автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Исследования и разработка высокодинамичных энергосберегающих асинхронных электроприводов для механизмов с ударным характером нагрузки

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

ТАРАСОВ АЛЕКСАНДР ЭДУАРДОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА ВЫСОКОДИНАМИЧНЫХ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ДЛЯ МЕХАНИЗМОВ С УДАРНЫМ ХАРАКТЕРОМ Н. "РУЗКИ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

специальность 05.09.03 - электротехнические комплексы

и системы, включая их управление и регулирование

Москва

1995 г.

- г -

Работа выполнена на кафедре Автоматизированного электропривода Московского энергетического института.

Научный руководитель - кандидат технических наук.

доцент Рожанковский Ю.В.

Официальные оппоненты - доктор технических наук.

профессор Юньков М. Г., кандидат технических наук Попов М.А.

Ведущее предприятие - ВНИИЭлектроэнергетики

Защита состоится "10" марта 1995 г. в час.00 мин. в аудитории М-214 на заседании диссертационного Совета К-053.16.06 Московского энергетического института.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью. просим направлять по адресу: 105835, ГСП. Москва. Е-250, Красноказарменная ул.. дом 14. Ученый Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан " ^ 1995 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета К-053.16.06

кандидат технических наук, доцент — Анчарова Т. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Известно, что асинхронные двигатели (АД), работающие вхолостую или с небольшой нагрузкой на валу, имеют низкие энергетические показатели, такие как КПД и коэффициент мощности. Режимы работы с малой нагрузкой во многих случаях определяются технологией работы многих производственных механизмов, таких как прессы, ковочные машины, некоторые виды металлообрабатывающих станков. Эти режимы необходимы для смены деталей при обработке, возврата рабочего органа в исходное положение или смены инструмента.

Повысить энергетические показатели электропривода (ЭП) с АД можно за счет уменьшения напряжения, подводимого к статору на интервалах времени, когда двигатель работает с малой нагрузкой. Для регулирования напряжения в настоящее время используются тиристорные преобразователи напряжения (ТПН). При наличии соответствующей системы автоматического регулирования они позволяют изменять напряжение на двигателе таким образом, что при снижении нагрузки на валу АД мощность, затрачиваемая на возбуждение двигателя, уменьшается в большей степени, чем увеличивающиеся потери в роторе.

В связи с этим одной из важных задач при разработке регуляторов напряжения статора АД является выбор энергетического показателя и закона регулирования напряжения на двигателе в функции нагрузки на валу для поддержания показателя на заданном уровне. Возможны следующие критерии энергетической оптимизации: максимум КПД, минимум потребляемой мощности, минимум тока статора. номинальное значение коэффициента мощности. Наиболее широкое распространение получили системы регулирования, позволяющие поддерживать минимум тока статора или номинальное значение коэффициента мощности. Экспериментальные исследования показали, что такие системы энергетической оптимизации плохо работают при ударном характере нагрузки, поскольку их информационные каналы имеют в своем составе фильтры низких частот, которые препятствуют быстрой реакции канала регулирования на ударное приложение нагрузки. Попытки улучшить динамику упомянутых систем за счет изменения параметров фильтров не дали положительного результата. Более того, экспериментальные исследования разомкну-

той системы ТПН-АД показали, что она имеет неблагоприятные динамические свойства на высокой скорости и так ке, как и замкнутая. может оказаться неустойчивой. Обзор технической литературы по теме диссертации показал, что подробный анализ этих явлений в отечественных и зарубежных публикациях отсутствует.

Цель работы и задачи исследования. Целью настоящей работы является изучение причин, вызывающих неустойчивую работу системы ТПН-АД, и разработка энергосберегающего технического решения. обеспечивающего устойчивую работу упомянутой системы мощностью до 100 кВт при ударном характере нагрузки.

Для достижения указанной цели в рамках данной диссертационной работы решаются следующие задачи:

1. Разработка математической модели системы ТПН-АД, пригодной для анализа ее устойчивости.

2. Анализ динамических свойств системы ТПН-АД при работе на линейном участке механической характеристики.

3. Разработка ТПН с улучшенными динамическими свойствами.

4. Разработка принципиальной схемы быстродействующего регулятора с функцией энергосбережения (РЭ).

5. Разработка опытного образца ТПН с РЭ и проверка результатов исследований в промышленных условиях.

Методика проведения исследований. Аналитическими методами исследована система ТПН-АД на устойчивость и разработан принцип работы РЭ. В лабораторных условиях подтверждены все результаты теоретических положений и снята регулировочная характеристика ТПН с синхронизацией по току статора. В промышленных условиях выполнена оценка энергетических показателей электропривода ТПН-АД путем непосредственного измерения потребляемой из сети активной и реактивной мощности.

Научная новизна. Анализ доступных диссертанту отечественных и зарубежных источников показал, что при постановке задачи для исследований отсутствовали публикации, касающиеся устойчивости как разомкнутой, так и замкнутой системы ТПН-АД при работе на линейном участке механической характеристики АД.

Разработана оригинальная математическая модель, которая

позволяет быстро и достаточно точно оценить динамические свойства системы ТПН-АД по параметрам схемы замещения двигателя и суммарному моменту инерции электропривода.

Разработана замкнутая система регулирования ТПН-АД. обеспечивающая улучшение энергетических показателей электропривода механизмов с ударным характером нагрузки.

Практическая ценность и реализация работы. Результатом теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в диссертационной работе, является создание и опытно-промышленные испытания электропривода на действующем прессе ТМП-200 (К9033) кузнечного цеха Волжского автомобильного завода. Испытания показали высокую эффективность предложенного технического решения при небольшом объеме средств на реконструкцию.

Результаты диссертационной работы могут быть использованы при разработке асинхронных электроприводов с ТПН для механизмов как с ударным, так и со спокойным (медленно изменяющимся) характером нагрузки.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях в г. Каунасе (1988 г.). в г. Суздале (1988 г.), в г. Будапеште (1990 г.). в г. Днепропетровске (1990 г.) и заседании кафедры Автоматизированного электропривода МЭИ 25 октября 1994 г.

Публикации. Материалы" диссертации опубликованы в семи печатных работах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и выводов по работе. Ее содержание изложено на 118 страницах машинописного текста, иллюстрировано 55 рисунками, имеет библиографический список литературы из 43 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении проведен обзор технической литературы и обоснована актуальность темы диссертации.

Первая глава посвящена обзору технических решений энергосберегающих асинхронных электроприводов. Отмечено, что наибольшее распространение получили схемы, позволяющие поддерживать минимум потребляемого тока и заданный коэффициент мощности.

Проведенные испытания выявили существенные недостатки работы упомянутых схем при ударном характере нагрузки, которые выражаются в том. что эти схемы или работают неустойчиво, или не обладают достаточным для данного вида нагрузки быстродействием. что сказывается на функции энергосбережения.

На основе анализа существующих энергосберегающих асинхронных электроприводов формулируется цель и конкретизируются задачи диссертационной работы.

Во второй главе показано, что известные математические модели системы ТПН-АД оказались непригодными для анализа устойчивости этой системы электропривода (ЭП). поскольку они либо слишком сложны, либо не учитывают электромагнитные процессы при изменении напряжения статора АД.

Поэтому была разработана математическая модель системы ТПН-АД, пригодная для анализа устойчивости ЭП при работе на околосинхронной скорости. Структурная схема упомянутой системы электропривода показана на рис.1.

Математическое описание АД удалось существенно упростить, учитывая следующие обстоятельства:

1. Эксперименты показали, что наиболее вероятно возникновение неустойчивых режимов при малой нагрузке. Это позволило представить модель АД для режима работы в окрестности точки холостого хода. .

2. Частоты автоколебательных режимов ЭП составляют несколько герц, а периодическая составляющая электромагнитного момента при синхронной скорости имеет частоту 50Гц. Поэтому в упрощенной модели используется среднее значение переходного электромагнитного момента, показанное на рис.2 пунктирной линией.

В этом случае передаточная функция электромагнитной части АД при э=0 может быть представлена в следующем виде:

с синхранизйцией по напряжению сети'.

Рис. 2 Переходной иомен г АД при прямом включении на синхронной скорости.

К, Т р

«ад (Р)--+ К2 s

Т р + 1

где К, = МСР(0) - начальная величина значения электромагнитного момента АД (рис.2), Т - электромагнитная постоянная времени АД.

К2 = Нн .- номинальный момент АД. s - скольжение АД.

Численные значения Мср(О) и Т могут быть вычислены по номинальным данным и параметрам схемы замещения АД.

ТПН представлен в виде безинерционного звена с коэффициентом усиления

ли,.2

К„ --.

Л (а - ф)

определяющим связь между квадратом выходного напряжения преобразователя. выраженным в относительных единицах, и входным сигналом, в качестве которого используется разность углов управления а и нагрузки (р. В работе используются экспериментальные зависимости итпн - f(а,ф). приведенные на рис.3. Для определения угла нагрузки <р = f(s) использована известная зависимость для Г-образной схемы замещения, представленная на рис.4, которая была линеаризована в окрестности точки идеального холостого хода:

Ф = Фо + Ks з

где Ks = - Хо , г8 '

Характеристическое уравнение рассматриваемой системы ТПН-АД имеет вид:

J£ ц, Т рг + (J^en, + Кг Т - Кп Ks К2 Т) р + К2 = О Такая система устойчива при условии: J^ > JrP,

Pec. 3 Регулировочные характерйотвки TEH при синхронизации по напряжению шггащей сети.

где = Кп Кз - Кг) Т / ц, - определяемое параметрами ЭП граничное значение момента инерции, разделяющее области устойчивой и неустойчивой работы.

Результаты экспериментальных исследований, приведенные в таблице 1, согласуются с выводом, полученным аналитически.

Таблица 1

ТИП АД. ^гр, Режим

Рн- % кг м2 кг ыг В работы

4А71В2. 0.018 0. И 220 неуст.

1, 1кВт. 2810о0/икн

МТП11-6. 0. 0488 0,038 220 уст.

2. 8кВт, 920об/вин

А51-4, 0. 0425 0.21 220 неуст.

4. 5кВт, 1440°'/,,„„

МТ12-6. 0.3 0.1 220 уст.

4. ОкВт, 920о6/ыин

4А132Б4. 0.028 0.16 127 неуст.

7.5кВт. 1450об/МИ11

4А13254. 0.2 0.16 127 уст.

7. 5кВт, 1450об/инн

4А13234, 0,2 0,48 220 неуст.

7. 5кВт. 1450° с/мнн

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования показали, что. автоколебательные режимы возникают только при пониженном напряжении на статоре двигателя при питании от ТПН. и вероятность возникновения автоколебательных режимов увеличивается при уменьшении момента инерции ЭП и нагрузки на валу АД. Причиной неустойчивой работы системы ТПН-АД при пониженном напряжении питания двигателя является обратная связь (ОС) по углу нагрузки ф, (см. структурную схему на рис.1).

Третья глава посвящена разработке тиристорного преобразователя напряжения с улучшенными динамическими свойствами. Влияние вышеуказанной обратной связи по углу <р проявляется следую-

- и -

щим образом. Увеличение нагрузки на валу АД приводит к росту активной составляющей тока статора и, соответственно, к уменьшению угла <р. При этом, согласно регулировочным характеристикам ТПН, показанным на рис.3 для ТПН с синхронизацией по напряжению сети, при а-сопэ! выходное напряжение преобразователя уменьшится. Очевидно, что эта реакция является неблагоприятной, поскольку для компенсации данного возмущения желательно чтобы напряжение на выходе ТПН увеличилось или. по крайней мере оставалось неизменным.

По этой причине ТПН с синхронизацией от напряжения сети не пригоден для работы в замкнутых системах, предназначенных для автоматического регулирования напряжения в функции нагрузки на валу АД. Компенсация недостатков, присущих преобразователям с такой синхронизацией за счет внесних обратных связей - как например в системе, поддерживающей минимум тока статора (здесь вводится положительная ОС по току статора АД) усложняет систему регулирования и, в особенности, ее настройку, а также снижает быстродействие электропривода.

Для улучшения динамики системы ТПН-АД необходимо устранить влияние внутренней ОС по углу <р. Для этого необходимо, чтобы угол управления тиристорами автоматически изменялся при изменении угла <?. Наиболее простым способом решения данной задачи является синхронизация системы импульсно-фазового управления (СИ-ФУ) не сетевым напряжением, а током статора АД. Поскольку в СИ-ФУ угол управления отсчитывается от момента перехода синхронизирующего сигнала через ноль, то при такой синхронизации, называемой токовой, будет задаваться длительность (угол) бестоковой паузы К-

Согласно экспериментальным регулировочным характеристикам для ТПН с синхронизацией по току, показанным на рис.5, выходное напряжение преобразователя практически не зависит от угла нагрузки <р АД. то есть влияние ОС по углу нагрузки отсутствует. В этом случае двигатель в динамике ведет себя почти так же, как и при питании от сети, где неустойчивых режимов не наблюдается. Диаграммы мгновенных значений тока статора АД при набросе нагрузки в системе ТПН-АД с синхронизацией по напряжению и току показаны на рис.6. Однозначность регулировочных характеристик ТПН с синхронизацией по току существенно облегчает разработ-

Ut ЫХ lí 1,0

OA

<P*0.5¿ 4,21

Pao. S FeryjoposotBM хжрахтшриотия ТШ

Dpi СКНХрОЯХЗСЦП DO току.

Pao. 6 Рмяак минрофаояа ш амюят вагррш sa иицг щр в) enxfomaon я> пзряхвахо в) овхрвшвшая во тожу.

ку замкнутой системы регулирования. В диссертации показано, что при токовой синхронизации разомкнутая система ТПН-АД всегда устойчива.

Структурные схемы возможных вариантов технической реализации синхронизации ТПН по току, представленные на рис. 7. включают в себя:

- использование трансформаторов тока, включенных в фазы ТПН,

- использование трасформаторов напряжения, включенных параллельно силовым тиристорам,

- использование двух трансформаторов напряжения, включенных на входе и выходе ТПН и сумматора, позволяющего получить сигнал, пропорциональный напряжению на силовых тиристорах.

Экспериментальные исследования проводились по схеме, использующей трансформаторы напряжения включенные параллельно силовым тиристорам. В варианте, использующем трансформатор тока усложнен запуск схемы, а также поддержание схемы в работе при сбоях. В варианте с двумя трансформаторами напряжения вдвое увеличено количество трансформаторов. Последняя схема имеет предпочтение в случае, когда указанные трансформаторы используются также для других целей.

Лабораторные и опытно-промышленные испытания разомкнутой системы с синхронизацией по напряжению на тиристорах с двигателями мощностью от 1,1 до 30 кВт. в том числе и при ударном характере нагрузки подтвердили, что она всегда работает устойчиво при пониженном напряжении питания. В то же время система ТПН-АД с теми же двигателями, но с синхронизацией по напряжению сети при пониженном напряжении работала неустойчиво. Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Рис. 7 Варианты реализации токовой синхронизации.

Таблица 2

Тип АД РнОМ' кВт пнои-об/мин Режим работы синхр. по U синхр. по I

4А71В2 1,1 2810 неуст. уст.

MTF12-6 4,0 920 неуст. уст.

А51-4 4,5 1440 неуст. уст.

4А132Б4УЗ 7.5 1450 неуст. уст.

3ASM0T132SB2 7,5 2920 неуст. уст.

3ASM0T160M4K И 1450 неуст. уст.

3ASM0T160MA2K И 2900 неуст. уст.

3ASM0T160L4K 15 1470 неуст. уст.

3ASM0T160MB2K 15 2940 неуст. уст.

3ASM0T160L2K 18,5 2940 неуст. уст.

АК2-82-8 30,0 730 неуст. уст.

Четвертая глава посвящена разработке замкнутой системы ЭП с автоматическим регулированием напряжения, изменяющимся при изменении нагрузки на валу двигателя.

В работах отечественных и зарубежных авторов показано, что улучшение энергетических показателей асинхронных электроприводов обеспечивается за счет поддержания постоянства скорости АД при изменении нагрузки на его валу.

Поскольку в большинстве случаев на практике датчики скорости отсутствуют, а их установка нецелесообразна, то при разработке замкнутой системы использовался косвенный метод измерения скольжения АД через угол сдвига между первыми гармониками тока и напряжения статора, поскольку в области малых скольжений зависимость между фи з практически линейная (см. рис. 3).

Стандартное решение задачи получение первых гармоник тока и напряжения при помощи низкочастотных фильтров усложняет схему и снижает ее быстродействие, поэтому был принят вариант измерения угла <р(1) без фильтров. Такая возможность объясняется тем. что форма напряжения на статоре, показанного, на рис. 8 мало отличается от его первой гармонической составляющей, а ток ста-

к А

30

во

Рис. 8 Напряжение ж так статоре ДД при «нтяшя от ТПН.

Т« = /Зс

M

-i-1 »

Z А 6 & 10 12. Щ С

Рис- 10 Нагрузочная дяаграша ажаитрсшривода пресса.

■шь

им

АН

Б/1

ли

Ф1

> 1

ДТ

и

у

Ф2 УЗ

аШ тпн

Тп1

П)

щ

I

ы -Л

Рис. 9 Структурная схема опытного образца электропривода.

тора имеет симметричную форму, поэтому первая гармоника тока проходит через ноль в середине бестоковой паузы К. Эта взаимосвязь показана соотношением:

9(1) - «рр + У / 2 ,

из которого следует, что для получения информации об угле ч>(1) необходимо измерить углы Ц и фр и просуммировать их соответствующим образом.

На рис. 9 представлена структурная схема разработанной в диссертационной работе замкнутой системы регулирования с датчиком угла ф(1) и синхронизацией ТПН по напряжению на тиристорах, достоинством данной схемы является ее независимость от параметров конкретных двигателей, так как для ОС используются углы сдвига фаз между переменными, которые практически не зависят от мощности и параметров двигателей. Проведен ряд экспериментальных исследований которые подтвердили этот вывод. Подтвердился он так же и тем, что разработанный в лаборатории и проверенный на двигателе мощностью 7,5 кВт преобразователь без наладки был включен в действующую схему штамповочного пресса с двигателем мощностью 30 кВт.

В пятой главе рассмотрены результаты промышленных испытаний опытного образца электропривода в кузнечном цехе ВАЗа. Для выбора объекта исследования было обследовано около 50 различных механизмов, работающих с перемежающейся нагрузкой. Путем простейших экспериментальных измерений и обработки результатов на компьютере был выбран пресс ТМП-200 с двигателем мощностью 30 кВт, как дающий наилучший эффект при использовании энергосберегающего электропривода. Нагрузочная диаграмма пресса показана на рис. 10. Пресс использовался для штамповки рулевой сошки автомобиля ВАЗ. Штамповка совершалась за 2 удара длительностью * по 1 с при длительности цикла « 13 с. Опытный образец электропривода был включен в электрическую схему пресса без наладки и сразу заработал в режиме энергосбережения.

Работа пресса проверена при штамповке партии деталей в несколько сотен штук. При этом произведено сравнение энергопотребления базового варианта с опытным образцом. Для получения

удельных показателей с целью удобства сравнения результатов испытаний опытного образца расход электроэнергии в обоих случаях был пересчитан в расчете на 100 деталей, что составило: 2.7 кВт-ч и 12,4 квар-ч - в базовом варианте (без ТПН) и 2,6 кВт-ч и 6,8 квар-ч - с автоматическим регулятором напряжения. Опытный образец позволил сэкономить приблизительно 4% активной энергии и около 4535 реактивной. Этот эффект достигнут за счет уменьшения тока холостого хода с 42 до 20А. Указанные результаты промышленных испытаний зафиксированы в'акт'ё о внедрении.

ЗАКЛЕЧЕНИЕ

1. Разработана математическая модель электропривода ТПН-АД при работе на околосинхронной скорости. С помощью этой модели установлено, что при синхронизации по напряжению сети практически все злехтроприводы с короткозамкнутыми АД мощностью более 1 кВт работают неустойчиво при пониженном напряжении питания.

2. Установлено, что причиной неустойчивой работы является внутренняя обратная связь по углу сдвига <р между напряжением и током статора АД. Теоретически и экспериментально исследован преобразователь с синхронизацией по току (обратному напряжению на тиристорах). Он обеспечивает устойчивую работу электропривода за счет исключения вышеуказанной обратной связи по углу «р.

3. Разработана замкнутая система электропривода, осуществляющая автоматическое регулирование напряжения при ударном характере изменения нагрузки на валу двигателя. Основным достоинством замкнутой системы является ее высокое быстродействие и отсутствие необходимости согласования с параметрами конкретных электроприводов.

4. Разработан опытно-промышленный образец электропривода, который внедрен на штамповочном прессе кузнечного цеха ВАЗа. Экономия активной энергии составила 1%. реактивной - 45% по сравнению с нерегулируемым электроприводом.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Рожанковский Ю.В., Тарасов А.Э.Анализ устойчивости крановых асинхронных электроприводов с тиристорными регуляторами экономичности// Электродвигатели переменного тока подъемно-транспортных механизмов: Тез. докл. III науч.-техн. совещ.. Суздаль. 1988.- Владимир. 1988,- С.68-69.

2. Разработка комплекса средств управления, защиты и диагностики для асинхронного электропривода массового назначения/ Анисимов В.А., Катаев М.Ю.. Рожанковский Ю.В.. Тарасов А.Э.// Тез. докл. Науч. -техн. конф. МЭИ. Москва. 1988. - М.. 1988. - С. 23.

3. Горнов А.0.,Тарасов А.Э. Анализ устойчивости асинхронных электроприводов с тиристорными преобразователями переменного напряжения // Сб. науч. тр./ Моск. энерг. ин-т.- 1988.- N 165,- С. 102-107.

4.Анисимов В.А.. Рожанковский Ю.В.. Тарасов А.Э. Анализ устойчивости асинхронных электроприводов с тиристорными преобразователями переменного напряжения// Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов: Тез. докл. Y Всес. науч. - техн. конф.. Каунас, 1988,- Каунас. 1988,- С. 10.

5. Тарасов А.Э. Динамическая модель асинхронного двигателя при регулировании напряжения статора // Сб. науч. тр./ Моск. энерг. ин-т,- 1989.- N 222,- С. 94-98.

6. Рожанковский Ю. В., Тарасов А.Э. Тиристорные регуляторы для электропривода с ударным характером нагрузки // Конференция по силовой электронике и управлению движением (PEMS'90): Тез. докл. Междунар. конф., Будапешт (ВР). 1990.- Будапешт (ВР), 1990,- С. 114-118.- На англ. яз.

7. Рожанковский D.В., Тарасов А.Э. Экономия энергии в асинхронном электроприводе штамповочного пресса // Разработка методов и средств экономии электрической энергии в электрических системах и системах электроснабжения промышленности и транспорта: Тез. докл. Всес. науч.-техн. конф. Днепропетровск. 1990,- Днепропетровск. 1990,- С. 369-371.

Подписано к цечати Л— Q f

Печ. л. {¿д_Тираж ЮУ Заказ О Т

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.