автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка асинхронного электропривода с импульсно-ключевым управлением

МОСКОВСКИЙ ордена ЯЕНША и ордена ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЯНЩ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

МАХМУД АБДЕЛ ЛАШФ АЛЪ-БАТМ

разработка асинхронного электропривода

с шшьсно-кшочшм управлении!

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и

системы, включая их управление и регулирование

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1992

/

/ /

Работа выполнена на аафе^з Авгсыагьсцрол-л чс7о -Л1 p:\iv--ьода Московского ордена Ленина и ордена Октябрнп^й- Реватецяг энергетического института.

Научный руководитель - кандидат технических наук, допоет

ПИШШСКИЙ A.B.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, npofocco.

в аудитории М-214 на заседании специализированного Совета Д 053.16.04 Московского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетического института.

Огзнв на автореферат в двух экземплярах а заваренной подписью просим направлять по адресу: 105835, ГСП, Москва, Е-250, Красноказарменная улкца, дом 14, Учанкй Совет LiZ.il.

С диссертацией можно ознакомиться в бийгшотеке 1Ш.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного Совета

ЮНЬКОВ М.Г.

кандидат технических наук, дои; ГРЕХОВ В.П.

Ведущее предприятие - ВНКШПМАШ

Защита состоится

Д 053.16.04

к.т.н., доцент

.характеристика работы

Актуальность тзмн диссертации. Асинхронные электроприводы находят широкое применение в различных отраслях промышленности л сольокого хозяйствл,. При этом уделяется большое внимание разработке и исследованию регулируемых электроприводов с асинхрон-нши двигателями, разрабатываются различные системы регулирования. Основное вгалгадие исследователей и разработчиков направлено на создание экономичных систем, обеспечивающих регулирование скорости в широких пределах, построенных главным образом на базе преобразователей частоты. Вместе с тем заметное внимание уделяется созданию н внедрению более простых способов регулирования, в частности, параметрических. Среди них в последние годы все болт.ше внимания уделяется системам импульсного регулирования, реализуемым с помощью тиристорных ключей.

В последнее годы появились работы и авторские свидетельства, посвященные способу нмпульсно-ключевого управления (ИКУ) асинхронными электроприводами. Системы электропривода с ИКУ отличается простотой реализации, надежностью в эксплуатации и простотой обслуживания. В них в отличие от систем с импульсным регулированием реализуется естественная коммутация тиристоров, что ппволяет исключить узел искусственной коммутации. Эти системы строятся таким образом, что в них естественным путем реализуется отрицательная обратная связь по скольжению. Однако подавляющее число работ по ИКУ носит главным образом описательный характер, в них не приводятся методы расчета, рекомендации по проектированию. Как правило, система с ИКУ используется для получения пониженной скорости. Вместе с тем возможно использование этих систем и в зоне высоких скоростей.

В связи с указанным представляется целесообразным исследование систем асинхронного электропривода с ИКУ с целью выявления их электромеханических свойств и определения области их использования.

Цель работы и задачи исследования. Целью работы является исследование электромеханических свойств системы асинхронного электропривода с ИКУ, выявление возможности расширения диапазона регулирования скорости и введения ограничения тока, разработка методов расчета характеристик и параметров отдельных узлов схемы управления.

В рамках данной диссротлщя д:.^ ыъп.шгт -

решается следующие задачи:

- разработка методики расчета характеристик ал. кронного злек^-ропривода с выпрямителем и добавочным резисюр.'м в цепи ротора;

- разработка алгоритма расчэта электромеханических и т-.'оха-:-2;ческкх характеристик этих систем для решения на ЦВМ:

- исследование электродинашческих свойств системы эяектро-т-рквода с ИКУ;

- разработка методики расчета колебаний скорости в систем с ИКУ;

- разработка методики расчета характеристик скстсш электропривода с ИКУ;

- разработка асинхронного электропривода с ИКУ и с отсечкой по току.

Методика проведения исследовамй. Теоретическое исслэдова-1Л-!в базируется на основных положениях теории венгллъных преобразователей и теорш асинхронных аентильнкх каск^ов. Сложные расчет нелинейных систем выполнялись на ЭШ. Корректность допу-цений, принятых в теоретической часш работы, тдгьзр-дапа рг-оулътаташ экспериментального исолодовандя.

Научная новизна.

- Разработана методика расчета электромеханическое и механических характеристик электроприводов с выпрямителем з: добавочным резистором в цепи ротора.

- Предложен алгоритм расчета ^сарактериогик этих систем на

Ш.

- Проведен анализ электродинашчзских свойств икстомк асинхронного электропривода с ИКУ.

- Разработана методика расчета характеристик системы электропривода с ИКУ.

- Предложена система асинхронного электропривода с ИКУ и с отсевкой по току.

Практическая ценность работы.

- Рекомендация по применению систем с ИКУ для регулирована скорости в широком диапазоне.

- Установлена возможность расширения области кспользова^йм привода с отсечкой по току путем уменыяения сопротивления добавочного резистора.

- Разработана простая модель системы с ИКУ с отсечкой по

току.

СОДЕРЗШШЕ РАБОТЫ

Во введении дается краткая характеристика диссертационной работы, формулируются её цели и задачи.

В перзой главе выполнен обзор информации о существующих системах асинхронного электропривода с импульсным регулированием, об области их применения, дан анализ юс преимуществ и существенных недостатков. В этой главе представлены схемы с импульсным регулированием добавочного резистора в цепи ротора, где регулирование эквивалентного значения сопротивления добавочного резистора осуществляется с помоиью коммутатора, выполненного на базе тиристоров. Недостаток этой схемы заключается в том, что, во-порвых, эти схемы нуждаются в специальных устройствах для осуществления искусственной коммутации тиристоров, и, во-вторых, ограничивается зона изменения скважности управляющих импульсов. Это ограничение в свою очередь приводит к сужению области работы привода.

Схема с импульсным регулированием /2- С контура, применяются с целью расширения зо!ш работы электропривода, путем включения для этой цели последовательно с добавочным резистором конденсатора. Недостаток этой схемы заключается в сложности подбора соответствующей емкости коммутирующего конденсатора.

Известен таете способ импульсного регулирования в система асинхронного вентильного каскада. Основным достоинством этой системы электропривода являются высокие энергетические показатели. Однако она проигрывает системам с нмпульспнм регулированием сопротивления по массогабаритным и стоимостным показателям, главным образом из-за наличия ведомого сетью инвертора. Кроме того, в этих схемах также сохраняется необходимость использования узла искусственной коммутации.

Исследуемая система асинхронного электропривода с импульсно-ключевым управлением выгодно отличается от рассмотренных систем

простотой реализации. Принцип её работы изложен з,."съ ке.

Вторая глава посвящена разработке уточненной методики рас-чэта характеристик асинхронного электропривода о випря.'-телем в цепи ротора.

Такой подход обусловлен тем обстоятельством, что в система с ИКУ двигатель работает с включенными в цепь роторного выпрямителя резисторами, имеющими резко отличающиеся значения сопротивления. Соответственно для анализа электромеханических свойств рассматриваемого электропривода необходимо располагать удсзлэч- • ьорителыюй по точности методикой расчета характеристик, на которых работает двигатель на различных этапах рабочего цикла. Разработанная методика, в отличие от известных способов расчета, позволяет учесть изменение эквивалентного сопротивления, обусловленное коммутацией выпрямителя, при изменении выпрямленного тс/ч, а также учесть влияние изменения нагрузки электрлзривода на значение выпрямленной ЭДС .

В соответствии с расчетной схемой цепи выпрямленного тока ротора (рис. I) можно записать:

где Edt¡- выпрямленная ЭДС на выходе выпрямительного моста;

£ - скольжение АД;

Кц- коэффициент, учитывавший изменение активного сопротгл— .тения в процессе коммутации

К -р _ ■ (?)

гг ' -

V - угол коммутации тиристоров;

Хг- индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора;

Лд - добавочное сопротивление на выходе выпрямительного

моста.

В соответствии с классической теорией анализа выпрямительных схем, для определения угла коммутации в первом режиме коммутации используется выражение:

уУ 1 бХг т ^

Подстановка в ото выражение значения , полученного из (I),

позволяет па'лтк:

^ _ д-ш^ж^и^кэ) (4)

^ ЗХг. Ц + соьГ)

Это выражение устанавливает связь между скольжением ¡э и углом коммутации только в зависимости от параметров схемы.

Подставляя сюда значения ^ с учетом (2) можно построить зависимость ВСХ*) . Значения ЗГ' в этом случае принимаются в пределах О -]Г/3 , что соответствует первому режиму коммутации вентилей выпрямителя. Как показал анализ параметров крановых асинхронных двигателей,принятому диапазону измерения соответствуют токи, в 5,5 раз превышающие номинальный ток.

Путем разложения кривой тока ротора в ряд Фурье найдено соотношение между действующим значением первой гармоники тока ротора 1г а) и выпрямленным током Тс( :

т _ ТгтЧ) _ гуТ т . . (5)

ка) - - ж и Г/1

Прг. этом предполагается, что в роторе наводится неискаженная по с[срме ЭДС и ток имеет трапецеидальную форму. Последнее по-

ложение подтверждается результатами экспериментального исследования , в процессе которого определялась форма тока ротора при изменении его действующего значения от (1,36 до 0,64) 1г/1гн и скольжения от 0,7 до 0,375. Учитывая, что

- Ъсо/Ке >

где Ке - коэффициент трансформации, и заменяя в-его разложе1шем в ряд Маклорена, найдем:

(6)

С другой стороны, в соответствии со схемой замещения АД

Utn ^

nft.

Ks*

(7)

Учит ива?, что £da - ^c^.£2 — ffj //ue • гАе ~ коэф-фкцяент схемы выпрямления, совмгсным решением (7) л (6), и после соответствуювдх преобразований получим:

/

О

a2z:=

1

Кс (KKRi+^S+Ü*) .

(8)

Учитывая, что && и £ - см. (2) и (4) - однозначно опре деляется. значением У , моего считать, что и Яг-,, гакке является функцией у' . Это, в • ,ою очередь, позволяет найти сладкие "входного" сопротивлении* двитатзлк через ;-го ттарамет-ры и как функцию :

где

От сада определяется значение тока статора J/= и ЭДС =\Х\\- \2л | • тао даег -возм0'™0011» найти Хс.лЕг/К ' а загем п0 значение ^ .

Изложенные соотношения легли в основу разработанного алгоритма расчета, позволяющего построить электромеханические характеристики двигателя CSJ , и соответственно его шхаические характеристики по выракенив

Рис Л

М _ (¿¿о~ ]Г ) 1л

П--^----(9)

Предложенный алгоритм дает возможность учесть влияние изменения нагрузки на значение Ег и соответственно .

На основании предложенного алгоритма была составлена программа расчета характеристик электропривода с асинхронным дву-гателем типа МГР-ОИ-б.

На рис. 2 и 3 для сравнения построены электромеханические и механические характеристики, рассчитанные на ЦЕМ по классической методике (I), по методике, предложенной Г1.Е. Даниловым (2), и по методике, разработанной автором (3). Гам же пункифни.п линиями показаны экспериментальные характеристики. Анализ показывает, что наибольшую точность дает расчет по предлагаемой методике.

В третьей главе проводится исследование колебаний скорости в системе электропривода с ИКУ при работе в установившемся режиме . ■

С этой целью предварительно был осуществлен анализ электродинамических показателей системы. Анализ осуществлен относительно средних за период выпрямления тока значений переменных. тывая, что цепь выпрямленного тока описывается дифференциальные уравнением, содержании существенно нелинейные формы (произведения переменных и переменные в степени, выше первой), и в уравнение-движения электропривода таксе входит выражение момента, содержащее квадрат тока, был использован метод исследования "в налом" путем линеаризации системы.

Для реализации предлагаемого метода исследования по результатам расчета характеристик в гл. 2 были построены зависимости Е^а(1,1) к (• Эти зависимости являются нелинейная!.

Они были аппроксимированы следующими выражениями:

к} (10)

а,--- ; Рг '

л С.Ы > А ^¿ои - значения ^ Д .соответствунциэ значению Гд =31^ - 20А'

аКК1 • лКцг. -значения л, соответствующие значениям 1(ц , 1а г_.

Представляя все текущие переменные системы в виде У- • мокно записать для цепи выпрямленного тока

ротора:

кнаи*!** - СелиГ, (12)

где

кнм = (¿.а» (а/ Ь** + )

г _ £г1о — а, Та. пая ~ а2.Т<1на-ч тг- Ты. иол/

Соответственно уравнение движения:

— «у т-

(13)

где

Г _ -3Q2.1J.HM - -уг^нач)

--- ,

СГх. - суммарный момент инерции системы электропривода. Исключая в (12) и (13) ,10 , наГщем:

+ сю

т

где /э = —--электромагнитная постоянная времени система;

1м = электромеханическая постоянная времени систе-

мы;

д иГс ~

н ач

1> - Хг-

Анализ параметров системы показал, что 7э во ноем дчааа^. не изменения скорости (сколькения) существенно меньше-что позволяет в этом случае не считаться с электромагнитными переходными процессами;

Тогда (14) преобразуется к виду:

Т^^-д^. (16)

ас

На основании полученных уравнений проводится анализ колебаний скорости привода в установившемся режиме при известном 1чоме>--те статической нагрузки Мс , и заданной средней угловой скоро сти привода ' .

На рис. 4 показаны механические характеристики привода пря открытых (I) и закрытых (2)тиристорах. Соответственно при работ! привода на характеристике I приращение скорости стремитсл к агЛ, , а при характеристике 2 - к значению . Полный период ко-

лебаний скорости, соответствующий периоду коммутации тиристоров г

где - время, в течение которого тиристоры открыты; ■¿г - время, в течение которого тиристоры закрыты. Значения ^ и ^ определяются следующими выражениями:

1 _ р Ч--ГГ Я-

^ _ <32 ^ М1-Мс.__

г~ /г Мг-Ис+Рг*^

■ • ¡1 , ■' ■ _ зянтл^' г с; .сдал дэиг.тгеля ара русого йрисг.;

соответственно на характеристиках 1,2, при /'/ . /^г - значения модуля жесткости механических характеристик I и 2 при о5 - еЛср. ;

- заданный размах колебаний скорости.

Значения Д , определялись как:

Задаваясь значениями Д^ = = х; 2; 3; 4; 5 рад/с

ри известных значениях М, , Д^ , , Мс А , , сп-

.оделим по (17) , ^ и, тем самым, определим % . Это ^зволяет построить зависимость в абсолютных и оига-

: телышх единицах. Как показывает анализ для = Тгдаа =

0,01/ Д. амплитуда колебаний скорости во всем диапазоне изменения не превышает 0,04 рад/с.

Анализ параметров линеаризованной системы асинхронного юктропривода с выпрямителем в цепи ротора показывает, что во 1эм диапазоне изменения скорости электромагнитная постоянная ~1 -;.ленй 7э существенно меньше электромеханической постоянной темени Тм , что позволяет не учитывать электромагнитные пе~ "бодяге процессы при анализе динашкп системы электропривода.

Анализ колебаний скорости в системе с ККУ показывает так, что для заданного значения ¿Л? наибольшие амплитуды ко-«сапзц} имеют место при Мс = Мсс^ = (м,-гМг)/2 •

Анализ процесса колебаний позволил установить, что о рос-:м скольжения амплитуда колебаний скорости Д^м уменьшается, да как относительное её значение растет.

Разработан алгоритм определения периода (частоты) и ампли-уди. колебаний з системе с '.ПСУ. базирующейся на анализе переход-процессов "в матом" линеаризованной .системы.

3 четвертой главе рассматривались два вопроса - разработки етодики расчета характеристик замкнутой системы с 1-ГКУ и вопрос обратной связи г.о току с целью его ограничения в зоне •'отыпих значений скольжения.

Для разработки методики расчета характеристик систеш с лУ яспльзовалнсь результаты расчета во второй главе и резуль-■ г.1 анализа постоянных времени в третьей главе, где до-гускается не считаться с элентрогагнптнъ&и процессами. Ана-

Pue. 4.

-H—Q rd Kl d-

Pue. 5.

irrr

Uu

-O

-e

Uai

~YJD7-S

Un

a? A

mz

m dm

© lier.r

© Uct-I

Pue. 6.

TUT

- 1Ь -

-тируя работу системы электропривода с ИКУ, быта составлен* дно рчс^тлю схемы. Ric. 5 объясняет работу системы при затертом состоянии тиристоров. На рис. 6 составлена схема при открытом состоянии тиристоров. Из рис. 5 можно определить условие,при котором открываются тиристоры как:

и<1г-л & У'™' (19)

где Udz - выпрямлеиное напряжение на вьиоде диодного моста при закрытом состоянии тиристоров; ^а - коэффициент деления напряжения на потенциометре Rp , определяется при разомкнутом состоянии системы как:

/с-

и„

А" иаг

II

■ "л _ снимаемое с потенциометра напряжение;

Uct.it - ЧстУОЮЬ Нет \'ОИЧ у Ист-уою) Цст-уои - значения напряжения пробоя стабилитронов ТОЮ , уОН ;

лОуз-ч - падение напряжения на переходе управляющий электрод-"атсд т1фистора ;

= ьИудт-э + - падение напряже-

ния в проводящем направлешш на диодах уо?-У£>3 и на переводе управляющий электрод-кат од силовых тиристоров У-5/ - /Бз . \1г1 и определяется следутадал образом:

иАп = и? - кж (Ь £г . $). (20)

■Значение определяется во второй главе при = И? =

= 183 Ом. При этом ^¿я зо всем хлапазоне £ тлеет незначи-гельное значение, что позволяет принять .

ап = К-А'90,8-2 (21)

Экспериментальным путем были определены

1;гдексы I, 2, 3 соответствуют положениям отпайки потенциометра.

Из (21) и (19) получим:

90,2 Сг;

Отсвда определим:

= 0,317; = 0,448, ¿дз - 0,744.

После пробоя стабилитронов тиристор ИЗ-ч иунтируег ст; бклитрон УЫО . в связи с этим вновь "размыкания" цзгл управляющих электродов силовых тиристоров У-И-УЗЗ происходит меньшем напряжении, определяемом только напряжением ьробок У/У/ , или по условию;

Кь-Ци^ ОН + ^'Р! = ' {гУ>

Напряжение и<1г в этом случае существенно зависит ит зна-гоци'; выпрямленного тока , оно может быть определю но (20)

результатов расчета характеристик во второй главе.

Как показал анализ СР) представляет собой келпнейи;>-зависимость которая аппроксимируется выражлшем:

и^ = - ■ (241

Экспериментально было найдено = 13,5 В.

По (24) и (23) находится значение сколы;ения .соо*

ветствующее условию пробоя стабилитрона УМ при полностью от крытых тиристорах сигового моста

При известных значениях а< , , ^-а/- определяем г5г< = 0,335; $>ц_ = 0,493; Вц = 0,325.

По Бх^. и находятся среднее значение угловой ско-

рости

^ = С/- (20

и жесткость механических характеристик

Л иГ;= -«¿¿г

,, д М; = Их г5то - Иг -а.м&р - ¿гм ¿я/.,

Нетрудно видеть, что с ростом значения ^а/. снижаются ■ значения 5^ и ц( соответственно, растет угловая ско-

рость • Кроме того, анализ показал, что с ростом

увеличивается также модуль жесткости механических характеристик. Расчетные значения , представлены на рис. 7.

Следующим в этой главе рассматривался вопрос об огранпче-.»та тока ротора при больших значениях скольгегшя.

Для достижения этой цели рассматривалась возможность при--•„":• нения существуюгщх техничесюгх решений, в том числе с использованием микросхем типа К116, специальных датчиков тока с логическими микросхемами и др. Б работе »триняг вариант системы с - ...пользованием гернонового рале в цепи управляющие электродов "чристоров как наиболее просто реализуемый. Соответствующая с сема представлена на рис. 8'. Реле содержит 2 обмотки: заданную и обратной связи по току. Выполнено исследование условий ;;лботы реле, выбора герконов по коэффициенту возврата и частотам свойствам. Проанализированы условия выбора параметров за--тлчлцей л отключающей обмоток. Получены электромеханические и ' ехзнические характеристик!! электропривода с токоограничением.

Пятая глаза посвящена экспериментальным исследованиям рас. лтриваемой системы с целью проверю! результатов теоретическо-'^следования л обоснованта справедливости принятых допущений. >-опррим?"ты проводились на лабораторном учебном стенде, к ко' <5нл подключен разработанный автором блок ИКУ. В качестве испытуемой мадинн использовался асинхронный двигатель типа "'т^-ПП-б (I/ кВт, 885 об/мин). На этом стенде снимались ■>т,:?ктромехаяические и механические характеристики асинхронного ■электропривода с выпрямителем и добавочным резистором в цеш ро-7'0?а, осуществлялось ссциллограффованне тока ротора , ко" • ¿аний скорости системы с ИКУ, исследовались электромеханиче-

Рис.сЗ

- jy -

скйв л матампвскпе харгастериочикя системы электропривода с ¿Sf, в том число и при включении отссчки по току.

В процессе экспериментального исследования осуадествяялосг-".гл'.ерение параметров рассматриваемой системы электропривода, в том числе уточнялись значения напряжения пробоя стабилитронов, падения напряжения на вентилях, значения сопротивлений добавочных резисторов, коэффициента деления напряжения потенциометра и другие параметры.

С целью уточнения расчета характеристик системы с отсечкой по току снимались характеристики герконового реле.

выводы 110 работе

1. Анализ систем асинхронного электропривода о ишулъсиыд регулированием параметров в цепи выпрямленного тока ротора показал, что системы с шпульсно-ключевш управлением обеспечивают регулирование скорости в широких пределах и выгодно отличаются от систем с искусственной коммутацией простотой реализации.

2. Предложенная методика расчета электромеханических и ira.-:-нических характеристик асинхронного электропривода с выпрямителем и добавочным резистором в цепи ротора позволяет учитывать из • »«нения Кя и , обусловленные изменением нагрузки привода, что повышает точность расчета значений тока и момента двигателя.

3. Анализ линеаризованной системы асинхронного электроприхода с выпрямителем в цепи ротора показывает, что при язго?гьзст,\. = ^читателей типа MTF в0 ВС9М диапазоне изменения сколше-1шя электромагнитная постоянная времени существенно меньше электромеханической постоянной времени, что позволяет не учитывать а^ктроьтагнитные переходные процессы при анализе динамики электропривода.

4. Исследование процесса колебаний'в установившемся реетиэ в системе с ИКУ показало, что при росте среднего значения ско-

pstü'íer и амплитуда сё колебаний, в то время как относит^ъ-яое значение этой амплитуды снижается.

5. Разработана методика расчета электромеханических и inxa-яических характеристик электропривода при работе в шпуль сно-ключэвом рожи.ю, соответствующем включению обратной связи по СКОРОСТИ (ПО скольжению).

б. Для предложенного способа ограничения тг*:: ротора, реализуемого на базе двухобмоточного геркоковогс реле, ра?"«"? -таны рекомендации по выбору параметров герконов и обмоток.

Нгцпнгано к печати Л - ^

Пет. л. Тираж Заказ ¿у/

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13

Г)('1-платии.