автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Энергосберегающий частотно-управляемый асинхронный электропривод механизмов циклического действия

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

АМУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Рыбалев Андрей Николаевич

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ ЧАСТОТНО-УПРАВЛЯЕМЫЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД МЕХАНИЗМОВ ЦИКЛИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

05.09.03 Электротехнические комплексы, включая их управление и регулирование

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук профессор Серов А.Е.

Благовещенск 1999

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.........................................................6

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................................................10

ГЛАВА I. ВОПРОСЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ В

ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ...........................................................................................16

1.1. Пути энергосбережения в электроприводе...........................................16

1.2. Энергосбережение в электроприводах продолжительного режима работы..................................................................................................................18

1.3. Энергосбережение в электроприводах механизмов циклического действия............................................................:................................................24

1.4. Повышение эффективности электроприводов механизмов циклического действия...................................................................................28

1.4.1. Применение частотно-управляемого асинхронного двигателя в электроприводах механизмов циклического действия..................................28

1.4.2. Проектирование асинхронных электроприводов механизмов циклического действия....................................................................................36

выводы по главе. задачи диссертации.........................................................42

ГЛАВА И. ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ МЕХАНИЗМОВ ЦИКЛИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ...........................................................................................................44

2.1. энергосберегающие режимы преобразования энергии в асинхронном двигателе............................................................................................................45

2.2. Диаграмма работы электропривода в цикле.........................................56

2.3. Допустимая по нагреву частота включений электропривода.......... 59

2.4. Параметры диаграммы движения, соответствующие минимуму потерь..................................................................................................................63

2.5. Выбор оптимальных по потерям параметров диаграммы

движения с учетом ограничения по производительности..........................71

Выводы по главе...............................................................................................75

ГЛАВА III. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ МЕХАНИЗМОВ ЦИКЛИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ........................................................................77

3.1 Постановка задачи проектирования.......................................................77

3.2 Формализация потерь энергии на участках диаграммы движения ..78

3.3. Выбор двигателя и передаточного числа редуктора при использовании тахограммы движения, соответствующей минимальным потерям....................................................................................81

3.3.1. Определение параметров двигателя, удовлетворяющих ограничению по динамике...............................................................................81

3.3.2. Учет ограничения по нагреву двигателя при движении с

оптимальными по потерям пусковым и тормозным моментами...............85

3.3.3 Методика выбора параметров асинхронного электропривода при использовании тахограммы движения, соответствующей минимальным потерям............................................................................................................89

3.4. Разработка универсальной модели асинхронного частотно-управляемого электропривода механизмов циклического действия......94

3.4.1. Предпосылки разработки.....................................................................94

3.4.2. Обобщенные координаты....................................................................94

3.4.3. Переход от обобщенных координат к реальным параметрам электропривода...............................................................................................98

3.4.4. Мноэ/сество вариантов электропривода заданной производительности.......................................................................................99

3.4.5. Учет ограничения потерь в двигателе за цикл перемещения..........104

3.4.6. Выбор параметров, минимизирующих габарит, мощность,

потери в двигателе.......................................................................................108

3.4.7. Методика определения параметров силовой части электропривода.............................................................................................120

3.5. Выбор синхронной скорости исполнительного двигателя при

известной мощности.....................................:...............................................124

Выводы по главе..............................................................'...............................127

ГЛАВА IV. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В СИСТЕМЕ АИТ-АД...........................................................................................129

4.1. Принцип дискретного управления абсолютным скольжением.......129

4.2. Формирование качества переходных процессов пуска и торможения в системе АИТ - АД..................................................................131

4.3. Регулирование скорости на участке установившегося движения. 142

4.4. Влияние электромагнитного переходного процесса на

динамические и энергетические характеристики электропривода........146

Выводы по главе.............................................................................................151

ГЛАВА V. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ........................153

5.1. Цели эксперимента.................................................................................153

5.2. Функции экспериментальной установки............................................153

5.3. Описание экспериментальной установки..........................................154

5.3.1. Состав установки.............................................................................154

5.3.2. Принципиальная схема установки....................................................157

5.3.3. Компьютерная программа управления установкой.........................166

5.4. Результаты эксперимента......................................................................171

5.4.1. Проверка алгоритмов управления коммутациями А ИТ...................171

5.4.2. Проверка обобщенной модели частотно-управляемого асинхронного

электропривода механизмов циклического действия и эффективности

применения частотного управления............................................................173

выводы по главе............................................................................................. 180

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................181

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................................184

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Программа расчета абсолютных скольжений и функций потерь при управлении по минимуму потерь и тока статора.....197

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Кординаты минимума функции (150)........................201

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Координаты минимума функции (154)......................203

ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Программа моделирования пуско-тормозных режимов в АД при ЧТУ.....................................................................................206

П Р И Л О Ж Е Н И Е 5 Программа управления экспериментальной установкой...........................................................................................................212

ПРИЛОЖЕНИЕ 6 Программа вывода экспериментальных данных.........227

ПРИЛОЖЕНИЕ 7 Паспортные данные оборудования, задействованного в экспериментальных исследованиях.................................................................228

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

а - относительный коэффициент габарита (3.4.2); а* - максимальный относительный коэффициент габарита (3.4.6); а - относительная частота тока статора (1.4.1); Р - параметр абсолютного скольжения (1.4.1);

8 - угол между векторами тока статора и потокосцепления ротора (1.4.1); Е - ЭДС фазы двигателя (2.1);

1г - функции потерь в установившемся и переходных режимах работы асинхронного двигателя (2.1); Ф - угол поворота вала двигателя (2.2); ф - относительный магнитный поток в двигателе (1.2); Л - приведенный к валу двигателя момент инерции системы (2.1); «1пр - приведенный к валу механизма момент инерции системы (3.4.4);

- момент инерции двигателя (1.4.2); Л, - момент инерции механизма на входном валу (1.4.2); 3 - относительное передаточное число редуктора (3.4.2); ^ - относительное передаточное число редуктора, соответствующее а* (3.4.6); И - число включений двигателя в час (2.3); I - ток фазы статора (1.4.1); Тз - вектор тока статора двухфазной модели (1.4.1); и - проекция тока статора двухфазной модели (4.2); 1 - передаточное число редуктора (1.4.2); кь к2 - коэффициенты аппроксимации мощности потерь (3.2); к«, - коэффициент ухудшения теплоотдачи двигателя при пуске (2.3); кр - коэффициент ухудшения теплоотдачи двигателя при паузе (2.3); ку- коэффициент ухудшения теплоотдачи двигателя на участке установившегося движения (2.3);

кг - дополнительный коэффициент формы тахограммы (3.4.4);

кц2 - коэффициенты аппроксимации кривой намагничивания стали машины (2-1);

кп - передаточный коэффициент механизма при поступательном движении рабочего органа (3.4.2);

к' - коэффициент аппроксимации зависимости момента инерции двигателя от номинального момента (3.4.3);

4>г- вектор потокосцепления ротора в двухфазной модели (1.4.1);

Ьг - индуктивность ротора (1.4.1);

Ьр. - взаимоиндуктивность статора и ротора (1.4.1);

Тг - электромагнитная постоянная времени ротора (1.4.1);

X - отношение момента инерции двигателя к квадрату его номинального вращающего момента (3.4.6);

М, М' - вращающий момент двигателя на его валу и приведенный к входному валу механизма (1.2), ( 3.4.4);

Мс, М'с - момент сил статического сопротивления механизма на его валу и приведенный к валу двигателя (3.4.4), (2.1);

р, - кратность момента двигателя по отношению к номинальному (1.2);

р/с - кратность приведенный к валу двигателя момента сил статического сопротивления (по отношению к номинальному моменту) (2.1);

(1 - относительный момент на валу механизма (по отношению к базовому варианту) (3.4.2);

•Л - КПД двигателя (2.1);

Р - мощность двигателя (3.4.6);

ДР - мощность потерь энергии в двигателе (2.1);

Др - относительная мощность потерь (3.2);

р„ - число пар полюсов двигателя (1.4.1);

р„ - относительная номинальная мощность (3.4.6);

0 - потери энергии в двигателе (2.1); д - относительные потери (3.4.6);

Г15 - активное сопротивление фазы статора (1.4.1);

И'г - приведенное к статорной цепи активное сопротивление фазы ротора (1.4.1);

8 - путь перемещения рабочего органа механизма (3.4.2); 5-1) скольжение двигателя (2.1);

2) относительный путь перемещения рабочего органа механизма (3.4.4); а -коэффициент аппроксимации зависимости момента инерции двигателя от номинального момента (3.4.3);

1 - время (2.1);

т - относительное время (по отношению ко времени цикла) (3.4.2); 6 - угол поворота входного вала механизма (3.3.1);

V - линейная скорость рабочего органа механизма (3.4.2);

V - относительный коэффициент формы тахограммы (3.4.2);

V* - относительный коэффициент формы тахограммы, соответствующий а* (3.4.6);

лу - угловая скорость вала двигателя (1.4.1);

\У1„ - синхронная угловая скорость двигателя (1.4.1);

- круговая частота тока статора двигателя (1.4.1); >уг - круговая частота тока ротора двигателя (1.4.1); О - угол поворота вектора тока статора (4.1); со - скорость входного вала механизма (3.3.1); Х5 - индуктивное сопротивление фазы статора (1.4.1);

Х'г - приведенное к статорной цепи индуктивное сопротивление фазы ротора (1.4.1);

Хй - индуктивное сопротивление контура намагничивания (1.4.1).

Дополнительные индексы: н - номинальный; п - пусковой; т - тормозной;

У"

1) на участке установившегося движения;

2) управляемый; н.у. - неуправляемый; О - паузы (при паузе);

р - работы (включает пуск, уст. движение и торможение); зад - заданный; ср - средний; а - ось а (для проекций); (3 - ось р (для проекций).

ВВЕДЕНИЕ

Диссертация посвящена исследованию частотно-управляемого асинхронного электропривода механизмов циклического действия.

Согласно статистическим данным, электропривод потребляет более 60% вырабатываемой в стране электроэнергии. Поэтому, в связи с всё возрастающим ее дефицитом (процесс, характерный для всего мира), весьма актуальными являются вопросы повышения эффективности электропривода.

Большой класс промышленных механизмов - механизмы циклического действия, у которых режим работы состоит из ряда повторяющихся циклов. Каждый рабочий цикл включает, кроме участков установившейся работы и паузы, участки пуска, торможения, реверса. Отличительной особенностью работы таких механизмов являются напряженные повторно-кратковременные режимы с частыми переключениями, число которых может достигать нескольких тысяч. К этой группе относятся механизмы металлургического производства, горнодобывающих комплексов, кузнечно-прессового оборудования, металлообработки и т.д. Механизмы циклического действия часто играют первостепенную роль в повышении производительности труда и эффективности производства. Общая мощность двигателей механизмов циклического действия составляет значительную часть мощности всех установленных двигателей.

Доминирующее положение в области электроприводов повторно-кратковременного режима работы до последнего времени занимали системы, построенные на базе двигателей постоянного тока. В настоящее время более перспективным вариантом является частотно-управляемый асинхронный электропривод. В качестве преобразователя частоты в таком электроприводе целесообразно применение схемы на основе автономного инвертора тока (АИТ), что позволяет достаточно просто организовать эффективные переходные процессы пуска, торможения, реверса привода.

Цель настоящей работы - разработка методов проектирования и частотного управления асинхронным электроприводом механизмов циклического действия. В соответствии с общей целью поставлены следующие основные задачи:

1. Исследовать режимы работы частотно-управляемого асинхронного электропривода механизмов циклического действия с целью его энергетической оптимизации.

2. Определить законы частотного управления асинхронным электроприводом механизмов циклического действия для повышения производительности и экономии электроэнергии.

3. Разработать методику выбора силовой части электропривода механизмов циклического действия, в основу которой было бы положено применение частотно-управляемого асинхронного двигателя (АД).

4. Исследовать электромагнитные переходные процессы в асинхронном электроприводе на базе АИТ.

5. Разработать эффективные алгоритмы управления АИТ в пуско-тормозных режимах с учетом электромагнитных процессов в АД и несинусоидальности выходного тока преобразователя.

6. Оценить влияние электромагнитных переходных процессов в асинхронном двигателе при частотном управлении на динамические и энергетические свойства электропривода.

При выполнении работы применялись методы математического анализа и моделирования. Широко использовано компьютерное моделирование. Для экспериментальных исследований разработана физическая модель.

Научная новизна проведенных исследований заключается в следующих моментах:

- разработана обобщенная модель электропривода механизмов циклического действия, с помощью которой возможно решение задач проектирования и

оптимизации частотно-управляемого асинхронного электропривода. Модель связывает параметры электропривода и диаграммы движения рабочего органа механизма в цикле, исходя из требований заданной производительности механизма и номинальной степени нагрева двигателя;

- разработана методика выбора элементов силовой части частотно-управляемого асинхронного электропривода механизмов циклического действия;

- предложены алгоритмы управления частотой инвертирования АИТ, разработанные с учетом дискретных свойств преобразователя; алгоритмы определяют моменты коммутаций инвертора и позволяют минимизировать влияние электромагнитных процессов в двигателе на динамические и энергетические показатели электропривода при изменениях режима его работы;

- дана оценка дополнительных потерь энергии в асинхронном двигателе, связанных с наличием электромагнитных процессов при пуске.

Практическая ценность результатов исследований состоит в том, что разработанные модель и методика выбора элементов силовой части асинхронного частотно-управляемого электропривода позволяют решать задачи проектирования и оптимизации электроприводов циклического действия. Предлагаемые алгоритмы частотного управления асинхронным двигателем могут быть использованы при создании эффективных систем электроприводов, работающих в повторно-кратковременных режимах.

На защиту выносятся следующие основные положения работы:

- обобщенная модель частотно-управляемого электропривода механизмов циклического действия и методика выбора элементов его силовой части;

- алгоритмы управления частотой инвертирования АИТ.

Диссертация содержит введение, 5 глав основного текста, заключение с

общими выводами, список использованных источников, содержащий 118 наименований, приложения.

В первой главе рассмотрены проблемы энергосбережения в электроприводе вообще и механизмов циклического действия в частности и сформулированы задачи диссертации.

Во второй главе рассмотрены режимы работы асинхронного частотно-управляемого электропривода механизмов циклического действия. Показана целесообразность применения частотного управления асинхронным электроприводом механизмов циклического действия и выделены наиболее перспективные законы управления. Произведен анализ влияния параметров диаграммы движения электропривода на его энергетические показатели. Определены оптимальные с точки зрения минимизации потерь в двигателе параметры диаграммы.

Треть