автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Исследование режима каскадного пуска асинхронного электропривода

На правах рукописи

МУРИКОВ Егор Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМА КАСКАДНОГО ПУСКА АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск - 2006

Работа выполнена в ГОУ ВПО "Магнитогорский государственный технический университет им Г.И. Носова».

Научный руководитель — кандидат технических наук, доцент

КОСМАТОВ Валерий Иванович

Официальные оппоненты — дс!ктор технических наук, профессор

ГАФИЯТУЛПИН Рафаиэ Хазеевич

Ведущее предприятие — ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат»

Защита состоится «10» ноября 2006 г. в 16 часов 00 минут на заседании диссертационного совета К 212.111.02 при Магнитогорском государственном техническом университете им. Г.И, Носова по. адресу: 455000, Челябинская обл., г. Магнитогорск, пр, Ленина, 38, - ауд. 227.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Магнитогорского го сударственного технического университета.

Автореферат разослан «10 октября» 2006 г.

кандидат технических наук, доцент ЕВДОКИМОВ Сергей Алексеевич

Ученый секретарь Диссертационного совета

К.Э. Одинцов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В современных условиях можно добиться заметного улучшения технико-экономических показателей технологических агрегатов и производств преимущественно за счет повышения надежности эксплуатации электрического и механического оборудования. При этом достигается увеличение длительности работы между текущими и капитальными ремонтами и соответственно снижаются эксплуатационные расходы. Наиболее затратным по электропотреблению является металлургическое производство, где сосредоточено большое многообразие электроприводов. На крупных металлургических предприятиях с полным производственным циклом, электроприводы переменного тока являются преобладающими как по количеству, так и по совокупной установленной мощности. Большинство из них в настоящее время являются нерегулируемыми и в качестве основной проблемы при эксплуатации следует назвать тяжелые условия прямого пуска. Высокая кратность значений момента и тока в пусковом режиме приводит к ускоренному износу оборудования, оказывает негативное влияние на работу системы электроснабжения и является основной причиной возникновения аварийных остановок агрегатов и производственных участков. В этой связи количество допустимых прямых пусков мощных электродвигателей лимитировано. По этой причине часто многие электроприводы переменного тока большой мощности не отключают, оставляя в режиме холостого хода при снятии технологических нагрузок.

Проблемам пуска и регулирования мощных электроприводов переменного тока до настоящего времени не уделялось достаточного внимания. Это обусловлено в первую очередь тем, что пускорегулирующая полупроводниковая преобразовательная техника высоковольтного исполнения появилась на рынке сравнительно недавно. Однако для массового внедрения современных полупроводниковых высоковольтных устройств имеются серьезные препятствия. Среди них основным является их высокая стоимость и, соответственно, сроки окупаемости от их внедрения многократно превышают нормативные.

В этой связи актуальными продолжают оставаться задачи, связанные с решением вопросов определения экономической эффективности внедрения современных пусковых устройств. Одновременно с этим важными являются исследования, связанные с разработкой альтернативных способов пуска мощных электроприводов переменного тока, внедрение которых не требует значительных капитальных вложений. При этом значительная роль отводится созданию математических моделей, адаптированных к исследованию электромагнитных и электромеханических про-

цессов в электроприводах переменного тока, в которых реализуются новые способы пуска.

Целью работы является улучшение технико-экономических показателей эксплуатации электроприводов переменного тока за счет осуществления «мягкого» пуска без применения специальных пусковых устройств.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих основных задач:

1. Анализ современного состояния электроприводов переменного тока и разработка упрощенных методик оценки срока окупаемости пуско-регулирующих устройств, включая высоковольтные.

2. Разработка способа реализации каскадного пуска двигателей переменного тока и определение областей его применения.

3. Разработка математической модели двух двигательной системы, адаптированной для исследования электромагнитных и электромеханических процессов при пуске.

4. Исследование на модели пусковых режимов асинхронного электро-■ привода при каскадном включении и определение условий реализуемости «мягкого пуска» двигателей.

Идея работы заключается в возможности формирования пониженного напряжения на статорных обмотках АД путем каскадного включения двух и более двигателей и достижения за счет этого снижения динамических пусковых моментов и токов.

Методика проведения исследований. Для решения поставленных задач использовались основные положения теории электрических цепей и электромеханического преобразования энергии, теория элеетропривода и методы математического моделирования.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Упрощенная методика оценки срока окупаемости пусковых устройств, включая высоковольтные, на основе анализа современного состояния электроприводов переменного тока и требований к ним.

2. Способ и схемная реализация каскадного пуска двигателей переменного тока.

3. Математическая модель двухдвигательной системы, в которой реализован способ каскадного пуска, позволяющая исследовать электромагнитные и электромеханические процессы в системе при различных коммутационных ситуациях.

4. Результаты исследований пусковых режимов асинхронных электроприводов при каскадном включении и условия, при которых реализуется «мягкий» пуск.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются тем, что в основе модели, с помощью которой проводилось исследование режима каскадного пуска асинхронных двигателей, лежит математическое описание, базирующееся на строгом учете физических процессов в асинхронных электродвигателях с использованием известного в теории электромагнитного и электромеханического преобразования энергии математического аппарата. Моделирование типовых процессов в электроприводе с помощью вновь созданного математического аппарата дало результаты, сходные как по характеру, так и количественно с данными, полученными при использовании проверенных на практике методик математического моделирования.

Научная значимость и новизна работы. В процессе решения поставленных задач были получены следующие новые научные результаты:

1. Разработанный способ реализации «мягкого» пуска асинхронных электроприводов в двухдв игательной системе каскадного их включения способствует дальнейшему развитию теории электромеханических систем на основе асинхронных электродвигателей.

2. Предложены общие принципы описания коммутируемых магнитос-вязанных цепей, на основе которых разработана математическая модель двухдвигательной системы, позволяющая исследовать электромагнитные и электромеханических процессы в системе при различных коммутационных ситуациях в процессе пуска.

3. На основе моделирования получены результаты, позволяющие определить влияние на каскадный пуск разброса электромеханических параметров электродвигателей и условия реализуемости каскадного пуска в двухдвигательной системе.

Практическая ценность заключается в том, что разработанный способ каскадного пуска асинхронных электроприводов в двухдвигательной системе позволяет реализовать режим «мягкого» пуска мощных высоковольтных электродвигателей без применения специальных пусковых устройств. Снижение пусковых перегрузок по моменту и току при каскадном пуске способствует повышению надежности эксплуатации оборудования и приводит к снижению эксплуатационных расходов за счет увеличения длительности межремонтных циклов. Возможность осуществления «мягкого» пуска позволяет также своевременно отключать электродвигатели на время снятия технологических нагрузок, что обеспечивает дополнительное снижение электропотребления. Реализация работы. Разработанная математическая модель реализована в виде компьютерной программы, зарегистрированной в Реестре программ для ЭВМ. Предложенный способ реализации «мягкого» пуска асинхронных электроприводов в двухдвигательной системе каскадного их включения принят к внедрению применительно к вентиляторной

станции на стане 2000 ЛПЦ-10 ОАО «ММК» дня «мягкого» пуска 8-и однотипных вентиляторных установок с электродвигателями мощностью по 800 кВт. Компьютерные программы моделирования внедрены в учебный процесс

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Международной конференции «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы» (г. Екатеринбург,УГТУ-УПИ, 2003 г.) на региональных научно-технических конференциях, ежегодных конференциях по итогам выполнения научно-исследовательских работ и на объединенном научном семинаре энергетического факультета и факультета автоматики и вычислительной техники Магнитогорского государственного технического университета.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 печатных работ, в том числе получено свидетельство на регистрацию программного продукта.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 82 наименования и приложений. Работа изложена на 139 страницах, содержит 51 рисунков и 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрено состояние вопроса, обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы.

В первой главе проведен анализ состояния электроприводов в металлургсгческой промышленности на примере крупнейшего в отрасли ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» и пути модернизации их с целью повышения эффективности эксплуатации и решения задач энергосбережения. Практически половина установленной мощности электроприводов приходится на электропривод переменного тока с вентиляторной нагрузкой, 90% которых на сегодняшний день остаются нерегулируемыми. На долю высоковольтного электропривода данного типа приходится около 80% электропотребления. Так как эти электроприводы изначально проектировались как нерегулируемые, то оценку эффективности внедрения современных полупроводниковых пускорегулирующих устройств необходимо проводить конкретно для каждого агрегата. С этой целью проведен анализ эффективности применения известных средств и способов пуска двигателей переменного тока, рассмотрены пусковые устройства по системе ТПН-АД, выпускаемые различными электротехническими компаниями, как для двигателей общепромышленных (на-

пряжением 0,4 кВ), так и высоковольтных. Рассмотрены также другие варианты построения пусковых устройств для высоковольтного электропривода.

Предварительную оценку эффективности внедрения современных полупроводниковых пускорегулирующих устройств предложено осуществлять по обоснованной в рамках диссертационной работы упрощенной методике расчета. Она основана только на учете главного результата модернизации - экономии электроэнергии, так как другие сопутствующие положительные последствия от внедрения средств пуска и частотного регулирования непосредственно учесть нельзя. Они могут быть определены только при относительно длительной эксплуатации их. На основе анализа стоимостных показателей современных преобразователей частоты и пусковых устройств были определены зоны окупаемости современных полупроводниковых устройств в зависимости от доли достигаемой экономии электроэнергии (рис.1)

а) область окдомсфсти дгН1ф№обраэОй>гел»й частоты

5 1 т -.......................................... ......

о.е -

| ^ 0.6 н

^ £

5 ** "

I 0.2

Зона окупаемости

8

<4

5 £

п « дойность, К0Т

5) область окугмиое™ д™ (уековых устройств 4,06 .....г.......-................. •

Зона окупаемости

о -а й

со в а) «- гм <ч

М01ф0С1Ь.КВТ

Рис.1. Определение зоны окупаемости пуско-регулирующйх средств.

На основе анализа производственных ситуаций, места и роли механизмов с вентиляторной нагрузкой в технологическом процессе обоснована достаточность применения в большинстве случаев устройств «мягкого» пуска. В тоже время для высоковольтных электроприводов внедрение современных полупроводниковых устройств безударного пус-

ка во многих случаях не окупается в нормативные сроки. Поэтому в качестве альтернативы серийно выпускаемым пусковым устройствам предложен способ каскадного пуска двигателей, позволяющий при определенных условиях также реализовать «мягкий» пуск с заметным снижением кратности пусковых токов и динамических нагрузок. В рамках этой идеи осуществлена постановка задач по диссертационной работе.

Вторая глава посвящена разработке математических моделей асинхронного электродвигателя, систем коммутатор-двигатель, двигатель-двигатель. В частности эквивалентная схема основной системы, в которой реализуется каскадный пуск двух двигателей показана на рис.2.

Рис.2. Эквивалентная схема 2-х двигательной системы

При разработке модели асинхронного электродвигателя дано обоснование необходимости разработки новой методики моделирования, в основе которой лежит описание коммутируемых магнитосвязанных электрических цепей двигателя.

Для таких цепей в общем виде справедливо уравнение вида

= (о

к т Ш

Здесь Xе" сумма по значениям источников ЭДС на участке цепи, -

к

сумма падений напряжения на активных сопротивлениях, - сумма

и

ЭДС индукции на элементах данной ветви, - разность потенциалов на концах ветви.

Совокупность подобных уравнений для контуров и для токов в узлах дает полную систему уравнений, описывающих электрическую часть электродвигателя. Выражения данного типа сохраняют свою справедливость для любых магнитосвязанных обмоток, как обмоток двигателей, так и трансформаторов.

При этом главный магнитный поток представляется действием всех фазных обмоток машины в виде выражения

ф.-ЩЪ 1

а +—

IV. 1 2

2 /=0и.

2

А

с/а,

(2)

где. - количество витков обмотки р, В — диаметр дуги воздушного

зазора, / - длина активной части рамки, а/, а-я/2 - координаты

соответственно рассматриваемой обмотки и двух ее активных сторон, А -(здесь и далее) индекс создающих поле обмоток, В к — индукция поля, создаваемого к-ой обмоткой.

Уравнение электромагнитного состояния для фазной обмотки получено в виде:

V р Удг р р ^ ¿-»=0' ^

(3)

Предложенное математическое описание позволяет производить расчет состояния магнитосвязанных обмоток.

Электромеханическое состояние определяется известными соотношениями для электромагнитных сил и моментов:

(4)

а также известным уравнением движения электропривода.

Обобщенная блок-схема алгоритма расчета процессов на модели с комментариями приведена на рис. 3

На базе предложенного математического описания и алгоритмов расчета электромагнитных и электромеханических процессов в АД и для случая каскадного включения двух асинхронных электродвигателей были разработаны компьютерные программы для моделирования, позволяющие исследовать пусковые режимы в электроприводах..

электрические, магнитные и геометрические параметры эквивалентной электрической схемы и параметры механическое системы

цикл по времени - расчет состояния схемы в каждый момент с определенным временным шагом

цикл, в котором производится анализ соединений в схеме и построение соответствующей системы уравнений

Анализ соединения между двумя узлами схемы с помощью матрицы коммутаций и выбор математического описания для данной ветви схемы

Расчет взаимодействия данной ветви схемы с другими через магнитное поле как суперпозиция взаимодействия контуров данной ветви с магнитным полем, создаваемым всеми провод никами с током

Проверка, описаны ли все соединения эквивалентной электрической схемы?

Для возможности численного решения к системе дифференциальных уравнений применяется разностная схема - получаем систему линейных уравнений относительно токов схемы

Решение системы линейных уравнений относительно токов схемы любым удобным математическим методом (в данном случае - метод Гаусса)

Расчет сип, действующих в магнитном поле на проводники и моментов сил на роторе. Расчет скорости и координат ротора исходя из сил, действующих на него

Проверка, достигнуто ли конечное гремя расчетов как результат расчета всех промежуточных шагов?

Рис. 3. Обобщенная блок-схема алгоритмов расчета процессов в АД

В третьей главе проведены типовые исследования, позволившие установить адекватность модели объекту моделирования. В рамках этих исследований последовательно проводилось моделирование процессов, начиная от простейших электрических расчетов переходных режимов, известных в теории электрических цепей с последующим переходом к более сложным магнитосвязанным контурам статорных и роторных обмоток. На основе исследований процесса пуска одного двигателя были получены кривые момента, частоты вращения, фазного тока статора и тока ротора. Это позволило установить сходство качественных и количественных показателей пускового режима. На рис. 4 приведены расчетные кривые основных электромеханических параметров АД, характеризующих прямой пуск АД.

а) момент и

М

Ми

Т

СТ.

—-0,4

6)ток фа»ыАстатора I 5Т

1и

в) ток контура (N¡1) ротора 2.5 т --------

ж

Рис.4. Расчетные кривые пускового режима АД

Наряду с полученными результатами была проведена оценка влияния конструктивных особенностей АД на основные параметры электромеханического преобразования энергии в двигателе, а также установлено влияние отклонений основных параметров от паспортных значений.

В четвертой главе приведены результаты исследований процесса каскадного пуска в двухдвигательной системе. Определены условия реализуемости предложенного способа пуска и получены показатели снижения кратности пусковых токов и моментов.

На рис. 5 показаны основные расчетные кривые, характеризующие процесс индивидуального пуска двигателей и пуска с каскадным включением в двухдвигательной системе.

Рис. 5. Основные расчетные кривые процессов индивидуального и парного пуска АД

Как видно из графиков, каскадный пуск в двухдвигательной системе позволяет вдвое снизить амплитуды пусковых токов и практически в три раза ограничить ударные пусковые моменты. Таким образом, в такой системе достигается эффект, получаемый при реализации «мягкого» пуска АД с применением специальных пусковых устройств.

Завершающим этапом каскадного пуска является переключение электродвигателей на полное напряжение питающей сети, что соответствует скачкообразному увеличению вдвое напряжения на статорах, двигателей. Характер процессов при таком переключении исследовался для случаев переключения электродвигателей на полное напряжение при

достижении различных значений частоты вращения. На рис. 6 приведены результаты таких исследований. Откуда видно, что броски токов и моментов при переключениях АД на полное напряжение при частоте вращения 0,7 (Он соизмеримы по величине с пусковыми значениями в режиме каскадного включении. Таким образом, переключение двигателей на индивидуальное питание целесообразно производить при частоте вращения не менее 0,7 сон-

Рис. 6. Процессы в режиме каскадного пуска АД при переключении их в режим индивидуального питания на различных значениях частоты вращения (1 - 0,3шн; 2 - 0,5сон; 3 - 0,7 сон; 4 — 0. 9 Он)

Эти результаты были получены для случая пуска абсолютно идентичных электродвигателей. Учитывая, что в реальных условиях даже однотипные двигатели имеют некоторый разброс характеристик, были проведены также исследования каскадного пуска двигателей с отклонениями его основных характеристик в пределах 5%. Установлено, что такие отклонения в характеристиках не оказывают заметного влияния на процесс пуска в каскадной схеме включения АД.

Не принимая во внимание отклонения основных параметров однотипных электродвигателей в более значимых пределах была обоснована целесообразность проведения дополнительных исследований процесса пуска однотипных электроприводов с различными нагрузками на валу. Действительно, в производственных условиях часто имеет место нерав-

номерное деление нагрузок между двигателями. Исследования показали невозможность осуществления каскадного пуска двух двигателей, когда один из двигателей пускается без нагрузки на валу, а другой имеет вентиляторную нагрузку. На рис.7 показаны расчетные кривые пуска для этих условий.

М мм«ы( н скорость двигателя 1 (с вентиля "орнои кагрутн)

1Л ■)....... ......------------------------"--■■ ■ - ■ ■■ -

1Д-

М1Г

0,4

ГМ^ЧЛМ

10

0 -0.4 ^

19

20

25

ЭО

Н- о

М

О,«

тг.

-ол

[ *| МЖНТ II ооросгь Д!11и-Э1«1а 2 (сво*о£Ны-1 ГЦ«К|

т

и-'?

ОД» 0,6 0,1

10 19 20 25 30

]г—.....-..................;..............-.............................Г

•-1--.............................-••------------------------------------------1-о,з

Л ■+----т---

1,8 Л--------------1

' ^ Тг ' " ™ «1

Рис.7. Расчетные кривые пуска нагруженного и не нагруженного

электродвигателей

Полученные результаты показывают, что пуск нагруженного двигателя становится невозможным в такой системе парного пуска. Разгоняется при этом только ненагруженный двигатель.

На основе моделирования было установлено, что при отличии момента вентиляторной нагрузки на двигателях в пределах 10% оба двигателя разгоняются и не наблюдается существенных различий в характере пусковых процессов (рис. 8).

большая вентиляторная нагрузка (+5%)

т 1 0,76 0,5

0,75 ^

. .Л. -0,25

®

Рис. 8. Расчетные кривые пуска при вентиляторной нагрузке

На основе моделирования определены условия, при которых каскадное включение позволяет осуществить «мягкий» пуск одновременно двух электродвигателей без применения традиционных высоковольтных пусковых устройств безударного пуска.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основе анализа состояния электроприводов переменного тока и

стоимостных показателей современных полупроводниковых пуско-регулирующих устройств разработана упрощенная методика оценки срока окупаемости пусковых устройств, включая высоковольтные.

2. Разработан способ реализации каскадного пуска двигателей перемен-

ного тока» заключающийся в последовательном соединении статоров на время пуска с последующим переключением на полное напряжение питания и определены области его применения.

3. Разработана математическая модель асинхронного электродвигателя, в

основе которой лежит описание коммутируемых магнитосвязанных электрических цепей двигателя и на ев базе получены модели систем коммутатор-двигатель, двигатель-двигатель, позволяющие исследовать пусковые режимы электроприводов переменного тока при индивидуальном и каскадном пуске АД.

4. В результате исследований, выполненных с помощью разработанной

математической модели, подтверждена возможность реализации каскадного пуска асинхронных электроприводов с вентиляторной нагрузкой путем соединения последовательно статорных обмоток двигателей на время пуска с последующим переключением на номинальное напряжение. Установлено, что при каскадном пуске двух двигателей достигается снижение кратности пусковых токов более чем в два раза и в три раза - ударных моментов электродвигателей.

5. На основе моделирования установлено, что при переключении на но-

минальное напряжение на частоте вращения 0,7 номинального значения достигаются наилучшие условия перехода в режим индивидуального питания. При этом кратность пусковых токов и моментов не превышает начальных значений при каскадном пуске пуске АД.

6. В результате моделирования установлено, что при отклонении пара-

метров электродвигателей и вентиляторной нагрузки в пределах ±5% процесс пуска обоих электродвигателей происходит устойчиво. При больших различиях нагрузки на валу двигателя пуск более нагруженного электродвигателя замедляется, в связи с чем каскадный пуск целесообразно осуществлять при одинаковой нагрузке обоих двигателей.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Муриков B.C., Разработка математической модели работы НПЧ на активно-индуктивную нагрузку / Муриков Е.С., Сарваров А.С, И Электротехнические системы и комплексы: межвуз. сб. научн. тр. - Магнитогорск, 2001.-вып. 6. — стр. 193-200.

2. Муриков Е.С. Обоснование методики построения математических моделей систем с вентильными преобразователями // Электротехнические системы и комплексы: межвуз. сб. научн. тр. — Магнитогорск, 2002. - вып. 7. — стр. 151-155.

3. Муриков Е.С., Минимизация электропотребления в асинхронных электроприводах при ступенчатом регулировании частоты вращения/ Муриков Е.С., Сарваров A.C., Усатый Д.Ю., Маколов В.Н., Криницын С.Е.. // Вестник УГТУ - УПИ № 5(25). Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы. Часть 1. - Екатеринбург. 2003 г. - стр. 243-247.

4. Муриков Е.С., Методика моделирования магнитосвязанных цепей / Муриков Е.С., Сарваров A.C. // Электротехнические системы и комплексы: межвуз. сб. научн. тр. — Магнитогорск, 2005. — выпуск 11. стр. 281-289.

5. Муриков Е.С., Исследование парного пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. / Муриков Е.С., Сарваров A.C. // Электротехнические системы и комплексы: межвуз. сб. научн. тр. — Магнитогорск, 2006. — выпуск 12. стр. 281-289.

6. Муриков Е.С., Математическое моделирование короткозамкну-того асинхронного двигателя. / Муриков Е.С,, Сарваров A.C. // Электротехнические системы и комплексы: межвуз. сб. научн. тр. - Магнитогорск, 2006. - выпуск 13. стр. 289-298.

7. Муриков Е.С., Алгоритм численного расчета коммутируемых электрических схем. / Муриков Е.С., Косматов В.И. // Математика. Приложение математики в экономических, технических и педагогических исследованиях. Сб. научн. трудов под ред. Бушмановой М.В., вып. 4. -Магнитогорск. 2006 г. - стр. 168-172.

8. Муриков Е.С. Исследование каскадного пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. / Муриков Е.С., Сарваров A.C. // Материалы 64-й научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ за 2004-2005 годы. — Магнитогорск, 2006. — стр.145-148.

9. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005613254. Математическая модель электропривода на базе асинхронного двигателя / Е. С. Муриков; заявитель и правообладатель Е.С. Муриков,- заявл. 14.12.2005 г.

Подписано в печать 10.10.06. Формат60х84 1/16. Бумага тип. № К

Плоская печать. Усл.печ.л.1,0. Тираж 100 экз. Заказ 707.

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок ГОУ ВПО «МГТУ»

Введение.

Глава 1. Технико-экономические аспекты реализации мягкого пуска в электроприводах переменного тока.

1.1 Современное состояние электроприводов переменного тока.

1.2 Пути повышения эффективности эксплуатации существующих электроприводов переменного тока.

1.3 Анализ известных средств и способов пуска двигателей переменного тока.

1.3.1 Классические способы пуска.

1.3.2 Пусковые устройства по системе ТОН-АД.

1.3.3 Современные разработки систем ТПН для безударного пуска электродвигателей переменного тока.

1.4 Оценка экономической эффективности внедрения полупроводниковых пускорегулирующих средств.

1.4.1 Обоснование идеи каскадного пуска.

1.5 Постановка задач по диссертационной работе.

Глава 2. Разработка математической модели АД для исследования каскадного пуска.

2.1 Обоснование требований к модели.

2.2 Анализ современных методов моделирования.

2.3 Разработка математического описания процессов в АД.

2.3.1 Базовые уравнения и ограничения.

2.3.2 Описание коммутируемых схем.

2.3.3 Описание магнитосвязанных цепей.

2.4 Математическая модель двигателя.

2.5 Разностные схемы и алгоритмы.

2.5.1 Матрица коммутаций.

2.5.2 Анализ возможных способов описания схемы.

2.5.3 Генерация системы уравнений при изменении коммутации.

2.6 Разностная схема расчета.

Глава 3. Результаты моделирования типовых процессов и их анализ.

3.1 Основные признаки адекватности модели реальным процессам и исходные данные для моделирования.

3.2 Исследования отдельных режимов работы АД на модели.

3.2.1 Исследования процессов заторможенного двигателя.

3.2.2 Связь обмоток через магнитное поле.

3.3 Исследования типовых процессов короткозамкнутого асинхронного двигателя.

3.3.1 Прямой пуск двигателя без нагрузки.

3.3.2 Оценка влияния конструкционных особенностей двигателя на его характеристики.

3.3.3 Оценка влияния разброса геометрических параметров электродвигателя на процесс пуска.

Глава 4. Исследования каскадного пуска двух асинхронных электродвигателей с помощью модели.

4.1 Общая идея.

4.2 Оценка эффективности каскадного пуска.

4.3 Определение условий перехода от пусковой схемы к рабочей.

4.4 Влияние на каскадный пуск двигателей технологического разброса их характеристик.

4.4.1 Исследования влияния отклонения величины сопротивления обмоток статоров.

4.4.2 Влияние отклонения сопротивлений стержней ротора.

4.4.3 Исследование влияния параметров обмоток статора.

4.4.4 Влияние различий в магнитной проницаемости сердечников.

4.5 Исследования возможности каскадного пуска при отклонениях в конструкции обмоток.

4.6 Влияние нагрузки на каскадный пуск.

4.6.1 Каскадный пуск двигателей со ступенчатым увеличением величины нагрузки на валу одного из двигателей.

4.6.2 Каскадный пуск двигателей с нагрузкой вентиляторного типа на валу одного из двигателей.

4.6.3 Каскадный пуск двигателей с близкой по величине вентиляторной нагрузкой.

4.6.4 Каскадный пуск двигателей с сильно различающейся вентиляторной нагрузкой.

В современных условиях заметного улучшения технико-экономических показателей технологических агрегатов и производств можно добиться за счет повышения надежности эксплуатации электрического и механического оборудования. При этом достигается увеличение длительности работы между текущими и капитальными ремонтами и соответственно снижаются эксплуатационные расходы. Наиболее затратным по электропотреблению является металлургическое производство, где сосредоточено большое многообразие электроприводов. На крупных металлургических предприятиях с полным производственным циклом, электроприводы переменного тока являются преобладающими как по количеству, так и по совокупной установленной мощности. Большинство из них являются нерегулируемыми, и в качестве основной проблемы при эксплуатации следует назвать тяжелые условия прямого пуска. Высокая кратность значений момента и тока в пусковом режиме приводит к ускоренному износу оборудования, оказывает негативное влияние на работу системы электроснабжения и является основной причиной возникновения аварийных остановок агрегатов и производственных участков. В этой связи количество допустимых прямых пусков мощных электродвигателей лимитировано. По этой причине часто многие электроприводы переменного тока большой мощности не отключают, оставляя в режиме холостого хода при снятии технологических нагрузок.

Проблемам пуска и регулирования мощных электроприводов переменного тока до настоящего времени не уделялось достаточного внимания. Это обусловлено в первую очередь тем, что пускорегулирующая полупроводниковая преобразовательная техника высоковольтного исполнения появилась на рынке сравнительно недавно. Однако для массового внедрения современных полупроводниковых высоковольтных устройств имеются серьезные препятствия. Среди них основным является их высокая стоимость и, соответ5 ственно, сроки окупаемости от их внедрения многократно превышают нормативные.

В этой связи актуальными продолжают оставаться задачи, связанные с решением вопросов определения экономической эффективности внедрения современных пусковых устройств. Одновременно с этим важными являются исследования, связанные с разработкой альтернативных способов пуска мощных электроприводов переменного тока, внедрение которых не требует значительных капитальных вложений. При этом значительная роль отводится созданию математических моделей, адаптированных к исследованию электромагнитных и электромеханических процессов в электроприводах переменного тока, в которых реализуются новые способы пуска.

Целью данной диссертационной работы является улучшение технико-экономических показателей эксплуатации электроприводов переменного тока за счет осуществления «мягкого» пуска без применения специальных пусковых устройств. В этой связи в диссертационной работе был проведен анализ современного состояния электроприводов переменного тока и разработана упрощенная методика оценки срока окупаемости пускорегулирующих устройств и в том числе высоковольтные. Был предложен способ реализации каскадного пуска двигателей переменного тока и определены областей его применения. В работе осуществлена разработка математической модели двухдвигательной системы, адаптированной для исследования электромагнитных и электромеханических процессов при пуске и проведены исследования на модели пусковых режимов асинхронного электропривода при каскадном включении с целью определения условий реализуемости «мягкого пуска» двигателей. Предложенные решения базируются на возможности формирования пониженного напряжения на статорных обмотках АД путем каскадного включения двух и более двигателей и достижения за счет этого снижения динамических пусковых моментов и токов.

Диссертационная работа состоит их четырех глав, заключения по работе и приложения.

В первой главе проведен анализ состояния электроприводов в металлургической промышленности на примере крупнейшего в отрасли ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» и пути модернизации их с целью повышения эффективности эксплуатации и решения задач энергосбережения. Проведен анализ эффективности применения известных средств и способов пуска двигателей переменного тока. Предложена упрощенная методика, позволяющая осуществить предварительную оценку эффективности внедрения современных полупроводниковых пускорегулирующих устройств. В качестве альтернативы серийно выпускаемым пусковым устройствам предложен способ каскадного пуска двигателей, позволяющий при определенных условиях также реализовать «мягкий» пуск с заметным снижением кратности пусковых токов и динамических нагрузок. В рамках этой идеи осуществлена постановка задач по диссертационной работе.

Вторая глава посвящена разработке математических моделей асинхронного электродвигателя, систем коммутатор-двигатель, двигатель-двигатель. При разработке модели асинхронного электродвигателя дано обоснование необходимости создания новой методики моделирования, в основе которой лежит описание коммутируемых магнитосвязанных электрических цепей двигателя.

На базе предложенного математического описания и алгоритмов расчета электромагнитных и электромеханических процессов в АД и для случая каскадного включения двух асинхронных электродвигателей были разработаны компьютерные программы для моделирования, позволяющие исследовать пусковые режимы в электроприводах.

В третьей главе проведены типовые исследования, позволившие установить адекватность модели объекту моделирования. В рамках этих исследований последовательно проводилось моделирование процессов, начиная от простейших электрических расчетов переходных режимов, известных в теории электрических цепей с последующим переходом к более сложным маг-нитосвязанным контурам статорных и роторных обмоток. На основе исследований процесса пуска одного двигателя были получены кривые момента, частоты вращения, фазного тока статора и тока ротора, что позволило установить сходство качественных и количественных показателей пускового режима. Наряду с полученными результатами была проведена оценка влияния конструктивных особенностей АД на основные параметры электромеханического преобразования энергии в двигателе, а также установлено влияние отклонений основных параметров от паспортных значений.

В четвертой главе приведены результаты исследований процесса каскадного пуска в двухдвигательной системе. Определены условия реализуемости предложенного способа пуска и получены показатели снижения кратности пусковых токов и моментов. На основе моделирования определены условия, при которых каскадное включение позволяет осуществить «мягкий» пуск одновременно двух электродвигателей без применения традиционных высоковольтных пусковых устройств безударного пуска.

В приложении приведен акт внедрения результатов работы в ОАО «ММК»

По теме диссертации опубликовано 9 работ и получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ, на основе которой осуществлено компьютерное моделирование процессов при каскадном пуске АД и проведены основные исследования по теме диссертации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основе анализа состояния электроприводов переменного тока и стоимостных показателей современных полупроводниковых пускорегули-рующих устройств разработана упрощенная методика оценки срока окупаемости пусковых устройств, включая высоковольтные,

2. Разработан способ реализации каскадного пуска двигателей переменного тока, заключающийся в последовательном соединении статоров на время пуска с последующим переключением на полное напряжение питания и определены области его применения.

3. Разработана математическая модель асинхронного электродвигателя, в основе которой лежит описание коммутируемых магнитосвязанных электрических цепей двигателя и на её базе получены модели систем коммутатор-двигатель, двигатель-двигатель, позволяющие исследовать пусковые режимы электроприводов переменного тока при индивидуальном и каскадном пуске АД.

4. В результате исследований, выполненных с помощью разработанной математической модели, подтверждена возможность реализации каскадного пуска асинхронных электроприводов с вентиляторной нагрузкой путем соединения последовательно статорных обмоток двигателей на время пуска с последующим переключением на номинальное напряжение. Установлено, что при каскадном пуске двух двигателей достигается снижение кратности пусковых токов более чем в два раза и в три раза - ударных моментов электродвигателей.

5. На основе моделирования установлено, что при переключении на номинальное напряжение на частоте вращения 0,7 номинального значения и больше достигаются наилучшие условия перехода в режим индивидуального питания. При этом кратность пусковых токов и моментов не превышает начальных значений при каскадном пуске АД.

6. В результате моделирования установлено, что при отклонении параметров электродвигателей и вентиляторной нагрузки в пределах ±5% процесс пуска обоих электродвигателей происходит устойчиво. При больших различиях нагрузки на валу двигателя пуск более нагруженного электродвигателя замедляется, в связи с чем каскадный пуск целесообразно осуществлять при одинаковой нагрузке обоих двигателей.

1. Ильинский Н.Ф., М.Г. Юньков. Итоги развития и проблемы электропривода // Автоматизированный электропривод / Под общ. ред. Н.Ф. Ильинского, М.Г. Юнькова. М. : Энергоатомиздат, 1990 с. 4 - 14.

2. Никифоров Г.В., Заславец Б.И. Энергосбережение на промышленных предприятиях. Магнитогорск: МГТУ, 2000. - 283 с.

3. Л.А. Копцев, Г.В. Никифоров. Основные подходы к оптимизации энергобаланса металлургического предприятия на примере ОАО «ММК». // Электротехнические системы и комплексы: межвуз. Сб. научн. тр. Магнитогорск: МГТУ, 1998. вып 4. С 184-187.

4. Сарваров A.C. Асинхронный электропривод на базе НПЧ с программным формированием напряжения: Монография. Магнитогорск: МГТУ, 2002.

5. Ильинский Н.Ф., Рожанковский Ю.В., Горнов А.О. Энергосбережение в электроприводе // Энергосберегающая технология электроснабжения народного хозяйства / Под ред. В.А. Веникова.-М.: Высш.шк., 1989,-129 с.

6. О. И. Осипов, В. Б. Славгородский. Состояние и перспективы модернизации автоматизированного электропривода прокатных станов в черной металлургии. Материалы конференции. АЭП-2004, Магнитогорск, 2004 г.

7. Селиванов И. А., Карандаева О. И. Технология и основные средства автоматизации современных прокатных станов Стеккеля. //Электротехнические системы и комплексы: Межвузовский сб. научн. трудов. Магнитогорск: МГМА, 1996. Вып 1. С 7 - 13.

8. Гуренко С. и др. Автоматизированная система контроля технологических параметров работы главных электроприводов непрерывно-заготовочного стана. СТА (Современные Технологии Автоматизации) №4, 2005 г., стр.56.

9. А. М. Вейнгер. Перспективы регулируемых электроприводов переменного тока большой мощности. Материалы конференции. АЭП-2004, Магнитогорск, 2004 г.

10. Н.Бармин А., Ташлицкий М. Преобразователи частоты фирмы Siemens / СТА (Современные Технологии Автоматизации) №4, 2000 г., стр.6.

11. System specifications for 2000 mm hot strip mill, GE proposal B2M-P-1917A/B, GE requisition F47-DD-844560, last revision 17 nov. 1989, Magnitogorsk, USSR

12. Маколов B.H. Разработка электропривода по системе 12-пульсный НПЧ-АД с программным формированием напряжения: Дис. . канд. техн. наук. Магнитогорск: МГТУ, 2003.

13. ММК, стан 2000 ГП, Сокращенный технический проект АСУ ТП, архивный № 51511057.

14. Сарваров A.C. Расширение диапазона частотного регулирования двигателей переменного тока на базе непосредственных преобразователей частоты // Приводная техника. 2000. - №3. - с. 22-27.

15. Селиванов И.А., Завьялов Е.А., Минков Э.О. Применение асинхронного электропривода с импульсно-частотным управлением. // Электротехнические системы и комплексы: межвуз. Сб. научн. тр. Магнитогорск: МГТУ, 2002. вып.7. С 83-86.

16. Рогов С. Система управления водоснабжением зданий административно-производственного комплекса. СТА (Современные Технологии Автоматизации) №4, 2005 г., стр.40. •

17. Молчанов A.A. Использование преобразователей частоты на природоохранительных сооружениях // Привод и управление. 2000, №3.-с.27-29.

18. Расширение диапазона регулирования в системе 12-пульсный НПЧ-АД для вентиляторных электроприводов / A.C. Сарваров // Труды IV Между-нар. конф. Электромеханика и электротехнология МКЭЭ, 2000. Клязьма, 2000. -С.210-211.

19. Анатолий Пахоменко, Николай Починчук, Сергей Шипицин. Автоматизированная система управления технологическим процессом производства бетонных смесей. / СТА (Современные Технологии Автоматизации) №1, 2005 г., стр.32-41.

20. Ю. Смирнов. Система управления бетоносмесительной установкой. / СТА (Современные Технологии Автоматизации) №1, 2004 г., стр.6-13.

21. Бармин А., Ташлинский М. Преобразователи частоты фирмы Siemens. СТА (Современные Технологии Автоматизации) №4, 2005 г., стр.46.

22. Терехов В.М. Элементы автоматизированного электропривода: Учебник для вузов.- М.:Энергоатомиздат, 1987.- 224с.

23. Маурер В.Г. Принципы построения развертывающих систем управления вентильных электроприводов. // Электротехнические системы и комплексы: межвуз. Сб. научн. тр. Магнитогорск: МГТУ, 2001. вып 6. С 126-129.

24. Шрейнер Р.Т., Ефимов A.A., Зиновьев Гр.С. Математическое моделирование асинхронного привода с прогнозирующим релейно-векторным управлением. // Электротехнические системы и комплексы: межвуз. Сб. научн. тр. Магнитогорск: МГТУ, 2001. вып 6. С 168-175.

25. Масандилов Л.Б., Крылов Н.В., Кузиков C.B. Электропривод по системе ТПН-АД с расширенным диапазоном регулирования // Электроприводы с улучшенными технико-экономическими показателями: сб. Науч. Тр. №165. М.: Моск. энерг. ин-т. 1988. - с. 82-88.

26. Петров Л.П., Капинос В.И., Херунцев П.Э. Оптимизация энергопотребления при квазичастотном управлении асинхронными электроприводами // Автоматизированный электропривод / Под общ. ред. Ильинского, М.Г. Юнькова. М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 354 - 359.

27. Масандилов Л.Б., Рожанковский Ю.В., Гетман Ю.И. Асинхронный электропривод с тиристорным преобразователем переменного напряжения при различных режимах работы // Автоматизированный электропривод /

28. Под. общ. ред. Н.Ф. Ильинского, М.Г. Юнькова. М.: Энергоатомиздат, 1986, с. 124- 129.

29. Петров Л.П., Андрющенко O.A., Капинос В.И. и др. Тиристорные преобразователи напряжения для асинхронного электропривода. М.: Энергоатомиздат, 1986.- 200 с.

30. Петров Л.П. Управление пуском и торможением асинхронных двигателей. М.: Энергоатомиздат, 1977.- 184 с.

31. Браславский И .Я. Асинхронный полупроводниковый электропривод с параметрическим управлением. М.: Энергоатомиздат, 1998. - 224 с.

32. Жемеров Г.Г. Тиристорные преобразователи частоты с непосредственной связью.- М.: Энергия, 1977.-280 с.

33. Кудрявцев Ф,В„ Ладыгин А.Н. Современные преобразователи частоты в электроприводе // Приводная техника. 1998.- №3. - С. 21 - 28.

34. Вейнгер A.M. Регулируемый синхронный электропривод.- М.: Энергоатомиздат, 1985.-224 с.

35. Бернштейн А.Я., Гусяцкий Ю.М., Кудрявцев A.B., Сарбатов P.C. Тири-сторные преобразователи частоты в электроприводе / Под ред. P.C. Сарба-това. М.: Энергия, 1980. - 328 с.

36. Браславский И.Я. Возможности энергосбережения при использовании регулируемых асинхронных электроприводов // Электроприводы переменного тока: Тр. XI ой научно-технич. конф. (24 - 26 февраля 1998г.). -Екатеринбург: УГТУ, 1998. С. - 102 - 107.

37. Браславский И.Я. Асинхронный полупроводниковый электропривод с параметрическим управлением. М.: Энергоатомиздат, 1998. - 224 с.

38. Станции управления тиристорные регулируемые интегральные типа ТСУ РИ / каталог 08.06.06. -82. - М.: Информэлектро, 1985. - 12 с.

39. Никифоров Г.В. Энерго- и ресурсосбережение основные направления развития электроприводовЮАО «ММК» в условиях рыночной экономики. Материалы конференции. АЭП-2004, Магнитогорск, 2004 г.

40. Прайс-лист фирмы «ЕВРОСТРОЙ ИНЖИНИРИНГ» от 15 января 2006 года, www.eurosi.ru.

41. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: Учебное пособие. СПб.: КОРОНА принт, 2001. -320с.

42. Дейч М.Е. Техническая газодинамика. Изд. 2-е, переработ. М. Госнерго-издат, 1961.

43. Маколов В.Н. Разработка математической модели синхронного двигателя в трехфазной системе координат А, В, С. межвузовский сборник научных трудов под ред. Сарварова A.C., Одинцова К.Э. - Магнитогорск: МГТУ им. Носова, 2001.

44. Математическая модель синхронного двигателя с постоянными магнитами на роторе. Глазунов В.Ф., Пикунов В.В., Митрофанов A.C. // Электротехнические системы и комплексы: межвуз. Сб. научн. тр. Магнитогорск: МГТУ, 2002. вып.7. с. 40-48.

45. Моделирование на ЭВМ переходных процессов в асинхронном электроприводе. Е.Я. Омельченко, A.B. Харламов. // Электротехнические системы и комплексы: межвуз. Сб. научн. тр. Магнитогорск: МГТУ, 1998. вып.4. с. 36-42.

46. Разработка математической модели АД для исследования режимов питания от НПЧ с программным формированием напряжения. Сарваров A.C.,

47. Маколов В.Н., Булатов K.M. // Электротехнические системы и комплексы: межвуз. Сб. научн. тр. Магнитогорск: МГТУ, 2001. вып.6, с. 146-156.

48. Муриков Е.С., Разработка математической модели работы НПЧ на активно-индуктивную нагрузку / Муриков Е.С., Сарваров A.C. // Электротехнические системы и комплексы: межвуз. сб. научн. тр. Магнитогорск, 2001. - вып. 6. - стр. 193-200

49. Муриков Е.С., Обоснование методики построения математических моделей систем с вентильными преобразователями // Электротехнические системы и комплексы: межвуз. сб. научн. тр. Магнитогорск, 2002. - вып. 7. -стр. 151-155.

50. М.Я.В ыгодский. Справочник по высшей математике, М, ООО «Издательство Астрель», ООО «Издательство ACT», 2005.

51. Муриков Е.С., Методика моделирования магнитосвязанных цепей / Муриков Е.С., Сарваров A.C. // Электротехнические системы и комплексы: межвуз. сб. научн. тр. Магнитогорск, 2005. - выпуск 11. стр. 281-289.

52. Ильинский Н.Ф., Юньков М.Г. Итоги развития и проблемы электропривода // Автоматизированный электропривод / Под общ. ред. Н.Ф. Ильинского, Юнькова М.Г. М.: Энергоатомиздат, 1990. - с. 4 - 14.

53. В.И. Смирнов. Курс высшей математики, том третий. М., 1974 г.

54. В.И. Смирнов. Курс высшей математики, том первый. М., 1974 г.

55. В.И. Смирнов. Курс высшей математики, том четвертый. М. 1974 г.

56. В.И. Смирнов. Курс высшей математики, том второй. -М., 1974 г.

57. Усатый Д.Ю. Исследование механических свойств АД при импульсно-частотном питании. Электротехнические системы и комплексы: Межвузовский сборник научных трудов / Под ред. A.C. Карандаева. Магнитогорск: МГТУ, 1998. Вып. 4.

58. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005613254 от 27.12.2005.