автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Исследование электропривода тиристорный преобразователь напряжения - линейный асинхронный двигатель при фазовом и квазичастотном управлениях

МОСКОВСКИЙ ордена ЛЕНИНА и ордена ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукотаои

АЙОБ Ахмад Хамэд

ИССЛЕДОВАН!® ЭЛЕКТРОПРИВОДА ТИРИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ - ЛИНЕЙНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПРИ ФАЗОВОМ И КВАЗИЧАСТОТНОМ ПРАВЛЕНИЯХ

Специальность 05.09,03 - Электротехнические комплексы и

системы, включая их управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-1991

Работа выполнена на кафедре Автоматизированного электропривода Московского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетического института.

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент МАСАЩЩОВ Л.Б.

Официальные оппоненты- доктор технических наук, профессор РУБЦОВ В.П.

- кандидат технических наук, КРЫЛОВ Н.В.

Оппонирующая организация - СКТБ Башенного краностроения

Защита диссертации состоится "21" июня 1991 года.и аудитория М-214 в II чао. 00 мин, на заседании Специализированного Совета Д-053,16.04 Московского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетического института.

Отзывы ва автореферат в двух экземплярах с заверенной подписью просим направлять по адресу: 105835, ГСП, Москва, Е-250, Красноказарменная уд., дом 14, Ученый совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан " " 1991 г.

Ученый секретарь специализированного созета Д-053.16.04, кандидат технических

наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Актуальность теш диссертации. Для создания безредукторно-

электропривода поступательного движения значительный инте-о представляют линейные асинхронные двигатели (ЛАД). В пос-днее время как в СССР, гак и за рубежом большое внимание удается разработка конструкций, теории и применению ЛАД, Электро-ивода с ЛАД имеют широкую область применения: крановые, лиф-вые механизмы, конвейеры, узлы станков, толкатели электричео-х печей, механизму открывания дверей, механизмы промышленных ботов, поворотные устройства и т.д.

В большинстве случаев требуемые рабочие скорости механизмов взываются значительно меньшими синхронных скоростей ЛАД. вс-[ его индуктор подключен к промышленной сети переменного тока, 'этому электропривода с ЛАД должны быть регулируемыми.

До сих пор основное внимание, как правило, уделялось иссле->ванию собственно ЛАД, а электроприводу с ЛАД, особенно регу-груемому, уделялось недостаточно внимания. Рациональный выбор гстемы регулируемого электропривода для ЛАД является важной 1хнико-экономической задачей. Для ЛАД значительный интерес вы-гвает система тиристорный преобразователь напряжения (ТШ) -ДАД, >ско7гьку она характеризуется относительной простотой и наболь->й стоимостью и вместе с тем позволяет при фазовом и квазичас->тиом управлениях обеспечить расширенные функциональные возможен по регулированию скорости электропривода.

Данная диссертационная работа выполнялась в соответствии с аучными направлениями каг$едры автоматизированного электропрн-зда МЭИ в области совершенствования массовых асинхронных элект-эприводов, выполненных на базе ТШ с разными режимами управлэ-ая.

Поскольку соотношения между параметрами ЛАД значительно от-ичаются от соответствующих соотношений, характерных для асинх-энных двигателей с вращающимся ротором, весьма актуальным явится исследование свойств регулируемого электропривода по оио-еме ТИН-ЛАД при фазовом и квазичастотном управлениях как для лоских, так и цилиндрических двигателей.

Цель работы и задачи исследования. Целью работы является ио-ледоваиие особенностей регулирования скорости электропривода

тиристорны! преобразователь напряжения - линейный асинхронный двигатель при фазовом и квазичастотном управлениях.

В рамках данной дкссертадаоляой работы для достижения поста! ленной цели решается следующие задачи:

1. Разработка экспериментальных стендов для проведения исследования механических характеристик ЛАД.

2. Выбор математических: моделей ЛАД, обеспечивающих хорошее совпадение экспериментов и расчетов.'

3. Исследование влияния воздушного зазора на электромеханические свойства асинхронных машин и электроприводов на юс основа.

4. .Анализ регулировочных возможностей электропривода ТШ-1Д1 при фазовом и квазичастотном управлениях.

5. Разработка методики экспериментальных определений параметров ЛАД.

Методика проведения исследований. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследований. Теоретические штода базируются на применении математических моделей асин хрошшх машин, которые основаны на известных в теория электромеханических систем допущениях. Рад расчетов при исследованиях проведен с использованием ЭВМ. Теоретические положения подтверж деяы результатами экспериментов, полученных при исследованиях плоского и цилиндрического линейных асинхронных двигателей на испытательных стендах.

Научная новизна диссертации состоит в следующем:

1. Ерадложен способ экспериментального определения обобщенных параметров в параметров схемы замещения линейных асинхронных двигателей.

2. Выявлены основные показатели регулирования скорости замкнутой системы электропривода таристорный преобразователь напряжения - линейный асинхронный двигатель при фазовом управлении.

3. Выбрана силовая схема преобразователя для электропривода таристорный преобразователь напряжения - линейный асинхронный двигатель при квазичастотном управлении.

4. Показано, что систему дифференциальных уравнений, а также формулы для статических электромеханических и механических характеристик можно соответственно записать в виде, который одновременно подходит как для асинхронных двигателей с вращаю-

цимся ротором, так и дал линейных асинхронных двигателей.

5. Экспериментально обоснован способ снятия статических ю-саническкх характеристик линейных асинхронных двигателей с ис-юльзованием замкнутой системы регулирования скорости электро-1ривода ТШ-ЛАД.

Практическая ценность работы состоит в разработке рекомендаций по экспериментальному определению параметров линейных асинхронных двигателей, обеспечивающих приемлемую для инженерной практики точность расчетов электроприводов, а также в разработке рекомендаций по применению электроприводов по системе ШН-ЛАД при фазовом и квазичастогном управлениях. Результаты работы могут быть использованы для разработки регулируемых электроприводов ряда механизмов (например, крановой тележки), оборудованных низкоскоростныма линейными асинхронными двигателями.

Апробация работа. Научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинаре научной группы я заседании кафедры Автоматизированного электропривода МЭИ В февраля 1991 года.

Объем и структура работа. Диссертация состоит из введения, пяти глав и выводов ао работе. Ее содержание изложено на 109 страницах машинописного текста, иллюстрировано 33 рисунками, имеет библиографический список литературы из 69 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теми диссертационной работы.

В первой главе анализируется применение линейных асинхронных двигателей в электроприводах.

По сравнению с асинхронными двигателями вращательного движения (АД) ЛАД имеют следующие принципиальные отличия: увеличенный воздушный зазор, наличие разомкнутого воздушного зазора как со стороны входа в активную зону индуктора, так и со стороны выхода из нее, конечная длина и конечная ширина индуктора. Из-за этих отличий в ЛАД проявляются краевые эффекты, которые влияют на электромеханические свойства ЛАД и весьма затрудняет теоретический анализ электропривода, в том числе расчет статических я динамических характеристик. Исследования показывают,что для низкооксгростнтоЛАД краевые эффекты незначительно влияют на свойства ЛАД, поэтому ими в ряде случаев можно пренебречь.

Из-за сложностей математического описания электропривода с ЛАД целесообразно использовать упрощенные подходы к анализу его электромеханических свойств. При этом возрастает роль экс периментальных исследований и, прежде всего, измерений мехам чески характеристик ЛАД. Анализ публикаций показывает, что с шествующие способы измерений дают ограниченные возможности, с этому актуалыым является совершенствование подобных способоЕ Для осуществления расчетов электроприводов необходимо опре делить параметры схемы замещения ЛАД. Однако до настоящего вр мени для ЛАД (в отличие от АД) отсутствуют полные и обвэприня тые методики их расчета. Поэтому возникает необходимость раз1 ботки способов экспериментального определения параметров ЛАД-Поскольку необходимый уровень скорости перемещения механиа мов, приводимых в движение от ЛАД, обычно значительно ниже из синхронных скоростей, то электроприводы с ЛАД в большинстве с чаев должны быть регулируемыми. Из систем регулируемого эяеш привода для ЛАД представляется перспективным использовать сис му ЯШ-ЛАД, поскольку с одной стороны она обеспечивает при фе зовом и квазичастотном режимах управления расширенные функцис нальаыв возможности по регулированию скорости, а с другой стс роны характеризуется простотой и небольшой стоимостью как дв* гательного, так я преобразовательного устройства, что имеет первостепенное значение в условиях массового применения.

На основе проведенного обзора и анализа уровня развития электроприводов с ЛАД определены цель и задачи диссертационно работы.

Вторая глава посвящена анализу особенностей ыатематическс го описания и электромеханических свойств электроприводов с линейными асинхронными двигателями. Поскольку краевые'эффект в ЛАД резко усложняют его математическое описание, то используются упрощзннне подхода к анализу электромеханических свойс ЛАД. Для низкоскоростных ЛАД, которые используются для промыл ленного электропривода, в ряде случаев можно пренебречь крае! ми эффектами н использовать традиционное математическое описг ние, аналогичное применяемому для обычных АД.

Установлено, что система уравнений для ЛАД в векторной фол ме и произвольной системе координат может быть записана в еле дувщэм виде:

гШ

Ul=1T + i10^' +г,1) ;

й= Цч< «■ Meit; Lr'ii ♦ Moli ;

( i )

F-F,

Pr

du)

m

де

Ft - электромагнитное усилие и сила сопротивления; Pv - постоянный коэффициент, связанный с полюсным делением V как

Р„ =

JT

( 2 )

о) - приведенная угловая скорость, пропорциональная линейной скорости ЛАД согласно формула

Если в уравнениях системы (I) вместо Р , Рс ,, ГО и Р* аписать соответственно М Мо, 3 г | , где рг - число пар олюсов, то полученная система будет относиться к АД с вращав-имся ротором. Следовательно, при расчетах; например, на ЭВМ, эжно пользоваться для АД и ЛАД одной программой, подставляя в эе исходные данные (3. и соответственно.

Получены формулы для различных статических характеристик, эторые подходят как для АД, так и для низкоскоростных ЛАД. ак, статические механические характеристики можно записать в ледующем виде:

И

3U,

^(¿r + SA)1

Р, для АД j

Рг для ад.

г

Вследствие того, что ЛАД имеет повышенный воздушный зазор; в работе проанализированы свойства обычного АД, снабженного увеличенным воздушным зазором. В результате проведенных расч( тов установлено, что при увеличенном воздушном зазоре в АД обеспечивается повышенная устойчивость его работы при питанш от идеализированного источника напряжения (ИПН). Это объясняе ся более высокой демпфирующей, способностью АД с повышенным зг зором, что обусловлено увеличенными значениями коэффициентов затухания свободных составляющих токов и моментов АД.

На основе проведенного анализа выявлено, что если АД имееэ повышенный воздушный зазор, то электропривод ИЕН-АД в замкнутой системе регулирования выгодно отличается расширенным диапазоном регулирования скорости. Поэтому можно заключить, что аналогичный регулируемый электропривод и с ЛАД также характеризуется расширенным диапазоном регулирования скорости.

В третьей главе описаны методики расчетов электроприводов с ЛАД и приведено описание способа экспериментального определения параметров ЛАД путем обработки результатов двух опытов. Первый опыт производится по схеме рис. I, для которой выведено сявдувдэе соотношение

L dt =

I«

CA dt

позволяйте по площади кривой тока и начальному его значении определить обобщэняый параметр cAt . Второй опыт основан на обработке результатов измерений значений.переменных в установившим решав ЛАД, обмотки индуктора которого подключены к трехфазному сзшмзтржчноцу источнику переменного напряжения. Для этого случая выведены формулы

С.-I, »

F

ЖГ ЗР„

( 5

<Аг = S<*t

Ii -¿Д.

(б

о

lt

t ?

Рио. I.

где оСг , б и Тч - обобщенные параметры ЛАД и активное сопротивление его индуктора; (!» - эквивалентное активное сопротивление ЛАД; Л)»- эквивалентное индуктивное сопротивление ЛАД, равно

Формулы (5)-<7) позволяют по измеренным при проведении второго опыта значениям скольжения S , тока , напряжения Ц и усилия i* определить обобщенные параметры cU и <о

С помощью описанной методики в работе найдены параметры плоского ЛАД (Ш1АИ). При использовании этих параметров рассчитана механическая характеристика П1АД (которая приведена на рис. 2, где также изображена экспериментальная точка А) и процесс пуска Ш1АД. На рис. 3 приведена соответствующая этому про цессу динамическая мэханическая характеристика. Из рис. 3 видно, что из-за быстрого затухания электромагнитных переходных процессов динамическая характеристика (д) близка к статической (с).

Особенность предложенной методики состоит в том, что поскоя ку для определения параметров используется измеренное экспериментальным путем значение силы, то состроенная по этим парамэт рам мэханическая характеристика проходит вблизи эксперимзнталь ной точки. Поэтому в некоторой окрестности данной точки расчет кая иеханическая характеристика всегда близка к действительной характеристика.

В данной главе приведены результаты расчетов электропривода ШШ-ДЛАД и ТКН-1ИАД с обратной связью по скорости. На рис. 4 изображено семейство механических характеристик для разомкнутой системы ИПН-ЛЛАД, а также показаны механические характеристики I и D, рассчитанные для замкнутой системы регулирования. Исследования показывают, что работа электропривода на характеристиках I и П является устойчивой. При этом получается диапазон регулирования скорости до 250:1. Такой большой диапазон регулирования получен без всяких корректирующих звеньев, что гов< риг о хороших демпфирующих свойствах ЛАД,

На рис. 5,а представлена схема электропривода ТПН-1ШАД с обратной связью по скорости, а на рис. 5,6 показаны соответствующие этой схеме расчетные и экспериментальные механические

Ye

д) г

о /s 30

Рас.' 4.

-f Jf Í*

IÛ"

ЛАД

тпи

I

kt=| »

-J

СйФУ

Û)

AC

V

m m m о

m

V

m

m i

ш

40

л?

* 6) *

Рис. 5.

30 CHI

расчет.

зксперШ^Г" f

м IUI

характеристики. Расчетные характеристики получена о помощью ЭВМ по полной системе уравнений ТПН-ЛАД с детальным учетом особенностей работы тиристоров ТПН. Из рис. 5,6 видно, что результаты расчетов и экспериментов, близки друг к другу, что с одной стороны подтверждает правильность выбора математического описания низкоскоростных ЛАД, а с другой стороны говорит о приемлемости для практики предлагаемого способа определения парамег-' ров ЛАД.

В работе осуществлены расчеты электропривода ТПН-Л АД при квазичастотном управлении. Проведенные расчеты показали, что из-за характерных для ЛАД соотношений мевду параметрами обмоток квазичастотное управление с использованием шести тиристоров в ТПН имеет ограниченные возможности по регулировании скорости ЛАД.

В четвертой главе представлены результата экспериментальных исследований механических характеристик системы ТПН-ЛАД при фазовом и квазичастогном управлениях.

Для измерения механических характеристик ЛАД были созданы два экспериментальных стенда. В этих стендах для нагрутения ЛАД используются грузовые устройства, а для измерения скорости ЛАД применены тахогенераторы с вращающимся ротором. Установлено, что с помощью замкнутой системы электропривода ТПН-ЛАД о отрицательной: обратной связью по скорости можно измерять статические механические характеристики испытуемого ЛАД.

На рис. б,а приведено семейство экспериментальных механических характеристик плоского линейного асинхронного двигателя при разных задающих напраденияг. Из представленных графиков видно, что электропривод ШМЩ с фазовым управлением при наличии отрицательной обратной связи по скорости обеспечивает весьма ш-лые скорости перемещения вторичного элемента- при плавном регулировании в диапазоне (200«350) :1.

В данной главе приведены результаты исследований экспериментальных механических характеристик ЛАД при квазичастогном управлении. Исследования показали, что ести ТПН содержит б тиристоров, то наблюдаются характерные для квазичастотного управления шум и вибрации при работе электропривода.

Установлено, что если использовать систему о двумя комплектами тиргсгорных коммутаторов (см. схему на рис. 7,а), то шум

m Ui-7ß

Ug --5 В *(200-¿50):i

J^ß \

—JkL^ ^ H

» .

У 0 U, • -26 k '0

—•

U.} ' -46

0.0Q5

"Л1 v 0> V mu

•NN 4 OZ s \ fn*¿.fl'(? ~

0 \ * \ —» N...... чч

В)

-to

ю го

Рис. 6.

JO

40

H

Рис. 7.

к вибрации при работе электропривода ослабляются, а усилие возрастает. Это объясняется лучшей формой, напряжения на индукторе в схеме рис. 7,а.

На рис. 6,6 и 7,6 приведены полученные в схеме рис. 7,а экспериментальные механические характеристики соответственно для ЛАД и цилиндрического линейного асинхронного двигателя (ЦДАД). Вид этих характеристик говорит о том, что в схеме рис. 7,а без тахоганератора обеспечивается регулирование скорости ДДАД и ЦЛАД с плавным переходом из двигательного режима в тормозной. Приведенные результаты убеждают, что квазичастотное управление с двумя комплектами тиристорных коммутаторов представляется весьма перспективным для регулирования скорости линейных асинхронных двигателей.

Пятая глава посвящена определении параметров схемы замещения ЛАД с помощь» существующих методик расчета на основе конструктивных данных, а также результатам экспериментального определения параметров ЛАД.

В-отличие от вращающихся машин для ЛАД отсутствуют обще при -. нятые методики расчета параметров схем замещения. При исполь- .

зованки трех известных методик рассчитаны параметры схем заме. иения плоского линейного асинхронного двигателя по конструктивным данным. Сопоставление соответствующих расчетных параметров показывает, что имеет место существенное расхождение мекду параметрами, полученными по разным методикам. Кроме того, в этих методиках отсутствуют формулы для расчета приведенных к индуктору параметров вторичного элемента. Сравнение найденных с помощью данных параметров усилий короткого замыкания с соответствуют! экспериментальным значением показало, что они существенно отличаются друг от друга.

В связи со сказанным представляется целесообразным разработать экспериментальный способ определения параметров ЛАД с целью использования их для расчета статических и динамических режимов работы электроприводов. С помощью описанной в гл. 3 методики экспериментального определения параметров ЛАД приведены результаты конкретных измерений и найдены обобщенные параметры к параметры схемы замещения плоского линейного асинхронного двигателя. Исследования показали, что результаты расчетов системы ТПН-ЛАД, осуществленные с использованием найденных пара-

метров, близки к результатам экспериментов. Это свидетельствует о том, что предложенную методику можно использовать для рас-чатов электроприводов с ЛАД.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Показано, что система уравнений линейного асинхронного двигателя при пренебрежении концевыми эффектами полностью совпадает с уравнениями обычного асинхронного двигателя, если в последних вместо числа пар полюсов представить постоянный коэффициент (I , где X -полюсное деление. Поэтому полученные в работе формулы для статических электромеханических

и механических характеристик применимы как для АД с вращающимся ротором, так и для ЛАД.

2. Проведенный анализ электромеханических свойств замкнутой системы электропривода идеализированный преобразователь напряжения асинхронный двигатель (ИПН-АД) при повышенном воздушном зазоре позволял определить качественные особенности электропри- , вода ИПН-ЛАЦ, а именно: повышенная устойчивость в работе; рас- • ширенный диапазон регулирования скорости при отсутствии корректирующих устройств в системе управления; примерно одинаковый йагрев обмоток ЛАД при работе как на низких, так и на высоких скоростях.

3. Предложенный в диссертационной работе способ экспериментального определения параметров линейных асинхронных двигателей позволяет определить обобизнные параметры к параметры схе-мн замещения ЛАД,

Особенность разработанного способа состоит в том, что построенная по найденным парамзтрам ЛАД его механическая характеристика проходит вблизи точка, снятой экспериментальным путем. Поэтому в зоне скоростей, близкой к скорости проведения эксперимента, расчетная механическая характеристика близка к истинной.

4. Установлено, что результаты расчетов электропривода тирис-торный преобразователь напряжения - линефшЦ асинхронный двигатель в замкнутой систем? регулирования близки к соответствующим результатам экспериментальных исследований. Это дает основание утверждать, что математическое описание низкоскоростного ЛАД, основанное на пренебрежении хонцэвыш э^ектами, дает хорошую

точность расчетов, если рассчитываемые электромеханические процессы соответствуют то? зоне скоростей, для которой проводились эксперимента, по определению параметров ЛАД.

5. В результате расчетов и экспериментальных исследований показано, что электропривод по системе ТШ-ЛАД с фазовым управлением при наличии обратной связи по скорости выгодно отличается от системы ТЩ-АД хорошими показателями регулирования скорости. В частности такой электропривод обеспечивает плавное регулирование скорости с весьма широким диапазоном до (200-250) :1 и стабильную работу на регулировочных характеристиках без корректирующих устройств.

6. Выявлено, что электропривод ТПН-ЛАД с квазнчастотным управлением ори наличии 12 тиристоров в разомкнутой сисгемз управления обеспечивает регулирование скорости в диапазоне до (10*15):1 и более при плавном переходе из двигательного режима в тормозной.

7. Показано, что система ТШ-ЛАД является перспективной при фазовом и квазичастотном управлениях как для плоских, так и цилиндрических двигателей. Вследствие относительной простоты

к небольшой стоимости систему ТПН-ЛАД рекомендуется широко использовать на практике.

/

Подписано к МЧЗТЯ ГЬч л /¿¿Г

Л- ¿А

/РР

Типография МЭИ, Кряснок1иар»Н'Н».1Н, и.