автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Пути совершенствования электропривода гребной установки плавучих кранов по системе "асинхронный электродвигатель - крыльчатый движитель"

ШОЕТСРОДСШ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОДПЕЖдаЖЙ

ИНС2ШТ

На правах рукописи

ЫИРСАИТОВ Михаил Фанилович

ПШ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ГИБКОЙ УСТАНОВКИ ШАЕУЧИХ КРАНОВ ПО СИСТЕМЕ "АСИНХРОШЙ* аШТРС^ЩГАЕЛЬ-

- ттишй двтпшь*

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и

система, вклвтая их управление я рэгугировакае

Автореферат дкссертзхзо! на соксяанкз ученой степени таядагата технических нарт

НиянгЯ Ксвгород,1992

Работа выполнена на кафедре "Электропривод и автоматизация промышленных установок" Ульяновского политехничзсхого института

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор БОРОВИКОВ М.А.

Официальные оппоненты - доктор технических наук

ТИТОВ В.Г. - кандидат технических наук БУРДА £.М.

Ведущее предприятие - ШО "МАРС", г.Ульяновсн

Запита состоится " 'Л2 " дш^а/гл 1993 г. в часов

в аудитории 9 № на заседании специализированного совета К 063.85.06 по присуждению ученых степеней каадвдата технических наук в Нижегородском ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте по адресу: 603600, ГШ-41, т.Нижний Новгород, ул.Мкнина, 24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " ■// " 1992.Г.

Ученый секретарь специализированного совета к.т.н., с.н.с.

Соколов В.В.

Псдп. к печ. 07.12 . 92. Формат 60Бумага оберт. Печать офсетная. Уч.-язд.л.1,0. Тираж 100 экз. Зак. 299. Бесплатно.

Лаборатория офсезной печатв ННПЙ. 603022,Н.Новгород,пр.Гагарина,I.

- : ■: - ! ' " ОНДАЯ ХАРАКЕРИСГШКА РАЕ01Ы

Актуальность темы. Для судов технического флота, в том числе морских самоходных плавучих кранов, возросли требования к показателям маневренности, экономичности, качеству электроэнергии судовой электростанции. Выполнение этих требований влечет за собой использование высокоэффективных механизмов и оборудования, обладаших требуемыми качествами и характеристиками применения сэвре?/егакх методов про ектирог,анил. Использование' кркльчаткх дви-яителей (ЗД) позволяет, исключая традиционный рулевой комплекс и активные подруливасаие устройства, повысить маневренность судна за счет особенности конструкции движителей.

Однако,применение крыльчатого движителя в условиях ограниченной г.о косности автономной судовой электростанции требует дополнительных мер по адаптации механической и электрической частей дви-жительной системы в целом. Прежде всего по сохранению требуемых параметров качества электроэнергии судового источника: коэффициента несинусокдальности кривой напряжения в судовой сети, а также времени к величины кратковременного провала напряжения при пуске гребного электродвигателя.

Б настоящее время для пуска гребного асинхронного электродвигателя в гребной электрической установке (ПЗУ) иорсг.ого самоходного плавучего крана применяется коцценсаторнс-реактсрное пусковое устройство (КРПУ) реализующее параметрический способ запуска. Наличие специальных токоограничиваших средств (пусковой реактор, силовые трехфазные конденсаторы) накладывают ограничения по эксплуатации, надежности и раз^егеи;^ электрооборудования на.объекте. Величина и длительность воздействия пускового тока на судобую электростанцию вызывает отклонения от нормы параметров качества электроэнергии. Одним кз вариантоз решения задачи пуска гребного электродвигателя с целью улучшения показателей качества электроэнергии, укеньпения стоимостных и весо-габаритных показателей электропривода рассматривается двухдвигательныЗ асгапфогаай электропривод, где функции токоограничавашего реактора в момент пуска выполняют статарные обмотки одного из электродвигателей.

Известно, что з полной мере проблема пуска ДД решается применением пакового устройства, реализушего частотный способ запуске с одновременным изменением двух параметров источника электроэнергии: напряжения к частоты по определенному закону.

В последнее время вызывает интерес квазичастотное управление

асинхронными электродвигателями и, прежде всего, за счет относительно простой реализации формирования на статорной обмотке напряжения такой формы, когда первая гармоническая составлявшая напряжения имеет частоту ниже сетевой. За счет этого удается получать пониженные частоты вращения ротора, т.е. осуществлять подобие частотного регулирования скоростью, что наиболее желательно для формирования пусковых режимов электродвигателя. Практический анализ электромагнитных процессов, протекавших по системе "тиристор-ный преобразователь частоты - электродвигатель" сатруднен определением угла закрытия тиристора в преобразователе с естественной коммутацией, ввиду наличия ЭДС вращения электродвигателя. В связи с этим исследования электромагнитных процессов, создание методик определения параметров переходных процессов приобретают важное значение. .

Цель шботы. Совершенствование способов и устройств управления асинхронными электроприводами гребных электрических установок морских самоходных плавучих кранов, позволявших повысить показатели качества электроэнергии судовой сети.

В соответствии с этим в работе были поставлены и решались следующие задачи:

- разработка математической модели ГЗУ с ВД;

- выработка рекомендаций по выбору приводного электродвигателя электропривода ИД;

- разработка пускорегулирующего устройства, реализующего параметрический способ пуска приводного электродвигателя;

- разработка пускорегулируюшего устройства для квазичастотного управления пуском электродвигателя;

- разработка на базе предложенной математической модели ГЗУ методики определения динамических характеристик цускового режима и параметров качества электроэнергии;

- разработка рекомендаций по выбору основнкх элементов пуско-регулирукадх устройств;

- экспериментальная проверка предложенных методик расчета и математической модели ГЭУ.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались: метод гармонического анализа, матричный метод, операторное исчисление, цифровое и физическое моделирование, графоаналитический дегод.

Научная новизна. Создано математическое описание взаимосвязанных систем "ВД-ДД-МНН" и "ЭД-АД" базирушееся на:

- математической модели "КД-ДЦ", наиболее полно учитывавшей взаимосвязь электрической н ммогоиассовой механической системы с упругими связяиз между элементами;

- предложенной, основенной на графоаналитическом методе, методики определения формы кривой напряжения на статорнсй обмотке

(АД) асинхронного двигателя при квазичастотном управлении пуском, учитывогшей ЭДС врасения электродвигателя;

- подученных выражений коэффициентов Фурье гармонического анализа кривой напрятания с учетом угла закрытия силовых тиристоров преобразователя частота;

- сформулированных рекомендаций по выбору электродвигательного устройства в зависимости от выявленных характерных особенностей хрыаьчатого движителя;

- разработанных рекомендаций по построении управлявшего устройства электропривода с квазичастотнкм управлением пуска.

Практическая ценность диссертационной работа заключается в следушем:

- показана работоспособность малоэлементного преобразователя частоты непосредственного типа в качестве пускового устройства электропривода крыльчатого движителя;

- показана работоспособность двухдвигательного алехтроприво-да ОД, реализующего параметрический способ пуска ДД; -

- разработаш методики инженерного расчета параметров переходного процесса и выбора силовой части пусковых устройств;

- разработана методика выбора основных элементов силовой цепи электропривода основанная ка уточнении зырззения сопротивления нагрузки судовому источш!ку электроэнергии в конденсаторно-реак-торном пусковом устройстве.

Публикации и'аптзобзпия таботн. Основные положения работы отражены в 8 статьях, зааищеш авторсиш свидетельством, доложены и обсугдекы на научно-технических конференциях;

- 8 Всесоюзная научно-техническая конференция по судовым движителям, средствам активного управления и система!,! управления ОЬсква, КБ7 г.);

- Всесосзкое совепаниэ ар автоматизированному электроприводу (Ульяновск, 1989 г.);

- I Всесоюзная научно-техническая конференция молодых ученых и спедиалистов (Севастополь, 1966 г.);

- Научно-техническая конференция по проблемам энергосбережения л автономной энергетике (Севастополь, 1990 г.).

Структура и объем работа. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и приложения содержание которых изложено на 123 страницах основного текста, проидяззстрированно 56 рисунками и 13 осциллограммами, 22 таблицами. Список литературы содержит 102. наименования.

СОДЕШШЕ РАБОТЫ

' Во введении обозначена существующая в промышленности теплен- . ция применения специфических энергоемких потребителей электроэнергии для обеспечения требуемых свойств разрабатываемого изделия. При этом указано, что применение таких потребителей требует дополнительных мер по адаптации механической и электрической частей. Особую значимость эти меры приобретают в условиях автономной судовой сети ограниченной мощности, что подтверждается введением -жесткого контроля надзорных органов за показателями качества электроэнергии на судах и промышленных установках.

В первой главе на основании анализа литературы показывается динамика изменения требований к показателям качества электроэнергии и маневренности в судостроении за период с 1970 года по настоящее время (рис.1).

Дается обоснование применения ирыльчатого движителя как механизма обеспечивающего высокую маневренность судна. Анализ колебательных свойств механической части ПЗУ позволяла выявить ряд характерных особенностей, оказываших' существенное влияние на выбор приводного электродвигателя. Среди них: момент сопротивления на валу ротора ВД при работе в режиме холостого хода имеет вентиляторный характер и описывается выражением (I) :

i

Совершение лопастями КД колебательных движений вокруг своей оси при работе в номинальном режиме влечет за собой создание пуль-* сирующего по характеру момента сопротивления на входном валу с частотой пульсаций, определяемой из выражения (2):

у

дtnMüL y^cosorvsüi ¿ыЩ (?)

Измзвенио требований я показателям качества электроэнергии - ' на сдааг

Кт,% за £5 го 15 ¿0

О

— \ &и

- у \

Л \

\

N

и

¿ЭМ ¿335

¿11 - кратковременное отклонение напряжения судовой сети, К ни ~ хоаййициен? несккусокяальнсстй кривой напряжения. Рис. Г.....

Стдек^урная схема дзухмассовой злетаромехгкетеской система "Приводной двигатель - крньчатый движитель"

- момент'ккерцки-ВД; ¿1 - момент инерция прявсдшгчз двигателя; р - коэффициент вязкости соедигглтелького вала и ьуфт системы "ДД-ВД"; С - коэффициент гесткостк вала; I) - передаточная функция обратной связи сиетеш "Лопасть ВД- водная среда".

Рис.2

цде О - плотность среда; V •- линейная скорость лопастей (крыльев) Щ; 5 - площадь поверхности крыла; К - количество ' крыльев; Сет « С 9 , -аоэ4ф!Циенты пропорциональности,

зависшие от формы крыльев, их размаха, площади и числа Рейнольд-са среды; - площадь, миделевого сечения крыла; 2В - относительный эксцентриситет ВД; \ - угол поворота ротора НД.

Механическая часть систеда "Приводной двигатель - крыльча-тый движитель" при анализе переходных процессов рассматривается как однолессовое звено поскольку двухмассовая электромеханическая система представленная с?&к?урной схемой (рис:2> и эквивалентной передаточной функцией (3) из-за наличия отрицательной обратной связи оказывается существенно аедеяпфированной по скорости С < Ь V V" :

В диапазоне часто? 0<Сд<0,1 (¿ш частотные характеристики двухмассовойсистеш И/лм С/*-) и одномаесовой систеш с оператором (р) практически совпадают.

В главе сформулированы задачи^которые решаются в настоящей ' работе. V /. -. ■. - • -

, Во зторой главе предложены рекомендации по выбору электро-двягательного устройства"электропривода крнльчатого движителя, обеспечивавшего уменьпение влияния насудовую сеть колебатеяьно-го характера нагрузки йД. Показано, что асинхронный двигатель_в __ "электромеханической системе "синхронный генератор - приводной двигатель - крылъчаткй движитель" можно рассматривать гмх демпфирующее устройство, умекьгашсе влияние нагрузки на судовой источник энергии, тем сашк улучвая фзрцу кривей сетевого напряжения.

Предложены рекомендации по выбору устройства преобразования и управления электропривода, реализувдие параметрический способ пуска АД адаптирушого гребной электродвигатель к судовоцу источнику. .

Ь

Представлена методика определения статических характеристик разомкнутой системы с коедексаторно-рсактсрныы пусковым устройством. Предложен способ улучшения пусковых характеристик, в рамках разомкнутой системы, реализующий параметрический пуск АД без специальных токоограничиваших средств (токоограничиваюаего реактора, силовых ковденсаторов) (рис.3).

Представлена методика определения динамических характеристик на {'азе математической модели ГЭУ (5). Разработан алгоритм (рис.4) и составлена программа вычисления параметров переходного процесса запуска электродвигателя.

сй5((/с/+Ур-Ыс/);

и-*)

¿г/

#91

иу

Мег* ¿V - Щ¿2 } X = Л X >

•Еу ~ * Х/гг »

— /72

сса х.г '

у _ Л/л . 1 г - — ■

1 г Тт. -

Гг ' ¿сор

(5)

где

- потокосцепления статора и ротора по продольной ( ¿/ ) и поперечной ( ^ ) осям, ¿/¡¿р - составляю-вие напряжения, Со>/ базовая циклическая часто-

Схемы электропривода ВД с параметрическим способом пуска АД

¿¿огц.згог ГРЩ

а) Однолинейная схема силовой цепи электропривода ЭД с кочденсаторно-реактивным пусковым устройством

•4 ж* зш \ А &

б) Схема силовой цепи электропривода с соединенными статорными обмотка»« при пуске.

Алгоритм программы реаенил скстсш дифференциальных уравнений списания асинхронной цашиш

Ркс.4

та; 5 - скольжение ДЦ; ¿¿у - составляющие*тока, составляющие сопротивления статорной цепи электродвигателя с учетом параметров -генератора; , - составлявшие сопротивления роторной цепи, Х/п - сопротивление взаимоиндукции; Т* «■ механическая постоянная времени привода.

В третьей главе рассматривется управляющее устройство электропривода на базе ыалоэлементного преобразователя частоты непосредственного типа (МН1Н), реализующего управление пуском ДД (рис.5). Представлено обоснование целесообразности квазичастотнот. го управления АД- В результате анализа структурной схемы управлявшего устройства определены условия устойчивости системы замкнутой по величине пускового тока. Анализ электромагнитных процессов в системе выполнен на базе гармонического анализа кривой выходного напряжения 15НПЧ, описываемого в общем случае с помощью переключавшей матрицы .

Оыя-.НСООгх. (б)

или в матричной форме: .

М&ЫХ к»

«В1-со 53 ЬА • ¿/гх "З'Ш

Яиег «а<о ¿А4 П-55 кгс Уп "С"(О

Выражения для определения коэффициентов Фурье гармонического анализа кривой выходного напряжения имеют вид:

<8>

где п. «I, 2, 3, 4,... - количество подуволн сетевого напряжения в полуволне зоны проводимости {модулирующего напряжения); об

Функциональная схема электропривода ВД с квазичастотным управлением пуском ЛД

1 - Блок формирования частота шхерного напряжения; /

2 - Блок формирования величины выходного напряжения;

3 - Блок функционального преобразователя обратной связи по час- <

том врапения АД;

4 - Блок функционального преобразователя обратной связи по пус-

ковое току статора АД; •

5 - Блок усилителя ыоэнссти управлявшее шаяульсов и гальваничес-

кой развязки;

6 - Блок запрета (снятия) управлявшее пшуяьсоз при достигеиш.

тока статора величины "Аварийный ток".

7 - Блок датчика тока статора АД;

8 - Блок ввода в действие преобразователя НЫЛ при работе а

автоматической режима;

9 - Блок датчика частоты врадення электродвигателя; Ю- Блок силовых вентилей ННПЧ' ;

II- Блок синхронизации с сетешы напряжением.

Алгоритм определения угла закрытия тиристора

Рве.б

угол открытая тиристора, JL - угол закрытая тиристора, /б угол перехода сетевого напряяения через ноль, cja - угловая частота модулирующего напряжения, со. - угловая частота сетевого напряжения, Um. - амплитудное значение сетевого калряяе-ния, К - номер гармонической составляшеЯ. ,

Известная сложность определения угла 2 разрешается применением предлагаемой (рис.6) методики графо-аналитического определения формы кривой напряжения на статорной обмотке АД с учетом ЭДС врадения электродвигателя.

Гармонический анализ полученной кривой напряжения дает воз- . мсяность определения стараах гармония, для которых решаются дифференциальные уравнения (5) матекатичесхой модели ГЭУ. Совокупность решений дает параметры электромагнитных процессов. В качестве иллюстрации мзтодики приведены данные расчета электропривода ЗД на базе асинхронных электродвигателей модностью 315 кВт.

В четвертой глава списана микропроцессорная система блока (БУ) управления ЫШН, его алгоритм работы, устройство и основные характеристики составных частей. Процессор С25.195.095 построен на базе ШКР580КНВ0А и выполняет eco его футащин. Задоиииегсее устройство БУ - постоянное, выполнено на базо K573PS4 с инфорационной емкостью до 32 к Байт, оперативное - на базе КР537РУЮ с оперативной емкостью до 8 кБайт. Шходиой ток буферного устройства (БУС) сопряжения микроэлектронной и силовой частей преобразователя МШЧ - до 1КЮ мА, коммутируемое напряжение - 380 В, ткп гальванической развязка оптический. Силовая часть ШШЧ выполнена на база силовых тиристоров типа Т-253-1000-10, .

В главе даш рекомендации к проектирован:® и выбору еяловыя элементов электропривода.

В пятой главе представлены результаты натурных испытаний электропривода КД с параметрическим и квазичастоткьо! способами пуска (рис.7).

Показано, что за счэт повышения пускового момента, пря квазичастотном управлении пуском электропривода по сравнен!« с ковден-саторно-реакторным, общее время запуска, при прочих равных условиях, сокращается на 23$ ( A¿ ).

Коэффициент иесицусоидальностн кривой питающего напряжения находится в пределах норм Правил Регистра по судостроению, Яма » 10%. Вибрация подшипникового щита электродвигателя при квазичастотном управлении пуском не превышает норд Регистра. .

Механические и электромеханические характеристики электропривода ВД с различными пусковыми устройствами

По нагреву электрооборудования, электропривод с киаэичас-тоткым управлением позволяет выполнить в течение часа:

- до 25 пусков из холодного состояния; .

- до 10 пусков из горячего состояния,

что значительно превышает количестзо пусков аз горячего состояния электропривода с кпнденсаторно-реакторным пусковым устройством (3 пуска в течение часа).

Пусковое устройство с квазичастотным, способом управления позволяет выполнять запуск электродвигателя А04-355 М-6СМЧ, P-3I5 кВт снагрузкой на валу 251,3 кВт от источника модность» ЮСО кВА.

В приложении приведен листинг главной программ математического моделирования ГЭУ, акт внедрения. .

ССЮВНаЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Комплекс проведенных теоретических я экспериментальных исследований явился основой .для разработки электроприводов губной установки плавучего крана грузсподъешюстъа 150 тонн, реализующих хвазичастотный и параметркчесмтй способы пуска АД.

2. Разработана математическая модель систем "КД-ЙД-ЙШЧ" учитывающая взаимосвязь электрической и ыногоьассовой иехакэтеской частей систем с упругими связями иззду элементами.

3. Предложена схемная реализация двухдвигательного электропривода НД, исключающая применение специальных токоограничиважаих средств (токоограничивакщего реактора, силовых конденсаторов).

4. Предложена схемная реализация электропривода ОД на базе малоэлементного преобразователя частоты непосредственного типа, обеспечивашая КЕазичастотное управление пуском АД.

5. Разработана методика определения парамэтров переходного процесса электропривода. Методика основана на графоаналитическом определений форьы кривой напряжения на статорной обмотке АД с.учетом ЭДС вращения.

6. Даны рекомендации по выбору приводного двигателя систеш преобразования энергии. Показано, что в случае колебательной нагрузки (ИД) целесообразно применение асинхронного приводного двигателя, обладавшего демпфяруш:ми свойствами и, как следствие, уменыгашего искажения судовой сети.

7. Разработан и испытан по пряному назначению блок управления

1ШЧ с микропроцессорной системой управления.

РАБОШ,'ОПУБЛИКОВАНИЕ ПО ТЕЗЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. A.C. 1599966 (СССР). Многодвигателькый электропривод переменного тока./ авт. Мирсаитов М.Ф., ПензерБ.Й., Кузовов A.'i., Бородулин M.U., Ганич H.H.,- Б.И. » 38, 1990.

2. Боровиков М.А., Мирсаитов М.Ф., Пензер Б.Я., КрыльчатыЕ движитель как объект автоматического управления. Межвузовский сборник, УлГМ, 1991.

3. Мирсаитов M.S?., Пензер Б.Я. Электропривод крильчатого движителя морского самоходного плавучего крана грузоподъемностью 150 тонн.-Межвузовский сборник, СПИ, 1991.

4. Боровиков М.А., Мирсаитов Ы.Ф., Свксюмов И.Н. Возможности асинхронного. электропривода судовых установок с тиристорньми преобразователями при частотно-фазовом управлении.-Тезисы докладов конференции: Севастополь.1990.

5. Боровиков М.А., Мирсаитов М.Ф. Пути улучшения динамических характеристик электропривода нрыльчатого движителя морского самоходного плавучего крана.-Тезисы докладов конференции: Ульяновск, 1939.

6. Мартынов В.К.,' Мирсаитов М.Ф. Анализ работы судовых асинхрон-* ных электроприводов при пульсирующей нагрузке.-Тезисы докла-

. дов конференции: Севастополь. IS82.

?. Мирсаитов , Пензер Б.Я. Еэкторыз вопросы оптимизации схема дуска мнэгодвигательного электропривода крыльчатого движителя.-Тезисы докладов конференции, М. IS37, £. Мирсактоз М.Ф. Оптимизация схемы цуска электропривода крыль--чатого двигителя. -Тезисы докладов конференции. Ы., 1968.

Личный вклад автора. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежит: новые схемные репения /3, 4/; математические модели и алгоритмы программ /2, б/; расчеты, обобщения н экспериментальные исследования /5, 7, 6/.