автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Многофазный асинхронный электропривод для сварочных полуавтоматов, автоматов и роботов

61: до -5/1111......д

I

Ивановский государственный энергетический университет

На правах рукописи

ИГНАТЕНКО Сергей Владимирович

МНОГОФАЗНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ДЛЯ СВАРОЧНЫХ ПОЛУАВТОМАТОВ, АВТОМАТОВ И РОБОТОВ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05.09.03 "Электротехнические комплексы и

системы, включая их управление и регулирование"

Научный руководитель: д.т.н., профессор А.Н. Голубев

Иваново 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ..... ..................... 4

Глава 1. Основные подхода к разработке ЭП для

сварочных полуавтоматов, автоматов и роботов ... 10

1.1. Анализ основных технологических требований к исполнительному ЭП со стороны сварочных механизмов ........... ......... 10

1.2. Обоснование применения в сварочных полуавтоматах, автоматах и роботах асинхронного ЭП при подходе

к числу его фаз как параметру оптимизации.....15

1.3. Заключение....................28

Глава 2. Разработка математических моделей для анализа

показателей многофазного ЭП при вариации числа

фаз ..... ..............................2 9

2.1. Разработка математического описания для анализа электромагнитных процессов, протекающих в звене постоянного тока асинхронного ЭП ......... 29

2.2. Разработка математического описания для анализа вероятностных характеристик несимметрии

по напряжению в многофазном АД..........41

2.3. Разработка математического описания для исследования пульсаций момента и скорости

вращения многофазного АД.............45

2.4. Разработка математического описания для анализа виброшумовых характеристик многофазного АД . . . .49

2.5. Заключение....................63

Глава 3. Разработка алгоритмов оптимизации показателей

многофазного ЭП и анализ их изменения в функции числа фаз . . . ..................64

3.1. Оптимизация массогабаритных и энергетических показателей фильтра в звене постоянного тока многофазного ЭП.............,.....64

3.2. Исследование несимметрии по амплитуде в

системе питающих напряжений ........... „75

3.3. Влияние числа фаз ЭП на его надежность......80

3.4. Влияние числа фаз ДД на величину пульсаций электромагнитного момента и скорости вращения . . 110

3.5. Анализ изменения стоимостных показателей ЭП при подходе к числу фаз ДЦ как вариативному параметру....................114

3.6. Влияние числа фаз ЭП на его быстродействие . . . .129

3.7. Исследование виброшумовых характеристик

т-фазного ДД...................136

3.8. Разработка алгоритма комплексной оптимизации параметров многофазного асинхронного ЭП ..... 148

3.9. Заключение ....................154

Глава 4. Разработка и исследование многофазного

асинхронного ЭП для сварочных полуавтоматов, автоматов и роботов...............156

4.1. Основные принципы построения ЭП для сварочных механизмов на базе многофазных ДЦ........156

4.2. Разработка системы управления многофазным ДД для сварочных автоматов, полуавтоматов и роботов . . .183

4.3. Исследование характеристик многофазного асинхронного ЭП . ................197

4.4. Заключение....................215

Заключение........................217

Литература........................220

Приложения........................233

ВВЕДЕНИЕ

Современное промышленное производство характеризуется высокой производительностью труда, а также массовым применением сложного автоматизированного оборудования, роботов и робото-технических комплексов (РТК), неотъемлемой составной частью которых является электропривод (ЭП). Не является исключением и сварочное производство: сварка - ведущий технологический процесс при производстве металлических конструкций, с ее помощью перерабатывается примерно 70% готового проката. Обеспечение требуемого качества сварных конструкций и их эксплуатационной надежности, повышение производительности труда при улучшении условий работы людей требуют комплексной механизации и автоматизации на всех этапах изготовления сварной конструкции. В сварочном производстве, как и во многих других отраслях промышленности, многое сделано в указанном направлении. Большинство собственно технологических операций сварки автоматизировано полностью, постепенно автоматизируются и вспомогательные операции. При этом актуальной становится задача создания ЭП для сварочного оборудования с наиболее высокими технико-экономическими показателями.

До последнего времени можно отметить преимущественное применение в сварочных полуавтоматах, автоматах и роботах ЭП на базе двигателей постоянного тока (ДПТ) /1,2,3,4,5/, что связано с относительной простотой управления ими и достигаемыми при этом достаточно высокими качественными показателями. Однако ряд особенностей сварочного производства, в первую очередь неблагоприятные условия работы, низкие величины питающих напряжений и их значительные колебания, повышенные требования к массе и габаритам ЭП, высокий уровень электромагнитных излучений и другие, вызывают необходимость применения ЭП с более высокими техническими, массогабаритными и стоимостными характе-

ристиками. Одним из наиболее перспективных направлений в этой области является создание ЭП на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутьм ротором (АД) , который по сравнению с ДПТ обладает более высоким уровнем надежности, лучшими массогабарит-ными показателями, меньшей стоимостью и рядом других преимуществ /6,7,8,9/, что делает его использование в качестве основы исполнительного ЭП для сварочного оборудования весьма привлекательным .

В то же время, ориентация на использование в асинхронном ЭП наиболее распространенных 3-фазных ДЦ существенно ограничивает гибкость проектирования и затрудняет создание ЭП с улучшенными технико-экономическими показателями. Одним из вариантов решения этой задачи является построение электромеханической системы на базе ДЦ при подходе к числу его фаз как вариативному параметру, оптимизируемому в функции предъявляемых к ЭП технико-экономических требований. Использование многофазного ДЦ (здесь и далее под многофазным понимается ДЦ с числом фаз, большим трех) в условиях сварочного производства позволяет увеличить надежность, улучшить массогабаритные показатели, повысить динамические характеристики, оптимизировать стоимость и достичь улучшения еще целого ряда эксплуатационных характеристик ЭП /10,11,12,13,14,15/ и, следовательно, сварочного оборудования в целом.

Однако увеличение числа вариантов построения ЭП, связанное с возможностью выбора оптимального числа его фаз, усложняет процесс проектирования и принятия конкретных технических решений. Изменение числа фаз двигателя приводит к изменениям большей части технико-экономических показателей, так как затрагивает изменение конструкции, структуры и принципов функционирования многих составных элементов ЭП. Поэтому создание многофазного асинхронного ЭП с высокими показателями требует разработки инженерных методик, обеспечивающих выбор числа его фаз,

в наибольшей степени отвечающего предъявляемым к электромеханической системе требованиям» Это обусловливает необходимость разработки частных алгоритмов оптимизации параметров многофазного ЭП в функции числа фаз, а также алгоритма оптимизации показателей ЭП в целом. Вместе с тем, в существующих работах зависимости указанных параметров, как правило, имеют качественный характер, что не позволяет с достаточной степенью точности использовать их для проведения инженерной оценки технико-экономических показателей ЭП. Зачастую отсутствует и необходимое для проведения таких расчетов математическое описание.

Многообразие способов сварки и, соответственно, видов сварочных установок обусловливает разнообразие требований, предъявляемых к ЭП со стороны технологического оборудования. Столь же разнообразны могут быть и инженерные решения в плане принципов функционирования систем управления ЭП и, следовательно, обеспечиваемые ими качественные показатели. Между тем, сварочное оборудование обладает рядом специфических особенностей в части характеристик силового источника питания и требуемого качества регулирования технологических переменных. Характерные особенности привносит и сам принцип вариативности числа фаз АД. Поэтому актуальной является задача разработки системы управления многофазным асинхронным ЭП для сварочных полуавтоматов, автоматов и роботов, которая, во-первых, обеспечивала бы учет специфики работы оборудования и, во-вторых, давала бы возможность наиболее эффективного достижения заданных статических и динамических показателей.

Цель диссертации - разработка и исследование многофазного асинхронного ЭП для сварочных полуавтоматов, автоматов и роботов .

Для достижения этой цели решались следующие основные задачи:

1. Обоснование перспективности построения ЭП для сварочного оборудования на базе ДЦ при подходе к числу его фаз как параметру оптимизации технико-экономических характеристик ЭП.

2. Разработка математического описания для исследования и оптимизации характеристик многофазного ЭП и его функциональных элементов.

3 о Исследование изменений показателей ЭП при подходе к числу его фаз как вариативному параметру.

4. Разработка алгоритмов для расчета и оптимизации частных параметров ЭП, а также структуры алгоритма комплексной оптимизации его показателей.

5. Разработка принципов построения многофазного ЭП для сварочного оборудования, учитывающих специфику его работы.

6. Создание системы управления многофазным асинхронным ЭП на основе предложенных принципов.

7. Исследования регулировочных характеристик разработанного ЭП.

Научная новизна рабочы:

1. Получено математическое описание для расчета электромагнитных процессов, протекающих в системе "выпрямитель фильтр - автономный инвертор (Ж)", с учетом реальных форм выпрямленного напряжения и потребляемого Ж тока.

2. Разработано математическое описание для анализа несимметрии, возникающей с системе питающих ДЦ напряжений вследствие различного падения напряжения на открытых силовых ключах.

3. Получены соотношения для расчета изменения диапазона регулирования скорости ЭП в функции числа фаз в зависимости от допустимого уровня ее пульсаций.

4. Разработано математическое описание для анализа магнитного поля в зазоре т-фазного ДЦ и его виброшумовых характеристик с использованием данных модельных экспериментов.

5. Представлены результаты исследований характеристик многофазных АД и ЭП на их основе, а. также оптимизации их параметров, полученные на основе разработанных математических моделей и предложенных алгоритмов.

6. Сформулированы принципы построения многофазного асинхронного ЭП для сварочных полуавтоматов, автоматов и роботов.

Пракамческая значимость работы:

Разработанное математическое описание для расчета электромагнитных процессов, протекающих в системе "выпрямитель фильтр - АИ", позволяет проводить выбор емкости конденсатора и индуктивности дросселя силового фильтра в звене постоянного тока (ЗПТ) по заданному уровню пульсаций напряжения в нем, а также осуществлять оптимизацию показателей фильтра.

Полученные выражения для анализа несимметрии, возникающей с системе питающих ДД напряжений, дают возможность предварительной оценки при проектировании ЭП величины пульсаций электромагнитного момента, обусловленных несимметрией.

Предложенные соотношения для расчета изменения диапазона регулирования скорости ЭП позволяют проводить выбор числа фаз двигателя, обеспечивающего достижение требуемого диапазона изменения скорости при заданном уровне ее пульсаций.

Разработанное математическое описание для анализа магнитного поля в зазоре АД дает возможность проводить оценку его виброшумовых показателей при различном числе фаз, а также обеспечивать выбор его значения и способа выполнения обмотки ДЦ для достижения оптимальных виброшумовых характеристик двигателя .

Полученные при расчете и оптимизации параметров многофазного асинхронного ЭП результаты позволяют осуществлять выбор числа фаз электромеханической системы, обеспечивающего как оптимальное значение выбранного параметра, так и наилучшее их соотношение.

Сформулированные принципы построения многофазного асинхронного ЭП для сварочного оборудования позволяют реализовать систему управления, обеспечивающую требуемые качественные показатели ЭП с учетом специфических условий его работы.

Исследования разработанного ЭП показали на его высокие характеристики, в том числе при учете специфических условий его работы в составе сварочного оборудования. На зашуту выносятся:

1. Математические модели для исследования характеристик и оптимизации параметров многофазных ЭП.

2. Результаты исследования и оптимизации характеристик ЭП, полученные с использованием разработанных математических описаний.

3. Принципы построения многофазного асинхронного ЭП для сварочного оборудования.

Апробация работы. Основные положения работы и ее результаты докладывались на научном семинаре по теоретической электротехнике, 1995 г., международной научно-технической конференции "VIII Бенардосовские чтения", 1997 г., 2-ой международной научно-технической конференции по электромеханике и электротехнологиям, 1-5 октября 1996 г, Крьм, 3-ей международной научно-технической конференции по электромеханике и электротехнологиям, 14-18 сентября 1998 г, Россия, Клязьма.

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 9 работ, получен патент Российской Федерации.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Она содержит 147 страниц основного машинописного текста, приложения на 20 страницах, 165 рисунка и таблицы на 68 страницах, и перечень использованной литературы из 119 наименований.

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПОДХОДЫ К РАЗРАБОТКЕ ЭП ДЛЯ СВАРОЧНЫХ ПОЛУАВТОМАТОВ, АВТОМАТОВ И РОБОТОВ

1.1. Анализ основных технологических требований к

исполнительному ЭП со стороны сварочных механизмов

Широкое применение сварки в промышленном производстве, при проведении строительных, монтажных и ремонтных работ обусловливает многообразие существующего сварочного оборудования. В зависимости от используемого способа сварки, вида свариваемых материалов, габаритов и массы изделий, требований к качеству, степени автоматизации и условий работы технические характеристики сварочного оборудования изменяются в очень широких пределах. Поскольку неотъемлемой составной частью любого механизма для автоматизированной сварки является ЭП и его характеристики во многом определяют возможности сварочного оборудования, ЭП для него также отличается значительным разнообразием качественных показателей, видов систем управления, источников питания, типов и мощностей двигателей.

ЭП в сварочных полуавтоматах, автоматах и роботах применяется для:

- подачи электродной проволоки или ленты в зону сварки,

- перемещения сварочной головки,

- перемещения сварочного автомата, тележки или установки,

- перемещения изделия,

- перемещения горелки машин газовой, кислородной и плаз-менно-дуговой резки,

- движения манипулятора робота.

Диапазон требований, предъявляемых к ЭП каждой вышеперечисленной группы, достаточно широк. Так, диапазон скоростей подачи электродной проволоки в установках дуговой сварки (ДС) и наплавки обычно составляет 8:1...30:1 и иногда достигает

100:1 /16,17/ при точности поддержания заданной скорости подачи не хуже 10% /2/ и неравномерности скорости не более 1% /11/. В установках электрошлаковой сварки (ЭШС) диапазон скоростей подачи проволоки или ленты в сварочную ванну может быть меньше - до 30:1 /17/ при менее жестких требованиях к неравномерности скорости. В настоящее время в механизмах подачи электродного материала используются главным образом ДПТ с номинальной мощностью от 15 до 180 Вт и номинальным напряжением 24+48 В /2,4,17,18/. Вместе с тем, в последнее время наметилась тенденция к более широкому использованию ЭП на базе систем преобразователь частоты - ДЦ (ПЧ-ДЦ) /2/.

В качестве исполнительного двигателя в механизмах перемещения сварочной головки может использоваться как ДПТ, так и нерегулируемый трех - или однофазный ДЦ. В первом случае диапазон изменения скорости перемещения составляет от 10:1 до 60:1 /16,17,19/ при мощности двигателя до нескольких сотен ватт и номинальном напряжении 24+220 В. Система управления может быть как разомкнутой, так и замкнутой по току двигателя и скорости перемещения головки.

ЭП перемещения сварочного автомата, тележки или установки имеет аналогичные характеристики при несколько большей мощности исполнительного двигателя. При этом в установках ЭШС соотношение скоростей перемещения и подачи электродного материала устанавливается таким образом, чтобы уровень сварочной ванны оставался постоянным.

Механизмы перемещения свариваемого (разрезаемого) изделия различаются по грузоподъемности, что в совокупности с различными используемыми способами сварки