автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Электромеханические системы с асинхронным двигателем с фазным ротором для подъемно-транспортных механизмов металлургических предприятий

я

О 9

95

О

bL

17 I < ^ ; Г" /

, ' - ' «>»• Л / / -V

Гу. ^ .-г.

| ч

На правах рукописи

МЕЩЕРЯКОВ ВИКТОР НИКОЛАЕВИЧ

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ С АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМСФАЗНЫМ РОТОРОМ ДЛЯ ПОДЪЕМНО-ТРАНСПОРТНЫХ МЕХАНИЗМОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ОТЕДПРИЯТИЙ

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы

и системы, включая их управление и регулирование

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург- 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ............................................................................................ 5

1. Электромеханические системы подъемно-транспортных механизмов

с упругими связями.............................................................................. 11

1.1. Предисловие................................................................................... 11

1.2. Анализ современного состояния и тенденции совершенствования электроприводов подъемно-транспортных механизмов....................... 12

1.3. Механическая часть электромеханических систем подъемно-транспортных механизмов как объект управления...............................26

1.4. Исследование влияния демпфирующей способности электропривода на динамические свойства электромеханических систем подъемно-транспортных механизмов.................................................................. 46

1.5. Ограничение перекоса моста крана, управляемого двухдвигательным электроприводом, в установившемся режиме.................................. 59

1.6. Математическое моделирование динамических процессов в электромеханических системах механизма передвижения моста крана...... 64

1.7. Выводы ...........................................................................................73

2. Электромагнитные и электромеханические процессы в системах электропривода с асинхронным двигателем с фазным ротором............74

2.1. Предисловие.....................................................................................74

2.2. Математическое описание и основные электромеханические свойства асинхронного двигателя с фазным ротором...........................75

2.3. Математическое описание систем асинхронного электропривода

с вентильными элементами в цепях статора и ротора двигателя..........90

2.4. Математическое моделирование динамических процессов в асинхронном двигателе при разных способах управления..............99

2.5. Исследование электромагнитных и электромеханических свойств системы источник тока - асинхронный двигатель с фазным ротором'!... 110

2.6. Трехфазный резонансный инвертор с емкостным согласующим

устройством для систем асинхронного электропривода.................. 119

2.7. Выводы......................................................................................... 131

3. Каскадно-инверторные и каскадно-частотные системы управления асинхронным двигателем с фазным ротором............. 132

3.1. Предисловие .................................................................................. 132

3.2. Математическое описание каскадно-инверторного асинхронного электропривода.................................................................................... 134

3.3. Статические электромеханические и механические характеристики каскадно-инверторного асинхронного электропривода..................... 143

3.4. Построение замкнутых систем управления каскадно-инверторным асинхронным электроприводом...........................................................150

3.5. Каскадно-частотное управление асинхронным двигателем с фазным ротором.................................................................................. 158

3.6. Моделирование динамических процессов в системах каскадно-инверторного и каскадно-частотного асинхронного электропривода... 169

3.7. Анализ энергетических свойств каскадно-инверторного и каскадно -частотного асинхронного электропривода............................................ 179

3.8. Выводы........................................................................................... 190

4. Управление асинхронным двигателем с фазным ротором с помощью индукционных сопротивлений.............................................191

4.1. Предисловие.................................................................................... 191

4.2. Математическое описание электромагнитных процессов в индукционных сопротивлениях............................................................. 192

4.3. Конструкции индукционных сопротивлений.................................204

4.4. Методика расчета индукционных сопротивлений........................210

4.5. Динамические и статические характеристики асинхронного двигателя с индукционным сопротивлением в цепи ротора....................................214

4.6. Выводы............................................................................................225

5. Разработка и исследование вентильных систем асинхронного электропривода подъемно-транспортных механизмов............................226

5.1. Предисловие......................................................................................226

5.2. Частотно-параметрическое управление асинхронным двигателем с фазным ротором........................................................................................ 227

5.3. Динамическое торможение асинхронного двигателя с индукционным сопротивлением.......................................................................................232

5.4. Системы двухдвигательного асинхронного электропривода

с вентильными схемами синхронизации скоростей двигателей...............239

5.5. Экспериментальное исследование динамики электромеханических систем механизма передвижения мостового крана.............................. 259

5.6. Выводы............................................................................................ 276

Заключение........................................................................................ 277

Список литературы .......................................................................... 281

Приложения...................................................................................... 294

ВВЕДЕНИЕ

Подъемно-транспортные механизмы (ПТМ) предназначены для перемещения грузов, выполнения погрузочно-разгрузочных и складских работ, и служат основным средством механизации и автоматизации этих производственных операций. Они составляют большую и разнообразную по назначению и конструктивному исполнению группу общепромышленных механизмов. К числу подъемно-транспортных механизмов обычно относят мостовые, козловые и поворотные краны, подъемные установки, горизонтальные и наклонные конвейеры, промышленные манипуляторы [ 69 ].

В некоторых цехах металлургических заводов, например копровых, крановые ПТМ являются основным технологическим оборудованием, их надежность и производительность определяют технико-экономические показатели работы цеха. На многих крупных металлургических предприятиях, например АО НЛМК, парк только мостовых кранов превышает 1000 единиц. При этом наибольшего внимания к себе требует электрооборудование, на долю которого приходится до75% отказов подъемно-транспортных механизмов [31,105]. Поэтому важной задачей является совершенствование электроприводов, повышение их надежности, упрощение элементной базы, что позволит снизить затраты на ремонт и обслуживание.

На подъемно-транспортных механизмах в настоящее время широко используются системы параметрического резисторного управления асинхронным двигателем с фазным ротором, управляемые кулачковым или магнитным контроллером. Такие системы электропривода в ряде случаев имеют неудовлетворительные динамические режимы, вследствие ограниченного числа пусковых ступеней. В системах с кулачковым контроллером не обеспечивается надежное токоограничение, пусковые характеристики зачастую неоптимальны. Системы резисторного управления асинхронным двигателем с фазным ротором неэкономичны, так как энергия скольжения, выводимая из двигателя, преобразуется в тепловую энергию на токоограничивающих резисторах.

Более экономичные системы АВК на массовых ПТМ используются редко, так как в сложных условиях работы (влажность, пар,высокая температура) оказываются недостаточно надежными. Внедрение систем АВК затруднено при троллейном питании электрооборудования ПТМ, поскольку кратковременное прерывание питания сопровождается прорывом инвертора АВК. Многие ПТМ работают в интенсивном повторно-кратковременном режиме, поэтому обычные системы АВК требуют дополнительных узлов пуска, а при регулировании скорости в широком диапазоне проявляется недостаток АВК, заключающийся в большом потреблении реактивного тока инвертором при работе на пониженной скорости двигателя [ 92, 132 ]. Эти факторы также сдерживают внедрение АВК на ПТМ.

Добиться повышения работоспособности электроприводов ПТМ можно за счет использования более совершенной элементной базы. Применение сложных замкнутых систем управления асинхронными электроприводами дает экономический эффект в основном на механизмах большой мощности, выполняющих ответственные операции [ 146 ]. Для массовых ПТМ небольшой мощности, где используются системы электропривода, имеющие небольшие первоначальные затраты, остается нерешенной проблема модернизации существующих систем электропривода, так как традиционные подходы, основанные на использовании асинхронных короткозамкнутых двигателей с частотным управлением, в сложных условиях эксплуатации металлургических ПТМ при троллейной системе питания не являются универсальными. Следовательно, есть необходимость поиска новых подходов к созданию малогабаритных, относительно недорогих, надежных, легко обслуживаемых систем электропривода.

Можно выделить два направления совершествования систем электропривода ПТМ на базе асинхронного двигателя с фазным ротором.

Во-первых: для механизмов, где возможно использование экономичных систем, построенных по частотному и каскадному принципам, необходимо разработать новые системы с повышенной перегрузочной способностью,

предназначенные для работы в повторно - кратковременном режиме. Перспективным направлением является разработка гибридной схемы, сочетающей особенности каскадного и частотного способов управления асинхронным двигателем. Решение этой задачи требует разработки основ теории каскадно-частотного и каскадно-инверторного управления асинхронным двигателем с фазным ротором.

Во-вторых: для механизмов, не требующих регулирования скорости, работающих в тяжелых условиях окружающей среды, в интенсивных повторно-кратковременных режимах, например, мостовые технологические магнитно-грейферные краны, необходимо использовать еще болеее простые, чем ступенчато-резисторные, системы с индукционными сопротивлениями, представляющими собой аппарат для пуска асинхронного двигателя. Несмотря на известность таких устройств [ 1,137 ], их нельзя считать хорошо изученными, функциональные возможности электропривода могут быть также расширены. Для такого электропривода перспективным энергосберегающим техническим решением представляется использование частотного принципа получения пониженной частоты вращения асинхронного двигателя. При торможении целесообразно использовать режим динамического торможения с самовозбуждением.

Большие массо-габаритные показатели ПТМ определяют необходимость использования систем двухдвигательного и многодвигательного электропривода. Однако при этом металлоконструкции испытывают дополнительные нагрузки, связанные с упругим взаимодействием электроприводов и механизма. Наиболее заметно это явление проявляется на механизме передвижения моста крана и выражается в виде его перекоса, что является одной из главных проблем эксплуатации. Ограничение перекоса позволит повысить срок службы механического и электрического оборудования, уменьшить затраты на ремонт и обслуживание. Решение этой задачи возможно на основе детального изучения условий совместной работы электропривода и упругой механической системы, и разработки более совершенных систем двухдвигательного электропривода.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Развитие теории управления электромеханическими системами подъемно-транспортных механизмов с асинхронным двигателем с фазным ротором, создание основ теории каскадно-частотного управления асинхронным двигателем с фазным ротором.

Для достижения поставленной цели решались следующие ЗАДАЧИ:

- критический анализ современного состояния электроприводов ПТМ с точки зрения динамических свойств, работоспособности, экономичности, совместимости с механическим оборудованием, уточнение требований, предъявляемых к разрабатываемым системам электропривода;

- развитие теории динамики двухдвигательных упругосвязанных ЭМС, разработка и исследование методов повышения демпфирующей способности двухдвигательного электропривода;

- исследование электромагнитных и электромеханических свойств асинхронного двигателя с фазным ротором при различных способах управления;

- разработка и исследование систем каскадно-инверторного и каскадно-частотного управления асинхронным двигателем с фазным ротором;

- разработка и совершенствование систем асинхронного электропривода с индукционными сопротивлениями в цепи ротора двигателя;

- экспериментальное подтверждение полученных теоретических результатов на промышленных ПТМ.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Поставленные в работе задачи решались: структурно-топологическими, корневыми и частотными методами теории автоматического управления, методами математического моделирования динамических процессов на ЦВМ, методами экспериментального подтверждения.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

- на основании исследования математических моделей ЭМС ПТМ получены обобщенные динамические характеристики, показывающие влияние параметров электропривода на коэффициент затухания колебаний системы;

- разработан принцип коррекции динамических свойств и повышения демпфирующей способности двухдвигательного электропривода упру-госвязанных ЭМС, заключающийся в использовании отрицательной обратной связи по разности скоростей двигателей с элементами компенсации погрешностей кинематических цепей, разработаны схемы корректирующих устройств;

- разработан принцип управления электромагнитным моментом асинхронного двигателя с фазным ротором, заключающийся в одновременном управлении токами в обмотках статора и ротора двигателя, осуществляемого в системах с последовательным соединением обмоток статора и ротора двигателя через выпрямительно-инверторные элементы со звеном постоянного тока;

- созданы основы теории систем каскадно-частотного управления асинхронным двигателем с фазным ротором, установлено, что разомкнутая система электропривода обладает механическими характеристиками экскаваторного типа;

- разработаны методы анализа и синтеза замкнутых систем каскадно- частотного управления асинхронным двигателем с фазным ротором, созданы и исследованы на ЦВМ математические модели электропривода, построенные на основе векторной модели асинхронного двигателя, полученные результаты подтверждены экспериментальными исследованиями;

- на основании теории поверхностного эффекта в массивных ферромагнитных телах создана методика автоматического проектирования нелинейных индукционных сопротивлений для пуска асинхронного двигателя с фазным ротором.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ состоит в том, что:

- разработан новый способ каскадно-частотного управления асинхронным двигателем с фазным ротором, позволяющий получить механические характеристики экскаваторного типа в замкнутой и разомкнутой системах, что обеспечивает большую перегрузочную способность, необходимую для ПТМ;

- для систем частотного и каскадно-частотного асинхронного электропривода ПТМ разработан резонансный инвертор, имеющий оптронную систему

управления простой конструкции, ведомую выходным напряжением инвертора;

- осуществлены разработка и внедрение на ПТМ систем асинхронного электропривода с индукционными сопротивлениями в цепи ротора, имеющих пусковые и тормозные механические характеристики экскаваторного типа;

- созданы и внедрены на ПТМ новые конструкции индукционных сопротивлений с уменьшенными массо-габаритными показателями, обеспечивающие лучшие пусковые характеристики электропривода;

- разработаны и внедрены на ПТМ системы двухдвигательного и многодвигательного асинхронного электропривода с вентильными блоками синхронизации скоростей двигателей, ограничивающие перекос мостовых кранов.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ Основные научные положения, результаты и практические рекомендации диссертационной работы внедрены в промышленное производство на ПТМ металлургических и других промышленных предприятий, таких как Липецкий завод «Центролит», Таганрогский металлургический завод, Липецкий цементный завод. Девять разработок, защищенных авторскими свидетельствами, используются на крановых механизмах и конвейерах АО Новолипецкий металлургический комбинат.

НА ЗАЩИТУВЫНОСЯТСЯ:

- результаты анализа и принципы коррекции динамических свойств ЭМС ПТМ с двухдвигательным электроприводом;

- методика и результаты анализа электромагнитных и электромеханических свойств асинхронного двигателя с фазным ротором при совместном управлении процессами в обмотках статора и ротора двигателя;

- принцип и основы теории каскадно-частотного управления асинхронным двигателем с фазным ротором;

- методика автоматического проектирования ИС и результаты совершенствования систем асинхронного электропривода на базе ИС;

- принципы построения вентильных систем