автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование асинхронного электропривода с векторным регулированием токов статора по мгновенным значениям

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. Анализ взаимосвязанного асинхронного электропривода. Обоснование принципов построения системы управления.

1.1. Требования к электроприводу

1.2. Технико-экономическое обоснование системы электропривода.

1.3. Обоснование переменной структуры системы управления.

1.4. Анализ системы управления методом преобразования координатного базиса.

Актуальность темы. В соответствии с "Основными направлениями экономического и социального развития СССР на 1981-1985 годы и на период до 1990 года" одной из коренных задач в области технического перевооружения промышленности является ".переход к массовому применению высокоэффективных систем машин и технологических процессов, обеспечивающих комплексную механизацию и автоматизацию производства". Создание прогрессивного оборудования, работающего в составе технологических комплексов, неразрывно связано с совершенствованием автоматизированного электропривода.

Рост потребности в регулируемых электроприводах при одновременном ограничении материальных и трудовых ресурсов требует увеличения производства электроцриводов с двигателями переменного тока, в частности, с асинхронными двигателями, более дешевыми и удобными в эксплуатации, менее материалоемкими по сравнению с другими типами электроприводных устройств.

Асинхронные электроприводы отличаются большим разнообразием как в построении силовой части, так и в построении системы управления. Одной из перспективных систем асинхронных электроприводов является электропривод с преобразовательной установкой на основе общего неуправляемого выпрямителя, питающего группу автономных инверторов. Внедрение таких электроприводов целесообразно в первую очередь в текстильном производстве, в производствах легкой и химической промышленности, где по условиям окружающей среды в качестве электроприводных устройств поточных линий желательно применение асинхронных двигателей.

Электропривод с общим неуправляемым выпрямителем обладает рядом достоинств по сравнению с другими системами электроприводов: применение неуправляемого выпрямителя существенно уменьшает величину коммутационных провалов в напряжении питащей сети, что особенно важно при большом числе электроприводов (например, в цехах текстильного производства), т.к. уменьшение искажений напряжения питащей сети снижает взаимное влияние электроприводов друг на друга, а также на другие потребители; коэффициент мощности первой гармоники потребляемого из сети тока близок к единице в широком диапазоне регулирования скорости электропривода, что позволяет снизить установленную мощность фильтро-компенсирущих устройств; питание автономных инверторов от общих шин постоянного напряжения обеспечивает обмен энергией между отдельными электроприводами без применения специальных систем управления. При массовом внедрении асинхронных электроприводов перечисленные преимущества (особенно пониженное влияние на питавдуто энергосистему) являются определяющими в выборе структуры силовой части электропривода.

В последние годы сформировался качественно новый подход к созданию асинхронных электроприводов, основанный на принципе векторного управления переменными асинхронного двигателя. Несмотря на то, что перспективность систем векторного управления теоретически обоснована, число разработок, доведенных до уровня практической реализации, недостаточно, а область их применения ограничена лишь уникальными установками. Это вызвано, в частности, необходимостью введения в систему управления относительно сложных элементов (например, векторный фильтр), а также необходимостью автоматической коррекции динамических свойств регуляторов при изменении параметров асинхронного двигателя.

В настоящее время предпринимаются попытки решения ряда научных и технических задач в области векторного управления асинхронным электроприводом в классе систем с переменной структурой, что дает возможность принципиально на новом уровне подойти к созданию как элементов, так и системы управления в целом. Однако объем исследований в этой области минимален, что определяет актуальность темы данной работы.

Целью работы является создание системы управления, обеспечивающей повышение технико-экономических показателей асинхронного электропривода для поточных линий. Теоретической основой повышения качества характеристик электропривода является построение управлявших устройств в классе систем с переменной структурой и применение принципа ориентации по вектору по-токосцепления ротора.

Для достижения цели работы поставлены следующие основные задачи.

1. Определение законов управления автономным инвертором, обеспечивающих согласование выходного напряжения неуправляемого выпрямителя с напряжением асинхронного двигателя за счет рационального выбора алгоритмов.

2. Исследование статических и динамических характеристик асинхронного электропривода при управлении по принципу слежения за мгновенным значением вектора тока статора.

3. Разработка системы с переменной структурой для управления асинхронным электроприводом, основанной на принципе слежения за мгновенным значением вектора тока статора.

4. Разработка устройства с переменной структурой, обеспечивающего слежение за мгновенным значением вектора тока статора в системе координат, ориентированной по вектору потокосцепле-ния ротора.

5. Разработка тиристорного автономного инвертора с ограничением перенапряжений на силовых элементах в переходных режимах работы электропривода.

Методы исследования, которые были применены в исследованиях, - это метод разложения электромагнитных процессов в асинхронном двигателе на медленную и быструю составляющие, метод преобразования координатного базиса, метод математического моделирования и эксперимент.

Научная новизна работы определяется следующими основными положениями:

1. Разработана методика и выявлена универсальная зависимость, позволяющие определить степень использования напряжения в режиме слежения за мгновенным значением вектора тока статора при различных алгоритмах.

2. Исследованы статические и динамические характеристики асинхронного электропривода при управлении по принципу слежения за мгновенным значением вектора тока статора.

3. Разработано устройство с переменной структурой, обеспечивающее слежение за мгновенным значением вектора тока статора в системе координат, ориентированной по вектору потокосцепле-ния ротора.

4. Разработан алгоритм определения показателей сложности системы векторного управления в зависимости от выбора координатного базиса, обеспечивающий максимальное упрощение технической реализации. Алгоритм разработан на основе тензорного математического аппарата.

Практическая ценность. Для инженерной практики значение имеют следующие результаты работы:

I. Исследования статических и динамических характеристик асинхронного электропривода при управлении по принципу слежения за мгновенным значением вектора тока статора.

2. Универсальная зависимость для определения степени использования напряжения, позволяющая сделать расчет силовых элементов преобразовательной установки.

3. Тиристорный автономный инвертор, обеспечивавший совместную работу с асинхронным двигателем при ограничении перенапряжений на силовых элементах в переходных режимах электропривода.

4. Структуры системы векторного управления и координатных преобразователей, обеспечивавзцие практическую реализацию электропривода.

Автор защищает;

- законы управления автономным инвертором, обеспечивакзцие согласование питаюцей сети и двигателей по напряжению в режиме слежения за мгновенным значением вектора тока статора;

- алгоритм определения показателей сложности системы векторного управления в зависимости от выбора координатного базиса, обеспечивающий максимальное упрощение технической реализации;

- устройство с переменной структурой, обеспечивающее слежение за мгновенным значением вектора тока статора в системе координат, ориентированной по вектору потокосцепления ротора.

Реализация в промышленности. Разработан и внедрен опытный образец двухдвигательного взаимосвязанного асинхронного электропривода для сушильно-ширильной машины отделочного производства текстильных материалов. Электропривод выполнен на основе преобразовательной установки с общим неуправляемым выпрямителем, питающим два тиристорных автономных инвертора. Мощность двигателя привода клуппных цепей - II кВт, мощность двигателя привода опережения - 1,5 кВт.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Впервые определены законы управления автономным инвертором, обеспечивающие максимум использования напряжения при управлении мгновенным значением вектора тока статора асинхронного двигателя. В результате исследования этих законов установлено, что в режиме слежения можно обеспечить напряжение на двигателе не менее 0,9 * 0,97 от напряжения питающей сети при использовании неуправляемого выпрямителя и ти-ристорных инверторов.

2. Определены характеристики алгоритмов управления автономным инвертором и разработана методика определения степени использования напряжения в практически реализуемых системах, позволяющая сделать расчет силовых элементов преобразовательной установки.

3. Разработан алгоритм определения показателей сложности технической реализации систем векторного управления, позволяющий анализировать системы управления в прямоугольных и косоугольных координатах. Определена косоугольная система координат, в которой сокращается число координатных преобразователей векторных величин за счет исключения прямого и обратного преобразования вектора напряжения.

4. Определена зависимость периода высокочастотной составляющей от параметров двигателя при управлении мгновенным значением вектора тока статора. Установлено, что при стабилизации модуля потокосцепления ротора период не зависит от параметров. Установлено, что следящий режим обеспечивается тг при вариации угла поворота ошибки вектора тока в пределах ± ^. Значение угла, равное , соответствует минимальному времени переходного процесса и без перерегулирования.

5. Разработан быстродействующий преобразователь координат, позволяющий реализовать управление мгновенным значением вектора тока статора в координатной системе, ориентированной по вектору потокосцепления ротора.

6. Разработан тиристорный автономный инвертор со стабилизацией напряжения на коммутирующих конденсаторах, обеспечивающий совместную работу с асинхронным двигателем в режиме управления мгновенным значением вектора тока статора.

1. Быстров A.M., Архангельский Н.Л. Многодвигательный электропривод как звено АСУ ТП поточных линий. - В кн.: Усовершенствование и автоматизация промышленных электроприводов и электроустановок. Иваново: ИвГУ, 1978, с. 3-8.

2. Быстров A.M. Проблема многодвигательных электроприводов поточных линий и вклад ученых кафедры "Электропривод и автоматизация промышленных установок" ИЭИ в ее решение. В кн.: Многодвигателы-ше электроприводы поточных линий. Иваново: ИвГУ, 1981, с. 8-22.

3. Быстров A.M., Глазунов В.Ф. Многодвигательные автоматизированные электроприводы поточных линий текстильной промышленности. М.: Легкая индустрия, 1977. - 200 с.

4. Архангельский Н.Л. Требования к взаимосвязанным электроприводам многодвигательных агрегатов. В кн.: Многодвигательные электроприводы поточных линий. Иваново: ИвГУ, 1981,с. 23—29.

5. Лабунцов В.А. Научно-технические проблемы преобразовательной техники. Электричество, №5, 1980, с. 5-8.

6. Справочник по преобразовательной технике/ Под ред. И.М. Чи-женко. Киев: Техника, 1978. - 447 с.

7. Шипилло В.П. Влияние тиристорного электропривода на питающую сеть. Электротехническая промышленность. Электропривод, 1970, вып. I, с. 5-10.

8. К выбору преобразователей для электроприводов текстильной промышленности/ Архангельский Н.Л., Лебедев С.К., Уваров В.Ф., Китаев А.А. В кн.: Совершенствование электроприводов в текстильной промышленности. Иваново: ИвГУ, 1982, с. 78-90.

9. Взаимосвязанный частотно-регулируемый электропривод су-шильио-ширильной машины/ Архангельский II.Л., Курнышев Б.С., Анисимов С.А., Казарин С.А., Иванников B.C., Смирнов В.И. -Информлисток. Иваново: ЦНТИ, 1981, серия 1120-02, №5-81. -3 с.

10. Курнышев Б.С., Казарин С.А., Тимофеев B.C. Работа автономных инверторов в многодвигательном частотно-регулируемом электроприводе. В кн.: Многодвигательные электроприводы поточных линий. Иваново: ИвГУ, 1981, с. 148-152.

11. Архангельский Н.Л., Курнышев Б.С., Смирнов В.И. Некоторые особенности управления автономными инверторами с общим звеном постоянного напряжения. В кн.: Многодвигательные электроприводы поточных линий. Иваново: ИвГУ, 1981, с. I08-II5.

12. Архангельский Н.Л., Курнышев Б.С., Лебедев С.К. Взаимосвязанный электропривод основа автоматизированной системы управления технологическими процессами. - В кн.: Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции. Иваново: ИвГУ, 1983, с. 107-108.

13. Инструкция по определению экономической эффективности новой техники, изобретений и рационализаторских предложений вэлектротехнической промышленности. М.: Минэлектротехпром, 1978. - 92 с.

14. Князев Ю.Б. Разработка и исследование приводных устройств для малонатяжной проводки ткани в сушильных машинах. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. - М., 1973. - 20 с.

15. Булгаков А.А. Частотное управление асинхронными двигателями. М.: Энергоиздат, 1982. - 216 с.

16. Сандлер А.С., Сарбатов P.O. Автоматическое частотное управление асинхронными двигателями. М.: Энергия, 1974. -328 с.

17. Емельянов С.В. Системы автоматического управления с переменной структурой. М.: Наука, 1967. 336 с.

18. Уткин В.И. Скользящие режимы в задачах оптимизации и управления. М.: Наука, 1981. - 368 с.

19. Шрейнер Р.Т., Дмитриенко Ю.А. Оптимальное частотное управление асинхронными электроприводами. Кишинев: Штшшца, 1982. - 224 с.

20. Системы подчиненного регулирования электроприводов переменного тока с вентильными преобразователями/ Слежановский О.В. Дацковский Л.Х., Кузнецов И.С., Лебедев Е.Д., Тарасенко Л.М. -М.: Энергоатомиздат, 1983. 256 с.

21. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г, Управление электроприводами. Л.: Энергоиздат, 1982. - 392 с.

22. Дартау В,А., Рудаков В.В. Векторное управление машинами переменного тока. В кн.: Блочные оптимальные системы электроприводов горных машин. Зап. ЛГИ, т. /XX, вып. I, 1976,с. 48-54.

23. Павлов Ю.П. Принципы построения системы управления тирис-торными преобразователями частоты в приводах с блочным векторным регулированием. В кн.: Блочные оптимальные системы электроприводов горных машин. Зап. ЛГИ, т. /XX, вып. I, 1976, с. 55-60.

24. Онищенко Г.Б., Локтева И.Л. Применение метода колеблющихся координат для построения систем регулирования асинхронных двигателей. Электротехническая промышленность. Электропривод. -М.: Информэлектро, 1973, Ш, с. 3-7.

25. Онищенко Г.Б., Локтева И.Л. Асинхронные вентильные каскады и двигатели двойного питания. М.: Энергия, 1979. - 200 с.

26. Н.Хэнкок. Матричный анализ электрических машин. М.: Энергия, 1967. - 224 с.

27. А.Дяс.Мак-Коннел. Введение в тензорный анализ с приложениями к геометрии, механике и физике. М.: Физматиздат, 1963. - 412 с.

28. Г.Крон. Применение тензорного анализа в электротехнике. -М. Л.: Госэнергоиздат. 1955. - 276 с.

29. Г.Крон. Тензорный анализ сетей. М.: Советское радио, 1978.

30. А.Анго. Матричное исчисление. В кн.: Математика для электро- и радиоинженеров. - М.: Наука, 1967, с. 170-237.

31. А.Анго. Тензорное исчисление. Приложения. В кн.: Математика для электро- и радиоинженеров. - М.: Наука, 1967,с. 238-305.

32. Курнышев Б.С. К построению унифицированной системы асинхронного электропривода для текстильной промышленности.

33. В кн.: Совершенствование электроприводов в текстильной и легкой промышленности. Иваново: ИвГУ, 1982, с. II2-II7.

34. Ковач К.П., Рац. И. Переходные процессы в машинах переменного тока. М.: Госэнергоиздат, 1963. - 744 с.

35. А.с. 851706 (СССР). Автономный инвертор/ Архангельский Н.Л. Курнышев Б.С., Анисимов С.А., Казарин С.А. Опубл. в Б.И., 1981, J528.

36. Лабунцов В.А. Анализ ж синтез тиристорных автономных инверторов напряжения. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. - М., 1973. - 65 с.

37. Тонкаль В.В. Теория, методы построения и исследование автономных инверторов модуляционного типа с повышенным качеством выходной энергии. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. - Киев, 1974. - 49 с.

38. Асинхронные двигатели серии 4А/ Кравчик А.Э., Шлаф М.М.,

39. Архангельский Н.Л., Анисимов С.А., Курнышев Б.С. Релейно-импульсное слежение в частотно-регулируемом электроприводе.

40. В кн.: Усовершенствование и автоматизация промышленных электроприводов и электроустановок. Иваново: ИвГУ, 1980, с. 81-86.

41. Архангельский II.Л., Анисимов С.А., Курнышев Б.С. Двухдви-гателы-шй частотно-регулируемый электропривод с заданным соотношением рабочих скоростей. В кн.: Тезисы докладов юбилейной научно-технической конференции. Иваново: ИвГУ, 1980, с. 143.

42. Забродин 10.С. Узлы принудительной конденсаторной коммутации тиристоров. М.: Энергия, 1974.

43. А.с. 868960 (СССР). Устройство для управления асинхронным электродвигателем/ Блум Э. Опубл. в Б.И., 1981, №36.

44. Берендеев А.В. О работах Крона по применению тензорного анализа в электротехнике. Электричество, 1950, Ш2, с. 78.

45. Бродовский В.II., Иванов Е.С. Бесконтактный электропривод с частотно-токовым управлением для замкнутых систем регулирования. Электричество, 1967, МО, с. 53-60.

46. Бродовский В.Н., Иванов Е.С. Приводы с частотно-токовым управлением/ под ред. В.Н.Бродовского. М.: Энергия, 1974. -168 с.

47. А.с. 862329 (СССР). Узел принудительной конденсаторной коммутации/ Архангельский H.JT., Курнышев Б.С., Анисимов С.А., Казарин С.А. Опубл. в Б.И., 1981, №33.

48. Автономный инвертор для частотно-регулируемого электропривода/ Архангельский Н.Л., Курнышев Б.С., Анисимов С.А., Казарин С.А., Иванников B.C., Смирнов В.И. Информлисток. Иваново: ЦНТИ, 1981, серия 1120-02, №5-81. - Зс.1.EIJIOjiuSIE I.

49. РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОГО ЭйЕКТА.

50. В формуле введены следущпе обозначения:3i и «32 приведенные затраты, соответственно, единицы базового и единицы нового средств, тру/гд;

51. Ы п Ь2 годовые объемы продукщи, производимой соответствую-щшл средством труда;

52. Az годовой объем производства новых средств труда в расчетном году.

53. Замена базового варианта электропривода новым не приводит к изменению объема годового выпуска продукции, т.е. Отчисления от балансовой стоимости на полное восстановление средств труда также остаются без изменения, т.е. Определение капитальных затрат.

54. Под капитальными затратами понимают единовременные вложения общественного труда в мапшкы, аппаратуру, здания и другие средства труда, рассчитанные па участие в большом числе повторяющихся циклов производства.

55. По первому варианту в cvmmv капитальных затрат войдут:1. X С J- О О с X 1'С1. стоимость электрооборудования и материалов;2. стоимость монтажных п наладочных работ;3. стоимость производственных площадей;4. затраты на компенсацию реактивной энергии.

56. Стоимость сериЛного комплекта преобразователя ТЛЧ-15 составляет 2600 рублей.

57. Стоимость монтажных работ принята равной 30^ стоимости преобразователя и составляет 860 рублей. Стоимость пуско-нала-дочных работ, равная 25% стоимости ыоиташ, будет 220 рублей.

58. Преобразователь ТПЧ-15 имеет габаритные размеры 7G0 х х 920 х 1970 и занимает площадь 700 х 920 х JL56 = 0,644 (м2).

59. Удельная стоимость одного квадратного метра прядильного цеха 202 руб. Стоимость площади, занимаемой одним преобразователем, будет:

60. Кшн 202 ' 0,644 = 130 (руб.)

61. Капитальные затраты па компенсацию реактивной мощности расчитываются по сооркуле:1. Кк = П-Кк'йк ,где Кк 8 руб. /1 кВАр удельные капитальные затраты па компеп-сащпа реактивной мощности.

62. Qk величина реактивно:! мощности, отдаваемой в сеть комплектом преобразователя ТПЧ-16, работающего в составе взаимосвязанного электропривода, Qk =11,5 кВЛр;

63. П число преобразователен в электропривода, равное двум. Капитальные затраты на компенсацию реактивной мощности будут:

64. КК = 2 • С • -11,5 = 104 (руб.) По второму варианту в cyi.ii.iy капитальны" затрат войдут:1. стоимость электрооборудования и материалов;2. стоимость монтажных и наладочных работ;3. стоимость производственных площадей.

65. Ки 1616 + 484,8 -1- 121,2 = 2222 (руб.); неуправляемого шпрямнтеля

66. Кб = 436 + 131" + 33 = ЗСС (руб.).