автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Ресурсосберегающие режимы работы тиристорных преобразователей электроприводов постоянного тока

Введение.

1 Анализ режимов работы энергетического канала тиристорного электропривода постоянного тока.

1.1 Представление энергетического канала тиристорного электропривода через составляющие его элементы.

1.2 Анализ потерь в элементах энергетического канала привода.

1.2.1 Потери в тиристорном преобразователе.

1.2.2 Потери в силовом трансформаторе тиристорного преобразователя.

1.2.3 Потери в исполнительном двигателе постоянного тока.

1.3 Влияние высших гармоник Ца/сйстояние электротехнического оборудования и сети питания.

1.4 Оценка пульсаций выпрямленного напряжения управляемого выпрямителя.

1.5 Способы ограничения высших гармоник в энергетическом канале привода и сети питания.

1.6 Особенности управления двигателем постоянного тока в повторно-кратковременных режимах.

Выводы по первой главе.

2 Разработка метода снижения гармонических составляющих напряжения тиристорного преобразователя электропривода и управление двигателем по минимуму потребления энергии.

2.1 Анализ коэффициентов энергетической эффективности тиристорного преобразователя при фазовом управлении.

2.2 Выбор способа регулирования входного напряжения тиристорного преобразователя.

2.3 Исследование дискретного регулирования входного напряжения тиристорного преобразователя.

2.4 Обобщенная модель энергетического канала тиристорного электропривода и поиск минимизируемого функционала.

2.5 Решение задачи оптимального по минимуму потребления энергии управления тиристорным электроприводом.

2.5.1 Формулировка задачи и пути обеспечения оптимального управления.

2.5.2 Реализация оптимального управления электродвигателем постоянного тока.

2.5.3 Определение условий оптимального управления при постоянном моменте сопротивления.

2.5.4 Определение условий оптимального управления электродвигателем с учетом локального ограничения на скорость вращения вала.

2.5.5 Анализ оптимальных диаграмм тока, скорости вращения, напряжения и суммарного потребления энергии.

2.6 Пути снижения энергозатратных составляющих движения повторно-кратковременного режима работы тиристорного электропривода.

Выводы по второй главе.

3 Разработка и исследование устройств управления и элементов энергетического канала тиристорного электропривода.

3.1 Разработка устройства амплитудно-фазового управления тиристорного преобразователя с учетом коэффициента нагрузки.

3.2 Совместное использование амплитудно-фазового метода с принципами оптимального управления тиристорным электроприводом.

3.3 Разработка принципа регулирования индуктивности сглаживающего дросселя.

3.4 Формирование и исследование математической модели сглаживающего дросселя.

3.5 Разработка и реализация схемы тиристорного электропривода с микропроцессорным управлением.

3.6 Исследование диапазона изменения регулируемой индуктивности сглаживающего дросселя.

Выводы по третьей главе.

4 Экспериментальные исследования устройств управления и элементов энергетического канала тиристорного электропривода с минимальным потреблением энергии.

4.1 Исследование влияния изменяемых параметров элементов энергетического канала тиристорного электропривода на динамические характеристики.

4.1.1 Расчет коэффициентов усиления электромеханической системы.

4.1.2 Динамический расчет системы ТП - ДПТ.

4.1.3 Анализ работы динамической системы ТП-ДПТ при изменении индуктивности в якорной цепи и нагрузки на валу электродвигателя.

4.2 Реализация цифрового блока управления тиристорным преобразователем электропривода.

4.3 Количественные и качественные показатели целесообразности применения амплитудно-фазового метода формирования выходного напряжения тиристорного преобразователя.

4.4 Описание программы спектрального анализа.

4.5 Исследование гармонических составляющих тока при использовании амплитудно-фазового метода и регулируемой индуктивности.

Выводы по четвертой главе.

Автоматизированный тиристорный электропривод (ТЭП) является основным средством управляемого преобразования электрической энергии в механическую, имеет хорошие технико-экономические показатели и соответствует современным требованиям технологических процессов. ТЭП постоянного тока, составляющий 80-85% всех используемых в промышленности регулируемых электроприводов, широко применяется в машиностроении, различных механизмах и машинах основного и вспомогательного оборудования автоматизированного производства, в том числе, и робототехнических системах и комплексах.

Однако использование ТЭП постоянного тока сопряжено с некоторыми негативными факторами, среди которых: повышенные пульсации тока якоря и низкий КПД двигателя постоянного тока (ДПТ) при работе в зоне прерывистых токов. Тиристорные преобразователи (ТП) по своим энергетическим свойствам имеют ряд особенностей, главной из которых является генерация высших гармонических составляющих тока и напряжения, что обусловливает ухудшение качества напряжения в питающих электрических сетях и энергетическом канале ТЭП /1-3/, сопровождаемое возникновением дополнительных потерь в силовых элементах энергетического канала, преждевременным износом и старением изоляции, сокращением срока службы электрооборудования электротехнических установок и комплексов, снижением надежности функционирования средств автоматики и т.д.

Вообще проблема высших гармоник в электрических сетях является наиболее важной частью проблемы электромагнитной совместимости электрооборудования. Ее значение стало возрастать в последние десятилетия в связи с бурным развитием новых технологий, приведших, с одной стороны, к широкому внедрению мощных электрических нагрузок и силового электрооборудования на тиристорно-транзисторной основе, ухудшающих качество электроэнергии в электрических сетях /4-6/, а с другой - к интенсивному росту доли электрических нагрузок, чувствительных к качеству питающего напряжения. К ним прежде всего относятся: компьютеры, оргтехника, средства связи, медицинское и измерительное оборудование, бытовые электроприборы и электрооборудование, а также многие другие виды электрических нагрузок, для которых ухудшение качества питающего напряжения является критичным. Это повлекло за собой введение в ряде стран стандартов (стандарты IEEE-519, МЭК 555, ГОСТ 13109), предъявляющих особые требования к качеству напряжения сети и электропотребления. Так, например, с 1994 года на общеевропейский рынок допускается только продукция, имеющая сертификацию в соответствии с нормами 1909000.

В настоящее время особое значение приобретает поиск путей и методов рационального распределения и преобразования электрической энергии, разработки и внедрения ресурсосберегающих режимов работы технологического оборудования различного назначения, в том числе и с применением ТЭП, что соответствует основным направлениям Указа президента РФ от 11 сентября 1997г. №1010 «О государственном надзоре за эффективным использованием энергетических ресурсов в Российской Федерации», а также постановления правительства РФ от 2 ноября 1995г. №1087 «О неотложных мерах по энергосбережению». При разработке ТЭП необходимо предусматривать возможность управления ДПТ с пониженными значениями активных тепловых потерь в якоре, а также дополнительных, обусловленных пульсациями тока якоря (наличием высших гармонических составляющих). Особое внимание следует уделить вопросу минимизации потерь в позиционном следящем ТЭП с раздельным управлением, работающем в повторно-кратковременном режиме (пуск, реверс, торможение), при котором тепловые и дополнительные потери при пониженных скоростях работы исполнительного механизма становятся сопоставимыми с полезной (механической) мощностью при изменении угла управления ОС в диапазоне 70-90 эл. град.

Известно, что производительность промышленных технологических установок, их экономические показатели и качество выпускаемой продукции напрямую зависят от технического уровня используемого электропривода и оптимальности управления им. Поэтому поиск новых схемотехнических решений ТП для ТЭП, обеспечивающих преобразование электрической энергии в механическую с пониженными коэффициентом пульсаций выпрямленного тока двигателя и амплитудами гармонических составляющих тока (напряжения) в сочетании с методами оптимального по минимуму потребления энергии управления, является задачей сложной и актуальной в проектировании современных тири-сторных электроприводов постоянного тока.

Основная научная цель диссертации заключается в теоретическом обосновании возможности управления ТЭП постоянного тока с пониженным потреблением энергии и содержанием гармонических составляющих как в сети питания, так и в энергетическом канале привода.

Основная практическая цель заключается в обеспечении ресурсосберегающих режимов работы ТЭП при улучшенной электромагнитной совместимости оборудования технологических машин и комплексов путем создания и применения амплитудно-фазового метода формирования выходного напряжения ТП в совокупности с оптимальным управлением электродвигателем по минимуму потребления энергии. Основные задачи диссертационной работы:

- произвести исследование потерь в силовых элементах энергетического канала ТЭП постоянного тока с учетом гармонических составляющих тока нагрузки и дать оценку пульсаций выпрямленного напряжения управляемого ТП при изменении угла управления а во всем диапазоне регулирования;

- обосновать возможность функционирования ТЭП с повышенными коэффициентами энергетической эффективности использования электрической энергии (не менее 0.95);

- разработать и предложить метод формирования выходного напряжения ТП, обеспечивающий функционирование ТЭП с пониженным (в 1.5-2 раза) коэффициентом пульсаций тока нагрузки;

- разработать алгоритм функционирования аппаратно-программной части системы управления ТЭП, реализующий предлагаемый метод формирования совместно с оптимальным управлением электродвигателем по критерию минимума потребления энергии;

- разработать способ эффективного использования сердечника сглаживающего дросселя в цепи якоря двигателя постоянного тока (ДПТ) и определить диапазоны изменения регулируемой индуктивности, необходимые для обеспечения заданного значения коэффициента пульсаций тока при работе ТП в зоне прерывистых токов.

В первой главе приведен анализ потерь в силовых элементах энергетического канала ТЭП. Рассмотрены влияние высших гармонических составляющих на состояние электротехнического оборудования и сети питания и способы его снижения, а также особенности управления двигателем постоянного тока в повторно-кратковременных режимах. Сделана оценка пульсаций выпрямленного напряжения управляемого выпрямителя и рассмотрено влияние их на режим работы приводной системы.

Вторая глава посвящена теоретическому обоснованию возможности управления ТЭП с повышенными коэффициентами энергетической эффективности использования электрической энергии (не менее 0.95), с минимальными потерями и с пониженным содержанием гармонических составляющих в сети питания и энергетическом канале привода, а также решению задачи оптимального управления двигателем по критерию минимума потребляемой энергии.

В третьей главе разработан метод формирования выходного напряжения ТП с пониженным коэффициентом пульсаций, предложен алгоритм функционирования аппаратно-программной части системы управления в совокупности с методами оптимального управления, определены схемотехнические решения цифрового блока управления переключающим устройством силового трансформатора и сглаживающего дросселя с регулируемым уровнем перемагничивания при прерывистых токах с учетом использования кинетической энергии приводной системы для дозированной зарядки и разрядки емкостного накопителя. Также определен диапазон изменения регулируемой индуктивности, обеспечивающий поддержание значения коэффициента пульсаций на требуемом уровне.

В четвертой главе описана методика и приведены результаты экспериментальных исследований работы устройства управления, решена задача инструментальной проверки уменьшения дополнительных потерь в элементах энергетического канала тиристорного электропривода. Проведены исследования влияния изменяемых значений индуктивности сглаживающего дросселя, нагрузки на валу электродвигателя на устойчивость и качество переходных процессов системы. Рассматриваются количественные и качественные показатели целесообразности применения амплитудно-фазового метода формирования выходного напряжения ТП.

Работа выполнена на кафедре "Робототехника и мехатроника" Донского государственного технического университета в рамках международной программы (ШР - Россия - США) по теме НИР "Разработка основ системы интегрированного планирования энергетических ресурсов с целью проведения активной энергосберегающей политики в Ростовской области", 1998 г. Основные результаты работы апробированы на Таганрогском металлургическом заводе и в экспериментальном лабораторном стенде на кафедре "Робототехника и Мехатроника" ДГТУ.

5 Общие выводы по работе

Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволяют сделать следующие выводы.

• Предложены теоретическое обоснование возможности управления ТЭП постоянного тока с повышенными (не менее 0.95) коэффициентами энергетической эффективности использования электрической энергии и амплитудно-фазовый метод формирования выходного напряжения ТП, обеспечивающий пониженный (в 1.5-2 раза) коэффициент пульсаций тока ДПТ и улучшенную электромагнитную совместимость электротехнического оборудования при широком регулировании угла управления а.

• Получены аналитические выражения для реализации оптимальных по минимуму потребления энергии диаграмм изменения угла управления ТП (при совместном использовании амплитудно-фазового метода), скорости вращения, тока якоря ДПТ, выходного напряжения ТП и суммарного потребления энергии при на-гружении электропривода моментом сопротивления, линейно зависящем от скорости вращения, и моментом, имеющем постоянное значение.

• Предложен алгоритм функционирования аппаратно-программной части системы управления ТЭП, реализующий амплитудно-фазовый метод совместно с оптимальным управлением ДПТ по минимуму потребления электрической энергии.

• Определены схемотехнические решения цифрового блока управления и переключающего устройства силового трансформатора, обеспечивающие формирование выходного напряжения ТП посредством амплитудно-фазового метода, и сглаживающего дросселя (при уменьшении массы его сердечника на 30-35%) с регулируемым уровнем перемагничивания при прерывистых токах ТП с учетом использования кинетической энергии вращающихся (перемещающихся) звеньев исполнительных механизмов (устройств) для дозированной зарядки и разрядки емкостного накопителя.

• Определены необходимые диапазоны изменения индуктивности сглаживающего дросселя, обеспечивающие поддержание коэффициента пульсаций на заданном уровне в случае работы привода в зоне II диапазона изменения угла управления при амплитудно-фазовом методе формирования выходного напряжения ТП.

• Решена задача программного регулирования индуктивности в якорной цепи реверсируемого двигателя в зависимости от угла управления тиристорами для повторно-кратковременного режима работы электротехнической установки без изменения параметров оптимизированного контура тока и нарушения устойчивости функционирования ТЭП.

• Применение амплитудно-фазового метода позволяет снизить дополнительные потери в обмотке якоря ДПТ, вызванные пульсацией тока, на 39.5-41% и уменьшить общее потребление энергии на 8-12%) при том же цикле работы.

178

1. Гельман М.В. Об оценке влияния вентильных преобразователей на качество электроэнергии питающей сети. - Электричество, 1982, №5.

2. Зыкин Ф.А. Энергетические процессы в системах электроснабжения с нагрузками, ухудшающими качество электроэнергии. -Электричество, 1987, №12.

3. Дрехслер Р. Измерение и оценка качества электроэнергии при несимметричной и нелинейной нагрузке. М.: Энергоатомиздат, 1985.

4. Электромагнитная совместимость электроприводов с питающей сетью Triol, 2000.

5. Андронов В. и др. Необслуживаемый микропроцессорный комплекс контроля качества электроэнергии «Инспектор К» СТА Современные технологии автоматизации, 2000, №2.

6. Солодухо Я.Ю. и др. Улучшение электромагнитной совместимости тиристорных электроприводов и электроснабжающих сетей. -Электричество, 1976, №5.

7. Ильинский Н.Ф., Горнов А.О. Критерии эффективности процесса преобразования энергии. Электричество, 1987, №10.

8. Энергосберегающая технология электроснабжения народного хозяйства: В 5 кн.: Практ. пособие / Под ред. В.А. Веникова. Кн. 2. Энергосбережение в электроприводе / Н.Ф. Ильинский, Ю.В. Ро-жанковский, А.О. Горнов. М.: Высш. шк., 1989.

9. Герлах В. Тиристоры / Пер. с нем. Ю.А. Евсеева. М.: Энергоатомиздат, 1985.

10. Диоды и тиристоры в преобразовательных установках / М.И. Абрамович и др. М.: Энергоатомиздат, 1992.

11. Полупроводниковые выпрямители / Беркович Е.И., Ковалев В.Н., Ковалев Ф.И. и др.; Под ред. Ф.И. Ковалева и Г.П. Мостко-вой, М.: Энергия, 1978.

12. Гельман М.В., Лохов С.П. Тиристорные регуляторы переменного напряжения. М.: Энергия, 1975.

13. Преображенский В.И. Полупроводниковые выпрямители. М.: Энергоатомиздат, 1986.

14. Трансформаторы: Переводы докладов Международной конференции по большим электрическим системам (СИГРЭ-86) / Под ред. С.Д. Лизунова. М.: Энергоатомиздат, 1988.

15. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов: Учеб.пособие для вузов. 5-е изд., перераб. и доп. - М,: Энергоатомиздат, 1986.

16. Фишлер Я.Л. и др. Трансформаторное оборудование для преобразовательных установок. -М.: Энергоатомиздат, 1989.

17. Мазель К.Б. Трансформаторы электропитания. М.: Энергоатомиздат, 1982.

18. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промышленных предприятий. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1984.

19. Хвостов B.C. Электрические машины: Машины постоянного тока: Учеб. для студ. электром. спец. вузов / Под ред. И.П.Копылова. М.: Высш. шк., 1988.

20. Токарев Б.Ф. Электрические машины. — М.: Высш. шк., 1990.

21. Полковников В.А. и др. Электропривод летательных аппаратов / Под общ. ред. В.А.Полковникова М.: Машиностроение, 1990.

22. Анхимюк В.Л., Ильин О.П. Проектирование систем автоматизированного управления электроприводами. Мн.: Высш. шк., 1971.

23. Анхимюк В.Л., Опейко О.Ф. Проектирование систем автоматизированного управления электроприводами. Мн.: Высш. шк., 1986.

24. Автоматизированный электропривод, силовые полупроводниковые приборы, преобразовательная техника (Актуальные проблемы и задачи) / Под общей ред. Н.Ф. Ильинского и др. М.: Энергоатомиздат, 1983.

25. Дж. Аррилага, Д. Брэдли, П. Боджер. Гармоники в электрических ситемах: Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1990.

26. Проблемы энергосбережения в проектировании и эксплуатации новых видов электроприводов: тезисы докладов научно-технического семинара, общество "Знание", Ред. коллегия: Н.Ф. Ильинский, М., 1986.

27. Булгаков A.A. Новая теория управляемых выпрямителей. Изд-во "Наука", 1970.

28. Энергетическая электроника. Справочное пособие / Под ред. Р. Лаппе: Пер. с нем. М.: Энергоатомиздат, 1987.

29. Применение гибридных фильтров для улучшения качества электроэнергии.- Электричество, 1995,№ 10.

30. Жежеленко И.В. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Энергоатомиздат, 1986.

31. Зусман В.Г. и др. Некоторые вопросы оптимизации электропривода позиционных механизмов металлорежущих станков. Электричество, 1968, №9.

32. Егоров В.Ф. Электромеханические системы циклического на-гружения. Челябинск "Металлургия", 1991.

33. Ильинский Н.Ф. Электроприводы постоянного тока с управляемым моментом. М.: Энергоиздат, 1981.

34. Петров И.И., Мейстель A.M. Плавность разгона и торможения электропривода с асинхронным короткозамкнутым двигателем. Сб. "Автоматизированный электропривод производственных механизмов", т. 1 М.: Энергия, 1965.

35. Скаржепа В.А., Шелехов К.В. Цифровое управление тиристор-ными преобразователями. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд., 1984.

36. Маевский O.A. Энергетические показатели вентильных преобразователей. М.: Энергия, 1978.

37. Краснопрошина A.A. и др. Электроника и микросхемотехника. 4.2. Электронные устройства промышленной автоматики. К.: Высш. шк., 1989.

38. Окунь С.С. и др. Трансформаторные и трансформаторно-тиристорные регуляторы напряжения. М.: Энергия, 1970.

39. Тонкаль В.Е. Синтез автономных инверторов модуляционного типа. Киев: Наукова думка, 1979.

40. Смирнова В.И., Разинцев В.И. Проектирование и расчет автоматизированных приводов: Учебник для сред. спец. учеб. заведений. М.: Машиностроение, 1990.

41. Петров Ю.П. Вариационные методы теории оптимального управления. М.: Энергия, 1965.

42. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория САР. М.: Наука, 1975.

43. Каялов Г.М., Ладыженский A.M. Обобщенное исследование оптимального управления электроприводами постоянного тока. -Электричество, 1969, №11.

44. Петров Ю.П. Оптимальное управление электрическим приводом с учетом ограничений по нагреву. Л.: Энергия, 1971.

45. Кацевич В.Л., Никольский A.A., Чулин В.И. Оптимальное по критерию минимума потерь управление электроприводами постоянного тока. Электричество, 1981, №8.

46. Олейников В.А. и др. Основы оптимального и экстремального управления. М.: Высшая школа, 1969.

47. Эльсгольц Л.Э. Дифференциальные уравнения и вариационное исчисление. М.: Наука, 1965.

48. Болтянский В.Г. Математические методы оптимального управления. М.: Наука, 1968.

49. Энергосбережение в электроприводе: Межвуз. темат. сб. / Ред. кол.: Н.Ф. Ильинский, 1985.

50. Гернет М.М., Ратобыльский В.Ф. Определение моментов инерции,- М.: Машиностроение, 1969.

51. Левитский Н.И. Теория механизмов и машин. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1990.

52. Алексеева H.H. и др. Тиристорные регулируемые электроприводы постоянного тока. М.: Энергия, 1970.

53. Шипилло В.Л. Автоматизированный вентильный электропривод. М.: Энергия, 1969.

54. Егоров В.Н. др. Цифровое моделирование систем электропривода. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд., 1986.

55. Гольдштейн Е.И. и др. Модели нелинейной индуктивности для машинного анализа силовых электронных устройств. Электронное моделирование, 1989, т.11, №1.

56. Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Ю.В.Корицкого. В 3-х т. Т.З - Изд. 2-е, перераб. - Л.: Энергия, 1976.

57. Губанов В.В. Стабилизированные полупроводниковые преобразователи в системе с нелинейными резонансными устройствами. -Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985.

58. Кифер И.И. Испытания ферромагнитных материалов. М.: Энергия, 1969.

59. Бландова Е.С. К расчету дросселя ключевого стабилизатора. -Электронная техника. Радиодетали и радиокомпоненты, 1977, вып.6/25.

60. Башарин А.В, Голубев Ф.Н, Кеппермам В.Г. Примеры расчета автоматизированного привода. Л.: Энергия, 1972.

61. Алексенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника. М.: Радио и связь, 1982.

62. Сидоров И.Н. и др. Индуктивные элементы радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / И.Н. Сидоров, М.Ф. Бинкатов, Л.Г. Шведова. М: Радио и связь, 1992.