автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Исследование электромагнитных и электромеханических переходных процессов в асинхронном электроприводе

г

о&

А ^

Па правах рукописи ФЕДОРОВ Владимир Валентинович

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В АСИНХРОННОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ

Специальность 05.09.03. — Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

/

я {

/ С

Воронеж — 1998

Работа выполнена на кафедре " Электропривода и автоматики промышленных установок и технологических комплексов" в Липецком государственном техническом университете (г. Липецк).

Научный руководитель — кандидат технических наук,

доцент В. Н. Мещеряков.

Официальные оппоненты: — доктор технических наук,

профессор Бурковский В. Л. (г. Воронеж), кандидат технических наук, старший научный сотрудник А.И. Соболев (г. Москва)

Ведущее предприятие -- Акционерное общество

"Новолипецкий металлургический комбинат"

Защита диссертации состоится «21» декабря 1998 г. в «12°°» часов на заседании Диссертационного совета К 063 81.10 при Воронежском государственном техническом университете по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский проспект, 14, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного технического университета.

Автореферат разослан «20» ноября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Фролов Ю.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ.

Исследование переходных процессов в электрических машинах и электроэнергетических системах приобретает все большее значение. Однако расчет и исследование переходных процессов значительно сложнее, чем установившихся.

Установившиеся и переходные процессы в электрических машинах изучаются уже длительное время у нас и за рубежом. По мере развития типов и конструкции машин возрастает число публикации.

Наилучшие и наиболее достоверные результаты можно получить, если использовать в сочетании аналитические и экспериментальные методы исследования, а также математическое моделирование.

Актуальность темы исследования — определяется широким использованием асинхронных двигателей с фазным ротором на металлургических промышленных предприятиях, необходимостью повышения коэффициента мощности каскадных электроприводов. В условиях инт( нсифнкацни производства, важное значение приобретает повышение работоспособности электрооборудования каскадных систем, синхронизация скоростей двухдвигательного электропривода. Используемые в настоящее время системы каскадных электроприводов с асинхронным двигателем с фазным ротором не обеспечивают надежного ограничения динамических нагрузок оборудования и требуют совершенствования.

Одним из направлений совершенствования в двухдвигательиом электроприводе является последовательное соединение обмоток статора и ротора двигателя через вентильные элементы в общую электрическую цепь.

Таким образом, решение актуальной проблемы повышения работоспособности и улучшения динамических свойств каскадных схем воз-

можно па основе создания новых систем асинхронного электропривода.

Работа выполнена на кафедре электропривода Липецкого государственного технического университета в рамках программы "Создание новых сйстем электропривода переменного тока".

ОБЪЕКТОМ ИССЛЕДОВАНИЯ являются каскадные системы асинхронного электропривода.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Разработка и исследование динамических характеристик двухдвигатсльного электропривода.

ЗАДАЧИ, которые ставились и решались при выполнении работы.

— моделирование асинхронного двигателя как объекта управления в каскадных системах асинхронного элелектропривода;

— моделирование и исследование каскадных систем асинхронного электропривода;

— моделирование и исследование двухдвигатсльного электропривода;

— экспериментальные исследования каскадных систем управления асинхронным двигателем с фазным ротором.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. В работе использованы: математическое моделирование с помощью пакета прикладных программ "СиАм" (система автоматизированного моделирования), программирование с помощью традиционных языков, а также эксперименты на испытательных стендах.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В работе получены следующие научные результаты:

— осуществлено моделирование динамических процессов в каскадных однодвигательных, двухдвигательных электроприводах, с учетом электромагнитных и электромеханических процессов;

— методами математического моделирования доказано, что использо-

вание инверторно-каскадных систем в двухдвигательном электроприводе повышает синхронизацию скоростей двигателей.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ:

— методика моделирования, с учетом электромагнитных и электромеханических процессов может использоваться в учебном процессе;

— разработанная двухдвигательная система асинхронного электропривода может использоваться в общепромышленных механизмах.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на:

— Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 40-летию Липецкого государственного технического университета. (Липецк)

— 3-й Украинской конференции "Автоматика-96" (Севастополь, 1996)

— Международном симпозиуме "Энергосберегающие технологии, добыча, транспортировка и переработка твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых" (Санкт-Петербург, 1996)

— научно-техническом семинаре "75 лет отечественной школы электропривода" (Санкт-Петербург, 1997)

— научно-практической конференции "Актуальные проблемы науки в АПК" (Кострома, 1996)

— II Международной (XIII Всероссийской) конференции "Проблемы автоматизированного электропривода" (Ульяновск, 1998).

ПУБЛИКАЦИИ.

По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, списка используемой литературы. Объем работы - 157 с. основного текста, 56 - рисунков, 7 - таблиц, библиографических названий - 70.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, определены методы исследования, отмечены научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе проведен анализ существующих технических решений асинхронного электропривода, рассмотрены достоинства и недостатки систем управления электроприводом переменного тока, каскадные системы управления. Такие системы позволяют создавать высокоскоростные регулируемые привода. В этой же главе отмечены недостатки каскадных систем однодвигателыюго и двухдвигателыюго электропривода.

Среди способов моделирования АСУ электроприводами можно выделить два, основанных на использовании математических моделей систем управления в виде моделей состояния и структурных моделей.

При моделировании систем электропривода, математические модели которых представлены в виде моделей состояния, т. е. систем дифференциальных уравнений в форме Коши, используются стандартные подпрограммы численного интегрирования по методу Рунге-Кутта, входящие в математическое обеспечение большинства ЭВМ.

При моделировании нелинейных систем электропривода, удобно использование структурных моделей и соответствующих методов цифрового моделирования, основанных на использование единой модели универсального звена, которое является ядром программы.

В этой же главе показаны возможности современных вычислительных машин для моделирования систем управления электроприводами. Рассмотрены алгоритмы моделирования, принцип построения математических моделей, так же исследованы различные методы моделиро-

вания. Проведем анализ существующих программ, используемых при моделировании электромагнитных процессов.

Вторая глава посвящена исследованию электромагнитных процессов в асинхронном электроприводе. Рассмотрен асинхронный электродвигатель — как объект управления в каскадном электроприводе.

При исследовании переходных процессов в электродвигателях переменного тока применяют различные ортогональные системы координат, отличающиеся угловой скоростью вращения координатных осей «и, , например системы, оси которых неподвижны относительно ротора, или неподвижны относительно статора, или вращаются с синхронной скоростью.

Уравнения асинхронного электродвигателя в системе координат,

вращающейся с произвольной скоростью ю имеют вид

- - <7Ф -1/,=/Д+—-М-МЧ', ;

(\1

ич' - (П

<II

где со — угловая скорость вращения ротора; рп — число пар полюсов.

Потокосцепления связаны с токами через индуктивности Ч'^Т^+Цц,-

Для определения электромагнитного момента асинхронного электродвигателя используется векторное произведение

лЦ/'^Ч). (3)

Для полного описания переходных процессов в асинхронном электродвигателе к уравнениям напряжений и моментов следует добавить уравнение

записанное для скалярных значений моментов М и Мс.

Система уравнений электродвигателя является нелинейной, и решение ее для различных динамических режимов работы электродвигателя может быть выполнено с использованием вычислительных машин.

На основе дифференциальных уравнений произведено моделирование в системе координат "х, у" и в естественной системе координат. Составлена модель асинхронного двигателя в естественной системе координат (рис. 1).

На основании дифференциальных уравнений составлена программа вычисления динамических характеристик асинхронного двигателя с фазным ротором с помощью языка программирования "Т1Л1ВО-Ва-з1с". Выбрана удобная система координат для моделирования каскадных систем.

В третьей главе произведено исследование асинхронно-вентильного каскада в динамике, т.е смоделированы электромагнитные процессы, проходящие в обмотках ротора при пуске асинхронного двигателя, при различной добавочной противо-ЭДС инвертора, вводимой в цепь ротора.

Исследование электромагнитных переходных процессов в АВК имеет целью выяснить физические закономерности и методику их расчета, что безусловно необходимо при проектировании АВК и подборе электрооборудования.

Реализация энергии скольжения асинхронных двигателей с фазным ротором и простота вентильной части обеспечивают экономичность.

\

о/' "" ... ,/

Чч ...

.... у

Чч><;

евЧ - ч /

1МПГ

+

тс +

+ (■с-

II

5=

- X

V? £

+

и

5

+

£ +

¡3=

д.

£ +

и

5?

ААА

/

\

ч;< у

ч """ч

( - ''"ч

... ^'

г 1 + 1 £ ь; Г-4 + сЧ

£ э' а

О О о 0 +

'+ + N С1 я

т V

<-1 ,3 н Г-1 3

о и о V о . аа о и

о гп о +

+ ¿5 + .¿а + Л ГЧ

У и и О и О О

II II II , т

ЛА «а и О СЗ О -С и

«3 о

V

V,

1 < |

. и

+ +

<ч и

э-

5

I

'Ж +

f

- +

£

+

о

Рис. 1. Структурная схема модели АД в осях Л, В, С.

Несмотря на то, что имеется богатый опыт эксплуатации каскадных систем, они находят ограниченное применение на практике из-за низкого коэффициента мощности и малой перегрузочной способности. Устранение этих недостатков системы асинхронного вентильного каскада (АВК) позволит существенно расширить область ее практического применения, распространив на класс механизмов, требующих, с одной стороны, повышенной надежности, а с другой — существенно большей перегрузочной способности электропривода (крановые, транспортные механизмы, экскаваторы).

Одним из способом повышения энергетических показателей и перегрузочной способности асинхронного двигателя является режим последовательного возбуждения, рассматриваемого в работах Н. В. Шулакова, E.H. Медведева. В системе АВК реализация этого режима позволяет получить глубокое регулирование скорости при од-ноканальном управлении. Данная система обладает более высокой перегрузочной способностью, чем традиционная система АВК.

На основе данного принципа, т.е последовательного соединения обмоток двигателя, возможно построение других инверторно-каскад-ных систем управления асинхронным электроприводом.

Произведено исследование электромагнитных процессов в инвер-торно-каскадных системах электропривода (см. рис. 2).

При формировании пусковых характеристик АВК с помощью регулируемого инвертора, необходимо в широком диапозоне регулировать угол управления инвертором, что приводит к возрастанию потребления инвертором реактивного тока при высоких скоростях двигателя и снижению коэффициента мощности электропривода.

В системе каскадно — инверторного электропривода (см. рис. 3),

Рис.2. График переходного процесса пуска при каскадном регулировании в

одподвигательнои системе: ! - эксперимент^//^, 2 - в динамике (]-(п), Г -эксперимент (/</п), 7 - в динамике (/ </п).

Рис. 3. Схема асинхронно-вентильного каскада с инвертором п цени статора и общим звеном постоянного тока. — нерегулируемый роторный выпрямитель. 1322— инвертор, 1^3 — регулируемый выпрямитель.

разработанного В.Н. Мещеряковым, энергия скольжения отдается не в питающую сеть, а непосредственно в обмотку статора двигателя. Таким образом, обмотки статора и ротора двигателя включены в общую электрическую цепь, что позволяет одновременно управлять токами статора и ротора двигателя. Особенности электромагнитных процессов в двигателе при каскадно - инверторном управлении определяются тем, что обмотки статора и ротора двигателя включены с помощью вентильных элементов в общую электрическую цепь, что требует детального исследования свойств и характеристик электропривода, поэтому в данной работе проведено исследование и смоделированы электромагнитные процессы, проходящие в роторе асинхронного двигателя, изложены основные приципы моделирования инверторно-кас-кадных систем управления. На основе инверторно-каскадных систем возможно построение многодвигательных систем.

В четвертой главе произведено исследование двухдвигательного электропривода. В общепромышленных механизмах такие системы широко используются, но при этом возникают трудности.

Из-за неравенства скоростей двигателей возникают механические колебания в металлоконструкциях механизмов, при этом электромагнитные колебания токов обоих двигателей тоже существенно возрастают.

Поэтому ставится цель разработать надежную и простую систему управления двухдвигательным приводом. В предлагаемом двухдвига-тельном электроприводе (рис. 4) к обмоткам роторов двигателей подключены входы нерегулируемых выпрямителей, последовательно с выпрямителями соединены инвертор, еще один питающий выпрямитель и сглаживающий реактор, выход инвертора подключен к параллельно-соединенным обмоткам статора двигателя, силовой вход питающего

1X3

Рис. 4. Электрическая схема двухдвигательиого частотно-каскадного электропривода. 1,2- асинхронные электродвигатели, 3 и 4 - нерегулируемые выпрямители, 5 - регулируемый инвертор, 6 - регулируемый выпрямитель.

выпрямителя подключен к питающей сети, его управляющие! вход подключен к устройству регулирования выходного напряжения, инвертор выполнен автономным, его управляющий вход подключен к устройству регулирования выходной частоты, питающий выпрямитель содержит устройство регулирования выходного напряжения, выходы которых соединены между собой параллельно.

Принцип действия разработанной системы основан на введении в цепь ротора каждого из двигателей противо - ЭДС, зависящей от скорости другого двигателя. Это приводит к перераспределению эквивалентных противо - ЭДС, введенных в цепь ротора каждого из двигателей и сопровождается изменением их динамических и статических характеристик. При равенстве скоростей и скольжений двигателей их ЭДС Е $ равны между собой. В процессе разгона двигателей происходит изменение скольжений Б, поэтому для поддержания постоянства выпрямленного ток 1Л или его изменения по нужному закону необходимо регулировать выходное напряжение VЛо выпрямителя 6. Обмотки статоров и роторов двигателей 1 и 2 с помощью звена постоянного тока соединены в общую электрическую цепь, поэтому при равенстве скольжений двигателей токи в обмотках статоров и роторов обоих двигателей равны между собой. Энергия скольжения двигателей передается из цепей их роторов непосредственно в обмотки их статоров.

Использование каскадных систем синхронизации скоростей двигателей приводит к снижению динамических нагрузок в электромеханических системах. Существуют различные системы синхронизации скоростей двигателей, отличающиеся по принципам построения. Но с другой стороны требования простоты и надежности, предъявляемые к

электроприводам общепромышленных механизмов, обуславливают выбор наиболее простых вентильных схем синхронизации.

Электромагнитные процессы в двигателях при каскадном управлении очень сложны, так как роторы обоих двигателей включены в общую электрическую сеть, в свою очередь каждая обмотка статора и ротора с помощью вентильных элементов тоже связана электрической цепыо, поэтому требуется детальное исследование свойств и характеристик двухдвигательного электропривода.

На основании дифференциальных уравнений составлена структурная схема для моделирования, изображенная на рис. 5. Данная схема позволяет исследовать работу двухдвигательного частотно-каскадного электропривода с учетом электромагнитных процессов. С помощью языка программирования "Basic" составлена программа расчета динамических характеристик двухдвигательного электропривода методом Эйлера. Данная программа универсальна, так как позволяет анализировать динамические процессы как однодвигатсльного, гак и двухдвигательного электропривода.

Результаты моделирования, изображенные на рис. 6, показали, что при пуске двигателей синхронизация скоростей сохраняется на всем протяжении. Для подтверждения результатов моделирования проведены экспериментальные исследования, в ходе которых установлено, что при различных нагрузках синхронизация скоростей тоже сохраняется.

Систему двухдвигательного каскадного электропривода возможно использовать в общепромышленных механизмах, где требуется синхронная работа электродвигателей.

т

е—®-

I

модель АД1

модель

АД2

1и ГЬа

гь.

к»-1

Рис. 5. Структурная схема для моделирования в системе координат Х-У.

ЗАКЛЮЧЕН И И

В результате проведенных исследований решены актуальные задачи анализа и синтеза нелинейных электромеханических систем с асинхронным двигателем с фазным ротором. Разработаны и исследованы новые системы каскадного двухдвигатсльного асинхронного электропривода.

Материалы диссертации позволяют сформулировать следующие основные выводы:

1. Исследование электромагнитных и электромеханических свойств асинхронного двигателя с фазным ротором, как объекта управления в каскадных системах, выполнено с помощью векторной модели в прямоугольной системе координат. Нелинейная модель асинхронного двигателя исследована методом математического моделирования с использованием ЭВМ. Разработана модель асинхронного двигателя в трехфазной системе координат, позволяющая исследовать каскадные системы управления.

2. Разработана векторная модель инверторно-каскадной системы управления на основе двухфазной системы Х-У, позволяющая анализировать электромагнитные процессы, проходящие в асинхронном электродвигателе.

3. Разработана структурная схема двухдвигатсльного инвертор-но-каскадного электропривода. Составлена модель данного электропривода, позволяющая проанализировать электромагнитные процессы.

4. Анализ систем каскадного двухдвигатсльного электропривода выполнен на основании исследования электромагнитных электромеханических свойств асинхронного двигателя. В системе повышается синхронная работа двигателей электропривода, поэтому возможно использование ее в общепромышленных механизмах.

РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. В.Н. Мещеряков., В.В Федоров. Трехфазный асинхронный электропривод с конденсаторным управлением// Информационный листок о передовом опыте. -Липецк: ЦНТИ. -1995. № 122-95.

2. Мещеряков В.Н..Федоров В.В. Управление двумерными упругосвязанпыми электромеханическими системами с асинхронным электроприводом// Автоматика 96: Тезисы докладов 3-й Украинской конференции. 9-15 сентября 1996 г. - Севастополь, 1996. - С.29.

3. Мещеряков B.I 1., Федоров В.В. Взрывозащищенный асинхронный электропривод с индукционным иуско-регулирующим устройством// Энергосберегаюю-щис технологии, добыча, транспортировка и переработка твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых: Тезисы докладов. Международный симпозиум. -Санкт-Петербург, 1996. -С. 83.

4. Мещеряков В.Н., Федоров В.В. Частотное регулирование асинхронного двигателя// Актуальные проблемы науки в АПК: Тезисы докладов. 17-18 апреля 1996 г. - Кострома, 1996. - С.10.

5. B.II. Мещеряков., В.В. Федоров. Частотное регулирование асинхронного двигателя// Всероссийская научно-техническая конференция, посвященная 40-летию Липецкого государственного технического университета: Сборник тезисов докладов. Октябрь 1996 г. - Липецк 1996. - С. 123.

6. Мещеряков В.Н., Федоров В.В. Асинхронно-вентильный каскаддля крановых механи змов// Научно-технический семинар. 75 лет отечественной школы электропривода: Тезисы докладов. 24-26 марта 1997 г. - Санкт-Петербург, 1997,- С.35.

7. В.Н. Мещеряков, В.В. Федоров. Асинхронно-вентильный каскад в цепи статора и общим звеном постоянного тока //ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. -1998.-№6. -С. 47-50.

8. В.Н. Мещеряков, В.В. Федоров. Асинхронно-вентильный каскаддля крановых механизмов// Проблемы автоматизированного электропривода II Международная (XIII Всероссийская) конференция: Тезисы докладов. 23-25 сентября 1998г.-Ульяновск,1998. - С. 133.

9. В.Н. Мещеряков, В.В. Федоров. Моделирование динамических процессов всис-темах асинхронного электропривода.'"' ^ ^ Липецк: ЛI ТУ. 1998,- С.68.

ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ФЕДОРОВ Владимир Валентинович

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В АСИНХРОННОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ

Специальность 05.09.03. -"Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование."

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук доцент Мещеряков В.Н.

ЛИПЕЦК 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................4

ГЛАВА 1.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМАХ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

1Л. Предисловие......................................................................................7

1.2. Обзор существующих систем асинхронного электропривода...8

1.3. Возможности современных ЭВМ для моделирования автоматических систем управления электроприводами.............16

1.4. Методы образования математических

моделей электромеханических систем..........................................18

1.5. Пакет прикладных программ "СИАМ"......................................24

1.6. Выводы............................................................................................31

ГЛАВА 2. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В АСИНХРОННОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ

2.1. Предисловие....................................................................................32

2.2. Асинхронный двигатель — как объект управления..................34

2.3. Моделирование асинхронного двигателя

в системе координат х,у..................................................................42

2.4. Моделирование асинхронного двигателя

в естественной системе координат...............................................61

2.5. Выводы............................................................................................72

ГЛАВА 3.

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В КАСКАДНЫХ СИСТЕМАХ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

3.1. Предисловие....................................................................................73

3.2. Моделирование асинхронно-вентильных каскадов.................74

3.3. Асинхронно-вентильный каскад с последовательным возбуждением двигателя.................................................................83

3.4. Асинхронно-вентильный каскад с инвертором

в цепи статора и общим звеном постоянного тока...................87

3.5. Моделирование асинхронно-вентильного

каскада с инвертором в цепи статора.........................................98

3.6. Выводы..........................................................................................109

ГЛАВА 4.

КАСКАДНЫЕ СИСТЕМЫ ДВУХДВИГАТЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

4.1. Предисловие..................................................................................110

4.2. Двухдвигательный каскадный

электропривод................................................................................111

4.3. Моделирование двухдвигательного

каскадного электропривода........................................................116

4.4. Выводы..........................................................................................149

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................150

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.............................................151

ПРИЛОЖЕНИЯ..................................................................................158

ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ.

Исследование переходных процессов в электрических машинах и электроэнергетических системах приобретает все большее значение. Однако расчет и исследование переходных процессов значительно сложнее, чем установившихся.

Установившиеся и переходные процессы в электрических машинах изучаются уже длительное время у нас и за рубежом. По мере развития типов и конструкций машин возрастает число публикаций.

Наилучшие и наиболее достоверные результаты можно получить, если использовать в сочетании аналитические и экспериментальные методы исследования, а также математическое моделирование.

Актуальность темы исследования — определяется широким использованием асинхронных двигателей с фазным ротором на металлургических промышленных предприятиях, необходимостью повышения коэффициента мощности каскадных электроприводов. В условиях интенсификации производства, важное значение приобретает повышение работоспособности электрооборудования каскадных систем, синхронизация скоростей двухдвигательного электропривода. Используемые в настоящее время системы каскадных электроприводов с асинхронным двигателем с фазным ротором не обеспечивают надежного ограничения динамических нагрузок оборудования и требуют совершенствования.

Одним из направлений совершенствования в двухдвигательном электроприводе является последовательное соединение обмоток статора и ротора двигателя через вентильные элементы в общую электрическую цепь.

Таким образом, решение актуальной проблемы повышения работоспособности и улучшения динамических свойств каскадных схем воз-

можно на основе создания новых систем асинхронного электропривода.

Работа выполнена на кафедре электропривода Липецкого государственного технического университета в рамках программы "Создание новых систем электропривода переменного тока".

ОБЪЕКТОМ ИССЛЕДОВАНИЯ являются каскадные системы асинхронного электропривода.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Разработка и исследование динамических характеристик двухдвигательного электропривода.

ЗАДАЧИ, которые ставились и решались при выполнении работы.

— моделирование асинхронного двигателя как объекта управления в каскадных системах асинхронного элелектропривода;

— моделирование и исследование каскадных систем асинхронного электропривода;

— моделирование и исследование двухдвигательного электропривода;

— экспериментальные исследования каскадных систем управления асинхронным двигателем с фазным ротором.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. В работе использованы: математическое моделирование с помощью пакета прикладных программ "СиАм" (система автоматизированного моделирования), программирование с помощью традиционных языков, а также эксперименты на испытательных стендах.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В работе получены следующие научные результаты:

— осуществлено моделирование динамических процессов в каскадных однодвигательных, двухдвигательных электроприводах, с учетом электромагнитных и электромеханических процессов;

— методами математического моделирования доказано, что использо-

вание инверторно-каскадных систем в двухдвигательном электроприводе повышает синхронизацию скоростей двигателей.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ:

— методика моделирования, с учетом электромагнитных и электромеханических процессов может использоваться в учебном процессе;

— разработанная двухдвигательная система асинхронного электропривода может использоваться в общепромышленных механизмах.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на:

— Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 40-летию Липецкого государственного технического университета. (Липецк)

— 3-й Украинской конференции "Автоматика-96" (Севастополь, 1996)

— Международном симпозиуме "Энергосберегающие технологии, добыча, транспортировка и переработка твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых" (Санкт-Петербург, 1996)

— научно-техническом семинаре "75 лет отечественной школы электропривода" (Санкт-Петербург, 1997)

— научно-практической конференции "Актуальные проблемы науки в АПК" (Кострома, 1996)

— II Международной (XIII Всероссийской) конференции "Проблемы автоматизированного электропривода" (Ульяновск, 1998).

ПУБЛИКАЦИИ.

По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, списка используемой литературы. Объем работы - 157 с. основного текста, 56 - рисунков, 7 - таблиц, библиографических названий - 70.

ГЛАВА I.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМАХ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

1.1. Предисловие

Технический прогресс во всех отраслях промышленности предъявляет повышенные требования к современному автоматизированному электроприводу в отношении экономичности, гибкости управления, надежности, быстродействия, технологичности и компактности.

На научных конференциях, семинарах по автоматизированному электроприводу отмечалось, что одним из важнейших и решающих направлений работ ближайшего будущего является создание новых регулируемых электроприводов переменного тока, отличающихся высокими эксплуатационными показателями, так" как в некоторых отраслях промышленности таких, как химическая, текстильная, легкая, недопустимо использование коллекторных машин постоянного тока в силу запыленности, влажности и взрывоопасности среды, а в ряде случаев применение двигателей постоянного тока ограничивает рост мощностей производственных агрегатов.

Другой резерв повышения производительности за счет применения приводов переменного тока определяется меньшей механической инерционностью двигателей. Так, для сравнивыемых серийных машин конструктивная длина асинхронного двигателя меньше, а отношение номинального момента к моменту инерции в 2-3 раза выше, чем для двигателей постоянного тока.

1.2. Обзор существующих систем асинхронного электропривода

Основными направлениями развития регулируемых электроприводов переменного тока в настоящее время являются:

1) параметрическое управление по цепи статора или ротора асинхронного двигателя;

2) частотное управление асинхронными или синхронными двигателями;

3) вентильные двигатели;

4) каскадные системы соединения асинхронного двигателя с фазным ротором с вентильными преобразователями в его роторной цепи.

Параметрическое управление асинхронным двигателем отличается простотой схем, но связано с потерями энергии скольжения. Поэтому данный метод применяется в основном при неглубоком регулировании скорости механизмов с вентиляторным моментом нагрузки. Значительное снижение угловой скорости допустимо лишь кратковременно (доводочные скорости). Параметрическое тиристорное управление используется для формирования процессов пуска, торможения и реверса, а иногда для точной отработки перемещений.

Частотное управление обеспечивает плавное и экономичное регулирование скорости в широких пределах. Наиболее перспективны системы со статическими преобразователями частоты. В последние годы широко разрабатываются и исследуются тиристорные преобразователи частоты двух типов: с непосредственной связью и с промежуточным звеном постоянного тока и многие другие. Предложено значительное число схем преобразовательных устройств. Часть из них проходит

в настоящее время опытно-промышленные испытания. Однако имеется еще целый ряд нерешенных задач, связанных с определением рациональных структур как главных цепей, так и систем управления, выявлением целесообразных областей применения преобразователей различных типов, созданием средств защиты, разработкой электрических машин, специально предназначенных для частотного управления и т.д.

Результат, достигнутый в производстве тиристорных преобразователей частоты, ставит вопрос о необходимости использования электропривода с вентильными двигателями в различных областях промышленности и транспорта.

В последние годы широко используются каскадные соединения асинхронных двигателей с фазным ротором [57]. В настоящее время разработано большое количество различных каскадных систем, которые могут классифицироваться по различным признакам. Наиболее общее различие каскадных систем связано с разделением их на две основные группы, из которых к первой, относительно небольшой группе относятся каскады с потерей энергии скольжения, а ко второй, включающей большинство схем, относятся каскады с реализацией энергии скольжения.

Вторым классификационным признаком является способ реализации энергии скольжения, в соответствии с которым различают электрические и электромеханические каскады. В электрических каскадах энергия скольжения за вычетом потерь возвращается в питающую сеть, а в электромеханических - на вал основного двигателя.

Третьим признаком классификации является тип преобразовательного устройства. Преобразовательные устройства в соответствии с

принципом их действия могут быть с непосредственной связью (например, коллекторные двигатели переменного тока, коллекторные преобразователи частоты, вентильные преобразователи частоты с непосредственной связью) или с промежуточным звеном постоянного тока.

По типу элементов преобразовательного устройства (четвертый признак классификации) различают электромашинные, вентильно-машин-ные и вентильные каскады. Наконец, в зависимости от того, производится ли регулирование основного двигателя вверх и вниз от синхронной скорости или только в одну сторону, различают однозонные и двух-зонные каскады.

Основные типы и конкретные схемы каскадных электроприводов приведены, например, в [29].

Интерес к каскадным приводам появился в начале 40-х годов. Этому способствовали два обстоятельства: во-первых, прогресс в производстве вентилей позволил заменить одноякорные преобразователи неуправляемыми выпрямителями, что положило начало развитию вен-тильно-машинных каскадов, более надежных и экономичных, чем электромашинные каскады. Во-вторых, уже в 1937 г. Е. Л. Эттингером проводились исследования в области вентильных каскадов, в которых мощность скольжения преобразуется только статическими устройствами. Начиная с 1948 г. в СССР был осуществлен ряд промышленных установок с вентильно-машинными и вентильными каскадами для приводов прокатных станов.

Новый этап в развитии каскадных систем электропривода связан с появлением мощных полупроводниковых вентилей и особенно тиристоров. Это позволило расширить диапазон мощностей, при которых

применение каскадных приводов является технически целесообразным, улучшить эксплуатационные характеристики приводов, повысить их надежность и к.п.д.

Теория каскадных систем является синтезом основных положений теории электрических машин постоянного и переменного тока и теории управляемых и неуправляемых вентильных преобразователей [55].

Большую роль в разработке и исследовании каскадов сыграли труды советских ученых М. J1. Костенко, Е. JI. Эттингера, Д. А. Завалиши-на, С. 3. Барского, Б. В. Фролова, С. И. Бардинского, Г. Б. Онищенко и др. [1, 57].

Каскадные системы позволяют создавать высокоскоростные регулируемые приводы большой мощности. В отличие от частотного управления габариты вентильных преобразователей каскадных систем определяются максимальным скольжением. При неглубоком регулировании каскадный привод может оказаться компактней и экономичней частотного привода, в котором преобразованию подлежит максимальная мощность, потребляемая двигателем из сети [57].

По современным оценкам, а так же тезисам докладов на конференциях вентильные каскадные электроприводы наиболее перспективны для указанных общепромышленных механизмов по сравнению с другими системами электропривода при частотах вращения 1500 об/мин и мощности до 25-50 мВт, а при частотах вращения 3000 об/мин - в диапазоне мощностей 35 мВт.

Можно выделить несколько фирм занимающихся разработкой и поставкой каскадных систем.

Фирма «Сименс» (Германия) осуществляет поставки каскадных при-

водов, укомплектованных исключительно полупроводниковыми вентилями. Наибольшая мощность таких приводов в одной единице составляет 8200 кВт.

Фирма «Марелли» (Италия) выпускает электрооборудование для вен-тильно-машинных («Рейтифлоу») и вентильных («Тирифлоу») каскадов. Например, выпуск привода прокатного стана с асинхронным двигателем мощностью 900 кВт, частота вращения которого регулируется от 450 до 580 об/мин.

Фирма «АСЕА» (Швеция) разработала систему «Каскад-69» мощностью 1200 кВт для насосов и вентиляторных установок цементного, угледобывающего и целлюлозно-бумажного производства.

Фирма «Элин Юнион» (Австрия) работает в области использования вентильных каскадов для механизмов подъема и передвижения кранов.

Во Франции по схеме вентильного каскада выполнены приводы двух насосов в котельной на атомной электростанции, регулируемые от 2100 до 2970 об/мин. Мощность каждого асинхронного двигателя 3300 кВт.

Совершенствование и изучение каскадных систем преследует следующие цели.

1) Улучшение коэффициента мощности. Низкий коэффициент мощности является одним из недостатков вентильного каскада. Основные способы его повышения — это несимметричное управление вентилями анодной и катодной групп инвертора, выполненного по трехфазной мостовой схеме. Это управление широко рассмотрено в работах Горь-ковского института; применение так называемого сдвоенного инвертора; использование компенсационных инверторов, разработанных в

Киевском политехническом институте [33], искусственной коммутации и специальных фильтров высших гармонических. В вентильных каскадах с импульсным регулированием скорости инвертор работает с минимальным углом опережения, при этом его реактивная мощность невелика.

2) Уменьшение масса-габаритных показателей преобразователей в цепи ротора. При вентиляторном моменте нагрузки целесообразно наряду с э.д.с. инвертора регулиро