автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Совершенствование методов и средств исследования динамических процессов в электроприводах с асинхронными двигателями

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

Московский государственный горный университет

ТВ ОД

п На правах рукописи

!! 0;П

САФА ДЖАФАР АЛИ АЛ-ХАМДАНИ

УДК 622.002.5:62-8

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕКТРОПРИВОДАХ С АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Специальность 05.09.03 — «Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1994

Работа выполнена в Московском государственном горном университете.

Засл. деят. науки и техники Российской Федерации, докт. техн. наук, проф. ЩУЦКИЙ В. И.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. ИВАНЧЕНКО Г. Е., канд. техн. наук, доц. ЕРШОВ М. С.

-Ведущее предприятие — Институт горного дела им. А. А. Скочинского.

в ас. на заседании специализированного совета

К-053Л2.03 в Московском государственном горном университете по адресу: 117935, ГСП-1, Москва, В-49, Ленинский проспект, 6:

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « . » 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета

канд. техн. наук, проф. ШЕШКО Е. Е.

Научный руководитель

Защита диссертации состоится

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работа. Задача развития горной промышленности стоит не только перед промыиленно развитыми странами, но и является первой необходимостью для решения острых социальна* и экономических проблем развивапцихся стран. Государственным планом Ирака поставлена задача повышения производительности труда в промышленности. Решение этой задачи возможно лишь па базе создания и внедрения в производство новой высокопроизводительной техники, передовой технологии, автоматизации производственных процессов.

Увеличение производительности технологических комплексов Ь асинхронным электроприводом монет достигаться различными путями: увеличением единичной мощности приводных электродвигателей, применением двух- и многодвигательных электроприводов, а также повышением эффективности использования машин путем рационализации режимов их работы.

Применение для привода горных машин все более мощных электродвигателей приводит к возрастанию влияния электромагнитных переходных процессов в них на формирование механических и электрических нагрузок в электроприводе. В переходных регшмах в обмотках электродвигателей протекают значительные токи и возникают электромагнитные моменты, превышающие в несколько раз не только номинальные, но и критические уровни, в результате чего в трансмиссиях машин возникают жесткие удары, спикащие надежность и безаварийность их работа.

В связи с этим возникает необходимость в пошпении точности расчетов динамических ретгав и разработке технических средств, направленных на ограничение неблагоприятного воздействия переходных процессов в электродвигателе на функционирование асинхронного электропривода и оборудования.

Существувдие в настоящее время методики расчетов динамических процессоз в асинхронных электроприводах, учитывающие специфику элек трической сети, асинхронных электродвигателей, динамику механизмов и нагрузок горных мааган, нуждаются также в дальнейшем совершенство вании.

Таким образом, совершенствование методов и технических средств исследования динамических процессов в электроприводах с асинхронными двигателями (АД) является актуальней ааучной задачей.

Целью работа является установление закономерностей формировании переходных режимов АД для совершенствования методов и средств игу

ледования динамических процессов в электроприводах с асинхронными двигателями, что обеспечивает повышение эффективности функционирования электромеханических систем и комплексов предприятий..

Идея работы заключается в том, что переходные процессы в АД могут быть описаны математической моделью, в которой учитываются зависимости параметров двигателя от скольжения.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и новизна.

1. Математическая модель для исследования переходных процессов в АД, отличавдаяся тем, что учитывает зависимости параметров двигателя от скольжения.

2. Зависимости составляющих корней характеристического уравнения От скольжения и сопротивления,замыкающего статорную цепь в ре-кике выбега одного или двух параллельно включенных АД, позЕолящие оценить характер переходных процессов.

3. Метод расчета моментов времени синфазности и противофазности э.д.с., генерируемой АД после отключения его от сети, по отношению к напряжению сети .

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются использованием апробированных положений теории электромагнитных переходных процессов, математического моделирования, планирования факторных экспериментов; удовлетворительной сходимостью результатов вычислений по математическим моделям и экспериментальных исследований ( расхоздение ¿15% при .доверительной вероятности 0,9 ).

Значение работк. Научное значение заключается в разработке математической модели для исследования переходных процессов в АД; установлении зависимости корней характеристического уравнения от скольаения в системе из двух параллельно включенных двигателей; разработке метода расчета моментов времени синфазности и противофазности э.д.с., генерируемой АД после отключения его от сети, по отношению к напряжению сети.

Практическое значение заключается в разработке методик математического моделирования для исследования, динамических, процессов в АД,технических средств для ограничения ударных токов и динамических моментов в системах асинхронного электропривода.

Результаты исследования переходных режимов в АД, используемых в электромеханических системах и комплексах, и разработанные технические средства для ограничения ударных токов в сетях и динамических моментов АД рекомендуются к внедрению в электроустановках про-

мышленных предприятий Ирака.

Апробация работа. Основные положения и результаты диссертации докладывались на Международной межвузовской научно-практической конференции " Совершенствование конструкции, технологии изготовления и эксплуатации горного оборудования и средств автоматизации " (Москва, 1992 ), на научно-практическом семинаре " Проблема повышения надеж-кнссти, уровня безаварийности эксплуатации электротехнических и электромеханических систем, комплексов и оборудования горных и промышленных предприятий " (Москва, 1993).

Публикации. По теме диссертации опубликовано три печатных работа.

Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 193 страниц состоит из введения,пяти глав и заключения, содержит 50 рисунков, 2 таблицы, список литературы из наименований и приложения.

Автор Еыражает глубокую благодарность доц.к.т.н. Фащленко В.Н. за консультации и помощь при подготовке диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Установление закономерностей формирования динамических процессов в переходных режимах АД и ограничение отрицательных воздействий ударных токов и моментов на работу асинхронного электропривода является комплексной проблемой, решение которой заключается в получении характеристик особенностей формирования процессов в асинхронных электроприводах с учетом параметров и режимов работы оборудования.

В теорию электромагнитных переходных процессов в АД и разработку методик составления и исследования систем дифференциальных уравнений для машин переменного тока внесли свой вклад многие российские и зарубежные специалисты. Среда них необходимо отметать работы Г.К.Жерве, А.В.Иванова-Смоленского, Н.Ф.Ильинского, Л.Б.Масадилова, Л.П.Петрова, Ы.М.Соколова, И. ¿.Сыромятникова, К.Гванда, К.Ковача, Б.Лайона, И.Раца, С.Салона и др.

В работах В.А.Шубенко рассмотрена вопросы влияния электромагнитных переходных процессов на принципы построения схем автоматизированного электропривода. Работы Ю. М. Гринберга, Г. М. Лебедева, И.П.ЛарионоЕой и др. посвящены математическому моделированию электромагнитного переходного процесса в обмотке АД для оперативного диагностирования технического состояния электрических машин. В работах К.Гванда, С.Салона рассмотрен метод моделирования данамичес-

ких режимов раооты АД на основе совместного анализа дифференциальных уравнений электромагнитного поля, электрических цепей и уравнения движения АД .

Значительно большую сложность представляют электромагнитные переходные процессы в системах двух и более электродвигателей, подключаемых к одному источнику напряжения. Тем не менее, широкое распространение двухдвигательного электропривода для многих горных машин и сложные режимы работы их в условиях эксплуатации обусловливают настоятельную необходимость проведения достаточно полных исследований по изучению влияния электромагнитных переходных процессов на динамику как рабочей машины, так и самого электродвигателя.

При рассмотрении переходных процессов в АД используются следующие допущения:

- напряжение сети, питающей электродвигатель, является симметричным и синусоидальным, а источник напряжения - несоизмеримо большей мощности по сравнению с мощностью электродвигателя;

, - обмотки фаз электродвигателя принимаются симметричными, т.е. обладают одинаковыми электрическими параметрами;

- взаимные индуктивности между обмотками статора и ротора изменяются по закону косинуса пространственного угла мевду геометрическими осями обмоток, что эквивалентно принятию синусоидального распределения потока, создаваемого токами статора и ротора, в воздушном зазоре и пренебрежению влиянием высших- гармонических;

- собственные емкости обмоток, а также потери от гистерези- ■ са и вихревых токов в расчете не учитываются.

Таким образом, к рассмотрению принимается "идеальная машина".

При моделировании ДД их параметры, как, правило, считаются постоянными. Однако для короткозамкнутых электродвигателей с улучшенными- пусковыми характеристиками (например, для двигателей конвейеров ¡такие модели не могут дать удовлетворительных результатов. Поэтому при моделировании возникает необходимость учета зависимостей параметров электродвигателя от скольжения.

Используя математическую связь мевду потокосцеплешями, ин-дуктивностями и токами в оомотках, после преобразования трехфазной асинхронной машины к эквивалентной двухфазной в системе координат х.у.о, вращавшийся в пространстве с синхронной скоростью

, исходная система уравнений может бить представлена в виде:

№ = (/„ + Л*',+ Уи 5

^ = +<&<*', № +¿4, Л ;

>

(П

Мс

а=(м - "<>>

где и - потокосцвплэния статора по осям X, и (/, ; тскосцеплэния ротора по осям ^ и ; 11т- амплитуда напряжения обмотки фазы статора; <Г - начальная фазэ напряжения оСмотки фазы статора; а)0 - круговая частота сети в электрических радианах в секунду; -активное сопротивление статора; /, - индуктивное сопротивление рассеяния статора; 21 - приведенное активное сопротивление ротора; Хг -приведенное индуктивное сопротивление рассеяния ротора; х0 - индуктивное сопротивление взаимоиндукции; Л0+ Х1 - индуктивное сопротивление обмотки статора при разомкнутой обмотке ротора; ^ - индуктивное сопротивление обмотки ротора при разомкнутой обмотке статора; К^ ~ коэффициент связи статора; К^-^оАг - коэффициент связи ротора; <Г - коэффициент рассеяния двигателя; с( 'ч - ??Дхг- коэффициент затухания ротора при закороченном статоре; й^ коэффициент затухания статора при закороченном роторе; р - число пар полюсов электродвигателя;/ - момент инерции привода; М - электромагнитный момент АД; Ме - статический момент нагрузки.

Для учета зависимости параметров АД от скольжения систему дифференциальных уравнений (1) необходимо привести к. следующему виду:

их - и, ?! +и)„ч'„ ;

¿Фу/ ~ Оу - г, +и)оЧ>х1; = - ОмЬг-и 4>и +а№<

¿X, = а, V», +¿,1 П/ - аг ¥хе -¿^Гхг ; ¿V/ - а, +-$! 5 Уш - а^к - ¿15 ^ ;

п = п„ (<-$) •

>

(2)

В этой системе уравнений нелинейные зависимости коэффициентов щ- LÛod^ и tis от скольжения .заменяются линейной зависимостью вида й+Ss . Значения коэффициентов <2 и 8 выбираются, исходя из начального и конечного- значений аппроксимируемой функции в выбранном диапазоне сколыгения. Диапазон скольжения, в котором кривые ^ ( s ( S (S ) и4d£MS) заменяются прямыми, определяется полным диапазоном изменения скольжения в исследуемом режиме и характером кривых. Так, для режимов пуска и торможения кривые ^ ( S ) и ^^ ( S ) заменяются прямыми в диапазоне скольжения от I до О { ; к ), а кри-

I ,/ \ il ь> ^ О Aj £ а

вые«4<дг (S) заменяются ломаными:

u>o^'i - Ùi ■+■ S3 S ; ] • u)0<k\ = ûv + S, s ; J "Ри <y/S>'S° '

LОв*г= a'i+SU \ )

= f 4,11 "<Sa

Для математического моделирования переходных процессов в асинхронных электродвигателях с учетом зависимости их параметров от скольхения разработаны соответствуйте алгоритммы и программы.

Программа решения системы дифференциальных уравнений методом Рунге-Кутта-Мерсона реализована на алгоритмическом языке Turbo -Basic и ориентирована для ЭВМ.

Модель АД, в которой учитываются зависимости параметров от скольхения, отражает реальные физические процессы, протекащиег в двигателе как в статическом, так и в динамическом рекшах. Такая модель может быть использована для исследования АД с самыми различными характеристиками при пуске их вхолостую и под нагрузкой, при повторном включении с не затухшим полем, при реверсе и торможении.

Процесс затухания остаточного поля в АД при замыкании статор-ной обмотки электродвигателя активным сопротивлением 2К в режиме выбега описывается системой уравнений в комплексной форме

Осуществив переход по Карсону к операторной форме,- получаем характеристическое уравнение системы:

ре + ри>а) <*№а (4)

Данное уравнение в общем случае имеет два комплексных корня р,и р£ .

На рисЛ показаны графики изменения действительных и мнимых частей: корней характеристического уравнения для двигателя 1/М-45 (производство - Бельгия) в зависимости от скольжения для постоянных параметров, взятых при 3 =1 (штриховая линия), 3 =0 (штрих. --пунктирная линия) и с учетом зависимости параметров от скольжения (сплошная линия) при =0 .

При рассмотрении графиков зависимостей корней характеристического уравнения от скольжения можно выделить две области, особенно резко отличающиеся от графиков, полученных при Б =0 . •

При некотором значении скольжения 3 происходит резкое увеличение одного из коэффициентов затухания ( ) и уменьшение другого {<*(). Границей этой облзсти можно считать значение скольжения, когда мнимая часть второго корня достигает минимального значения. На основе анализа корней получено выражение для расчета критического скольжения переходного процесса:

&КР = \ ¡/-у* -а/3 } (5)

гда ^ = - + с/& ; р = (¡¿-а1)/д ; й = - К ((зч) \

Зависимости критического скольжения от сопротивления I х показали (рис.2), что при пуске с введением сопротивления в цепь статора увеличивается продолжительность колебательной частя процесса.

При анализе корней получено такав выражение для критического сопротивления _

г*р = ¡^г)1^и)г -л'г<7-(7)-г,]. (6)

В работе получены зависимости критического сопротивления от скольжения, определяющие величину предельного сопротивления коротко го замыкания обмотки статора, при котором достигается наиАольиий эффект торможения. При 2К< ?крпереходный процесс носит премуществчнш колебательный характер, а при?,.??Г(Рв переходном процессе преобладают апериодические составляющие.

Б работе предложен метод расчета моментов синфззности и претит1') фазности э.д.с., генерируемой электродвигателем при выбеге, гг' •

»» {Г

V 4«

ЦТ

м

V

а1

* А V/ V •

/у /и

1 ш // —у

/ г

4 Л / г ¿г"

1Ау

з

о аг с,ч цв <р

Рис.1. Зависимости составляюцих корнай характеристического уравнения от скольжения

5'

ч»

V

V

Ч5

45 Ч* «Р

V

\

Чч Г/М-«

ч\> V к

Л 3^1-7*

V

>

«к

41 цб г.о

Рис.2. Зависимости 5крОТ?к (-----при 5 -О)(-при $ =1)

аению к напряжения питающей сети по формуле

+ - V + М К7ГП а-ЬоУ — _

" 2 к (<-$,) ' (7)

где о?.- - начальное значение скольжения остаточного ноля;

Л =1,2,3,... - порядковый номер характерного момента Бремени • ( четные значения И соответствуют моментзм, когда напряжение сети синфазно с напряжением на ззжкмах статора; нечетные значения Я соответствуют моментам протиЕофазности ).

В диссертации разработана номограмма для решения этого уравнения. Чтобы получить, например, значения момента времени для третьей особой точки выбега ( вторая противофазность или отставание вектора остаточного поля на угол 307 ) при начальной частоте генерируемой ЛД ■ э.д.с. 49,5 Гц ( Ьо - 0,01 ) и механической постоянной времени Т„„ =60 с, достаточно на номограмме соединить прямой линией соответствующие отметки на шкалах $а и п , после чего в поле криволинейной координатной системы,Т„е, для соответствующего Г„„ найти значение 1п . К примеру, для Тмм =60 с по номограмме =1,1 с .

Номограмма позволяет решать и обратную задачу: определить по значениям , а и механическую постоянную времени привода

Т мех

Определение параметров процесса затухания поля производится по значениям коэффициента пропорциональности К уменьшения частоты вращения и механической постоянной времени Тпех= :

К = Гч--1- (и) -Жл. )1 -

у- = _¿л _

Графики изменения составляющих низкочастотных корней. характеристического уравнения для системы из двух параллельно включенных электродвигателей типа 1/Н-45 при свободном выбеге на короткозвмы-кавдее сопротивление в зависимости от его величины и от начальных значений скольжения двигателей и 5г позволяют оценить характер переходного процесса при выбеге этих, двигателей, если начальные частоты вращения их неодинаковы'. По участкам кривых, располагающихся в области отрицательных значений коэффициентов затухания оС( и (А£ , мокно установить параметра сети и реяима, при которых вследствие разницы в частотах вращения двигателей возникает подпитка одного двигателя другим и соответствующее увеличение

напряжения на его зажимах при выбеге.

Модель АД согласно системе уравнений (2) предназначена для решения на ЦВМ, которое проще и ео многих отношениях удобнее по сравнению с моделированием на основе аналоговой техники. В качестве исходных данных для моделирования были приняты данные электродвигателя типа 1/М-45, имещего двухклеточный ротор и применяющегося для привода конвейров ( Рном= 45 кВт; С/ = 0,623 кг.м2; р= 2;

2, = 0,162 Ом).

Зависимости коэффициентов системы уравнений от скольжения аппроксимированы следующими выражениями:

= (о,£3 + о,гг& 5) ■ чоа 1

= (0,£01+ 0,и$$ ]-400 / О.л 5 •

^ (0,!56+0,ЯЗЧ3)400 7 и>о<к'гК^(0,15в + 0,Я!Я%)400 }

и>0^'г = (0,Ш +0,315 3)400 7 и}0б!г -(0,291 +0,365$) < № |

Правомерность моделирования была проверена путем сравнения его результатов с экспериментальными испытаниями электродвигателей типа 1/М в режимах пуска вхолостую и торможения коротким замыканием статорной цепи.

Сопоставление графиков, полученных путем осциллографирогания, с расчетными кривыми, полученными в результате моделирования, указывает на их хорошев совпадение (расхождение .не превышает 15% при доверительной вероятности 0,9).

Моделирование на основе системы уравнений, в которой не учтены зависимости параметров электродвигателей от скольжения, дает погрешность расчетов: в начале пуска колебательный процесс электромагнитного момента затухает заметно быстрее по сравнению с осциллограммами 'экспериментов.

Установлено, что при пуске электродвигателей при статической нагрузке на валу с увеличением момента сил сопротивлений увеличиваются время пуска и продолжительность колебательного процесса в начале переходного процесса. Колебания электромагнитного момента и частоты врацения ротора заканчиваются приблизительно при одном и том же скольжении <,'— 0.6- Ударные значения электромагнитных моментов изменяются при пуске двигателя под нагрузкой незначительно. При

-/7,5 7/<7 ;

(8)

>

пуске Ехолостую кратность ударного момента составляет 7,7 Мне:« для электродвигателя 1/М-45. При пуске со статическим моментом, равном (2т8,8) Мном, кратности ударных значений пускового тока для этого двигателя изменяются соответственно в пределах (9,2т9,3) 1ном.

В результате математического моделирования на ЦВМ определены качественные и количественные особенности повторных пусков со скольжениями 3 = 0,5 и 5 = 0,1 и с затухшим электромагнитным полем (рис. 3). Из графиков видно, что характер переходного процессов существенно зависит от сколытания, при котором происходит повторный запуск. При скольжениях меньше 3 =0,5 первый пик электромагнитного момента имеет отрицательное значение, а второй - положительное. В результате этого в начальный момент повторного запуска двигателя при высокой частот^ вращения имеет место замедление, а затем быстрое ускорение ротора до субсинхронной скорости.

При повторных запусках на низкой частоте вращения ротора (при скольжениях от 0,6 до 1,0) первый пик электромагнитного момента имеет положительное значение, и двигатель ср&^у после подключения начинает увеличивать обороты. Однако второй пик электромагнитного момента тлеет отрицательное значение и поэтому разбег идет неравномерно, с колебаниями частоты вращения.

На рис.4 приведены результаты моделирования на ЭЦВМ в виде графиков изменения электромагнитного момента и частоты вращения ротора при повторном пуске на высокой частоте вращения ротора (5 =0,001) в моменты времени, когда э.д.с. остаточного поля находится в про-тивофазе к питающему электродвигатель напряжению сети ( неблагоприятные начальные условия). Из графиков вздно, что при этих условиях повторный пуск при наличии незатухшего поля сопровождается всплеском электромагнитного момента и снижением чаетегц вращения ротора.

В противоположность рассмотренному рекиму, повторный пуск двигателей с незатухшим электромагнитам полем и_при благоприятных начальных условиях протекает при более низких ударных значениях тока и электромагнитного момента. При этом привод и электродвигатель на испытывают динамических перегрузок, а Еесь запас электромагнитной и кинетической энергий при повторном пуске используется в наибольшей мере. Очевидно, что при возникновении необходимости в частых пусках, когда двигатель с незатухшм магнитным полем необходимо подключать к сети, целесообразно использовать моменты времени выбега, когда э.д.с., генерируемая двигателем, син-

дан

М

кНп

па - 5

¡да

ДО

КЗ

£53

-I

1

9

п

5" Ц5

г ы.

/ А

/ \ . М

V ✓

I ■■

во - I

вв ■ (

Рис.Э. Графики переходных процессов при повторных пусках АЛ с затухшим полем

\л

5 = V

< \

Ъ \ н

V.

V •X

I

о1 о

-I -г -а

¿с* ¿г) Н

(р ч |

\ 1 V 17 ч

У

У

а, п

иш

вез ва

£3

о

&

-I -4 •3

Ряс.Графики переходных процессов при поЕторкых пусках АД с не за тухли поле!«:.

4/

■

Р'

1

щ

фазна с напряжением питающей сети. Этил обеспечивается не только устранение динамических перегрузок и ударов в двигателе и соответственно а приводном механизме, но и достигается наиболее экономичный повторный пуск .

На основе математического моделирования рассмотрена эффективность использования неодновременного включения двигателей для обеспечения плавности разгона двухднигателъного привода и уменьшения колебаний пуск..г:ого тока в системе.

Система да<Меренциалышх уравнений, описынащзя переходный процесс в двухдвигательном асинхронном электроприводе при пуске, в координатной системе,вращающейся с синхронной скоростью,может бить записана в следующем виде :

= ¿7- ее,-4<&<¥*< ;

■= \j-Ziniu -¿и), ; ' Г(9)

Ал. — —!-— Г J

где 1т - намагничивающий ток; индексы I и 2 указывают на принадлежность величины соответственно к первому или второму двигателю.

Учитывая зависимости параметров двигателя от скольжения, можно таким образом составить математическую модель, чтобы число переменных коэффициентов в уравнениях было минимальным.

Этому условию удовлетворяет приведенная Еыше система уравнений, в которой независимыми переменными выбраны токи и потокосцэ-пления статора. В этой системе всего ¡лесть коэффщиг-нтсг яри переменных зависят от скольжения: а)а((к\,+ с*г/)

. мл ■Лгг. . и>0 . М>"

■Хи Хьг • -оТХГГ ' "О'гХьг.

На рис.5 ( режим I ) показаны зависимости электромагнитного

момента и частоты вращения ротора от времени при пуске двухдвига-тельиого привода вхолостую путем одновременного подключения двигателей к питающей сети.

С увеличением промежутка времени между пусками первого и второго двигателей, в пределах длительности периода напряжения сети, перЕая амплитуда суммарного электромагнитного момента уменьшается; а разгон привода становится все более плавим. При пуске электро-

-1.3-

ш-

в о

9)

п

У \

уяо 1

4» 4

С £ ±

Ч ь Г

то ивд ша «ю еаоа М,и»

Рис.5. Разгонные кривые (а) и динамические механические характеристики (б) для режима пуска . вхолостую, двухдвига-тельной системы:

1- одновременный пуск; 2-пуск двигателей черезЛ =10мс

-М-

г

Рис.6.__Графики изменения суммарного тока статоров двигателей при пусках двухдвигательной системы привода;

1- суммарный пусковой ток при пуске АД одновременно;

2- суммарный пусковой ток при пуске АД через^ 10мс

двигателей с интервалом времени около 10 мс пульсации суммарного момента практически отсутствуют (рис.5), а скорость привода возрастает наиболее плавно. При этом значительно уменьшается колебания суммарного пускорота тока двигателей и снижается первый его пик (рис. 6). Задержка пуска второго двигателя на 10 мс нр оказывает существенного влияния на длительность цуска всего "привода, а также на величину и характер колебаний момента и скорости в конце переходного процесса.

На основании анализа результатов математического моделирования пуска системы двух электродвигателей, работающих на общий механический вал, сделан вывод о возможности в значительной мере влиять на характер протекания переходного процесса при пуске двухдвига-телыюй системы и снижении в два раза пиков момента и тока путем создания выдержки времени между моментами подключения электродвигателей к сети.

Качество математического моделирования переходных процессов может быть оценено' путем сопоставления экспериментальных данных, полученных при испытании реальных электродвигателей, с результатами расчета того же переходного процесса на математической модели. Сравнение графиков переходных процессов, полученных на моделях, с соответствующими осциллограммами показало качественные отличия результатов, полученных на моделях, учитывающих и не учитывающих зависимости параметров электродвигателя от скольжения. Упрощенная модель отражает процессы в некотором абстрактном электродвигателе с постоянными параметрами, а модель,учитывающая зависимости параметров от скольжения, существенно Олюшэ к реальному электродвигатели.

Качественная и количественная оценки результатов математического моделирования по ударным значениям токов, электромагнитных моментов, изменениям частоты вращения ротора и длительности переходного процесса полностью подтверждаются результатами экспериментального моделирования в реальных условиях произволества.

В диссертации показано, что при фазовом сдвиге между э.д.с. незагухшего поля и напряжением сети, составляющем угол около 90°, в случае повторного пуска не наблюдается отрицательного ударного электромагнитного момента. Соответственно нет и спада частоты вращения ротора. Очевидно, что момент включения лежит в пределах благоприятных начальных условий для повторного пуска. Осциллографи-

рование подтвердило вывод о наличии жестких электродашамических ударов в электродвигателе при повторных пусках с незатухшим полем . и неблагоприятным фазовым сдвигом между вектором незатухшего поля и напряжением сети.

В диссертации проанализирован процесс торможения методом короткого повторного пуска при фазовом сдвиге между э.д.с. двигателя и напряжением сети, превышающем 180°. Наибольший тормозной эффект достигается при повторном пуске, когда фазовый сдвиг между генерируемой э.д.с. и напряжением сети составляет 180°. При этом частота вращения ротора снижается с 1500 мин-1 до 1136 мин , т.е. на 24*, что соответствует результатам математического моделирования. Отклонение момента повторного цуска в любую сторону от оптимального фазового сдвига 180° вызывает снижение эффективности торможения, причем при углах больше 180° тормозной эффект уменьшается заметнее, поскольку кроме неоптимального фазового сдвига сказывается дополнительное затухание э.д.с.

Обычно для уменьшения переходных моментов рекомендуется производить повторное подключение электродвигателя к сети лишь после того, как поле от предав ствуицего режима полностью затухнет, т.е. приходится искусственно замедлять темп работа, что снижает производительность привода. В то 29 время, когда суммарное напряжение сети и э.д.с., генерируемая двигателем, алеют минимальные значения, существуют моменты времени выбега, которые являются благоприятными для повторного включения. ГЫк электромагнитного момента на валу двигателя при этом оказывается меньше, чем при пуске из неподвижного состояния.

В работе предложена схема блокировочного устройства, позволяющая существенно сократить длительность вынужденной паузы и облегчить процесс повторного пуска, осуществляя его в благоприятные моменты времени. Осциллограммы пуска, выбега и повторного пуска АД типа I/M-45, осуществленного с помощью предложенного устройства, подтверждают "мягкий" характер повторного пуска в момент сиифазности напряжения сети с э.д.с., генерируемой двигателем при выбеге. Ударные значения тока и электромагнитного момента существенно меньше соотЕетстЕуодих им значений при пуске из неподвижного состояния.

Применение этого устройства снижает ударные токи в сети и динамические моменты в приводе и электродвигателе, тем самым повышая надежность функционирования, системи. "сеть-электродвигатель-маии-на", что позволяет повысить допустимую частоту включений двигателя и

несколько снизить расход электроэнергии.

В диссертации разработано устройство, предназначенное для прямого измерения параметров внбегз электродвигателя непосредственно во время переходного процесса. Принцип действия устройства основан на использовании специального реле нулевого тока статора, которое с помощью деух реле Бремени управляет работой диодао-емкостных расширителей, преобразующих амплитуду э.д.с., генерируемую электродвигателем, в квазипостоянное напряжение на запоминающих конденсаторах с фиксацией момента Еремени выбегз.

Разработано устройство, позволяющее непосредственно во Бремя переходного процесса измерить с достаточной точностью моменты Бремени Еыбега, соответствующие максимумам и минимумам напряжения на разомкнутых контактах пускателя, т.е. наиболее благоприятные и неблагоприятные моменты для повторного включения в сеть при незатух-ием поле статора.

Разработано устройство, предназначенное для измерения длительности и характеристик протекания переходного процесса.

В практике экспериментальных исследований к точности измерения частоты вращения двигателя всегда предъявляются Еысокие требования, особенно при измерениях в области субсинхронных частот вращения. Для этого разработано устройство, позЕолящее относительно простыми средствами реализовать принцип измерения частоты вращения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано ноеов решение актуальной научной задачи совершенствования методов и средств исследования динамических процессов в электроприводах с асинхронными деигателями, что обеспечивает снизение ударных токов в сети и динамических моментов в приводе при повторном пуске электродвигателя, тем самым повышая надежность функционирования электромеханических систем.

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволили сделать следующие' еыводы:

1. Математическое моделирование переходных процессов в асинхронных электродвигателях, обладающих улучшенными пусковыми свойствами, может дать удовлетворительную точность лишь при учете зависимости их параметров от скольжения.

2. Метода аналогового и цифрового математического моделирования для исследования широкого класса переходных процессов в асинхронных электродвигателях могут сыть основзкы на кусочно-линейной

аппроксимации зависимости параметров двигателей от скольжения, что обеспечивав« достаточную для исследовательских работ адекватность математической модели реальному электродвигателю.

3. Анализ корней характеристического уравнения системы дифференциальных уравнений, описывающих процесс затухания электромагнитного поля в двигателе при выбеге на активное сопротивление, позволил получить выражения для расчета критического скольжения переходного процесса 5 'кр , являющегося граничным между преимущественно колебательным и преимущественно апериодическим характером переходного процесса,а также для расчета критического сопротивления, опре-делявдрго предельный апериодический процесс затухания частоты вращения и электромагнитного момента двигателя, при замыкании статор-ной обмотки активным сопротивлением.

4. Метод расчета моментов синфазности и противофазности э.д.с, генерируемой электродвигатем при выбеге, по отношению к напряжению питащей сети может быть основан на аппроксимации линейными и нелинейными зависимостями процесса затухания электромагнитного поля в процессе выбега двигателя после его отключения от сети.

5. Анализ пусковых режимов асинхронных электродвигателей мощностью 45 и 75 кВт (пуск из неподвижного состояния, при наготою нагрузки на валу, при повышенном сопротивлении статорной обмотки, пуск вращающегося двигателя при затухшем магнитном поле) показал, что наибольшие ударные динамические нагрузки наблюдаются при повторном подключении 'электродвигателя к сети в моменты противофазности э.д.с., генерируемой двигателем при Еыбеге, и напрякения. сети, при этом пускорые токи достигают соответственно 14-12- кратных значений, а электромагнитные моменты - 13-10-кратных значений по сравнении с номинальным уровнем.

6. Устройство торможения асинхронного электродвигателя путем импульсного подключения к сети в момент времени, когда э.д.с..генерируемая двигателем при выбеге, состоит в противофазе к напряжении сети, обеспечивает в два раза большую эффективность по сравнению с торможением путем короткого замыкания обмотки статора.

7. Устройство "мягкого" повторного пуска асинхронного электр®-двигателя при незатухшем магнитном поле основано на применении разработанного блокировочного устройства, избирательно подключающего даигатель к сети в моменты синфазности э.д.с., генерируемой даига-телем при выбеге, и напряжения сети, и позволяет снизить динамические нагрузки в электромеханической системе и поеысить частоту вклю-

чений привода и производительность технологических машин.

8. Разработанные технические средства - блокировочное устройство для облегчения повторного пуска, устройство для измерения параметров выбега двигателя во время переходного процесса, устройство для измерения длительности и характеристик протекания переходного процесса, устройство для измерения частоты вращения - позволяют усовиршенствовать технику экспериментального исследования электромагнитных и электромеханических переходных процессов в асинхронных электродвигателях и рекомендованы для использования при эксплуатации электромеханических систем с асинхронным электроприводом.

Основные полокения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Щуцкий В.И., Сафа Джафар Али. Математическое моделирование переходных процессов в асинхронных электродвигателях с учетом зависимости их параметров от скольжения // Международная межвузовская науч. практ. конф. "Совершенствование конструкции, технологии изготовления и эксплуатации горного оборудования и средств автоматизации ". м.: МГИ. 1992.

2. Щуцкий В.И., Сафа Джафар Али. Снижение динамических нагрузок при пуске двухдвигатвльного асинхронного привода //Науч.- практ. семинар "Проблема повышения надежности, уровня безаварийности эксплуатации электротехнических и электромеханических систем, комплексов и оборудования горных и промышленных предприятий". М.: МГГУ, 1993.

3. Щуцкий В.И., Фащиленко В.Н., Сафа Джафар Али. Анализ процесса затухания электромагнитного поля в двухдвигателыюй системе // Науч.- практ. семинар "Проблема повышения надежности, уровня безаварийности эксплуатации электротехнических и электромеханических систем, комплексов и оборудования горных и промышленных предприятий". М.: МГГУ, 1993.

Подписано в шчать 27.05.94 формат 90/16 обьем 1п.л. Тираж 100 экз. Заказ Ы^-^

Гишграфия Московского государственного горного университета