автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Исследование методов ослабления вибрации электромеханических комплексов и разработка устройств для их реализации

На правах рукописи

Титов Дмитрий Юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ОСЛАБЛЕНИЯ ВИБРАЦИИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ И РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ ДЛЯ ИХ РЕАЛИЗАЦИИ

Специальность: 05.09.03 — Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 7 НОЯ 2014

Нижний Новгород - 2014 г. 005556008

Работа выполнена на кафедре «Электрооборудование, электропривод и автоматика» федерального государственного бюджетного учреждения высшего профессионального образования «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева», г. Н. Новгород.

Научный руководитель: Плехов Александр Сергеевич

кандидат технических наук, доцент, федеральное государственное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева», доцент кафедры «Электрооборудование, электропривод и автоматика»

Официальные оппоненты: Шевырёв Юрий Вадимович

доктор технических наук, доцент, федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»", профессор кафедры «Электрификация и энергоэффективность горных предприятий»

Серебряков Артем Владимирович

кандидат технических наук, ООО «АСМ Поволжье», заместитель генерального директора

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение

науки Институт проблем машиностроения Российской академии наук, г. Н. Новгород

Защита состоится «23» декабря 2014 г. в 14-00 в аудитории №1258 на заседании диссертационного совета Д 212.165.02 в ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева» по адресу: 603950, ГСП - 41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева» и на сайте www.rmtu.ru.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 603950, ГСП - 41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24, ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева», ученому секретарю диссертационного совета Д 212.165.02.

Автореферат разослан «13» ноября 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.165.02, к.т.н., доцент

A.C. Плехов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Диссертационная работа направлена на исследование и разработку комплексных систем энергосбережения, увеличения ресурсов и резервов электромеханического оборудования на основе новых силовых полупроводниковых преобразователей и активных виброзащитных устройств - гидроопор с магнитореологическими трансформаторами с магнитными жидкостями, управляемыми электромагнитными полями.

Защита от вибрации и шума является актуальной проблемой современного машиностроения, так как надежность и безопасность функционирования оборудования зависит от эффективности мероприятий по виброзащите. Последние тенденции развития силовых установок связаны с увеличением их скорости движения и мощности, что приводит к возрастанию уровней вибрации, а также к расширению спектра колебаний, действующих на машины и механизмы.

Степень разработанности темы исследования

Компенсация неактивных составляющих электрической мощности, потребляемой от источников питания переменного тока нагрузками с реактивными элементами и силовыми электронными преобразователями, реализуется путем создания условий неуправляемого или управляемого резонанса для реактивных и искажающих токов или напряжений на месте потребления электроэнергии, а вместе с тем и для создания «антипульсаций» момента электрической машины. Наиболее перспективными устройствами для гашения вибрации считаются магнитореологические гасители колебаний. В них диссипация энергии колебаний происходит в средах с магнитными жидкостями.

Проблема управления колебаниями электромагнитного момента электрических машин отражена в работах Онищенко Г.Б., Шрейнера Р.Т., Титова В.Г., Хватова О.С., Шевырёва Ю.В., Фёдорова О-В. и др. Исследованием высших гармоник в сетях электроснабжения занимались: Арриллага Дж., Вагин Г.Я., Кудрин Б.И, Зиновьев Г.С, Жежеленко И.В., Железко И.С., Лоскутов А.Б., Розанов Ю.К. и др. авторы. Проблемы вибрации машин и механизмов широко изучены такими авторами, как Гордеев Б.А., Григорьев Н.В., Кудинов В.А, Фридман В.М., Шубов H.r.,Tinghsu S., Hattorf S. и другими.

Цель работы

Разработка системы ослабления вибрации электрических и рабочих машин посредством использования полупроводниковых преобразователей частоты в электромеханических комплексах, активных фильтров гармоник (АФГ) и виброзащитных гидроопор с магнитореологическими трансформаторами (МРТ), объединенных в единую структуру.

Задачи работы:

- исследование причин вибрации электрических и рабочих машин в составе электромеханического комплекса;

- обоснование выбора средств компенсации пульсаций момента приводного двигателя или электрического генератора, активной фильтрации нелинейных искажений напряжения, использования для этих целей полупроводниковых преобразователей электрической энергии в составе регулируемых электроприводов, дающих возможность

работать в режиме компенсации вибраций и составляющих неактивной мощности, одновременно выполняя заданные технологические функции;

- определение математических моделей рабочих машин в составе электропривода как колебательных систем;

- разработка блока управления МРТ внешним электромагнитным полем при изменении динамических характеристик входного вибросигнала источников намагничивающего тока возбуждающих электромагнитов (ВЭ) и концепция управления МРТ;

- математическое и экспериментальное исследование предложенных решений и объектов управления.

Научная новизна

Новыми являются следующие результаты работы:

- формализованы причины возникновения вибраций в электрической и механической подсистемах электромеханических комплексов и методы их снижения;

- разработаны математические модели колебательных систем, содержащих электрические и рабочие машины;

- предложена и исследована концепция построения активного фильтра механических колебаний на основе электромеханической аналогии с активным фильтром гармоник электрического тока (напряжения);

- представлена методика расчета параметров схемы активного фильтра гармоник;

- рекомендована в качестве расчетной структура с двумя степенями свободы и подсистемами активной виброзащиты на основе гидроопор с МРТ, компенсирующими резонансные частоты, и преобразователей частоты для компенсации непостоянных частот вибраций;

- предложен метод расчета магнитной цепи кольцевого МРТ гидроопоры с элементами адаптивной настройки электромеханического преобразования;

- экспериментально доказаны возможность построения активного фильтра механических колебаний, эффективность работы активного фильтра гармоник сетевого тока, управляемого на основе положений теории мгновенной мощности;

- выявлено, что синхронизация работы двух электрических машин, установленных на одном основании, осуществляется по тому двигателю, который ранее достиг стационарного режима, это необходимо учитывать при проектировании алгоритма управления электрическими машинами и их креплений.

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая значимость заключается в разработке общей концепции электромеханических преобразователей для виброзащитных гидроопор, в разработке технических решений для проектирования и модернизации компенсаторов неактивных составляющих потребляемой электрической мощности, позволяющих как уменьшить пульсации момента на валу электрической машины, так и наоборот - сформировать пульсирующий момент с составляющими, компенсирующими влияние внешних источников вибрации. Полупроводниковые преобразователи нового поколения являются основой технических решений для реализации предлагаемой технологии экономии ресурсов, реализуя функции принудительной коммутации токов, широтно-импульсной модуляции, управляемого энергообмена и электромагнитного управления демпфирующими свойствами гидроопор с магнитными жидкостями.

Практическая ценность работы обусловлена её перспективной направленностью на создание современных эффективных средств виброзащиты.

Результаты диссертации были получены при выполнении работ по:

- единому заказ - наряду Министерства образования и науки Российской Федерации - 7.5025.2011 «Теория энергосбережения. Новые принципы автоматизации и микропроцессорного управления энергосберегающих систем электропривода и устройств преобразовательной техники»;

- государственному заданию Министерства образования и науки России № 8.2668.2014/К.

Изложенные в диссертации теоретические и методологические положения используются в учебно-педагогической деятельности в рамках вузовских дисциплин «Проектирование электрооборудования электротехнологических установок», «Автоматические системы управления автономных объектов».

В диссертационной работе изложены научно-обоснованные технические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики страны.

Методы исследования

Теоретические исследования выполнены на основе теорий преобразовательной техники, автоматического управления, электрических машин, электропривода, электромагнитного поля и методов расчета электромагнитных систем. Теоретические исследования подтверждены экспериментами, проведенными на базе лаборатории «Виброзащиты машин» Института проблем машиностроения Российской академии наук с использованием экспериментальных стендов, установок и компьютеров, и метрологически обеспечены.

Положения, выносимые на защиту:

- математическая модель колебательной системы, содержащая электрические и рабочие машины, используемая в качестве расчетной схемы для элементов виброзащиты, отличающаяся наличием источника «антипульсаций» электромагнитного момента;

- концепция построения активного фильтра механических колебаний на основе электромеханической аналогии с активным фильтром гармоник электрического тока (напряжения);

методика расчета параметров схемы активного фильтра гармоник, энергообменный конденсатор которого рассчитывается исходя из мощности искажения в актуальном диапазоне частот;

- структура системы активной фильтрации гармоник в целях ослабления вибраций машин, включающая элементы, формирующие электромеханический фильтр, активный фильтр гармоник и управляемые виброзащитные опоры;

- метод перестройки гидроопор на заданные частоты вибросигнала путём управления демпфирующими свойствами магнитореологической жидкости посредством внешнего магнитного поля;

- метод расчета магнитной цепи многополюсного МРТ гидроопоры;

- результаты имитационных и экспериментальных исследований объектов и систем защиты от вибрации.

Достоверность и обоснованность результатов

Полученные результаты и выводы согласуются с положениями электротехники, электропривода, электрических машин, механики, теории электромагнитного поля, и совпадением экспериментальных результатов с теоретическими расчетами.

Публикации и апробация работы:

по теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 5 работ в журналах, реферируемых ВАК. Основные положения, результаты и выводы диссертационной работы были доложены и обсуждены на следующих научно-технических конференциях:

- международная молодежная научно-техническая конференция "Будущее технической науки", Нижний Новгород, НГТУ им. Алексеева, 2011-2013;

- региональная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы электроэнергетики», Нижний Новгород, НГТУ им. Алексеева, 2012-2013;

- международная научная конференция «Математические Методы в Технике и Технологиях - ММТТ- 26», НГТУ им. Алексеева, 2013;

- международная научная конференция «Автоматизированный электропривод», Мордовский университет им. Огарева, 2014.

Личный вклад соискателя

В совместных работах научному руководителю принадлежит постановка задачи. Лично автором предложены: построение модели электромеханического фильтра; построение модели активного фильтра гармоник; расчет элементов силовой подсистемы активного фильтра гармоник; синтез системы управления активным фильтром гармоник; построение модели гидроопоры с МРТ с системой автоматического регулирования; проведён расчёт электромагнитной системы МРТ; разработана концепция построения блока управления МРТ.

При непосредственном участии соискателя разработаны все экспериментальные установки и проведены все экспериментальные работы и исследования, обработка результатов измерений и сравнение их с теоретическими расчетами. Основные положения и выводы диссертационной работы сформулированы лично автором. Вклад соискателя в проведённую работу составляет не менее 80 %.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, шести глав, списка литературы из 160 наименований. Основная часть изложена на 207 страницах, содержит 129 рисунков и 22 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении формулируются: актуальность темы диссертации, ее цель и основные задачи, а также положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены электромеханические комплексы в составе сети их электроснабжения, представлены математические модели наиболее распространенного электромеханического преобразователя - асинхронного двигателя. По результатам имитационного моделирования получены оценки зависимостей коэффициента мощности, пульсаций электромагнитного момента, искажения сетевого тока и падения напряжения в переходных процессах, при анализе которых сделан вывод о целесообразности

формирования структуры сети электроснабжения с организованным энергообменом посредством использования активных компенсирующих устройств.

Проведен анализ наиболее распространенных электромеханических комплексов в области возобновляемой генерации электроэнергии, мощных циркуляционных насосов на базе машин двойного питания, обеспечивающий 75% её общего количества. Эти комплексы характеризуются низкочастотными пульсациями электромагнитного момента, при этом частота колебаний линейно связана со скольжением ротора асинхронных машин, и искажениями сетевого тока, также приводящим к пульсациям момента. Показано, что на гармоники тока сети непосредственно влияет частота механической нагрузки, расширяя диапазон гармоник тока и пульсаций момента. Предложена концепция виброгашения на основе математической модели колебательной системы (рис.1), отличающаяся от известных комплексным подходом на основе применения наряду с генерацией «антипульсаций» электромагнитного момента, активных фильтров гармоник сетевого тока и виброзащитных гидроопор, объединенных общей структурой.

На приведенной схеме (рис.1) показано ПЧ3 - преобразователь электрической энергии, питающий обмотки МРТ виброопоры, а также измеритель вибрации - ИВ. Активные электромеханические фильтры гармоник базируются на теории активных фильтров гармоник тока и напряжения, используемых в узлах подключения электроприемников с нелинейной нагрузкой. Реализация таких фильтров предполагает выделение значимой полосы спектра вибраций и генерирование посредством преобразователя частоты - ПЧ1 с ШИМ составляющей электромагнитного момента M\(t), обусловленной вибрациями. Это воздействие должно подаваться в противофазе с колебаниями, фиксируемыми измерителями деформации <рг(1). Для обеспечения синусоидальности тока, потребляемого при этом из сети, I*\+h(t) в схему вводится ГТЧ2 -активный фильтр гармоник тока.

I,'<!,([)

пч,

М,»М|'+М,(1)

ki

-Wr

\ м,—mVd

Ч "ч»

или

н

«rvi +5>.Ч0

Рисунок 1 - Предложенная концепция виброгашения

Причины вибраций, обусловленные конструктивными факторами рабочих машин, дополняются зубцовыми вибрациями электрических машин, которые активны в диапазоне частот от 100 Гц до 4000 Гц. Роль балансировки роторов снижается при монтаже машин, а также в процессе эксплуатации, что приводит к превышению нормированных значений

модели, на основе анализа которых

вибрации. Рассмотрены математические конструируются системы виброзащиты.

Получены АЧХ полос генерации вибраций различных электрических машин, которые лежат в диапазоне от 1 Гц до 10 кГц. Для гашения колебаний электрических машин в различных частотных вибродиапазонах рекомендованы соответствующие способы защиты.

Во второй главе предложено использование активных фильтров гармоник в целях обеспечения электромагнитной совместимости, а также в целях ослабления вибрации машин, если нагрузка является машиной двойного питания или используется непосредственный преобразователь частоты. Управление преобразователем частоты позволяет компенсировать реактивную мощность, потребляемую из сети, обеспечивать фильтрацию сетевого тока и напряжения, а также создавать «антипульсации» электромагнитного момента электрической машины в целях подавления нежелательных вибраций, то есть реализовать электромеханический фильтр.

Существующие устройства компенсации неактивных составляющих потребляемой электрической мощности реализуют отдельные функции компенсации реактивной мощности, симметрирования напряжений сети, активной фильтрации высших гармоник и интергармоник для обеспечения электромагнитной совместимости электроприемников с питающей сетью в диапазоне напряжения до 600В и тока до 400А. Однако для исключения вибрации роторов электрических и рабочих машин, факторов, сопровождающих механическую синхронизацию роторов группы асинхронных двигателей, требуются специальные структуры силовых преобразователей с алгоритмами управления и средства активной виброзащиты асинхронных двигателей.

Разработан алгоритм идентификации сигналов управления АФГ, основанный на теории мгновенной мощности (рис.2).

Пр«о6р*ж>аш1|« Юирта

Ркчет ипюминой шмаяосп

Вы«ор полное™ ш юшюкшш

Р'с\ Я^

. 1 •«}♦«}

[и? -и«1Ы

V

N 1 0

I? 1 VI Г/" 1

<» ■л 2 г

.'«с Ч3 _ 1 2 1тн

<сГ

£

Обратное арюброошне Юпрса

Рисунок 2 - Алгоритм идентификации сигналов управления АФГ

Выявлены результаты, которые дает компенсация тех или иных составляющих мгновенной мощности.

В третьей главе рассмотрены структуры АФГ, которые могут быть использованы для устранения искажений сетевого тока и напряжения в узле нагрузки, создаваемых электроприёмниками с нелинейной характеристикой, а также для создания нужного спектра гармоник тока на выходе автономного инвертора, питающего электрическую машину, работающую в режиме создания пульсаций момента.

Для расчета параметров элементов АФГ была проанализирована схема, показанная на рис.3. В данной схеме АФГ предназначен для компенсации высших гармонических составляющих и интергармоник тока и напряжения в эквивалентных элементах нагрузки гмА > 2эЬс > 2эса основных электроприемников, требующих синусоидального напряжения питания, а также в элементах г ,а, 2 чЬ, глс отображающих параметры источников энергии и линии связи системы электроснабжения.

Рисунок 3 - Структурная схема активного фильтра гармоник

Для подавления в результирующем токе сети всех гармоник входного тока трехфазного мостового выпрямителя вплоть, например, до 23-й, относительная величина которой в спектре 1/23, т.е. менее 5 %, необходима частота коммутации в интервале не ниже 2 ■ 23 • 50 = 2300 Гц, что вполне допустимо для силовых транзисторов. Для реализации силовой подсистемы АФГ могут в настоящее время использоваться только ЮВТ приборы. С другой стороны для создания пульсаций момента в диапазоне частот до 30 Гц преобразователи частоты могут строиться на основе ЮС-тиристоров.

Емкость конденсатора в звене постоянного тока АФГ линейно зависит от компенсируемой мощности нелинейной нагрузки (рис.4). Были получены следующие зависимости (рис.4):

1) емкости конденсатора от мощности преобразователя (линия 1, левая ось ординат);

2) емкости конденсатора, необходимой для компенсации потерь в силовой подсистеме АФГ (линия 2, правая ось ординат).

Например, для АФГ, компенсирующего гармоники, генерируемые трехфазным мостовым выпрямителем мощностью 320 кВА, необходима емкость конденсатора 140 мФ.

Емкость конденсатора, необходимая для компенсации потерь в ГСВТ модуле, зависит от параметров модуля и частоты коммутации, и мало зависит от величины компенсационного тока. Эта емкость незначительна, ее можно не учитывать при

Мощность прмбрлювдгед«, кВЛ

Рисунок 4 - Зависимость емкости накопительного конденсатора от мощности преобразователя нагрузки

Коэффициент мощности вентильных преобразователей в составе регулируемых электроприводов и электротехнологических установок зависит от изменяющихся коэффициента искажения и коэффициента сдвига основной гармоники первичного (сетевого) тока по отношению к гармонике первичного напряжения, а также от потерь питаемого двигателя. Получены регрессионные зависимости для расчета установленной мощности преобразователя.

В четвертой главе проведен анализ математических моделей рабочих машин с электрическим приводом переменного тока, в результате анализа показано, что различные источники вибраций требуют различных форм представления и моделей их исследования. Представление электромеханических комплексов в виде двухмассовой кинематической системы позволило получить АЧХ этих комплексов (рис.5), в частности для насосов мощностью 37 кВт, 90 кВт и 110 кВт, определены резонансные частоты, соответственно, 150 Гц, 30 Гц и 15 Гц.

! А................ |

4...........

J

100--------- 10 го г» м

.............................:..............................:..............................?..........-................-

is Рисунок 5 м га м - АЧХ для К125-100-315 м

Дано математическое описание явления синхронизации электрических машин установленных на общем основании. Математическая модель движения двух двигателей, закреплённых на упругой платформе, описывается следующей системой дифференциальных уравнений:

ту л- py-m¡rí(,cp¡ sin +<pt2 costp¡)-m2r2(32 sinip, + ф2 cosírp2) = 0;

J+ Мл (<P,, фх) - М, (<3,) - m,rty sin (ü>, = 0 ;

J2<p2 + Mс2(<р2,ф2)- М2(<р2,ф2)~ m2r2y sin (p2 - 0,

где m - масса платформы, абсолютно твердого тела с одной степенью свободы, характеризуемой линейным горизонтальным смещением у ; р - коэффициент упругости платформы, связанной с неподвижным фундаментом (землей); от,- - массы эксцентриков с эксцентриситетами r¡ (радиусы инерции); J, - моменты инерции роторов в отсутствие дисбаланса; МХ<Р.<Р) ~ движущие моменты; Мс1(<р,ф) - моменты сил сопротивления вращению роторов.

После установления стационарного синхронного вращения двигатели работают, потребляя мощность не больше, чем номинальная. Наиболее ответственным режимом работы двигателей является их пуск. Возможность управления вибрационными усилиями и свойствами электромеханических комплексов позволяет создать устойчивый режим синхронизации, когда это выгодно, например, при параллельном включении еще одного генератора электростанции автономного объекта, или вовсе избавиться от него, разрушить синхронные движения, создав условия для вибрационной развязки электрических машин.

Систематизированы требования к уровню вибраций для различных электромеханических комплексов. Выявлено, что стандартизированы величины вибросмещений в электроэнергетических установках в зависимости от частоты вращения, это требует адаптировать структуру системы управления к изменяемой частоте вращения электроэнергетических установок. Для электродвигателей стандартизованы величины виброскорости в зависимости от величины оси вращения, однако наиболее совершенные датчики разработаны для измерения виброускорений с использованием которых и строится управляемая система виброзащиты.

В пятой главе рассмотрена задача проектирования индукционного МРТ гидроопоры - определения магнитного потока, обеспечивающего требуемую напряженность и индукцию магнитного поля, а также расчета магнитодвижущей силы катушек ВЭ, числа витков, сечения и диаметра обмоточного провода. Разработана система управления МРТ гидроопоры внешним электромагнитным полем.

При осуществлении процессов виброгашения в автоматическом управлении МРТ должен быть реализован принцип оптимального управления, что требует решения достаточно сложной математической задачи методами математического программирования. Поэтому составной частью системы оптимального управления МРТ становится микропроцессорная система (МПС). Принцип действия системы автоматического регулирования с МПС в общих чертах поясняется на рис.6.

На вход вычислительной МПС поступает информация о текущих значениях у„ых с выхода МРТ гидроопоры, несущих информацию о внешних воздействиях, информация о задающих значениях АЧХ - показателей динамического резонанса r¡ и т. п.

Вычислительное устройство МПС по заложенной в него программе вычисляет оптимальное управление и, МРТ гидроопоры.

Рисунок 6 - Цифровое регулирование МРТ гидроопор с МПС

Использование гидроопор для мощных электромеханических установок является инструментом существенного смягчения последствий ударных переходных нагрузок во время разгона двигателей, что способствует сохранности электромеханической системы и экономии электроэнергии.

В шестой главе приведены экспериментальные результаты и моделирование отдельных частей комплекса по защите от вибраций. Из результатов эксперимента по исследованию работоспособности и эффективности электромеханического фильтра (рис.7) на лабораторном макете с электромеханическим преобразователем следует, что амплитуду виброускорения можно снизить почти в 10 раз при частоте вибраций 5 Гц и около 7 раз при частоте - 10 Гц.

Еибрзцпл даигагелж 0.5 fct с:

Амплитуда кибр эшш

-Л-

«5Г

5 Г

«У •ыыД

Спектр кпбрашхм

а)

Амплитуда

Спектр вибрации

б)

Рисунок 7 - Сигнал с датчика вибраций и спектр сигнала (а) без подавления вибрации; (б) подавление отдельных гармоник

Исследование авторской имитационной модели (рис.8) устройства компенсации неактивных составляющих потребляемой электрической мощности на основе АФГ показало эффективность его применения для компенсации высших гармоник (ВГ) сетевого тока, реактивной мощности и совместно этих составляющих. Исследование доказывает эффективность предложенной автором системы управления многофункциональным АФГ на основе теории мгновенной мощности.

Рисунок 8 - Модель «активный фильтр гармоник - сеть»

Результаты экспериментальных исследований эффектов, возникающих при синхронизации двух асинхронных двигателей, закрепленных на упругом основании, поясняют два основных варианта синхронизации: на неподвижном упругом основании и при вибрирующем основании за счет сторонних внешних воздействий. Проведенный

13

анализ спектров позволил выявить информативные гармонические составляющие, позволяющие судить о порядке включения двигателей до синхронизации. В результате эксперимента на испытательном стенде (рис. 9) было выявлено, что синхронизация осуществляется по тому двигателю, который ранее достиг стационарного режима. Обнаружено возрастание низкочастотных гармоник спектра при синхронизации двигателей на вибрирующем основании.

Рисунок 9 - Электромеханическая система испытательного стенда

Предложена интегральная система ослабления вибраций (рис.10) электромеханического комплекса, включающая в себя комплект виброзащитных гидроопор, электромеханический фильтр вибрационных колебаний на основе ПЧ и активный фильтр гармоник. Микропроцессорная система управления позволяет контролировать жесткость гидроопор на резонансных частотах электромеханического комплекса, осуществлять преобразование Фурье и реализовать управление токами компенсации неактивных составляющих потребляемой из сети электрической мощности.

В—акселерометр

Рисунок 10 - Комплексная система ослабления вибраций

Электрическая машина соединена через упругий элемент С с рабочей машиной. Обе машины установлены на общей платформе, соединенным с основанием через гидроопоры. Управление гидроопорами осуществляется от микропроцессорной системы управления (СУ). Сигнал с акселерометра (датчика вибраций) поступает на СУ, которая

14

управляет жесткостью гидроопор. В электромеханический фильтр, на основе ПЧ, входит инвертор напряжения, который формирует напряжение, питающее электрический двигатель таким образом, чтобы генерировать пульсации электромагнитного момента ДМ, которые зависят от вибрации платформы. Сигнал с акселерометра обрабатывается с помощью преобразования Фурье, которое позволяет выбрать определенные частоты колебаний для генерации «антипульсаций» момента ДМ. Активный фильтр гармоник выполняет функцию обеспечения электромагнитной совместимости с сетью, а в случае если используется машина двойного питания или ПЧ - непосредственный ПЧ, активный фильтр гармоник снижает вибрации, вызванные высшими гармониками сетевого тока. Активный фильтр гармоник работает в режиме параллельного активного фильтра, его система управления основана на теории мгновенной мощности, которая позволяет компенсировать как высшие гармоники, так и реактивную мощность.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В итоге проведенных исследований:

1. Рассмотрены электромеханические комплексы в составе узла нагрузки, представлены математические модели наиболее распространенного электромеханического преобразователя - асинхронного двигателя. На основании моделей получены оценки зависимостей коэффициента мощности, пульсаций электромагнитного момента, искажения сетевого тока и падения напряжения, сделан вывод о необходимости формировании структуры сети электроснабжения с организованным энергообменом посредством активных компенсирующих устройств.

2. Проведен анализ наиболее распространенных электромеханических комплексов в области возобновляемой генерации электроэнергии, обеспечивающей 75% её общего количества и мощных циркуляционных насосов на базе машин двойного питания. Эти комплексы характеризуются низкочастотными пульсациями электромагнитного момента, при этом частота колебаний линейно связана со скольжением ротора асинхронных машин, и искажениями сетевого тока, также приводящим к пульсациям момента. Показано, что на гармоники тока сети непосредственно влияет частота периодически изменяющейся механической нагрузки, расширяя диапазон гармоник тока и пульсаций момента.

3. Выявлено, что причины вибраций, обусловленные конструктивными факторами рабочих машин, дополняются зубцовыми вибрациями электрических машин, которые активны в диапазоне частот от 100 Гц до 4000 Гц. Роль балансировки роторов снижается при монтаже машин, а также в процессе эксплуатации, что приводит к превышению нормированных значений вибрации. Получены АЧХ полос генерации вибраций различных электрических машин, которые лежат в диапазоне от 1 Гц до 10 кГц.

4. Получены АЧХ электромеханических комплексов на основе представления комплексов в виде двухмассовой кинематической системы. В частности для насосных агрегатов мощностью 37 кВт, 90 кВт и 110 кВт, определены резонансные частоты, соответственно, 150 Гц, 30 Гц и 15 Гц.

5. Систематизированы требования к уровню вибраций для различных электромеханических комплексов. Выявлено, что стандартизированы величины вибросмещений в электроэнергетических установках в зависимости от частоты вращения, это требует адаптировать структуру системы управления к изменяемой частоте вращения

электроэнергетических установок. Для электродвигателей стандартизованы величины виброскорости в зависимости от высоты оси вращения, однако наиболее совершенные датчики разработаны для измерения виброускорений, с использованием которых и строится управляемая система виброзащиты.

6. Разработана система управления преобразователем частоты - активным выпрямителем и инвертором, которая позволяет компенсировать реактивную мощность, потребляемую из сети, обеспечивать фильтрацию сетевого тока и напряжения, а также создавать пульсации электромагнитного момента электрической машины в целях подавления нежелательных вибраций, то есть реализовать электромеханический фильтр. Проведенные исследования возможностей теории мгновенной мощности позволяют утверждать, что составляющие потребляемой электрической мощности несут в себе сигналы, позволяющие формировать компенсационные токи для устранения всех известных неактивных составляющих электрической мощности, как отдельных, так и в их совокупности.

7. Экспериментально доказано, что путем использования электромеханического преобразователя амплитуду виброускорения можно снизить почти в 10 раз при частоте вибраций 5 Гц и в около 7 раз при частоте - 10 Гц.

8. Показана возможность снижения суммарного гармонического искажения сетевого тока до 1% и повышения коэффициент мощности до 0,99 посредством использования устройства компенсации неактивных составляющих потребляемой электрической мощности на основе АФГ. Исследование доказывает эффективность предложенной автором системы управления многофункциональным АФГ на основе теории мгновенной мощности.

9. Выявлено, что емкость конденсатора в звене постоянного тока АФГ линейно зависит от компенсируемой мощности нелинейной нагрузки. Например, для АФГ, компенсирующего гармоники, генерируемые трехфазным мостовым выпрямителем мощностью 320 кВА, необходима емкость конденсатора 140 мф. Емкость конденсатора, необходимая для компенсации потерь в IGBT модуле, зависит от параметров модуля и частоты коммутации, и мало зависит от величины компенсационного тока. Эта емкость незначительна, ее можно не учитывать при проектировании АФГ.

10. Решена задача проектирования индукционного МРТ гидроопоры, включающая этапы: определения магнитного потока, обеспечивающего требуемую напряженность и индукцию магнитного поля, а также расчета магнитодвижущей силы катушек ВЭ, числа витков, сечения и диаметра обмоточного провода.

11. Разработана система управления МРТ гидроопоры внешним электромагнитным

полем.

12. Исследованы эффекты, возникающие при синхронизации двух асинхронных двигателей, закрепленных на упругом основании. Существуют два основных варианта синхронизации: на неподвижном упругом основании; при вибрирующем основании за счет сторонних внешних воздействий. Экспериментально выявлено, что синхронизация осуществляется по тому двигателю, который ранее достиг стационарного режима. Синхронизации двигателей на вибрирующем основании приводит к генерации низкочастотных гармоник.

13. Рекомендовано при проектировании виброзащиты:

- использовать интегральную систему ослабления вибраций электромеханического комплекса, включающую в себя комплект виброзащитных гидроопор, электромеханический фильтр вибрационных колебаний на основе ПЧ и активный фильтр гармоник. Интегрирующим элементом такой системы является микропроцессорная система управления, которая позволяет контролировать жесткость гидроопор на резонансных частотах электромеханического комплекса, осуществлять преобразование Фурье и реализовать управление токами компенсации неактивных составляющих потребляемой из сети электрической мощности;

- для мощных электромеханических установок использовать гидроопоры, которые является инструментом существенного смягчения ударных переходных нагрузок и устранения синхронизации во время разгона двигателей, что способствует сохранности электромеханической системы и экономии электроэнергии.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Статьи в научных изданиях рецензируемых ВАК.

1. Плехов A.C. Структура и алгоритмы управления энергосберегающих компенсационных преобразователей /A.C. Плехов, В.Г. Титов, К.А. Бинда, Д.Ю. Титов // Вестник ИГЭУ. - 2013. -№ 2. - С. 56-61.

2. Титов В.Г. Итерационный алгоритм оптимального управления компенсационными преобразователями [Электронный ресурс] / В.Г. Титов, A.C. Плехов, К.А. Бинда, Д.Ю. Титов // Электронный научный журнал Инженерный вестник Дона. -2013. - №4. - Режим доступа: http://ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/1927.

3. Титов В.Г. Управление энергосберегающими полупроводниковыми преобразователями [Электронный ресурс] / В.Г. Титов, A.C. Плехов, К.А. Бинда, Д.Ю. Титов // Электронный научный журнал Инженерный вестник Дона. - 2013. - №4. -Режим доступа: http://ivdon.nl/ru/magazine/archive/rx4y2013/1909.

4. Плехов A.C. Оценка процессов в узле нагрузки и управление активно-адаптивными устройствами энергосбережения / A.C. Плехов, В.Г. Титов, С.Н. Яшин, Д.Ю. Титов //Промышленная энергетика. - 2013. - №12. - С. 40-44.

5. Плехов A.C. Расчет емкости конденсатора в цепи постоянного тока активного фильтра гармоник [Электронный ресурс] / A.C. Плехов, Е.А. Чернов, Д.Ю. Титов // Электронный научный журнал Инженерный вестник Дона. - 2014. - №1. - Режим доступа: http://ivdon.ru/ru/magazine/archi ve/n 1 у2014/2243.

Статьи в других изданиях.

6. Плехов A.C. Активный фильтр гармоник сетевого напряжения / A.C. Плехов, Д.Ю. Титов // Будущее технической науки: сб. материалов междунар. молодежной науч.-техн. конф., Нижний Новгород, 13 мая 2011 г. / НГТУ им. P.E. Алексеева; ред. О.В. Пугина, H.H. Максимова.- Нижний Новгород, 2011. - С. 60.

7. Плехов A.C. Исследование алгоритмов управления активными фильтрами гармоник / A.C. Плехов, Д.Ю. Титов // Будущее технической науки: сб. материалов междунар. молодежной науч.-техн. конф., Нижний Новгород, 18 мая 2012 г. / НГТУ им. P.E. Алексеева; ред. Н.Ю. Бабанов и др. - Нижний Новгород, 2011. - С. 63-64.

8. Дмитриев С.М. Алгоритмы управления активными фильтрами гармоник в составе электроприводов переменного тока / С.М. Дмитриев, A.C. Плехов, В.Г. Титов, Д.Ю. Титов, С.Н. Яшин // Труды НГТУ им. P.E. Алексеева. - 2012. - № 2 (95). - С. 206-214.

9. Плехов A.C. Выбор силовой схемы активного фильтра гармоник / A.C. Плехов, Д.Ю. Титов // Актуальные проблемы электроэнергетики: материалы науч.-техн. конф., Нижний Новгород, 21 дек. 2012 г. / НГТУ им. P.E. Алексеева. Фак. автоматики и электромеханики; ред. H.H. Максимова. - Нижний Новгород, 2012. - С. 50-54.

10. Плехов A.C. Использование вейвлет преобразования для формирования тока задания активного фильтра гармоник / A.C. Плехов, Д.Ю. Титов //Будущее технической науки: сб. материалов междунар. молодежной науч.-техн. конф., Нижний Новгород, 24 мая 2013 г. / НГТУ им. P.E. Алексеева; ред. Н.Ю. Бабанов и др. - Нижний Новгород 2013 -С. 54.

11. Плехов A.C. Имитационное моделирование энергосберегающей технологии электропотребления / A.C. Плехов, К.А. Бинда, Д.Ю. Титов // Математические методы в технике и технологиях: международная науч. конф., Ангарск, 9-13 сентября 2013 г. / Ангарск: Ангарск, гос. технолог, акад. ред. Большаков и др. - Иркутск, 2013. - С. 185.

12. Плехов A.C. Алгоритмы автоматизации объекта с минимизацией потребляемой энергии / A.C. Плехов, К.А. Бинда, Д.Ю. Титов // Математические методы в технике и технологиях: международная науч. конф., Ангарск, 9-13 сентября 2013 г. / Ангарск: Ангарск, гос. технолог, акад.; ред. Большаков и др. - Иркутск, 2013. - С. 100.

13. Плехов A.C. Определение емкости конденсатора в цепи постоянного тока активного фильтра гармоник / A.C. Плехов, Д.Ю. Титов, Д.А. Корнилов // Актуальные проблемы электроэнергетики: материалы науч. - техн. конф., Нижний Новгород 21 дек 2013 г. / НГТУ им. P.E. Алексеева. Фак. автоматики и электромеханики; ред. H H Максимова. - Нижний Новгород, 2013. - С. 163-166.

14. Бинда К.А. Разработка силовых преобразователей для электропривода с управляемой компенсацией неактивных составляющих тока питающей сети / К.А. Бинда, A.C. Плехов, Д.Ю. Титов // Автоматизированный электропривод: труды международной конф., Саранск, 7-9 окт. 2014 г. / Изд-во Мордов. ун-та; ред. И.В. Гуляев. - Саранск 2014.-С. 43-47.

Подписано в печать 14.11.2014. Формат 60 х 84 '/,6. Бумага офсетная. _Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 772._

Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева.

Типография НГТУ. Адрес университета и полиграфического предприятия: 603950, ГСП-41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24.