автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Разработка и исследование автоматизированного электропривода металлорежущих станков на базе асинхронного вентильного каскада с последовательным возбуждением

Введение.

Глава 1. Литературный обзор и постановка задачи исследования

1.1. Обзор традиционных схем асинхронно-вентильных каскадов.

1.2. Способы возбуждения двигателя в схемах асинхронно - вентильных каскадов.

Выводы к главе

Глава 2. Исследование статических характеристик системы АВК ПВ

2.1. Алгоритм расчета статических характеристик электропривода системы АВК ПВ.

2.2. Описание блока «Расчет по формулам»

2.3. Описание блока «Пересчет параметров двигателя»

2.4. Описание блока «Расчет граничных значений тока/ц».

2.5. Расчетные статистические характеристики электропривода по системе АВК ПВ.

Выводы к главе

Глава 3. Экспериментальное исследование статических режимов работы электропривода системы АВК ПВ .^.

3.1. Методика экспериментальных исследований .,.

3.2. Результаты эксперимента.

3.3. Математический анализ экспериментальных зависимостей.

3.4. Разработка алгоритма проведения экспериментальных исследований системы

АВК ПВ с применением ЭВМ

3.4.1. Структура лабораторного стенда

3.4.2. Программное обеспечение съема и обработки информации.

Выводы к главе

Глава 4. Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных характеристик системы АВК ПВ в статических режимах.

4.1. Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных характеристик

4.2. Общие аспекты промышленного применения системы АВК ПВ.

Выводы к главе

Автоматизированный электропривод играет важную роль в автоматизации станкостроения и робототехники. Являясь связующим звеном между системой управления и исполнительной (механической) частью любого станка или робота, электропривод представляет широкие возможности для автоматизации технологических процессов металлообработки и транспортировки. Помимо функций согласования, электроприводу также присущи и информационные функции: они позволяют наиболее простыми методами определять энергетические параметры технологического процесса, осуществлять диагностику и контроль работы оборудования.

Электропривод, как основной элемент любого станка или робота, зачастую непосредственно определяет их конструктивные особенности, оказывает сильное влияние на весогабаритные и технологические параметры, а также определяет скоростные режимы работы станка, конструктивные особенности его механизма передач, определяет функциональные возможности технологического оборудования.

Исходя из направлений развития современного станкостроения и станочного электропривода, могут быть сформулированы общие требования, предъявляемые к современным системам электроприводов [2,5,8,49,60]:

• минимальные габариты электродвигателя при высоком вращающем моменте;

• высокая максимальная скорость;

• широкий диапазон регулирования скорости;

• высокая стабильность характеристик;

• значительная перегрузочная способность электропривода в режимах кратковременной и повторно-кратковременной нагрузки;

• высокое быстродействие при апериодическом характере переходных процессов разгона и торможения;

• высокое быстродействие при набросе и съеме нагрузки и при реверсе под нагрузкой на самых малых частотах вращения;

• высокая равномерность движения при различной нагрузке на всех скоростях вплоть до самых малых;

• высокая надежность;

• простота наладки;

• высокая унификация узлов и отдельных элементов;

• высокая экономичность и ремонтопригодность.

Фундаментальной тенденцией современной теории и практики физико-технической обработки материалов является создание так называемых сверхточных технологических процессов.

В работах Т.Н. Лоладзе, В.А. Кудинова, Н.В. Талантова, A.A. Козлова [34,42,44,69] показано, что по сути дела эта проблема сводится к реализации устойчивых технологических процессов*. Для реализации таких процессов необходимо создание недорогого электропривода с максимально высокими энергетическими характеристиками, и что чрезвычайно важно, с широким диапазоном плавного регулирования скорости. В связи с этим представляется крайне актуальным проанализировать имеющиеся в настоящее время принципы построения электроприводов и, переосмыслив их, предложить новые принципы создания электропривода, удовлетворяющего поставленной выше проблеме.

Анализ имеющихся литературных источников показал, что развитие современной теории и практики автоматизированного электропривода проходила в двух направлениях :

- создание электропривода постоянного тока;

- создание электропривода переменного тока. Под устойчивым процессом понимается такой процесс, при котором основные характеристики не зависят от времени, т.е. стационарны.

В рамках первого направления фундаментальными исследованиями A.B. Башарина, Ю.А. Борцова, Д.Э. Брускин, А.И. Важнова, А.И. Вольдека, В.Т. Касьянова, М.М. Кацмана, В.И. Ключева, И.П. Копылова, М.П. Костенко, А.Н. Лебедева, О.П. Михайлова, Р.Т. Орловой, Г.Н. Петрова, J1.M. Пиотровского, Б.И. Решина, A.C. Сандлера, П.С. Сергеева, Г.Г. Соколовского, Е.И. Сипайлова, О.В. Слежановского, В.А. Толвинского, В.М. Хутерецкого, М.Г. Чиликина, К.И. Шенфнера [11,14,18,32,33,35,37,39,43,49,57,59,60,64,72,73,74,76] установлено, что в последнее время наибольшее применение и развитие в станках и промышленных роботах получил электропривод постоянного тока, благодаря в первую очередь простоте регулирования, их высоким энергетическим показателям в широком диапазоне плавного изменения скоростей.

Недостатками электроприводов с двигателями постоянного тока являются большие, по сравнению с асинхронными двигателями, весогабаритные параметры и, как следствие, сравнительно большая инерционность; малая, из-за коллекторного узла, надежность и высокая стоимость, ограниченная по условиям коммутации перегрузочная способность.

В рамках развития электроприводов переменного тока на основе исследований В.П. Андреева, М.М. Ботвинника, A.A. Булгакова, B.J1. Грузовова, В.М. Гусятского, С.О. Кривицкого, Г.Б. Онищенко, Ю.А. Саблина, A.C. Сандлера, P.C. Сарбатова, J1.H. Тарасенко, В.А. Шубенко, И.И. Эпштейна [4,5,12,15,16,28,30,40,51,52,53,55,58,59,61,62,70,77,82,83] видно, что одной из перспективных систем электроприводов переменного тока в настоящее время является частотно-регулируемый электропривод, выполненный на базе асинхронного короткозамкнутого двигателя (4P КАЭП). Интенсивное развитие этой системы именно в последнее время связано с развитием полупроводниковой техники регулирования электроприводов.

Достоинствами таких электроприводов является высокое значение КПД и коэффициента мощности, высокие регулировочные возможности. Однако режим принудительной коммутации ключевых элементов снижает их надежность, а двухканальное управление этими электроприводами создают дополнительные проблемы в процессе их эксплуатации. Кроме того, стоимость частотно-регулируемых электроприводов остается высокой.

Стремление исключить шаговый эффект в системе 4P КАЭП, наблюдаемый при малых скоростях, привело к развитию ШИМ-управления, характеризующегося снижением надежности вследствие высокой частоты коммутации.

Другим вариантом электропривода, обеспечивающим широкий диапазон регулирования скорости, высокую плавность регулирования и высокий КПД, является электропривод, разработанный на базе асинхронных двигателей с фазным ротором, включенных по схеме асинхронно-вентильного каскада (АВК). Из работ Ф.И. Бутаева, И.Л. Локтевой, Г.Л. Муравьева, Г.Б. Онищенко, A.C. Сандлера, Л.М. Тарасенко, В.Г. Титова, C.B. Хватова, В.П. Шипилло, Е.Л. Эттингера [17,51,52,53,63,71,75,79,83] установлено, что существенным недостатком традиционной схемы АВК является низкий коэффициент мощности, снижающийся при увеличении диапазона регулирования, и пониженная его перегрузочная способность, даже по сравнению с естественной схемой включения.

Одним из возможных вариантов повышения энергетических показателей электропривода системы АВК и его перегрузочной способности является использование, наряду с сетевым тиристорным инвертором, управляемого выпрямителя в цепи ротора [40,41]. Однако управление на частоте скольжения ведет к существенному усложнению системы в целом и, как следствие, к снижению ее надежности.

Предложенный Е.И. Медведевым [1] способ управления асинхронным электроприводом, основанный на принципе его последовательного возбуждения, и реализованный в схеме асинхронного вентильного каскада с последовательным возбуждением (АВК ПВ), как показали проведенные исследования, сохраняя присущие схемам АВК высокий КПД, широкий диапазон и плавность регулирования, позволяет получить высокий коэффициент мощности и высокую перегрузочную способность электропривода.

Тиристорный преобразователь, входящий в состав АВК ПВ, управляется на частоте питающей сети, которая существенно ниже несущей частоты в системах с ШИМ, поэтому режим работы тиристоров оказывается в АВК ПВ менее напряженным, чем динамический режим работы ключевых элементов в 4P КАЭП. Вместе с тем система АВК ПВ позволяет исключить присущий 4P КАЭП с амплитудным регулированием напряжения или тока шаговый эффект.

Простота схемного решения АВК ПВ, отработанность отечественной промышленностью элементов системы управления делает электропривод, построенный на базе АВК ПВ, перспективным для широкого применения как в станкостроении, так и в других областях промышленности.

В таблице проведены результаты сравнительного анализа рассмотренных выше систем электроприводов. При анализе использовалась балльная система оценок критериев электроприводов, в которой максимальный балл (3) указывает на высокое качество анализируемого критерия.

Электропривод Габарит Перегрузочная способность Скорость вращения Время переходного процесса Надежность Ремонт Наладка Экономичность Средний балл

Двигателя Системы управления 3 В 3 с S S Капитальные затраты Эксплуатационные затраты

ВЭП ПТ 1 1,5 1 1,5 1,5 1 1 1 2 2 2 1,4

4P КАЭП 3 1 3 1,5 1 3 2 2 1,5 1 1 1,8

АВК ПВ 2 1,5 2 1 1,5 2 3 2,5 2,5 3 3 2,1

Система АВК ПВ на сегодняшний день недостаточно исследована, поэтому основной задачей данной диссертационной работы является исследование ее рабочих режимов и в дальнейшем разработка рекомендаций по расчету электроприводов системы АВК ПВ. Автор данного исследования стремились найти такие методы расчета статических режимов электропривода по системе АВК ПВ, при помощи которых возможной стала бы оценка основных характеристик без проведения экспериментальных исследований.

Работа состоит из четырех глав, заключения, списка использованной литературы и трех приложений.

В первой главе дается обзор литературных источников по вопросам теории и практики асинхронного вентильного каскада. Приводится предложенная автором классификация способов возбуждения асинхронного двигателя в каскадной схеме. Излагаются основы теории асинхронных вентильных каскадов при последовательном возбуждении двигателя (АВК ПВ). Ставится задача исследования.

Во второй главе приводятся методика расчета статических характеристик АВК ПВ, алгоритмы их расчета на ЭВМ. Анализируются результаты расчета применительно к двигателю МТР-012-6.

В третьей главе описывается лабораторная установка для экспериментального исследования системы АВК ПВ. Приводятся результаты экспериментального исследования статических режимов системы АВК ПВ и их анализ.

В четвертой главе проводится сравнительный анализ расчетных и экспериментальных характеристик системы АВК ПВ.

Автор приносит благодарность своим учителям: д-р. техн. наук профессору [М.Ь. Диперштейну| и канд. техн. наук доценту Е.И. Медведеву, а также заведующему кафедрой "Автоматизация технологических процессов и производств" Волгоградского государственного технического университета членкор. РАН М.Н. Бабушкину и всему коллективу кафедры за внимание и поддержку в работе над диссертацией.

Выводы к главе 4

Экспериментальные и расчетные зависимости /¡(/2) имеют хорошую сходимость в первой токовой зоне. Величина относительной погрешности не превышает 10% для случая равенства напряжения питания и номинального напряжения статора двигателя, и 14% - при напряжении питания большем номинального. Существенно большее расхождение наблюдается во второй (нерабочей) токовой зоне.

2. Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных механических характеристик показал, что в диапазоне скоростей 0-0,7соо эти характеристики практически совпадают. Их относительная погрешность не превышает 1,5-2%. В области скоростей близких к синхронной расхождение увеличивается до 3%.

3. Относительная погрешность расчетных и экспериментальных зависимостей М{12) не превышает 9-10%.

4. Относительная погрешность расчетных и экспериментальных зависимостей г|(п) при фиксированном моменте не превышает 3% в области повышенных токов ротора и 9% - в области малых токов ротора.

5. Относительная погрешность расчетных и экспериментальных зависимостей г|(М) при фиксированной скорости не превышает 5% в зоне малых скоростей (0-0,7шо) и существенно увеличивается в области скоростей близких к синхронной.

6. Проведенный анализ показывает, что предложенный алгоритм расчета статических характеристик электропривода по системе АВК ПВ адекватен имеющимся экспериментальным данным в первой токовой зоне и может быть предложен для расчета электропривода без проведения дополнительных экспериментальных исследований.

7. Проанализированы основные свойства электропривода по системе АВК ПВ такие как быстродействие, диапазон непрерывного регулирования скорости электропривода, максимально и минимально возможные скорости, возможность перехода плавного перехода системы из двигательного режима в режим торможения.

8. Предложен наиболее рациональный принцип построения системы автоматического регулирования.

9. Определены наиболее рациональные области применения электроприводов по системе АВК ПВ в промышленности.

Заключение

По результатам проведенного исследования могут быть сделаны следующие выводы:

1. Анализ литературных источников позволил установить, что одним из перспективных направлений современной теории и практики электроприводов для станочного оборудования и робототехники являются использование системы асинхронного вентильного каскада с последовательным возбуждением.

2. Использование принципа последовательного возбуждения применительно к асинхронному вентильному каскаду позволяет устранить ряд недостатков традиционной схемы асинхронного вентильного каскада, такие как низкий коэффициент мощности, малую перегрузочную способность, невысокий коэффициент мощности.

3. Предложена классификация способов возбуждения асинхронного двигателя в каскадной схеме, в соответствии с которой выделены:

- естественное возбуждение;

- независимое возбуждение;

- последовательное возбуждение;

- смешанное возбуждение.

4. Предложена методика расчета характеристик системы асинхронного вентильного каскада с последовательным возбуждением в статических режимах.

5. Предложен и программно реализован алгоритм расчета статических характеристик системы асинхронного вентильного каскада с последовательным возбуждением, позволяющий получить зависимости коэффициентов полезного действия от момента на валу двигателя при фиксированной скорости т\(М) и от скорости при фиксированном моменте ц(п), зависимости тока статора от тока ротора/1 (/2), механические и скоростные характеристики без проведения дополнительных экспериментальных исследований.

6. Проведен анализ работы электродвигателя в естественной схеме и работающего в системе асинхронного вентильного каскада с последовательным возбуждением.

7. Разработана методика и создан лабораторный стенд для исследования статических режимов электропривода по системе асинхронного вентильного каскада с последовательным возбуждением.

8. Найдены основные экспериментальные зависимости коэффициентов полезного действия от момента на валу двигателя при фиксированной скорости г|(М) и от скорости при фиксированном моменте ц(п), а также зависимости тока статора от тока ротора 1\{1-1), механические и скоростные характеристики.

9. Найдена математическая зависимость момента от тока ротора М(/2).

10. Разработана методика и лабораторный стенд с использованием микропроцессорной техники для экспериментального определения координат системы АВК ПВ в статических режимах.

11. Доказано, что разработанный алгоритм расчета статических характеристик системы АВК ПВ, позволяющий получить зависимости г\(М), г|(и), 1\{1г), М(п), со(/]), со(/2), адекватен имеющимся экспериментальным данным, что дало возможность разработать методику расчета автоматизированного электропривода по системе АВК ПВ, позволяющую без проведения экспериментальных исследований определить основные статические характеристики системы.

12. Определены наиболее рациональные области промышленного применения электропривода по системе АВК ПВ.

1. A.C. №1095338 (СССР). Способ управления асинхронным электродвигателем / Е.И. Медведев, В.И. Петренко, Ф.Ф. Фаркутдинов. Опубл. в Б.И. 1982, №20.

2. Автоматизированный электропривод / Под общ. ред. Н.Ф. Ильинского, М.Г. Юнъкова. М.: Энергоатомиздат, 1990. -544 с.

3. Алексеев Ю.В., Богославский А.П., Певзнер Е.М. и др. Крановое электрооборудование / Под ред. A.A. Рабиновича: Справочник. М.: Энергия, 1979. - 240 с.

4. Андреев В.П., Сабинин Ю.А. Основы электропривода. 2-е изд. - М.-Л: Госэнегроиз-дат, 1963. -772 с.

5. Андреев Г,И„ Босинзон М.А., Кондриков А.И. Электроприводы главного движения металлообрабатывающих станков с ЧПУ. М.: Машиностроение, 1980. - 152 с.

6. Асинхронно-вентильные нагружающие устройства / С.В. Хватов, В,Г. Титов, А,А. По-скробко, В.Ф, Цыпкайкин. -М.: Энергоатомиздат, 1986. 144 с.

7. Башарин A.B., Голубев Ф.Н., Кепперман В,Г. Примеры расчетов автоматизированного электропривода. JL, Энергия, 1971. - 440 с.

8. Башарин A.B., Новиков В,А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами: Учеб. пособие для вузов. JL: Энергоатом, (Ленинградское отд-ние), 1982. - 392 с.

9. Березин И.С,, Жидков Н.П. Методы вычислений: Т. 1,2. Наука, 1967.

10. Полупроводниковые выпрямители / Беркович Е.И., Ковалев В.Н., Ковалев Ф.И., и др.! Под ред. Ф.И. Ковалева и Г.П. Мостковой. 2-е, изд., перераб. М.: Энергия, 1978. -448с.

11. Борцов Ю.А., Соколовский Г.Г. Тиристорные системы электропривода с упругими связями. Л.: Энергия, Ленингр. отд-ние, 1979. - 160 е., ил.

12. Ботвинник М.М., Шакарян Ю.Г. Управляемая машина переменного тока. М.: Наука, 1969. - 143 с.

13. Бродовский В.К, Иванов Е.С. Приводы с частотно-токовым управлением. М.: Энергия, 1975.- 169 с.

14. Брускин Д.Э., Зорохович А.Е., Хвостов B.C. Электрические машины. М., 1987.

15. Булгаков A.A. Частотное управление асинхронными двигателями. М.: Энергоатомиздат, 1982.-216 с.

16. Булгаков A.A. Частотное управление асинхронными электродвигателями. М.: Наука, 1966.-297 с.

17. Бутаев Ф.И., Эттингер E.JI. Вентильный электропривод. M.-JI.: Госэнергоиздат, 1951. - 248 с.

18. Важное А.И. Электрические машины. JL, 1974.

19. ВольдекА.И. Электрические машины. Л., 1978.

20. Гутер P.C., Овчинскш Б,В. Элементы численного анализа и математической обработки результатов опыта. М.: Наука, 1970.

21. Диперштейн М.Б., Медведев Е.И., Исаев A.B., Выбор параметров двигателя в схеме АВК с последовательным возбуждением. // Автоматизация технологических процессов в машиностроении: Межвуз. сб. науч. тр. / ВолгГТУ, Волгоград, 1998. 196 с.

22. Диперштейн М.Б., Медведев Е.И., Смонделъ М. К вопросу построения высокомомент-ного асинхронного электропривода на базе АВК. // Автоматизация технологических процессов в машиностроении: Межвуз. сб. науч. тр. Часть 1 / ВолгГТУ, Волгоград, 1997. 136 с.

23. Домбовский В.В., Зачик В.М. Асинхронные машины: Теория, расчет, элементы проектирования. JI.: Энергоатомиздат. (Ленингр. отд-ние), 1990. - 368 с.

24. Епашников А., Епашников В. Программирование в среде Turbo Pascal 7.0. 3-е изд., стер. - M.: Диалог-МИФИ, 1996. - 288 с.

25. Иванов-Смоленский A.B. Электрические машины. М., 1980.

26. Исаев A.B. Экспериментальное исследование системы АВК ПВ. IV Межвузовская конференция студентов и молодых ученых Волгограда и Волгоградской области: Тезисы докладов / Волгоград, гос. техн. ун-т Волгоград, 1999. - 268 с.

27. Кацман Е.В. Электрические машины. М., 1983.

28. Ключев В.И. Теория электропривода: Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1985. -560 с.

29. Кононенко Е.В.,Сипайлов Г.А., Хорьков К.А. Электрические машины. М., 1980.

30. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин: Учеб. для вузов по спец. «Электрич. машины». -М.: Высш. шк., 1987. 248 с.

31. Копылов И.П. Электрические машины. М., 1986.

32. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). М: Наука, 1973 832 стр.

33. Костенко М.П., Пиотровский Л.M. Электрические машины. Ч. II. Л., 1973.

34. Кривицкий С.О., Эпштейн И.И. Динамика частотно-регулируемых электроприводов с автономными инверторами. -М.: Энергия, 1970. 150 с.

35. Кузнецов Ю.П., Вишнякова Т.Е., Рожкова Т.И. Состояние и основные направления развития электропривода переменного тока с фазным ротором. М.: Информэлектро, 1986. -37 с.

36. Кудинов В.А. Динамика станков. М.: Машиностроение. 359 с.

37. Лебедев A.M., Орлова Р. Т., Пальцев A.B. Следящие электроприводы станков с ЧПУ. М.: Энергоатомиздат, 1988. -223 с.

38. Лоладзе Т.Н., Миканаздзе A.K, Козлов A.A. Экспериментальные исследования процесса стружкообразования при вибрационном резании // Труды Международного семинара Высокие технологии в машиностроении. Алушта, Украина, 1994.

39. Масандилов Л.Б., Москаленко В.В. Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Энергия, 1978. 96 с. (Б-ка электромонтера, вып. 469).

40. Медведев Е.И. КПД асинхронного вентильного каскада при последовательном возбуждении двигателя. // Автоматизация технологических процессов в машиностроении: Межвуз. сб. науч. тр. /ВолгГТУ, Волгоград, 1995. 136 с.

41. Мерфи Дж. Тиристорное управление двигателями переменного тока / Пер. с англ. М.: Энергия, 1979. -256с.

42. Михайлов О.П. Динамика электромеханического привода металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1989. 224 с.

43. Михлин С.Г., Смолицкий Х.Л. Приближенные методы решения дифференциальных и интегральных уравнений. СМБ, Наука, 1965.

44. Онищенко Г.Б. Асинхронный вентильный каскад. М.: Энергия, 1967. - 153 с.

45. Онищенко Г.В., Тарасенко Л.М. Автоматическое управление рекуперативно-динамическим торможением в вентильном каскаде. Электричнская промышленность. Электропривод, 1971, вып. 6, С. 20-23.

46. Онищенко Г.В., Локтева И.Л. Асинхронные вентильные каскады и двигатели двойного питания. М.: Энергия, 1983. - 200 с.

47. Петров Г.Н. Электрические машины. 4.1 М.: Энергия, 1974. - 240 е.; ч.П, 1963. 416 с.; ч. Ш, 1968.-224 с.

48. Полупроводниковые выпрямители / Веркович Е.И„ Ковалев В.Н., Ковалев Ф.И. и др./ Под ред. Ф.И. Ковалева и Т.П. Мостковой. 2-е, изд., перераб. М.: Энергия, 1978. -448с.

49. Радин В.И., Вру скин Д.Э., Зорохович А.Е. Электрические машины, Асинхронные машины: Учеб. для электромех. спец. вузов / Под ред. И.П. Копылова. М.: Высш.шк., 1988. -328 с.57.