гармоніки струму, що генеруються кожним одиночним ЕП, сумуються не арифметично, а геометрично, значно компенсуючи одна одну. Крім того, з'єднання групи з трьох одиночних ЕП у ''трикутник" запобігає появленню третьої гармоніки. Разом з застосуванням методу комбінованого керування, ці засоби достатньо ефективно знижують рівень вищих гармонік в мережі.

Розроблено практичні рекомендації по застосуванню розглянутих у роботі схемо-технічних рішень у ЕП малої потужності з навантаженням, що вміщує в собі вентиляторну та постійну складові.

В додатку наведені документи, що підтверджують використання результатів дисертаційної роботи науковими і відомчими організаціями. •

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі на основі удосконалених математичних моделей, синтезу схемо-технічних рішень та оптимізації параметрів силових елементів розроблено методи підвищення ефективності та якості роботи асинхронних трифазно-однофазних електроприводів з тиристорним керуванням та показана їх практична реалізація. Одержані науково обгрунтовані результати (математичні моделі, схемо-технічні рішення, параметри та характеристики ЕП) у сукупності є суттєвими для створення електромеханічних систем на базі однофазного тиристорного перетворювача напруги, асинхронного двигуна з трифазними обмотками статора та фазозсуваючнм конденсатором.

1. Аналіз стану питання показав доцільність поглибленого дослідження режимів роботи асинхронних трифазно-однофазних електроприводів з тиристорним керуванням за допомогою удосконалених математичних моделей, що дозволяє отримати оптимальні параметри та характеристики системи.

2. Побудована математична модель трифазно-однофазного асинхронного

ЕП дозволяє проводити спільний аналіз різних варіантів силових схем системи ОТПН-АКД та враховує такі специфічні для розглядаємого класу ЕП фактори, як несиметрія і несинусоїдальність струмів і напруг, вплив протиЕРС обертання, вільних складових перехідних струмів, обумовлених присутністю "незатухших" полів статора та ротора, та струмів нульової послідовності на електромагнитні процеси в системі, а також дискретність роботи перетворювача та змінну структуру силового кола. Отримано в загальному вигляді вирази, що зв'язують змінні стану двофазної моделі АД в координатах

а, /З, 0 з параметрами зовнішнього, кола двигуна (напруга мережі, ємність конденсатора), та визначено коефіцієнти матриць перетворення до двофазної системи координат для кожної з схем. . .

3. Запропоновано методику аналітичного розрахунку механічних характеристик та втрат регулюємого за напругою АКД, що необхідна для попереднього аналізу системи ОТПН-АКД та вибору оптимальних схеми включення, параметрів АД та ємності фазозсуваючого конденсатора. Розрахункові формули для кожної схеми приведені до єдиної форми, що дозволяє об'єднати їх в універсальній програмі розрахунку. Згідно з цією методикою визначена область оптимальних співвідношень реактивних параметрів АД та конденсатора, в якій ККД за робочий цикл регульованого

АКД має максимум, а коефіцієнт несиметрії напруг не перевищує наперед заданих значень у всьому діапазоні змінення ковзання < і < . •

4. Проведено порівняльний аналіз та визначені раціональні області застосування схем системи ОТПН-АКД:

а) при роботі з швидкостями, близькими до номінальної або із зменшеними швидкостями в механізмах, що мають вентиляторний характер навантаження без постійної складової (Л/с„„ =0) найкращими енергетичними та регулювальними характеристиками визначається схема Штейнметца з включенням ОТПН до лінійного проводу;

б) при роботі в нижньому діапазоні механізмів з постійною складовою навантаження (Мсая =0,1...0,5 Ми) доцільно застосовувати послідовно-паралельну схему з'єднання обмоток АД з включенням ОТПН до головної фази, яка має в 1,5...2 рази менший коефіцієнт гармонік і, як наслідок, більший ККД;

в) в механізмах, що працюють в режимах холостого ходу та неповного завантаження, доцільно використання схеми "зірка з нульовим проводом", яка має при малих навантаженнях втрати потужності менші на 20-50% порівняно з схемою Штейнметца.

5. Розглянуто особливості динамічних характеристик системи ОТПН-АКД, обумовлені присутністю нелінійної ланки внутрішнього позитивного зворотнього зв'язку по куту провідності тиристорів. Запропоновано метод запобігання автоколивань моменту та швидкості шляхом параметричного синтезу силової електричної та механічної частин ЕП. За допомогою метода гармонічної лінеаризації визначена межа стійкої роботи в площині параметрів приводу.

6. Найбільш ефективним вирішенням задачі оптимізації енергетики АКД при змінному навантаженні є одночасне регулювання ємності фазозсуваючого конденсатора та напруги живлення. На практиці через складність схем плавного регулювання ємності доцільно використання дискретного регулювання ємності конденсаторної батареї та безперервне регулювання напруги. Запропонована схема ступеневого регулювання ємності з тиристорним комутатором, в якій в якості струмообмежуючого елементу використовується частина фази статорної обмотки, що дозволяє покращити експлуатаційні якості системи.

' 7. Отримані аналітичні вирази для розрахунку оптимального ковзання по критерію мінімума втрат в АКД, що працює при неповному завантаженні, і показано, що в ЕП по системі ОТПН-АКД критерієм оптимізації енергетики слід використовувати мінімум коефіцієнту несиметрії.

8. Розроблено нові схемотехнічні рішення системи ОТПН-АКД, що дозволяють покращити гармонічний склад, енергетичні характеристики системи та умови сумісності з мережею. Показано, що в ЕП малої потужності

по системі ОТПН-АКД одним з раціональних засобів підвищення якості перетворювання електроенергії є використання комбінованого керування, що з'єднує в собі плавне (фазове) та дискретне (релейне). ‘

9. Вірогідність та обгрунтованість наукових досліджень, висновків та рекомендацій підтверджено узгодженням розрахунків з отриманими експериментальними даними і обумовлено використанням коректних методів дослідження трифазно-однофазних ЕП з тиристорним керуванням.

10. Розроблено рекомендації по вибору схем та параметрів елементів асинхронних трифазно-однофазних електроприводів на базі елементів серійного виробництва для машин і механізмів агропромислового комплексу. Прості і надійні малоелементні ЕП по системі ОТПН-АКД дозволяють розширити межу застосування технічних засобів, покращити-їх споживацькі властивості, зменшити капітальні затрати в цілому на 40-50%.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.Шуруб В.А., Шуруб Ю.В. Асинхронный конденсаторный двигатель с тиристорным управлением// Технічназлектродинаміка. - 1997. -N3. -С.64-66.

2.Шуруб Ю.В. Гармонический анализ токов однофазного конденсаторного двигателя с импульсным управлением// Праці Інституту електродинаміки Національної академії наук України. • Електроенергетика: Зб.наук.пр. - Київ: ІЕД НАН України, 1999. -C. 126j132.

3.Шуруб Ю.В. Математическая модель асинхронного конденсаторного двигателя с тиристорным управлением//Технічна злектродинаміка. -1999. -N4. -C.52-56.

4.Шуруб Ю.В., Шуруб В.А. Оптимизация параметров регулируемого по напряжению однофазного конденсаторного двигателя// Техн. електродинаміка.

- Тематичний випуск: Проблеми сучасної електротехніки. - Частина 9. -Київ,2000. -С.31-34.

5.Шуруб Ю.В. Улучшение энергетических характеристик трехфазнооднофазного электропривода ТПН-АД// Праці Інституту електродинаміки Національної академії наук України. Енергоефективність: Зб.наук.пр. - Київ: ІЕД НАН України, 2000. -С. 184-189.

6.Шуруб В.А., Шуруб Ю.В. Моделирование нагрузки и оптимизация параметров трехфазно-однофазных асинхронных электроприводов// Матеріали міжнародної науково-практичної конференції "Ефективність систем електроенергетики - ЕСЕ 96". Частина 2.-Київ, 1996.-С.42-43.

7.Шуруб Ю.В. Оптимизация энергетических характеристик однофазного конденсаторного двигателя с тиристорным управлением// Тези доповідей. 3-я Міжнародна науково-технічна конференція "Математичне моделювання в електротехніці, електроніці та електроенергетиці".-Львів, 1999.-С.308-309.

АНОТАЦІЇ

Шуруб Ю.В. Асинхронний трифазно-однофазний електропривод з тиристорним керуванням. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - електротехнічні комплекси та системи. - Інститут електродинаміки НАН України, м.Київ, 2001.

Дисертацію присвячено розробці математичних моделей, аналізу та синтезу структур регульованого електроприводу по системі "однофазний тиристорний перетворювач напруги - асинхронний двигун з трифазними обмотками статора малої потужності та фазозсуваючим конденсатором”. Специфіка такої системи полягає в різноманітності простих схемо-технічних рішень і в складності електромагнітних та електромеханічних процесів, обумовлених якістю напруг та струмів в елементах ЕП. Розроблена узагальнена математична модель, що враховує ЕРС обертання, несиметрію та несинусоїдальність струмів та напруг, дозволяє проводити порівняльний аналіз різних схем силової частини ЕП. На її основі досліджені механічні, енергетичні та регулювальні характеристики системи, також динамічні характеристики, обумовлено вибір раціональних схемо-технічних рішень та проведено оптимізацію параметрів силових елементів ЕП. Функціональні можливості цієї системи реалізуються за двома основними напрямками: регулювання

швидкості обертання в обмеженому діапазоні та мінімізація втрат потужності при змінному навантаженні. Основні результати досліджень використані при проектуванні ЕП механізмів з вентиляторним та змінним моментами опору.

Ключові . слова: трифазний асинхронний двигун, однофазний

тиристорний перетворювач напруги, фазозсуваючий конденсатор.

Shurub Y.V. Induction 3-1 phase electric drive with thyrystor control. -Manuscript.

The thesis for candidate of sciences in speciality 05.09.03 - electrotechnical complexes and systems. - The Institute of Electrodynamics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2001.

The thesis is devoted to creation of mathematical models, to analysis and synthesis of structure of controlled electric drive "1 -phase thyrystor voltage convertor - З-phase induction motor with symmetried capacitor". Peculiarity of such a system is variety of simple scheme and technical decisions and complication of electrical and mechanical processes due to voltages and currents quality in drive elements. Generalized mathematical model, that takes into account rotation EMF, currents and voltages, unsymmetry and distortion, allows to analyse the different schemes of drive power part comparatively. On its basis mechanical, power, regulation and dynamical characteristics are investigated, power elements parameters

and scheme decisions are optimizied. This system function possibilities are realised in two ways: speed regulation in limited range and minimization of loss if load is changing. The restilts of investigation have been used in designing of electric drives of devices with fan and alternate loads.

Key words: 3-phase induction motor, 1-phase thyrystor voltage convertor, symmetried capacitor. 1

Шуруб Ю.В. Асинхронный трехфазно-однофазный электропривод с тиристорным управлением. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы.' -Институт электродинамики НАН Украины, г.Киев, 2001. '

\ Диссертация посвящена разработке математических моделей и методов

повышения технико-экономических показателей регулируемых ЭП малой мощности на базе трехфазных АД с короткозамкнутым ротором и однофазных тиристорных преобразователей напряжения путем синтеза схем включения и оптимизации параметров силовых элементов ЭП. Специфика такой системы заключается в многовариантности простых схемотехнических решений .и сложности электромагнитных и электромеханических процессов, обусловленных качеством напряжений и токов в элементах ЭП.

Построена математическая модель трехфазно-однофазного асинхронного ЭП, позволяющая проводить сравнительный анализ вариантов схем включения силовой части системы с учетом несимметрии и несинусоидальности токов и напряжений, влияния противоЭДС вращения, свободных составляющих переходных токов, обусловленных наличием незатухших полей статора и ротора, а также дискретности преобразователя и переменной структуры силовой цепи.

На основании разработанной модели определено влияние схемы включения и параметров силовых элементов ЭП на механические и энергетические характеристики, выявлены рациональные области применения вариантов схем системы ОТПН-АКД:

Функциональные возможности этой системы реализуются по двум основным направлениям: регулирование скорости вращения в ограниченном диапазоне и минимизация потерь мощности при изменении.нагрузки ЭП.

Показано, что при работе на скоростях, близких к номинальной, и при пониженных скоростях в механизмах с вентиляторной характеристикой нагрузки лучшими энергетическими и регулировочными характеристиками обладает схема соединения обмоток статора "звезда" с тиристорным преобразователем в линейном проводе. При работе в нижнем диапазоне скоростей механизмов с постоянной составляющей момента 'нагрузки (¥с„т, < ) целесообразно использовать последовательно-параллельную

схему соединения обмоток статора с включением тиристорного преобразователя в рассечку главной фазы, которая имеет лучший гармонический состав, и, как следствие, больший КПД.

Наиболее эффективным решением задачи оптимизации энергетики систем ОТПН-АКД при изменяющейся нагрузке является одновременное регулирование емкости фазосдвигающего конденсатора и напряжения питания двигателя. В ЭП мобильных малогабаритных установок целесообразно плавное регулирование напряжения и дискретное . регулирование емкости конденсаторной батареи. Предложена схема ступенчатого изменения емкости тиристорным коммутатором, в которой в качестве токоограничивающего элемента используется часть обмотки статора, что позволяет улучшить эксплуатационные свойства системы.

Определены аналитические выражения для расчета оптимального скольжения по критерию минимума потерь в АКД, работающем при неполной нагрузке. В механизмах с продолжительным режимом холостого хода или недогрузки целесообразно использовать схему "звезда с нулевым проводом", которая лишена недостатка схемы "звезда" - повышенных потерь холостого хода. .

Определены особенности динамических характеристик системы ОТПН-АКД, обусловленные наличием нелинейного звена внутренней положительной обратной связи по углу проводимости тиристоров. Предложен метод исключения автоколебаний момента и скорости путем параметрического, синтеза силовой электрической и механической частей ЭП, определена граница устойчивой работы в плоскости параметров привода.

Разработаны комбинированные схемотехнические решения систем ОТПН-АКД, основанные на фазовом управлении . ОТПН и дискретном переключении схем соединения обмоток АД и конденсатора, позволяющие улучшить гармонический состав токов и напряжений, энергетические характеристики и условия совместимости системы с сетью. Предложена структура построения безтрансформаторного трехфазно-однофазного ЭП с тиристорным управлением, позволяющая реализовать питание АКД линейным напряжением в верхнем диапазоне мощности нагрузки и фазным напряжением

- в нижнем.

Основные результаты исследований использованы при проектировании ЭП механизмов с вентиляторным и переменным моментами сопротивления.

Ключевые слова: трехфазный асинхронный двигатель, однофазный тиристорный преобразователь напряжения, фазосдвигающий конденсатор.