автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Создание и исследование электротехнических систем с управляемыми выпрямителями для машиностроения и нефтедобычи

ОАО ВСЕРОССИИСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ РЕЛЕСТРОЕНИЯ

На правах рукописи

ИВАНОВ Александр Григорьевич

СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ С УПРАВЛЯЕМЫМИ ВЫПРЯМИТЕЛЯМИ ДЛЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НЕФТЕДОБЫЧИ

Специальность 05.09.03 — Электротехнические комплексы и системы,

включая их управление и регулирование

ДИССЕРТАЦИЯ

в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

г. Чебоксары, 1098 г.

РГб о а с 0 мв 2т

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Юньков М.Г. доктор технических наук, профессор Боровиков М.А. доктор технических наук, профессор Хватов С.В.

Ведущее предприятие - ОАО Чебоксарский электроаппаратный завод

Защита состоится «/&» декабря 1998 г. в 14м часов на заседании диссертационного совета Д.064.15.03 Чувашского государственного университета им. И.Н. Ульянова (428015, г. Чебоксары, Московский пр., 15)

Отзывы на диссертацию в виде научного доклада, в двух экземплярах с подписями, заверенными печатью учреждения, просим присылать по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке университета.

Диссертация в виде'научного доклада разослана « ш ноября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук, доцент

Г.П. Охоткин

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Последние 30 лет характеризуются бурным внедрением силовой полупроводниковой техники и микроэлектроники, что позволило создать экономичные высоконадежные системы автоматического регулирования с управляемыми выпрямителями (УВ). Общеизвестные достоинства УВ такие, как высокий к. п. д., надежность, экономичность, электронизация управления с возможностью сопряжения с системами любого иерархического уровня предопределили их широкое распространение в машиностроении, нефтедобыче и др. областях промышленности.

Содержание защищаемой автором диссертации составляют результаты его многочисленных разработок и научных исследований электротехнических систем с УВ в двух направлениях

- в области создания тнрнсторных электроприводов постоянного тока (ЭП) для машиностроения (станки с ЧЛУ, промышленные роботы, кузнечно-прессовое оборудование

идр),

- в области создания автоматизированных электротехнических комплексов для электронагрева и депарафинизацля нефтескважин (УЭЦДС).

В гтксдставленной работе приводятся результаты практической реализации разработанных и внедренных в промышленное производство под руководством и при непосредственном участии автора наиболее массовых серий ЭП и промышленных партий комплексов УЭНДС, а также результаты теоретических исследований по актуальным вопросам, возникающим в процессе создания указанных электротехнических систем.

Актуальность выполненной автором работы определяется требованиями иаучно-техмического прогресса в области создания систем со статическим преобразователями для машиностроения и нефтедобычи.

Разработки унифиц. >ованиых ЭП для станкостроения выполнялись на основании координационных планов ГКНТ, постановлений правительства СССР, координационных планов по стандартизации Госстандарта, а также планов международного сотрудничества по линии "Интерэлектро" и рамках рабочей группы As 9 бывших стран СЭВ в 1972-1990 гг. Результаты работ докладывались па конференциях по преобразовательной технике и электроприводу как в стране так и за рубежом.

В последние годы новые разработки проаодятса автором по прямым договорам с з?.подамн-изготов!ггелями ЗП и станков Работы в области автоматизированных электротехнических комплексов для нефтедобычи на базе УВ проводятся по договорам с АО "Татнефть" (Татарстан). Они докладывались и рекомендовались как перспективное направление на Международном симпозиуме по энергосберегающим технологиям в нефтедобыче (г. Санкт-Петербург, 5996 г.); Международном конгрессе по новым технологиям (г. Казань, 1998 г.) и др.

Работа выполнена автором во ВНИИР в содружестве с другими НИИ, КБ и предприятиями электротехнической промышленности. При выполнении работы автор оаноался на труды ведущих отечественных и зарубежных ученых в области систем автоматического управления (САУ), преобразовательной гежши, электропривода,

u.iXpazeicrpoHHx;! 11 здсхтрсгкхаа^аппi Это преавдг всего работы отечестееикьк ученьк Булгакова A.A., Слежшовсхого OB, Шигашо В. П., Ис-здеееа А.Д., Ильинского Н.Ф., Ксеаяева О. И., Булатога О.Г., Боровикова М.А., Хзаговз СВ., Чзроно;а В.Л., а также MpvSejae.-« ученых 5ьгрестега НА, Фслеайда О., Кеатера С., Шемфелиа, Х»битгра Э. и

Сргйуег стмгггатъ большой ахяаз, сиссениый в разработку рассмагрмывмых проблем хеялсетигами ученых ЗШ'ЛТЭпгтрапри^, БШ1И?, 8ЭИ. ВНШ1ЭМ, МЭИ, ЧТУ, ЭНИМС, ЛЭТИ, ТагНИПИ и др., а такжг есдузншн зарубежными фирмача "Siemens" (ФРГ). Tetonccarjque (Франция) и др. Сг^омаыВ р-клаа во зи«гр«н«е указанных серий в сромш&иккээть гнесая пзоаычеготояпети: Чебехсарский элекгрсьппаратнын -шос (ЧЗАЗ), СфЛнсхяй закц "ЭасгтрсшярАМИпяг.". Прдьоп^зсхий завод "Электромашина", Москогмяй заэоа "Прогрко-эг.стез", Хйрмювский завоз "Электромашина". Александрийский электрсмеомтсздЗ завчд (АЗМ'З), Пвжгзадьсшй электротехнический завод (ПЭТЗ).

Цг.тг>» преаепзлслпого яоклгса яъжкя краткое изложите основных результатов работу оатора а псргчиелмных еыас игпрцаленшвс.

Faywaa йвзяига шп токной автором работы состоит в следующем'

1. Предложены яозие структуры ззм*куть:х ск.тгм с УВ для ЭП. защищенные {шторснши саизгтсг и патентами, з имгкно'.

1,1 . САУ с УВ v гпй-меяем йосгс:„«лго тока с яипеарницпей характеристик а режиме 1ф?рьаастсго тока (рот) и вергкгикей асвичкявй эяйггрнческого лофта, гамепаюшегоея в функция старили дгигзтггя. В р«зуяяатг сисгеш обшжчивает высокое быстродействие, пск«хауиойч51эость н вадгжиость работы кшжмаятжа Ы8*гню«а. Это достигается за счет линегрдаащш системы в рпг и исключения чрезмерного скшшроиииз токь. моыьзющвго дочо.шигельный кагреа дэигзтеля и удары в' кинематике, кмвюшке место вследствие и«ыч.й» "шумов" в слгналгта>щ:шератора по мгрз узеяпчвни» скорости даигатеяя.

1.2. Однакинтурнзд ланяаризопмгазя • САУ с УВ с . двухступенчатым параллельным токоогрзмлчением, отяичагощмм тем, что с целые. ооеспечешы более качественного токоогрзмичения в систе?.*,£ организовано кза контура регулирования тока: ::ерзь:;! - 'C>zs обратной связи г,о току обсспеч.'.ааег упреждающее токоограниченне за счет положительной обратной связи по ¡: налинеКи&х звеньев в устройстве линеаризации. в горой контур обеспечивает токоограниченне с задержанной обратной связью по току. Ко,пут тскиогр&личсода выполнен таким образом, что корректирующие'звенья его и регулятора скорости не оказымют взаимного негативного влияния

Показано, что данная структура с ГО1Д-регулятором скорости обладает более высоким быстродействием, чем система подчакенкого регулирования,

1.3. САУ с УВ с оптимизацией по минимуму динамической ошибки в режиме "сброса" нагрузки, что обеспечивается перестройкой структуры регулирования при помощи устройства нелинейной хоррекции

1.4. САУ с УВ к цифровым фильтром в канале, датчика тока, коммутация которого осуществляется импульсами управления тиррасоров. УВ. В результате в системе обеспечивается устойчивое функционирование,в рпт несмотря на исчезновение информации

по току в бестоковые интервалы (особенно в САУ с П-регулятором тока, а также в однофазных ЭП) Цифровой фильтр выполняется в двух вариантах: на базе пнкоеого детектора и на основе интегратора.

1.5. САУ с УВ о многофункциональным использованием сглаживающего реактора. Это обеспечивает использование реактора, кроме фильтра в скловсй цепи, таске в информационной части системы - в качестве датчиков тока и эяс даигателя.

1.6. Рациональная линеаризованная структура САУ двухзонных ЭП с переменным электрическим "люфтом", параллельным регулятором эдс и общю.га каналами фазосмещешга для управления якорным преобразователем и тиристорным возбудителем. Структура обеспечивает простоту, высокую надежность и качество регулирования.

2 Предложена динамическая модель системы УВ-Д а рпг, учитывающая дасхрггво-нелинепные свойства преобразователя, исследованы дикадшческие свойства и оггпшнзгция систем УВ-Д. Разработаны методики расчета устойчивости и опшмнзацни систем, в том числе из условия получения процессов конечной длительности.

3. Проведены сравнщ-ельные исследования быстродействия различных систем ЭП с ПИД-регуляторами скорости, а также трехконтуриой структуры гоздчпиегшсга регулирования Исследованы динамические свойства систем с обратной сззпью по эдс, в том числе для ЭП с многофункциональным использованием сглаживающего реактора. Разрабопча .методика расчета значений частот среза для указанных структур. Показано, что гремконтурн.ы структура примерно в 2,5 раза хуже по быстродействию, чем дзухконтурная, а быстроденстнне а одноконтурной системе с ПИД-РС пркмеоно. в 1,5 раза вьняе, чем в

1в\'хкоктурнон

* Предложен новый способ оптиу.шашш системы УВ-Д в режиме "сброса" нагрузки, заключзющийся в том. что при появлении динамической ошибки УВ переводятся в ннверторный режим, что обеспечивает форсированный спад тока дъигателя и снижение перерегулирования по скорости.. Исследованы минимально возможные динамические отклонения скорости з этом режиме при различных типах УВ. Разработана методика расчета, получены аналитические занисимости и номограммы..

5 Проведено исследование параллельной работы УВ в системах ЭП и предложены раци^налсныс структуры сопряжения преобразователей. Разработана инженерная 1<<етодика рлечеча чг. ;ктромагнитных процессов и дисбаланса токов между преобразователями.

6. Предложен принцип построения к иселедсраны рациональные структуры управления электротехнического комплекса УЭНДС с применением УВ а режиме преобразователя частоты, учитывающие особенности нагрузки и специфику депарафишпаини неглескважины

7, Проведено исследование и предложен метод оптимизации переходных процессов в контуре тока УЭНДС с учетом дискретно-нелинейных свойств УВ к способа управления. Определены условия получения оптимальной диаграммы тока.

Практическая ценность результатов научных работ автора состоит в разработке и промышленном освоении многочисленных массовых серий тириегориых преобразователей и ЭП на их оснсзе. а также электротехнических комплексов УЭНДС для машиностроения и нефтедобычи. Кроме того разработаны и внедрены в промышленности стандарты

ГОСТ25777-83 в ГОСТ27803-91 Последний в. настоящее время является основным карцшашм документом в России, регламентирующим унификацию и основные технические требования ЭП со статическими преобразователями для металлообрабатывающего и др. оборудования мощностью до 320 кВт.

Созданное под руководством автора н при его непосредственном участии элгэтрагехпичгсше оборудование по техническим решетим не уступает, а в некоторых случаях и преаасяодю- лучшие образцы аналогичного класса оборудования ведущих зарубежных фври [Biunailier, ФРГ; ЮЫшег Müller, ФРГ; Produktion Technologies, США].

Ршашиа результатов работы

Серия тирястсраых устройств и ЭП на их основе нашли широкое внедрение на заводах-изготовнгевях электротехнической промышленности, продукция которых применяется в машиностроении, нефтедобыче и др. При этом разработано S поколений указанных выше изделий. что составляет более 20 кассовых серий устройств со статическими преобразователями (см. табл. 1), которые были освоены семью заводами-изготовителями Oöit 'h объем выпушишь.» заводами установок составляет более 500 тыс. штук.

Указанные серии являются самыми массовыми в отечественной электротехнической промышленности, которые на протяжении нескольких десятилетий широко внедрялись в машиностроитель нам комплексе и др. областях как в нашей стране, так и в оборудовании, поставляемом на. экспорт (станки, станы прокатки труб, установки непрерывной разливки стали н др.) Данные серии широко применялись в выпускаемых станках станкозаводов: ИСПО О. Иваново), КСПО (г. Самара), Коломенский станкостроительный завод, МЗКРС (г. Москва), Красный Пролетарий (г Москва), УЗТС (г. Ульяновск), Минское станкостроительное объединение, ГЗФС (г. Нижний Новгород) и др Серии ЭП массово используются на отечественных автозаводах ГАЗ, ВАЗ, АЗЛК, УАЗ, КАМАЗ

Автор непосредственно участвовал в практическом внедрении тиристорных ЭП на Магнитогорской и Opcjco-Хллиловсео« металлургических комбинатах, на металлургическом комбинате "Дугайвгтню" (Венгрия), на атомном центре в г. Буэнос-Айрес (Аргентина), на многих станхострогаедышх заводах гт. Иваново, Ульяновска, Москвы, Коломны, НКсвтсрода, Витебска, Кракаторао, а также на ВАЗ'е и КАМАЗ'е.

Основные 1ел1шческие решения разработанных и внедренных серий защищены авторскими свидетельствами и патентами..

Большая работа по укифнаддаш ЭП для станкостроения н робототехники под руководством к при непосредственном участии автора проводилась по линии "Итерэдигтро" в рабочей группе № 9 [20]. При этом с участием автора были разработаны тгхкнчсскиг требования, техдокуиаггация и стандарты на вентильные ЭП постоянного и переменного тока, на основании которых проводились разработки и испытания унифицированных ЭП в СССР н странах СЭВ.

В гюсясззке годы под руководством и при непосредственном участии автора созданы эд-дтрсп ежновогическае кспгалексы УЭ1ЩС на базе унифицированных тиристорных

Таблица 1

Обозначение серки изделия (преобразователя, ЭП, устройства) Назначение Прсдпрмтяе-кзготовигель Примечание

1. БУ3509, БУ3509В 2 БТО Однофазные тяристориие преобразователи для ЭП ОАО "Чебоксарский элекгроаппаратный завод (ЧЭАЗ) г. Чебоксары

3.БУ.ШУ 4. БУВ. ШУВ 5. БТУ3000 Трехфазные тнрксгорные станции управления дяя ЭП

6. ЭПУ1 7 ЭПУ1М Трехфазные тнристорные ЭП

8 ЭПУЗ В стадии освоения

ПТТ, ПТТ?, ПТТБ П) АТ. АТР ) 1 ТЕ, ТЕ?, ТП, ТПГ 12 ШТУ Трехфазные тиуистсркыс преобразователя ОАО г. Саранск

13. ЭТ1 14 ЭПУ2-1 Однофазные нереверсивные тнристорние ЭП ОАО "Прогресе-эяеиуо" г. Москва

15. ЭТУ 31КК1 ).'.. ЗТУ1 Трехфазные тиригторные ЭП Элеетронехзкичесхий завдд (АЭМЗ) г. Алгкаэдри« (Украина)

17. ПТОР 18..ТЕР8 19. БУ3609 Одасфгиы: реверсягныс гирксторяьи ■ креобрачоктии дли ЗП Задал Эзеирокгшюи" г. Хзрывя {У*5»1«з) .

20. ЭПУ2-2 Однофазные ргг-ерсеткие ■пчрыстсрные ЭП

21.БУЗ;09 22. ЭПУ2-1 маетфитак*'» ПЭТЗ Олнсфиныг ¡«реверсивные тяристиртыс преоЯратомтели я ЭП Эзестрсгеитчеоай завод (пэтз) г. Пржйальог (Кирпгыв)

23 ЗПУ1 модификации икш "Элекгооманиио" Трехфазные тлристормые эп ОАО "Злоггрешшгаз" г. Прокопьевск

24. СЭПТ Сдецкдкшие тграктормыг ЭЛ иг течет 1000 А и боаее ОАО 3№35Р г. Чтаоксзры На базе карадлкокей работ зпу1м, эпуз

23 уэндс Эжетросядагагг т*ристориыг устиксвги дч яефгважхсгя Ояютэ- проштлешшг обратаы

устройств ЭПУ1 и ЭГГУ1М. При этом в опытном производства ОАО БНИИР изготовлено 14 электросиловых установок, которые внедряются в АО «Татнефть».

На основные технические решения комплекса УЭНДС подучен патент и положительные решения о выдаче патентов.

Предложенные УЭНДС имеют высокую эффективность и обеспечивают: увеличение дебита нефтескважины, .. отсутствие загрязнения окружающей среды, низкие эксплуатационные расходы на депарафинизг.цию по сравнению с другими методами, совместимость с эксплутационными режимами, высокую степень электронизации и автоматизации управления.

Основные положения, которые выносятся на защиту

1. Новые технические решения в области замкнутых систем с УВ и двигателями постоянного тока для массовых серий ЭП, примененных- в машиностроении и др. областях промышленности.

2. Результаты исследований дшшшк-н, и оптимизации систем УВ-Д в режиме прерывистого тока с учетом специфики УВ.

3. Сравнительные результаты исследований.динамики одно-, двух- и трехконгурных систем УВ-Д в режиме непрерывного тока с различными типами регуляторов и видами обратных связей. . , ' -

.4. Способ минимизации динамической ошибки по скорости в режиме «сброса,« нагрузки в системе УВ-Д, его практическая реализация и методика расчета ошибки при различных типах УВ

5. Результаты исследования параллельной работы тярчеторных преобразователей в ЭП, разработка рациональной системы регулирования и методика расчета электромагнитных процессов при делении токов межДу преобразователями.

6. Новый принцип построения электротехнического комплекса УЭНДС на базе УВ для нефтедобычи и результаты исследований динамических с&ойств контура регулирования тока с учетом способа управления. .'

7. Практическая реализация работ автора в области согдашк апегсгротехническ-ич систем с УВ для машиностроения Ч нефтедобычи.

Публикация и апробация Из печатных работ автора к теме доклада относятся 67, в том числе три научные монографии; -27 научных статей, епубяикОванных в центральных журналах и. докладов, 29 авторских 'свидетельств на изобретения, и патентов, • дза государственных стандарта. .

Ссылки на работы, имеющие теоретический и йггодологический или принципиальный характер, приведены в тексте доклада.

Основные положения и практические результаты диссертационной работы автора докладывались на ряде Всесоюзных и Всероссийских конференций по системе вентильного электропривода; на научно-технических совещаниях и конференциях, на Международном симпозиуме, по энергосберегающим технологиям ь нефтедобыче; на Международном конгрессе по новым технологиям

Оборудование, разработанное при непосредственном участии и под руководством »тора, экспонировалось на ВДНХ. Автор награжден одной серебряной и двумя бронзовыми едалями ВДНХ.

Содержание работы

1.. Системы с управляемыми выпрямителями для машиностроения и лектротмиологических комплексов нефтедобычи. Постановка задачи.

Разработка и внедрение УВ, выполненных на основе тиристоров, оптотиристоров, шисторов (триаков), запираемых тиристоров, а также беспотенциальных тиристорных одулей с управлением на базе микроэлектроники способствовало научно-техническому рогрессу в области создания ЭП для станков (в том числе с ЧПУ), промышленных роботов, ,'чнечмо-прессогого оборудования и т.д:,. а также специализированных установок для гектротехнологнческих комплексов нефтедобычи. Высокая надежность, быстродействие, алые потри мощности и габариты, постоянная готовность к работе и сравнительно низкая гоимость обусловили их широкое внедрение [1-67].

Коллектив ВНИИР и автор, как один из ведущих специалистов и руководителей азработок, в 7(У-901 годах стояли у истоков научно-технического прогресса в области издания массовых серий статических преобразователей и ЗП в СССР и РФ. Наибольший ыпуск ЭП постоянного тока для станкостроения в СССР приходился на 1987-88 гг.: так в 987 г было выпущено примерно 88 тыс. единиц, в 1988 г. - 92 тыс. электроприводов, из эторых около 80% - по разработкам ВНИИР. В качестве примера на рис. 1.1 приведена гатистика производства на ЧЭАЗ'е (г. Чебоксары) элестроприво/". з серии ЭПУ1, гшфииированной в рамках "Иитерэпектро".

Кроме ЭП разработаны и внедрены электротехнологическяе комплексы УЗНДС, римеиенпе УВ в которых обусловило их высокую эффективность.

В процессе, разработки, исследований, модернизации и унификации серий ЭП и зециализироваиных преобразовательных установок возникает необходимости решения телуюших задач:

- созданне рациональных структур замкнутых систем с УВ для массовых серий одно- и ■>ехфазных ЭП с одно- и двухзонным регулированием скорости двигателей [1, 2, 7, 8, 17,

5-6Ъ];

- исследование динамики и оптимизация систем УВ-Д в рпт с учетом дискретно-глинейных свойств УВ [1,2, 5, б, 9-11, 14];

- исследование сравгштельных динамических характеристик . одно-, двух- и зехконтурных структур УВ-Д в рнт и определение их пределького быстродействие с учетом зеиифики УВ [15, 16, 24];

- оптимизация систем УВ-Д с обратной связью по где, в том числе с использованием в «формативной части системы м.чогофуякииокалького сглаживающего реактора [18, 19,

' - разработка способа оптимизации системы УВ-Д по минимуму динамической ошибки в режиме "сброса" нагрузки и анализ величины ошибки в структурах с различными типами УВ [4, 39];

- исследование параллельной работы тнристорных преобразователей ЭП серии ЭПУ1, ЭПУ1М и разработка на их основе рациональной структуры управления и инженерной методики расчета деления токов между преобразователями [29, 30];

- разработка государственных стандартов на ЭП для станкостроения и робототехники [37,38];

- создание новой электротехнической установки УЭНДС на базе УВ в режиме преобразователя частоты с учетом особенностей электрической цепи нефтескважины [3, 3!-

зб]; ;■ :

- исследование динамических свойств контура регулирования тока в УЭНДС с учетом способа регулирования и особенностей нагрузки [3, 28].

Таким образом, создание электротехнических систем с УВ для машиностроения и нефтедобычи неразрывно связано с . разработкой и исследованиями объектно-ориентированных серий тнристорных. преобразователей, электроприводов и специальных элект; .¡технических комплексов, а также с разработкой теории, методов исследования и методик расчетов статических и динамических характеристик'рассматриваемых систем.

При решении теоретических вопросов динамики широко использовались аналитические методы исследования линейных н нелинейных импульсных систем, расчеты н моделирование на ЭВМ, теория динамических моделей и двухступенчатая методика синтеза систем с УВ, широко развитые в трудах доктора технических наук, профессора .Поздеева А.Д. и его научной школы. Следует отметить также большие заслуги в решенни практических задач и развитии теории в области создания серий ЭП постоянного тока кандидатов технических наук Донского НВ. и Никитина В.М., принадлежащих, как и автор, к научной школе Поздеева Д.Д..

2. Рациональные структуры систем с УВ для массовых серий ЭП с олно- и двухзанным регулированием скорости, защищенные авторскими свидетельствами и патентами. • .

Система УВ-Д получившая название тирисгорного ЭП постоянного тока, по настоящее время является наиболее массовой » машиностроительном комплексе России и СНГ. За. рубежом ЭП постоянного тока занимали доминирующее положение в 60-80 гг. С начала 80-х годов происходит переход мирового станкостроения и робототехники от ЭП постоянного тока к ЭП переменного тока с бесколлекторными двигателями, позволяющими повысить скорость работы механизмов я надежность электродвигателей. При этом, как в нашей стране, так и за рубежом, ЭП постоянного тока, как наиболее простой и дешевый, имеющий высокие динамические характеристики, находится в постоянном совершенствовании. Так фирма Сименс (ФРГ), являющаяся одним из мировых лидеров в области современных ЭП, наряду с ЭП переменного тока постоянно совершенствует .систему УВ-Д, о чем

свидетельствует выставка "Элг-.:гро-98" в Москве, где фирма представил« новую серию "ЙШОШЗ-ДС-МАЗТЕК" мощностью от 0,3 до 2000 кВт.

Тенденциями развития ЭП постоянного тока в настоящее время являются:

- разработка новых технических решений, обеспечивающих конкурентоспособность

изделий;

- совершенствование структур регул1фозгт£я с применгикем дофро-ая&яоговых принципов;

- улучшение динамических свойств и повышение бистрояействш!;

- повышение диапазона и точности регулирования скорости,

- повышение максимальной скорости; • -

- повышение надежности, в том числе за счет увеличен!« степени интеграции эйемеютэ в силовой части и системе управления;

- улучшение массоггбаритиых показателей;

- применение развитой днагиасгихк, широкой номенклатуры гадит и сервисных устройств,

- примгненче специализированных БИС, ГИС, микропроцессоров и мнкро-ЭВМ.

В зависимости от мощности и функционального назначения разработанные серии по силовой части имеют следующие особенности:

- в ЭП мощностью до 5 кВт применяются одно- н двухфаяше мостовые бестрансформаторные с!1Ловые схемы выпрямления на базе тиристорных м Диодных моду-лей, а также симнсторов [8, 17, 43, 44, 53, 55, 65]. При этом в нгренерсибиых ЭП используются полууярааляемце несимметричные схемы ПУЗ, а в реверсивных ЭП -симметричные УВ, в том числе с искусственных нулевым вентилем для улучшения энергетических характеристик и коэффициента формы тока [66];

- в ЗП мощностью до 250 кВт применяются трехфазные мосгейые схемы выпрямления на базе тиристорных модулей и таблеточных, тиристоров, разуеушяых на общих охладителях [2, 8, 17, 20, 21, 26, 37, 38);

- ЭП мощностью до 500 кВт выполнены из огйове парзламь-ЧоЯ работы вышеуказанных УВ [30].

Ниже рассматриваются новые структуры регул! грогит* серий ЭП, ргарй&танше во ВНИИР при непосредственном участии автора.

2.1. Быстродействующий реверсивный тирчсаоряый ЭП с яынещризгщиев характеристик в рпт и переменкой ееяичиной "люфта" (рис. 3.1).

2.1.!. При построении быстродействующа ЭП осногиоГ! проблемой явяеютсй компенсация вредного влияния неяикейносгей рпт на регулировочные и дшшмгаеезде характеристики УВ и ЭП в цело и. Существуют два пути решения санной проблемы: 1 > Прю1снек!'г принципа соглгсоигяшго упгмпенкя выяркмитмьшы и иивергбрМЫЫ комплектами УВ с исключением рот в зоне работы ЭП зз счет дорогостоящих габ8р!Н«Ы1с урагяительиых реакторов. В этом саучяа в преобразователе протекает ургвкктадьШЙ «мс й осуществляется пракгичежи яниейиог согяа»ж&яаг гарак-гркетнх кошюекгОВ -Гйрйеторов.

Такой способ является силовой лшзевризацией характеристик УВ. Он обеспечивает линейную зависимость внешней и^ = ^д) и регулировочной ид = £(иу) характеристик. 2) Применение раздельного управления комплектами УВ и компенсация вредного влияния р!тт за счет структурной организации управления ЭП. Пои том характеристика = ^а) является нелинейной, а регулировочная ха; '.етгристика и^ = Г(цру) - линейной (где % -¡«апряжемие ка выходе регулятора тока), Послгдаш способ не требует применения уравнительных реакторов, является более экономичным и нашел широкое использование в мировой практике

Реализация данного способа возможна четырьмя вариантами.

Первый еиривнт предполагает линеаризацию регулировочных характеристик УВ за счет организации в САУ дополнительного (внутреннего) контура регулирования выпрямленного напряжения В зтом случае снижаются динамические возможности ЭП (уменьшается полоса пропускания частот примерно в три раза) [ 16],

Второй вариант использует шменение параметров ПИ-регулятора тока в функции скважности тока - так р'.зываемая имгтульснм линеаризация характеристик (работы Кагана В.!. в СССР и Буксбаума в ФРГ) К недостаткам следует отнести наличие помех при переключениях коррекции регулятора, вызывающих в ряде случаев броски тока в двигателе.

Третий вариант предполагает введение в »янал регулирования устройства линеаризации характеристик (УЛХ) - нелинейного звена с характеристикой, обратной регулировочной; характеристике УВ и нелинейной положительной обратной связи по эде в рггт [1, 2, 7, 9, 11, 12,17], В результате общая регулировочная характеристика УЛХ-УВ в рпт становится линейной, что обеспечивает высокие динамические свойства ЭП Такая линеаризация характеристик УВ является параметрической и широко использована в сериях БТУ3601, БУ3609, ЭПУ1, ЭПУ2-2, ЭПУЗ в сочетании с одно- и двухконтуриой системой подчиненного регулирования [1, 2].

Четвертый вариант, наиболее сложный, появился в 80 1 годах (работы Пономаренко А.И. и Грабовецкого Г.В.), основан на применении дискретно-аналоговых вычислителей, например, с использованием моделей УВ.. В этом случае с помощью интегральных вычислителей, работающих в функции скважности тока выходного напряжения физической модели УВ в рнт и зде нагрузки, вырабатывается сигнал, определяющий угол; регулирования в рот и осуществляющий линеаризацию характеристи к системы УВ-Д

В разработках ВНИИ? принят третий вариант линеаризации, как наиболее простой в технической реализации и достаточно совершенный.

Теоретические основы, таких ЭП подробно изложены в работах [1, 2, 7-17]. Структура ЭП отличается простотой. На перэый вход УЛХ поступает сигнал с выхода РС, который несет информацию по току, «а второй вход УЛХ подается сигнал тахогенератора, пропзрциояадшый аде дыпжтедя. Указанные силшш, проходя через соответствующие нелинейные звенья НЗТ и КЗЕ, образуют напряжения ц, 11Е , которые суммируются на сумматоре X, яреершалсь в сигнал управления 11у. Коэффициент передачи ЮТ является

обратным аналогичному для УЬ, т.е. Кнз « 1 / К уд при Е = const. Характеристика НЗЕ при линейной характеристике СИФУ имеет грхсинусную зависимость, сигнал UE является положительной обратной связью, компенсирующей отрицательную обратную связь по эдс в передаточной функции двигателя. Сигнал Ug выбирается таким, чтобы при х.х. двигателя (]d и 0) сумма средних значений сигналов upc, u¡ была близка к нулю. Тогда среднее значение сигнала U¡ определит составляющую выпрямленного напряжения УВ, пропорциональную току двигателя

u¡ =IdR, =u„-E. (2.1)

Поэтому ограничение максимального уровня сигнала Up. при помощи ОТ обеспечивает

также и ограничение максимального тока двигателя (так называемое упреждающее

токоогрзничение). При правильной настройке УЛХ характеристика I¿ =f^UpTj имеет

линейный характер. Как показывает опыт внедрения в промышленность многих тысяч ЭП, высокое качеетрэ переходных процессов с полосой пропускания частот до 40 Гц получается даже при довольно грубой компенсации нелинейностей регулировочной характеристики УВ.

Впервые параметрическая линеаризация предложена в патенте США Ka3649S95 в 1972 :. В работах Поздееза А Д., Донского Н.В. и автора идеи параметрической линеаризации получили дальнейшее теоретическое и практическое развитие, в результате получены два авторских свидетельства на адаптивные устройства управления ЭП, обеспечивающие новы; технические решения [40, 41 ].

2.! 2. Второй особенностью данной структуры является введение в нее устройства рассогласования характеристик (УРХ) вмпря«!ггеля и инвертора УВ. В результате в УТХ вырабатывается корректирующий сигнал дополнительного смещения Аисы, разводящий характеристики комплектов УВ относительно точки »¡анального согпгсвгккя . Этим достигается введение электрического "люфта" в хдргктеристику соглаеоганмя комплектов УВ. величина которого оказыеится переменкой а функция уросня скоро»и двиЛггеля, т.е.

Дисм = Г(п). Введение "люфта", ?ак и бестоковой паузы, приводет к сдвигу обратных АФХ влево, что позволяет исключить автоколебания на основной субгармонике [1,2]. Необходимость рассогласования характеристик с увеличением скорости двигателя вызвана соответствующим увеличением емплнтуды переменной составляющей в еигнаде тахогенератора, вызывающим возрастание сканирования тока двигателя на х.х.. Повышенное сканирование тока (яо номинального значения и выше) приводит к дополнительной загрузке преобразователя и двигателя динамическим током, неравномерному вращению вала двигателя и та* кгзыгаеиому "стуку" в кинематике механизма, имеющего метатачесхий "люфт', "Стук" в ииемггмее мкхшизма приводит к быстрому изяосу редуктора и снижению вздежнэсгн. Виаекяв заекгркчвекога "лифта" в характеристику УВ позволяет исадкгчить автохолгбакмз на основной субггрмонике и устранить чрезмерное сканирование тока. Одагеаз яра этом шиша некоторая неякяейность в регулировочных характеристиках УЗ и es отрнцгтельныв последствия на

динамику ЭП особенно при низких скоростях вращения. Автором совместно с Шепеяиным

скоростях, когда наиболее существенно сказываются негативные явления рпт, использовать

идеальное согласование характеристик УВ, где Дита = 0 н а„ч= , а при средних

и высоких скоростях, когда в САУ имеются большие фсрсировки сигналов и возрастает "шум" в сигнале тахогенератора, обеспечить изменяющееся в фунхции скорости двигателя рассогласоеание характеристик УВ (Дисм^0) с возрастающим "люфтом". Указанная система ЭП защищена авторским свидетельством [51]

2.2. Быстродействующий реверсивный тиристорный ЭП с л ииесризацшй характеристик в рпт с двухступенчатым параллельным токоограничением (рис. 2.2).

Структура ЭП с ПИ-РС, дополнительной связью по току и УЛХ нашла широкое применение в разработанных сериях БТУ, ЭПУ н др. [1, 2, 10, И, 24]. Однако ей присущ недостаток заключающийся в том, что здесь осуществляется упреждающее параметрическое ограничение тока без обратной связи в канале токоограничения, Данная структура не обеспечивает стабильности токоограничения при появлении дестабилизирующих факторов - "менения сопротивления якорной цепи вследствие нагрева двигателя и колебаний напряжен!« питающей сети. Кроме того, из-за неточной аппроксимации характеристик НЗТ и НЗЕ при различных значениях эдс Е, токовая диаграмма 1(1) не оптимальна к отличается от прямоугольной. Следует отметить, что токовая диаграмма несколько исправляется за счет отрицательной обратной связи, однако последняя выбирается из условия получения определенной полосы пропускания частот в рнт и ее величина оказывается недостаточной для обеспечения оптимальной токовой диаграммы. В связи с вышеизложенным автором совместно с Масловсй М.Н. и Ушаковым ИИ. предложена структура с двухступенчатым устройством параллельного токоограничения УПТО [24, 52]. УПТО является регулируемым ограничителем выходного напряжения РС с задержанной обратной связью по току. Данное устройство содержит ПИ-рег7Лятор тока (ПИ-РТ) с дополнительным транзистором \'2 для ограничения выходного напряжения одновременно в РТ и РС. При этом ПИ-РТ является регулятором-отсечкой, вступающим в работ}' при ограничении максимального тока двигателя. Потенциометр Я8 обеспечивает ограничение напряжения регуляторов РС и РТ, осуществляя упрахсдающее токоограничение и приведение в соответствие максимального выходного напряжения РС и РТ в точке т.е. ир= ы;ш. * 1!рт шкс = 1>ажс, Ключ К во

время бестоковой паузы при переключении ЛУ осуществляет обнуление конденсатора СЗ в ПИ-РТ, что исключает "выбросы" тока при переключении комплектов УВ. В данном варианте коррекция узла токоограничения не оказывает негативного влияния на переходные процессы и устойчивость ЭП. В этом случае РС и РТ работают независимо. Такое решение обеспечивает в линеаризованной САУ стабильность токоограничения при наложении дестабилизирующих факторов (уменьшении напряжения сети на 15% и перегреве двигателя до 100 °С). Данная структура в отличие от системы подчиненного регулирования при наличии ПИД-РС в обоих случаях обеспечивает более высокое быстродействие и особенно

В.Ф., Алексеевым В.А. и Ушаковым И И. предложена структура, позволяющая при низких

целесообразна в однофазных ЭП, работающих в основном в рпт (см. хл. 4). В указанных ЭП система подчиненного регулирования работает неудовлетворительно из-за приближенной характеристики УЛХ при относительно большой зоне прерывистого тока (в три раза большей, чем для УВ с гп-6) и высокой степени зависимости характеристик УЛХ от величины эдс двигателя. Структура с параллельным токоограничеиием, более устойчивая в рпт, успешно использована в однофазных реверсивных тнристорных устройствах серии БТО.

2.3. Реверсивный однофазный тиристориыЛ ЭП с цифровым фильтром в цепи датчика тока (рис. 2. 3, 2.4).

Для исключения. пропадания информации по току в бестоковые интервалы в рпт (особенно это важно при П-регуляторе тока) автором совместно в Ушаковым И.И. предложена структура [65], содержащая цифровой фильтр ЦФ в цепи датчика тока, состоящий из запоминающего устройства ЗУ с ключом записи информации К и сумматором импульсов СИФУ для управления указанным ключом. ЦФ в течение времени управляющего импульса или его части осуществляет сброс предыдущей и запись текущей информации в контуре -обратной связи по току, сохраняя регулирующее воздействие на входе РТ.

Рассмотрены варианты использования в качестве ЗУ ЦФ пикового детектора ПД иа основе микросхемы УВХ, а также интегратора И (рис. 2.4). Для ПД время хранения информации равна ^ « Т — Я/2о>0, а для И - бестоковому интервалу ~ Т — X/со0, ЦФ обеспечивает практически непрерывную форму тока в цепи ДТ и исключает потерю информации в рпт В целом ЭП аналогичен рассмотренному выше. При использовании ЦФ возможно обеспечить регулирование тока в рггт даже при П-РТ, что очень важно в ЭП на основе НПЧ, где требуется предельное быстродействие ко1лура тока.

2 4 Гиристорные ЭП, оптимитровептые по .минимуму дтаиичеекгм ошибки ережиме "сброса" нагрузки (рис.2.5).

Автором предложен ЭП, оптимизированный по минимуму динамической ошибки в режиме "сброса" нагрузки [39]. Особенно это важно в нереверсивных системах ЭП с глубоким диапазоном регулирования скорости, в которых отсутствует электрическое торможение {4, II, 39]. При этом, чем меньше величина перерегулирования ДП|, тем меньше площадь под кривой П|({), представляющая собой динамическую ошибку, определяющую угол поворота вала двигателя (рис. 2 .5, б). В реверсивных ЭП величина ДП] остается такой же как и в нереверсивных, но время 1з и угол поворота вала двигателя резко сокращаются за счет электрического торможения.

ЭП содержит систему управления и регулирования (СУР), реализующую любую из вышерассмотренных структур, устройство нелинейной коррекции УНК и схему ИЛИ на входе СИФУ. Устройство УНК содержит однополярный усилитель У, компаратор К и выпрямитель В и реагирует на знак сигнала! ошибки Дп = (113 — п). При появлении перерегулирования по скорости на выходе У появляется сигнал, который ври его величине, большей минимального порога Ц0 компаратора К, приводит к появлению эш выходе УНК

корректирующего сигнала иик. Данный сигнал поступает на схему "ИЛИ", устанавливает в СИФУ угол (Хнаис в 150 -г 160 "эл. с переводом УВ в инверторный режим н рекуперацией электромагнитной энергии якоря двигателя в сеть. В результате быстрого спадания тока имеем минимальную динамическую ошибку Дп (рис. 2.5). После восстановления скорости УНК автоматически отключается. Для исключения влияния помех на работу САУ, которыми являются также "шумы" тахогенератора, порог U0 компаратора может выполняться переменным в функции задающего сигнала. В режиме "сброса" нагрузки без применения УНК динамическая ошибка по скорости становится соизмеримой с отклонением скорости на естественной механической характеристике. При этом величина ошибки возрастает с увеличением нагрузки двигателя, диапазона регулирования скорости, отношения электромагнитной и электромеханической постоянных времени (4, 11]. В САУ с ПУВ, где отсутствует инверторный режим, величина перерегулирования скорости при прочих равных условиях значительно выше, чем в системах с УВ. Следует отметить, что при "сбросе" нагрузки вместе с возрастанием скорости одновременно возрастает противсюдс двигателя, которая на порядок может превосходить напряжение УВ при низких скоростях, что в нереверсивных структурах приводит к запиранию УВ, исчезновению тока и размыканию системы регулирования. В этом проявляется еще одна нелинейность системы, обусловленная вентильными свойствами УВ, которая может привести к потере устойчивости. Данный способ и устройство УНК были применены автором также для реверсивного ЭП [40] и использованы в тирисгоркых ЭП серий БУ, ШУ, ATE, АТРЕЗ, БУВ, ШУВ.ЭПУ1 и ЭЛУ2-2.

2.5. Оптимизированный двухзонныйреверсивный тиристорный ЭП (рис. 2.6).

Структура двухзониого тиристррного ЭП, которая является основной для механизмов главного движения станков, содержит два контура регулирования: канал (№ 1) регулирования напряжения тока якоря двигателя и канал (№ 2) регулирования тока (потока) возбуждения двигателя. Указанные каналы связаны между собой по зависимому принципу через эдс (или напряжение) якоря двигателя.

Канал № 1 аналогичен построению ЭП с однозонным регулированием скорости, рассмотренным выше;- канад № 2 выполнен с регулятором тока возбуждения РТВ и параллельным регулятором эдс РЕ.

Отличительные особенности ЭП:

1) Применение общей СИФУ для якорного преобразователя и тирнсторного возбудителя [17, 25, 45], что обеспечивает простоту, экономичность и высокую надежность системы регулирования ЭП.

2) Применение регулятора эдс параллельного типа [47, 57], обеспечивающего независимость работы регуляторов тока возбуждения и эдс без взаимного негативного влияния их корректирующих цепей на динамику ЭП.

3) Применение устройства лииеаризации в рггг УЛХ и устройства рассогласования характеристик преобразователя УРХ, обеспечивающих высокие динамические характеристики и надежность работы кинематики механизма [51].

4) Применение адаптивного регулятора скорости АРС с введением нелинейного звена НЗ, обеспечивающего повышение коэффициента усиления PC, компенсирующего снижение величины коэффициента Кр разомкнутой системы за счет ослабления поля двигателя. В результате с учетом НЗ коэффициент Кр и частота среза системы œe поддерживаются на допустимом уровне [17]:

сос = аК"юФ » const, (2.2)

где К нз э 1 / ф = f(un ), u^ - напряжение тахогенератсра.

Здесь при работе в первой зоне (Ф = Ф„), KHJ=1, для второй зоны Киз>1. Расчеты и эксперименты показывают, что для диапазона регулирования поля двигателя до 1:5 достаточно иметь 2-3 ступени изменения Кю.

Для обеспечения нормальной коммутации двигателя при ослаблении поля (двигатели серий 2ПФ, !ПФ) необходимо снижать уставку токоограничення, что осуществляется устройством зависимого токоограничения УЗТ, действующего в функции скорости двигателя Ограничителем тока ОТ (рис 2 6) задается максимальный ток двигателя при Ф=Ф» Предложенная структура ЭП обеспечивает оптимизацию переходных режимов и полосу пропускания частот до 20 Гц. По пунктам 1-3 автором получены авторские свидетелсггва и патенты [45, 47, 51, 57].

2.6. Тчристорпьн' ЭП с многофункциональным использованием сглаживающего реактора (рис. 2.7, 2.Н).

В ЭП, особенно однофазных, а также о использованием мгдоиндуктивнкх двигателей (серий ПБВ, 2ГШВ и др.), широко применяются сглмсивающж реакторы (СР), обеспечивающие требуемый козффициент формы тока, внесете использсеание двигателя по моменту и нормальную коммутацию двигателя.

Автором совместно с Чернышевым A.C. предяажйяо многофункциональное применение СР, а именно, кроме • : ювого фильтра нсгоадрить его s информационной части САУ в качестве датчика тока и датчика эде [19, 19, 44]. Дет этого на СР наматывается дополнительная слаботочная обмотка W2 с тем же ннслом гктков, что и сялокЛ обмотка VVi, которая йключгется serpemo сиясеоЯ откосшгелько общем точаш схемы. На ркс.2.7 приведена функциональная сжсмз и^реег-кявиого однозонмого ЗП серии ЗПУ2-1 с обратными свямяи по гоху и капркжеяюо, иарис. 2.? - схема реверсивного однофазного ЭП серии БТО с обратной с.чтыо по эяс иа основе тахометрического моста, в плечн которого включен двухобметочный СР.

В рассмотренных ЭП сигналы, преларцибмгдыше току и эде двигателя, выдовдотса просто без применения специальных дггчиков н без включения о цепь двигателя дополнительных резисторов, сниясажаях кпд

На основании предложенного СР выполнены «ишбаяее ызссовае однофазкы® ЭП серий ЭТ1, БУЭ509, ЭПУ2-1, БТО. Теоретические вопросы структур с двухебмоточиым СР рассмотрены ниже в гл. 4.

3. Динамические свойства и оптимизация замкнутых систем с УВ в режиме прерывистого тока.

Наиболее распространенное представление динамической структуры систем с УВ в рпт до 1973 г. основывалось на квазинепрерывной интерпретации, предложенной A.A. Булгаковым. В этом случае переходные процессы системы УВ-Д рассчитывались по усредненным внешним характеристикам с выделением "гладкой" составляющей Электромагнитной постоянной времени цепи нагрузки Т, и дискретностью УВ прснебрегалось, а их влияние учитывалось фиктивным сопротивлением R ф Для наиболее распространенного на практике случая C0oL>RH,

471 г -

КФ = —• <зл> тк

где L -суммарная индуктивность цепи нагрузки и фазы УВ, X - длительность тока.

В 1973 г. впервые автором совместно с доктором технических наук профессором Поздеевым А.Д. предложена импульсная динамическая модель САР с УВ в рпт с учетом дискретности управления, нелинейности характеристик и фактора пульсации [5, 6] Исследованию динамики систем УВ-Д в рпт посвящена кандидатская диссертация автора [II'], а также ряд последующих работ[1, 2, 7, 9-12, 14, 16, 22, 23].

3.1. Интерпретация замкнуто!) системы с УВ при малых отк-юпеннях в рпт.

При работе в установившемся рпт УВ можно представить генератором импульсов тока длительностью А. и выходным параметром, определяющим поведение системы, считать дискретные импульсы тока, а входной величиной - непрерызное управляющее напряжение Uy или соответствующую ему величину угла регулирования 9 (рис. 3.1). Если изучать не сами колебания, а только условия их возникновения (границу устойчивости), когда рассматриваются переходные процессы при "малой глубине модуляции, то задачу можно

свести к линейной. В этом случае из основных зависимостей i = f(9,£,A.,tg0)n Е = f(9,A,tg8). полученных A.A. Булгаковым, определено приращение импульса тока Ji при бесконечно малом изменении координат рабочей точки УВ (ДЭ 0 —*■ 0, Дс —► 0): ДЫК0е',/Тэс]Э-(1-е-'/Тэ)(к = ДЬ -AU, (3.2)

где Ais, Д18 -составляющие приращения тока (рнс.3.1)

ö d8

= sina° ~s _f£»_ '. ' (33) t=o ш?тз tge' •

где = Л ■ К s - коэффициенты передачи импульсной составляющей тока при

tgO = const ns- const (рис.3.2) ■

Длительность экспоненциальных импульсов Д1» и Д1е

т = ),/ю0 = цТ, (3 -1)

где р = Хш / 2™ - относительная длительностьтоха,

Т = 2х! ш©0. (3.5)

Для переходной составляющей УВ возможно представить звеном с ашиггудко-импульсной модуляцией (АИМ) и двумя формирующим!« злемегггзми, соответствующими Д1зиДи:

Wэ (р) = Те-р <Г'^<Й = -Ь— А - с-нТ/Т,е-цТр| (3 6) КГ

wc (Р) « -щ (Р) = --\у3 (р) - (з.7)

о Р ■ -

При этом импульс тока ¡(1) можно разложить иг. стационарную ] с (I) и переходную составляющие

1(0-МО + дко (з.з)

и первчто учгсть фактором пульсаций Р. Для случая СО 0Ь »К. «¡«пульс Д; & имеет прямоугольную форму, а оператор Wg(p) вырождается в фиксатор с частичным запоминанием на врпля ' — рТ

^э (р) = —--' (3.9)

Р '

Составляющая Д1Е, обусловленная зействкгм прет;"1 >"\"С, учитывается коэффициентом внутренней обратной связи

К,*к/2К1, (3.10)

г1X2 при е«1 и ке

На основании рыщеизложешкзго получены динамические модели УВ я структура замкнутой системы с УВ в рпт (;ч'сЗ.З).

Заегь Ксо, Кмп - соотаетсткепио коэффицнгкты передачи СИ ФУ и масштабный. Фактор пульсаций, учтгты&гклций изменение коэффициента передачи СИФУ при наличии пульсации управляющего напряжения Ну, р.г вен

--___-=rJ-> (зи).

, Ксо - '. , КсоК п '

1+-Шу (0-) 1+-¿4«

ОО Тио0

где и у (0—) - пронзвэзигя уврмдакяцйго кзяряхяюи в мсмгят отпкраккя венгилк 1=0 (прсизвоакая слег-а), Кл - гтдоффшшгнг жшеГямй чггти системы, ¡сг - ток нагрузки УВ, Та - злектрокйггя.чческгя постетпггя времени сястгмы УВ-Д

Разработана инженерная методика расчета устойчивости замкнутых систем в рпт с использованием модифицированного 2- преобразования.

На примере системы УВ-Д с П-регулятором схорссти проведено сравнение областей устойчивости в режимах прерывистого и непрерывного тока. В рпт области устойчивости больше и увеличиваются с уменьшением длительности тока (рис. 3 .4,3 .5).

Получены АОХ системы УВ-Д с П-регулятором и показано, что с уменьшением длительности тока происходит ухудшение динамически свойств системы. Доказано, что при потере устойчивости возникают автоколебания на основной субгармонкке <а rp = та 0 / 2.

Данные автоколебания невозможно объяснить с позиций квазинепрерывной интерпретации УВ.

Из проведенных исследований следует: . I) Предложена нозая интерпретация УВ днехретным звеном с АИМ и формирующим элементом с изменяющимися параметрами (fl,K s , Кс, F) в каждой рабочей точке. 1) Доказано, что в час; <ь,и случае, когда пренебрегается .свойством дискретности, из данной интерпретации следует приближенное представление УВ квазинепрерывным звеном, предложенное Булгаковым A.A..

Для анализа устойчивости и динамических свойств системы с широкой полосой пропускания частот необходимо учитывать микропроцессы в УВ (дискретность, фактор' пульсаций «т.д.).

3 .2. Анализ устойчивости и динамических свойств замкнутых систем УВ-Д е рпт.

С использованием динамической модели САР с УВ н метода Z-преобразавания презедеио исследование устойчивости в рпт одно- и двухконтурных замкнутых систем УВ-Д с обратной связью по скорости двигателя. Для этого определяются передаточные функции приведенной непрерывной части разомкнутой системы в форме "р" и "Z''-преобразованнй Лапласа KF(p) и KP(Z):

Kp(Z) = Z-1Z0=1{Kp(p)} (3.12)

Далее xapaKi мистическое уравнение замкнутой системы

1 + K,,(Z) = anZ" +an_1Zn"i+...+ajZ+a0 =0 (3.13)

исследуется известными алгебраическими (критерий Шур-Конз) или частотными (критерий Найквиста) методами анализа устойчивости линейных импульсных систем. С учетом дискретности, нелинейности и фактора пульсаций получены критерии устойчивости АФХ структур ЭП. Показано, что в одноконтурной структуре с ГШ-регулятором возможна потеря устойчивости с возникновением субгармонических и низкочастотных автоколебаний.

Определены условия устойчивости заданной структуры:

- к субгармоническим автоколебаниям

KiJL<_^L_, (з. и)

' Тм цКдКс-upF

где F - по (3.8), Кя - коэффициент линейной части системы, р =1^2.

- к низкочастотным автоколебаниям

Т,/Т>ц/2. (3.15)

где Т, - постоянная времени цепи обратной связи ПН-регулятора.

Наихудшей по устойчивости является точка граничного режима ц = 1. Обеспечение условий (3.14) н (3.15) при ц = 1 и в =■ 0 для систем с Быврямителмщм режимом работы УВ и Е»—0,4 - для систем с вьшрямительно-ккзерторным режимом, гараятярует устойчивость САР во всем диапазона изиенеявя тола. Как правило, одноконтурные структуры УВ-Д, устойчивые а рнт, сохраняют устойчивость и в рпг(рис. 3.6, 3.7).

Исследования системы покошенного регулирования, устойчивой з рпт показывают, что в последней при |1 < возникают агтоколебахяя.

Условия устойчивости определяет неравенство

Т 2

-;-<К,+.К.2-<-Г~ (3.16)

мЗДТ^+Т,) 1 цК3Б

где Ки К; - коэффициенты линейкой части внутреннего {токового) и внешнего (скоростного) контуроз.

Нарушение левой части (3.16) приводит к низкочастотным авто колебаниям, а правой - к субгармоническим. Для рассматриваемы*, систем получены АФХ (рис.3.7), гдг 1,3 - для системы с ПИ-РС саответспгенно при 11=1 н ¡¡.<1 (К, > ц/2); 2 - для спстеьш с П-регуляторпм; 4 - для системы подчиненного регулирования при Ц. > Ц,.р, 5 - аналогично 4, но при ¡а < (потеря устойчивости).

О результате проведенного анализа показано, что структура УВ-Д с ГШ-регуляторсы и дополнительной связью по току при работе в перемежающихся риг и рга- яздяетея р<1ч.:,'чальмой. Он г, отличается простотой, и в р>гг обеспечяззет примерло ге ;ке динамические кгчесгза, что и система пйачнкекнэго регулняовакня, а в рпт - усгойчизость без перестройки параметров регулятоесз. Осциллограммы потери ус7»3- --.зоста в САР с УВ в рпт для различных структур и акдоз регуляторов даны на рнс. 3 3.5

Показано, что рпт накладывает своя ограничения к< только та уси«: -п«ость САР, но и на качество регулировании: с уменьшений.« ц снижается частота среза системы. Поэтому для повышения быстроде51сггскя необкс^яча оптимшзши структур с УВ о рпт

3 3. Синто замкнутых- -спс/я^м с УВ-Д ачтимюироеанньи по быстродействию в р.ч.-^

Для нанооле; распространенных и рассмотрев!«.« в гл. 3 .2 структур УЗ-Д передаточ12укз функцию ршомкаугой системы в рпт в форме ¿-ггреобразсмшы ивжяо представить а слеа>юше-| виде.

Кг(2)-=2"Кр(г,!) = р\}.0О(2), п.17.1

где Р - нелинейная фу>пщ!и звена-УВ-Д прн е=сспя;

постоянный ко'ффкшдагг, определяй".';« параметрами и падем линейной части сгр\'етуры;

Г>и) - дро'но-раииспальная функция ог 2.

С уменьшением ц уменьшается К 8 и. тем более, Цр). АФХ ргзомгнупис системы при этом смешается вправо (рис.3.7), что в одноконтурных структурах призедот к увеличению згпасов по амплитуде и фазе, снижению быстродействия и ухудшению качества переходных процессов, а в системе подчиненного регулирования - к потере устойчивости. Поэтому для оптимизации переходных процессов в рпт требуется корректировка параметров регуляторов б .'{¡.мк'цип режима работы.

Автором с учетом дискретно-линейной интерпретации УВ проведен анализ и синтез оптимизированных по быстродействию структур УВ-Д В основу оптимизации положены переходные процессы конечной длительности (п. к.д.), которые теоретически возможно получить в импульсной системе при ступенчатом воздействии. Такая оптимизация обеспечивает бесконечную степень устойчивости САР.

Используя условие получения п.к.д., заключающееся в равенстве нулю всех корней характеристического уравнения (гп =0) 1+Кр(г) = 0,

произведен анализ рассмотренных выше структур [1, 11].

Показано, что основным условием получения п.к.д является 1

2 = 77-7=-ГГ-. 3.18)

т.е. для оптимизации необходимо изменять линейную часть системы в зависимости от ц. В . этом случае переходный процесс заканчивается за время 1 £ пТ, причем число импульсов п не превышает показателя степени знаменателя Кр(г).

Для одноконтурных структур с П- и ПИ-регулятором соответственно имеем I

KP(z) =

z—x

(3.19)

(z-l)

где время переходного процесса пря ступенчатом изменении сигнала t й 2 Т.

Оптимизированная система подчиненного регулирования скорости, которая, как и первые, в этом случае является устойчивой при любом значении ц (рис.3.9), при этом

Kp(z)= 322 ~3z,+1, (3.20)

Р . (Z-1)J

a t^3T.

Подстановкой z — eJV (где V — (ВТ - безразмерная частота) в Kp(z) получены АФХ огггимизированных структур. Данные характеристики не зависят от ц (рис. 3.10) и в зависимости от структуры иыеют частоту среза

тш0 • ' ■ • ти.

-—-S <а.п £-s-.

6 " 3

Выполнение полной (статической и динамической) линеаризации характеристик системы в рпт технически сложно из-за нелинейной зависимости. в том числе фактора пульсаций от (л а также из-за необходимости соответствующего изменения постоянных времени в передаточной функции регулятора. Так, например, для ЭП с ПИ-регулятором скорости, кроме основного условия полной линеаризации, необходимо дополнительно обеспечить условие [11]:

TK=T(U0,5и), (3.21)

Опыт показывает, что для улучшения динамики ЭП в рпт достаточно выполнить статическую линеаризацию характеристик УВ без учета (3.21). В этом случае переходные процессы близки к п.к.д (рис. 3.11). При этом статическая линеаризация характеристик системы может осуществляться либо изменением линейной части, либо введением НЗ с коэффициентом передачи

а atg6

Km

К

УВ П. ■

-= jiKjKcoCtgO

(3.22)

где

чувп. цк9ксо

dicp duy

а - коэффициент, КУВП - коэффициент передачи УВ в рпт;при e=const.

Физически это означает, что в линеаризованном УВ, по мере снижения длительности тока уменьшающийся коэффициент передачи УВ компенсируется соответственно возрастающим коэффициентом передачи КЗ. В результате общий коэффициент усиления системы поддерживается постоянным, что повышает устойчивость, качество и быстродействие процессов регулирования.

Из основании вышеизложенного проведен синтез оптимизированных по быстродействию систем УВ-Д и в соавторстве с Поздеевым А Д. и Донским Н.В. предложены новые линеаризованные структуры ЭП [1, 2, 7, 17, 41, 42], внедренные в сериях БТУ.'АТР ЭПУ1, ЭПУIM, ЭПУ2, ЕГО, ЭПУЗ.

На рис. 3.9 приведены осциллограммы автоколебаний в рпт и исключение их в линеаризованных ЭП.

3 4. Линеаризация регулировочных характеристик УВ в рпт.

Рассмотрены вопросы линеаризации характеристик УВ для наиболее часто встречающегося на практик? случая tC0L»RH (рис. 3.12-3.14).- Линеаризация характеристик УВ в рпт основана наследующих зависимостях [И]:

Ф = Фе + Дф8 =f(Uv)

3 = 3E+Aip=f(Uv)

Uv = Uyc + Uyi - Uc« n 7Z Я

» = --a = <p--=

2 m

Kccll..

(3.23)

(pt = arcsins - составляющая угла <p, определяющая л.эдс е;

Д<pg - прирашеиие угяа (f> .опредюгмсщее среднее значеине тока icp.o при e^const;

lbs ,Uyj - состгзляющи» напряжения управления и у, определяющие состветствег' о величины <рЕ и Дфг (рис. 3.14);

Ucm ~ It / m - напряжение смещения.

Для оптимизированной структуры с линейной СИФУ (Ксо = I) сигнал, определяющий токврпт

Цуш = A(pg (3.24)

или в абсолютных величинах:

«уш =-ДфЕЧу,т' (3.25)

71

где !iyim - амплитудное напряжение СИФУ, соответствующее 3 = 0(~). В линеаризованной структуре (рис, 3.15)

Uy = KiDUpi - и« + uyE = S / Ксо , (3.26)

где в соответствии с [И]

(3 27)

dupi Kcodupi dicp

Up = icp —tgO - среднее значение тока по универсальной токовой диаграмме, m

Из (3.27) найдем напряжение на входе НЗ:

im mctg& г* Upi = =—=—= — —lcp • (J.2S)

KcoKm 7tKcoKm

или в абсолютных величинах при. Ксс = 1 . . 2mctg9 т-

"Pi= 2\s Ц)тп'Ф (3 29)

51 Km

Зависимости (3.24) и (3.28) определяют масштаб Щ по оси абсцисс и ординат (рис.

• . - • 3.16). Анализ показывает, что при m > 2 и tg9 > 5-s-7 величина A(pgXp = f(icp) при Б — О

менее, чем на 10% отличается от случая tg6 = со. Характеристика управления линеаризованного УВ в рпт приведена на рис. 3.17.

Коэффициент усиления УВ в граничном режиме ()Л = 1) "слева" определяется по (3.22), а справа (рис. 3.12)

Кув.н = KcoKmcpsSlp (3.30)

При &гр = 0 (arp = IX / 2 и S s 0) имеем:

Кув.н = КсоКга (3.31)

Для линеаризованного УВ

Кувл = КтКувп = а = const, (3.32)

и приравнивая коэффициенты Кув в граничном режиме "слева" и "справа", имеем:

Кувл =KeoKmcos&rp = KyBJ1 =а (3.33).

Для случая Е = 0 при $гр « О и КСо = 1 (линейная СИФУ) найдем а = KtoKm = К_.

(3.34)

4. Некоторые вопросы динамики одно-, дву»- и трехконтурных структур УВ-Д в режиме непрерывного тока с различными типами регуляторов и видами обратных связей.

Ниже проведены сравнительные результаты исследований предельного быстродействия одно-, двух- и трехконтурных структур ЭП с обратной связью по скорости в рнт [16, 24]. Рассмотрены вопросы оптимизации ЭП с обратной связью по эдс, в том числе с использованием сглаживающего реактора многофункционального назначения [18, 19].

Приведены результаты исследований динамики оптимизированных систем в режиме "сброса" нагрузки [4, 11]. Получены максимальные частоты среза аср и резонансные частот i.i ы р из условия отсутствия субгармонических автоколебаний по отношению к наиболее распространенной базовой системе подчиненного регулирования (вариант 1), для которой АФХ имеет вид [1,2, 24].

WP2(JM) = -

'ср

А Ü>j

-J

Аоз

Вса

з

ср

aV

= Re, + j Im,.

(4.1)

Предельное значение м™х определятся с использованием обратных АФХ УВ с раздельным управлением. Они имеют вид прямых, параллельных оси ординат, пересекающих вещественную ось в точках с координатами (-_)0), где п г номер субгармоники; для которой действительна данная АФХ [1, 2]. Условие отсутствия автоколебаний с номером гармоники л в общем виде:

1

Re[WpJ(jo>n,ütp)]=Re

(4.2)

LWyB(j»n)_

Для УВ с ггрЬ наиболее критична шестая субгармоника, для которой Re6 = 1 [1]. Тогда из услоьня (4 1) найдем

Re, =

со

ср|

а

<1,

(4.3)

где О),, = со 0 - круговая частота сети.

Откуда, для рекомендуемой в [1, 2] настройки САУ с коэффициентами А-0,823 и В=0,2 имеем:

, махе

0)

cpl

<0,91.

<0,

(4.4)

6

ч

При соотношении между частотами среза и резонансной 0)ср/(0р=1,17 [24] из (4.4) получаем известное выражение [1, 2]

= 0,77.

(4.5)

Здесь индекс при СЭ£р обозначает номер варианта анализируемой структуры (1- система

подчиненного регулирования с ПИ-РС, 2 - одноконтурная система с ПИД-РС, 3 - система подчиненного регулирования с ПИД-РС и ПИ-РТ). ■

4.1. Предельное быстродействие структур с ПНЦ-регулялгорами скорости. Исследование структур ЭП с ПИД-РС выполнено автором совместно с Ушаковым И.И. [24].

4.1.1. Одноконтурная САУ с ГШД-регулятрром скорости. Передаточная функция ПИД-регуяятора (рис. 4.1, а).

ТкР - ТкР

(4.6)

где Тк ,ТД - постоянные времени интегральной и дифференциальной частей регулятора.

Передаточная функция разомкнутой системы по скорости при компенсации постоянной времени Тэ (Т*! = Тэ ):

тЛр

Ьр э

ср

где

тмтк'

(4.7)

(4.8)

• частота срезз разомкнутой системы, Ь = ©^Т*. АФХ разомкнутой системы в точке "2"

" V

Шр2(]а>) = —^ -^ = Не, + у 1т,

Ьа

О)

(4.9)

Соотношение предельных частот среза структур по йариантам 2 и 1 находится из

условия равенства вещественных частей АФХ по (4.2): ±........ .........2

А

С,, иакс^ ср1 2 1 (,<макс Л юср2

1 « ) " Ь 1 Шп )

откуда

Чр2 макс ср1

(4.10)

При Ь=2, А=0,823 и / О ср| = 1,56. Следовательно в данной структуре полоса

пропускания примерно в 1,5 раза больше, чем в базовой структуре 1, или

со^ <П,42о>0 (4.П)

При учете бесгокозай паузы длительностью 1 не при переиаочекяи кокплегтев вентилей УВ имеем:

Яе6 = 1,35 [1], тогда (а^ <1,650),, (4.12)

. 4.1.2. Двухконтурная САУ с ПИД-регуяягором скорости. Передаточная функция разомкнутой системы по скорости (точка 1 иа рис. 4.1, б) с ПИД-РС при Т; = Т3, Т! = 'Ц, имеет вид:

ТмТкр-К_

ЬС V К 11

где <ос -—' ** ' ' (4.14У

КтТмТк

- частота среза разомкнутой системы.

т

Ь - СО ^Тт, Тэ = —-? '," - постоянная вргмеив контура тска.

«¡КуКт

Передаточная функция системы, разомкнутой в точке 2

" т;р т;т,Р-

и АФХ

' щ=р игр . | 1

ТэЬаГ}

Из условия равенства аешестгекных частей разомкнутой системы по вариантам 3 и 2 имее-л соотношение предельных частот этих структур

^Гр2(^а>) ~ И1 -згЧ! »Ке3+Лт3. (4.16)

' ■ г.) ■ " 1 ■ 1 "

- = У1-аЬ, (4.17).

где Я =--—, 0 = 0) 312.

®срЗЬ

Соотношение предельных частот среза структур по варагшам 3 и 1 определяется из

(4 10), (4.17)

м2кс , ~

' (4.18)

а™ -Л - аЬ \ А При настройке на широко расярвстргнташ евгаяетричшй оптимум а=2, и Ь-2 имеем.

,, юи: , ,, uaic

ÜEEi. 1-0,45; ^ = 0,7 (4,9)

"Л ■

Таким образом, для рассмотренных выше структур (варианты 1-3) соответственно имеем

ш,

, = 0,91и0, о 2 = (1,42 - l,6ijia0, мсв, = 0,64ио.

Следовательно наибольшую полосу пропускания и быстродействие можно получить в одноконтурной САУ с ПИД-РС (теоретически частота среза до 70-80 Гц), в то время как в системе подчиненного регулирования с ГШ-регулхторами скорости и тока она составляет 45 Гц. Применение в последней системе ПИД-РС понижает полосу пропускания до 32 Гц. Из вышеизложенного (п 4.1) следует, что применение предложенной одноконтурной структуры с ПИД—PC с двухступенчатым параллельным токоограннченнем [24, 52) позволяет повысить динамические свойства тиристорных ЭП постоянного тока по сравнению с существующими структурами примерно в 1,5 раза

4 2. Пробельное быстродействие трехконтурнои системы подчиненного регулирования В ЭП наряду с ш:.г-ко распространенной двухконтурной структурой подчиненного регулирования нашла применение трехконтурная структура с дополнительным контуром обратной связи по напряжению УВ (рис 4 18) Контур по напряжению введен с целью линеаризации характеристик УВ при работе в рпт Анализ выполнен в рнт с дополнительной проверкой устойчивости ЭП в рпт. Исследования трехконтурной структуры выполнены автосом совместно с Веселимым В.А и Поздеевым А.Д [16]

Проводя последовательные. преобразования контуроЕ структурной схемы для разомкнутого контура скорости в рнт имеем

, , KoK^CIYp-r 1)

W , (р) =- ^ -—. (4 20)

р1 КтТкТир (Т,р-т 1)

где Т; =Т3/КтК;КнКуЕ (4 21)

Для дальнейшего анализа, аналогично [1,2] вводиться понятие резонансной частоты

"ар=С/Т'э = СКтК^„КуЕ/Тэ (4 22)

п безразмерных коэффициентов А = 0,823, В = 0,2, С = 0,7, обеспечивающих оптимальные переходные процессы в соответствии с точкой 2 диаграммы качества Передаточная функция линейной части структуры, разомкнутой на выходе УН в точке 2 (рис. 4.2, в)

W2(P)-K,Kvb

кдн KjCTiP+l)

If J. V Y (ТкР+1>

т + K-oc1>ic 2

Т*Тмр .

(4.23)

(Тфр+1 Т;р(Тэр+1)

Заметим, что из <,4.23) можно получить аналогичное выражение для двухконтурной структуры подчиненного регулирования, если принять К„ = I, Кд,, = 0 и Т^ = Тэ . ■

Для трехконтурной структуры Тф = Т, и из (4.23) имеем:

&увКддКн Т.Р+1

1 +

К,К,(Т|Р»Р

1 +

К,К, (Т.р+1) кт Т,Тырг ,

(4.24)

Подставляя в (4.24) зкачепия параметров,-выраженных через ор и коэффициенты А, В, С получена АФХ [16]:

а

ю V

С2а2

А+-

¡а>Л С2®2) Сю I С2а>2) Т\соД С оа у

(4.25)

где и) - текущее значение круговой частоты.

Таким образом, является функцией переменной о, бпрсзмгркых

коэффициентов А, В, С, резонансной частоты 03 р и постоянной времени .

С исг. ьтьзованкеи пояучекмой АФХ лмкгйной чггти системы и обратных АФХ УВ определены максимальные значения частоты (¡¡рдода для ряда субгсрмоиик п. Наярямер,

для наихудшего слуп&я по устойчивости, когда "люфт" в хергхтеркстиках согквсошгил комплектов УБ и бестококая п:уп при их переключеж« отсутствуют частота Ории^, для кажд?н суёгармонкки определится аналитически путем., подстаиоскн в (4.25) фиксированных значений частот субгармоник (рис. 4.2) <о =(йп = о0т/п

и приравнивая действительных частей (4.25) и обратной АФХ УВ ка соответствующей

субгармонике при Т( = сом!, т.е.

I

0».,в,,,)]-Ке

(4.26)

„^вСЮ.

В .табл.4,1 приведены в£пнч:-ты / Ос для реверсивных двух- и трехкоктуркых

ЭП с гп=6 и ряда значений Т| -(0,5-г2О)мс, полученные расчетом на ЭВМ- для двух случаев: а) при отсутствии "люфта" в характеристике УВ; 6) с "люфтом"' и паузой т0 = 0,5Т лрк подключении кэмпяеитов. В числителе каждой строки таблицы указаны значены ш р, „шс / со 0 для случая а, в знаменателе - да» б.

На рис. 4.3 для худшего случая по устойчивости (ИраМисминимально), который имеет место в случае "а" для суСгзрмоиикн пи3 по данным тгбя. 4.1 построена функция 0)рпШ|!С /О0 = (краш 1). Здесь без принятии специальных мер,

компенсирующих незкнейиость характеристик в рот, система оказывается неустойчивой А субгармонике с п = 2 и происходит сканирование системы - переключение коШШДОЬ У6, Автоколебания с п = 2 возбукдеизтса при отсутствии внешнего возмуШМШ (1Ш*09 возбуждение), а с п 2 3 - при нх наличии (итгоколебсядо с жестким возбужДекаем).

Таблица 4.1

©ро.шю/й>0

Номер Двухюнгуркая система ЭП Трсхкшпурнаа система ЭП при Т, , мс

субгармоиики л без "люфта"

0,5 2. 5 10 20

2 0 0 0 0 о 0

1.54 1,75 1,88 1,97 2,0

3 1,01 0.167 0,51 0,74 0,85 0.9

0,85 1,17 1,37 1.46 1,51

4 0.938 0,151 0.477 0,7 0.807 0.862

0,59 0.94 1,15 1.24 1.29

5 0,86 0,120 0,419 0,637 0.737 0.791

0,42 0,734 0.94 ш 1.078

6 0,77 0.109 0,364 0,568 0,666 0.717

0,30 0.57 0.77 0.85 0.9О5

8 0,69 0,084 11 0,435 0.579 0.62Л

0.277 0,455 0,615 0.697 0.744

Из табл. 4.1 видно, что минимальное значение ©рпмакс IО0 соответствует наибольшим

п т.е. максимальная полоса пропускания линейной части ограничивается областью устойчивости самой ншкой из субгармонических частот, на которых могут возбуждаться автоколебания. С ростом Т; значения ©рПММ(С / С£>0 увеличиваются, стремясь в пределе

при Т; —> со к соответствующим значениям для двухконтурной структуры (рис. 4.3, кривые 2-5).

Следовательно, по предельным динамическим свойствам трехконтурная структура ЭП хуже двухконтурной и только при Т| —со (практически при Г, > 20 мс) приближается к последней.

Важно оцсшггь значения Т; в реальных ЭП. Постоянная времени зависит от Тэ и результирующего коэффициента передачи внутреннего контура напряжения

К^К.КувКда: .

т,«тэ/(1+к;) (4.27)

Окончательное определение величин Т( и С)рпм<1ю: / С0о возможно только с учетом

анализа устойчивости ЭП в рпт.

В связи с вышеизложенным рассмотрим один из наихудших случаев по устойчивости в рпт, когда эдс двигателя Е ~ 0. Поскольку при синтезе трехконтурной системы Тф — Тэ,

то при Е * 0 сигнал обратной связи по напряжению УВ на выходе фильтра будет совпадать по форме с током двигателя и иметь прерывистый характер. Следовательно, в момент

формирования управляющего импульса (¡ = 0), иое(пТ)=0 и при безынерционном регуляторе напряжения РН обратная связь по напряжению в рпт не оказывает регулирующего воздействия. В результате трехконтурная система приводится к двухконтурной, имеющей на входе УВ дополнительный усилитель с коэффициентом передачи К,. Условия устойчивости двухконтурной структуры я рпт, полученные в [1, 2], для трехконтурной структуры будут отличаться только.наличием коэффициента К», т.е.

_1_< КирКСТ*С1КТКН Г_1 + <— (428)

ик;(тк+т,)р . «0ту 1ту кттм; цк;тт

где обозначения в соответствии с [1, 10,11].

Левая часть (4.31) определяет условия устойчивости к низхочасготным самовозбуждающимся автоколебаниям, а правая - к колебаниям на основной субгармонике. С уменьшением д до критической величины нарушается левая часть неравенства.

Обе структуры имеют общий недостаток, заключающийся в возможности потери устойчивости и появления в рпт низкочастотных автоколебаний при некоторых значениях (а < и к р, соответствующих нарушению левой части неравенства.

11з правой части неравенства для наихудшего случая по устойчивости на основной субгармс::ике, который имеет место при Ц = 1, получена кривая 2 (рис.4.3), лежащая выше кривой 1 и по сравнению с рнт не вносящая дополнительных ограничений по устойчивости. С использованием левой части неравенства для различных значений Цкр построены

зависимости ОрЯ «акс ^ио = ПТ,) - кривые 3 и 4 (заштрихованная область кривой определяет неустойчивые режимы). При этом для нахождения следует задаваться величиной минимального тока нагрузки Гмиа,'выше которой должна обеспечиваться устойчивость ЭП. Связь между р и минимальным средним значением тока нагрузки 1мнн для рассматриваемого случая Е =0 имеет вид [1, 16]:

1„,.„Я тХ"

— ■ К Ш ■ ~ _

Ет 24тш0Тэ

Кривые 3 и 4 получены для (Хкр = 0,37 и 0,465, что для двигателей серий П, 2П, ПЕСТ и др. и УВ с 1П--6 соответствует 1мин = (0,025 н- 0,05)1н. Пересечение кривых 3 и 4 с кривой 1 определяет общие области устойчивости (са^; и Оа2С2) трехконтурного ЭП при работе в перемежающихся режимах прерывистого и непрерывного токов. Точки пересечения кривых 8| и а2 определяют интересующие нас значения Т;, соответственно равные 1,2 мс и наибольшие величины / С0о » 0,2 + 0,28.

Таким образом, в трехконтурмой структуре ЭП, если исходить га устойчивости в прерывистом режиме, имеем 0)рша;« (ОД -г 0,28)гао. По сравнению с двухконтурной

системой, для которой в рит ©р.щщ;я0,69шо (табл. 4.1), в трехконтурной -

быстродействие снижается а 2,5+3,5 раза. Поскольку здесь Т, « Тэ (в даухковтурной

системе Т; = Тэ), то величина Цкр для трехконтуриой системы существенно снижается, а

зона устойчивой работы ЭП в рлт расширяется. Однако оптимальное решение вопросов устойчивости и быстродействия дают системы с компенсацией нелинейности характеристик

УВ в рггг.

4.3. Динамические особенности сист. мы УВ-Д при использовании сглаживающего реактора в ее информационной части.

Как было рассмотрено в главе 3 сглаживающий ргалтор в ЭП может выполнять функции датчиков тока и эдс.

4.3.1. СР в качестве датчика тока

На рис.4,5, а и б изображен двухобмоточный СР со схемой замещения. Здесь: Ь, = Ь2 = Ь ■ индуктивность соответственно обмоток V/, к \У2; М = 11-2 = Ь -взаимная индуктивность обмоток СД при единичном коэффициенте связи между обмотками;

Г! - сопротивление обмотки ДО^ Г2 - суммарное сопротивление в цепи обмотки \Уг; 1| ,Ь -то. соответствующих ои.моток и 1 - ток двигателя

Для рассматриваемой цепи имеем следующие уравнения [ 18, 19].

Й С!?

. <1ь »,<111 и, = г,1, + ъ,—М—*■

122 Л Л

(4.29)

и2 _ г2'2

Решая (4.29) с учетом И Г2 » Г), получаем:

и2 = Г2Ь »IV (4.30)

Таким образом, включая последовательно с обмоткой V/: резистор и измеряя на нем падение напряженияи2, получаем информацию о токе двигателя 1 с необходимой точностью. Практически величина и2, равная падению напряжения от тока двигателя на внутреннем сопротивлении обмотки в ЭП мощностью до 5 кВт составляет около 3 В при номинальном токе. Форма напряжения и,(0 совпадает с формой тока двигателя 1(1).

4.3.2. СР в качестве датчика эдс

На рис. 4 4, б и г приведена принципиальная схема датчика эдс на базе тахометрического моста (ТМ) с использованием двухобмоточного СР, потенциометра Я и якоря двигателя Д. Здесь: Ья - активное сопротивление и индуктивность якоря

двигателя; Е - эдс двигателя ; Иг - плечи потенциометра ( в плечо Кг входит

также внутреннее сопротивление обмотки \У2); Ц =1, ¡2 - ток соответственно в обмотках

XVI и цд - напряжение на якоре двигателя; и^ - выходное напряжение

тахометрического моста. Аналогично (4.29) имеем:

ц^Е+Ч^+г^ + ^. + Ь^+М^,

. Л-, &

а

(4.31)

'тм = ид -»2^1.

сГ

ид = Е + Ь;

(11

Я,!

Из (4.31) с учетом условия статической балансировки датчика здс (обеспечение нулевого вьгчодного напряжения при Е=0 и о=0)

а,я, -я1Г, ■ (4.32)

окончательно получим:

а,

"ТМ(Р):

я

■[Е(Р) + Ь1Р1<Р)]:.

(4 33)

Гак::;.! образом, выходное напряжение датчика эде пропорционально Е и производной тока двигателя..Наличие производной по току позгатяет улучшить динамические свойства ЭП. [1.2]. № уравнений (4 31)легко . получить - аналогичные зависимости для распространенного' на практике случая, когда в качестве одного ¡о плеч тахометрического моста используются.- . дспзлнитедьиые' полюса двигателя- - с "ндуктизностью и сопротивлением п. Для зтого в (4,31) следует прн.'аггь ь^-МЧ), в результате

аналогично (4.33) получим:

™ КчК. * 1-1

ей .

-1

(4.34)

Очевидно, такси тахометрический мост теоретически может быть сбалансирован не только статически а соответствии с (4.32) но и динамически из условия:

=0 или Тя =Ь,/Яя =Т1 = Ь,/г, (4.34, а)

Одмхо выполнение (4.34, а) практически переалюуемо, т.к. после статической балансировки (регулировки плеч Я, и й.:) потребовалось бы, например, при заданной величине ¡-^ плавно регудирсоат* Ь), >гго прак-шческя невозможно. Реально

И, Ья ^ Ки с учетом (4.32) аналогично [4.33] для данного случая имеем:

игм(р) = + -|11-1)р!(р)

(4.35)

6Х К

Нз сравнения (4.33) и (••.35) следует, что при использовании в качестве одного из плеч гагсомстричсскогз поста дополнительных полисов доигателя составляющая гибкой

отрицательной обратной связи по току в сигнале U^ (р) уменьшается. А при ri«R s и возможно R,L >, R2L,, что приводит к изменению характера гибкой связи по току: она вместо отрицательной может превратиться в положительную. Это имеет место также в случае, если в качестве плеча тахометрического моста использовать обычный однообмоточный СР, индуктивность которого L | по сравнению с величиной L ^ довольно

велика Заметим, что сигнал эдс возможно получшъ, кроме тахометрического моста, также при покоши сигналов по напряжению и току двигателя {рис. 4.5, а).

Предложенные автором совместно с Чернышевым A.C. [44] идеи по расширению функциональных возможностей СР в ЭП были технически реализованы в сериях однофазных приводов ЭТ1, ЭПУ2-1 и тиристорных устройств БУ3509 и БТО. Указанные ЭП и устройства отличаются простотой, массовостью и низкой стоимостью.

4 4. Оптимизация тиристорного ЭП с обратной связью по эдс.

В тиристорном ЭП широкое распространение получили системы с обратной связью по здс двигателя (рис 4.4), Преимуществом таких систем является отсутствие тахогенератора.

К данному классу относятся две группы ЭП. с тахометрическим мостом,

с отрицательной обратной связью по напряжению и положительной связью по току iiR - компенсация).

Наиболее массовое применение указанные ЭП нашли в сериях ЭТ1, БУ3509, БУ3609, ЭТУ. ПТОР, ЭПУ1. ЭПУ1М, ЭПУ2. БТО

Большое значение в исследовании ЭП с обратной связью по эдс имеют работы Каспаржака М.Г. Гранитова Г.И., Позднякова О.Н., Насибулина Х.А. и др.

Автором определена оптимальная структура ЭП с обратной связью по эдс и проведен анализ динамики с учетом специфических . свойств УВ, в том числе при многофункциональном использовании СР. В качестве оптимальной принята структура, описываемая дифференциальным уравнением не выше третьего порядка. В этом случае ЭП с обратной связью по эдс по динамическим характеристикам подобен ЭП с обратной связью по скорости двигателя.

4.4.1. ЭП на базе тахометрического моста

Как показано в [19] и разделе 4.3 при статической балансировке тахометрического моста зависимость (4.33) является общей для ТМ, выполненного как на основе резисторов, так и на базе дзухобмоточного СР. В случае полностью сбалансированного тау.моста (по статической и динамической составляющим), что например, может быть выполнено включением конденсатора С0 пярадлсдъно рсзистору (рис. 4.4, б) [19], имеем -

"™(Р)=Г^-Е(р) (4.36)

1+ТэР

Условия полного бапаисатахоыоста:

R,i,=22Zt (4.37)

где и Zя - соответственно комплексные сопротивления противоположных плеч Я0, С0, Из и якоря двигателя (рис. 4.4).

В случае полной балансировки тахомоста сигнал 11^0) имеет "гладкую" форму ё фильтр в цепи обратной связи не требуется.

1) При статической балансировке тахомоста для исключения пульсаций в сигнале в цепь обратной связи ЭП включают сглаживающий фильтр Ф с передаточной функцией

^ф(Р)=ГГ~- (4-38)

ТфР + 1

Для рнт линейную часть ЭП со статической балансировкой тахомоста можно представить согласно рис. 4.5, где Wp£(p), ^/рт(р),У/уц(р) - передаточные функции соответственно регуляторов эдс и тока двигателя, а также УВ; Тэ, Тм - электромагнитная и электромеханические постоянные времени двигателя; К, - коэффициент обратной связи по току. В этом случае для внутреннего контура имеем дополнительную составляющую по току с коэффициентом передачи

(4.39)

ТфР+1

Оптимизируем токовый контур 1 из условия компенсации постоянных времени Т; = Т,, как это выполняется в системе подчиненного регулирования. Тогда в случае ПИ-

регулятора эдс имеем:

™РЕ(р)=КкЬ^ (4.40)

ткр

т Тк ТфР+1

Передаточная функция разомкнутой системы в точке 1 (рис, 4.5, в) ■

Кр(р)= ■•• ■ (4.42)

КоТМТкР (Т0Р+1)(Тфр+1) ;

где Т0=Т,/КУВК1К0>К, = Кт + К^.

Из (4 42) следует, что , когда тахомост динамически разбапансирован и в цепи обратной связи ЭП установлен фидмгр, обеспечивающий сглаживание пульсаций и требуемую статическую точность САУ, передаточная функция имеет ЛАЧХ типа "2-1-2-3", а условия устойчивости определяются характеристическим уравнением четвертой степени. В соответствии с вышеизложенным такой ЭП не является оптимальным. Эффективным способом оптимизации является введение на вход РЕ гибкой положительной связи по току, которая компенсировала бы действие составляющей КТэрф) в (4.33). В этом случае К ^ = 0 и необходимость в фильтре \У®(р) в цепи обратной связи по эдс отпадает. В результате аналогично (4.42) для оптимизированной системы получаем

К„(р)= «^р+О

КтТмТкр2<Т0р+1)

что совпадает с аналогичным выражением для ЭП с обратной связью по скорости двигателя.

2) Для тахомоста с полной балансировкой имеем структуру, в которой К^=0,

К0 = Кт и Тф = Тэ. Такая система также не является оптимальной. Оптимизировать

структуру можно в случае применения ПИД-регулягора аде. В результате Кр (р) совпадает с

(4.43). Таким образом, оптимальной структурой является: ЭП с полной балансировкой тахометрического моста й ПИД-регулятором эде; либо ЭП со статической балансировкой с ПИ-регулятором эде и гибкой положительной связью по току на вход РЕ.

4.4.2. ЭП с обратной связью по напряжению и ¡К- компенсацией.

В [19] показано, что. структура сК> компенсацией приводится к рассмотренной выше при К^ = 0 и Тф = ТЭ .{рис. 4,6). Условием оптимизации данной структуры являются наличие ПИД-регулятора зде ифкльтрав цепи обратной связи по напряжению с постоянной времени Тф = Тэ. Особенностью ЭП с обратной связью по эде (в отличие от ЭП с обратной

связью по скорости) является необходимость стабилизации тока возбуждения двигателя, что обеспечивает стабнльность скоростн .при изменении напряжения сети и нагреве обмотки возбуждения. Таким образом., динамические свойства оптимизированных структур ЭП с обратной связью по, эде аналогичны таковым с обратной связью пО скорости. Однако данные системы имеют ограниченный диапазон регулирования скорости (практически до 1:50) из-за известныхпогрешностей параметрического датчика эде.

4.5. Оптщ(тациянерёверсйш>г<)тцристрряого ЭП в¡гежиме "сброса"нагрузки.

Как показано выше в гл, 2, при оптимизации системы УВ-Д в режиме "сброса" нагрузки на основании {ф&цожёцрогфдвта^ подучи«. минимальную величину

перерегулированш!-скоростз.^'этом.Случае динамическаяошибка по скорости тем меньше, чем интенсивнее спадает токдвигателя. В системах С полуупраздяемыми выпрямителями (ПУВ) динамическая ошибка машгтельно вЦц1йучем.в системах с полностью управляемыми УВ, что обусловлено .режимом инвертирована в последних. В [40] проведен анализ величины ■перерегулирОваВДя'.пй Скорости при различных типах УВ с применением данного способа,, исключающего инерционность канала регулирования. Из уравнений для системы -УВ-Д при "сбросе." нагрузки на участке Спада тока в безразмерном виде имеем , а) для ПУВ ■ ' . ■

(12У ¿V • ---(- т —

сш2 ае

¿V .

I ~ Т-+ Ду0 (4.47)

б)ддяУВ

с! V ¿у

т—г + т — + V = -(В+ Д V.), {А.щ

Й62 ¿9

где

в=Ц1,ясшама^ Сепн '

Т

Т = —- отношение электромеханической и электромагнитной постоянных времени

двигателя; П

V = — - относительная скорость двигателя;

"н

I 111 -1 =-- относительный ток;

С=пн

м.я _,

¿д у0 =-и- - относительное падение скорости на естественной характеристике

С„Сепн

двигателя от остаточного момента Мо; 0 = - относительное время.

Уравнение (4.47) сохраняет свою силу и для случая УВ. При "сбросе" нагрузки и срабатывании УНК для ПУВ имеем = 0; для УВ Ц^ = сОБа^^. Анализ проведен для наиболее распространенного на практике случая, когда корня характеристического

уравнения

хр2+Тр+1 = 0 ' ' (4.49)

являются комплексными сопряженными, т.е.

' р12=-0,5 ■

V 4т

В этом случае решение уравнения (4.46) относительно скорости для ПУВ имеет вид:

V = Ае-0,56 зт((39 + у) - Ду0 . (4.50)

Постоянные А и у определяются с у<«Я№ начальных условий: при 0 = 0, у(0)=1/Д и 1 = 1(0) = Дуя, где Д - диапазон регулирования скорости ймпЧЯЗДЯ;

Дун - относительное начальное ггайени» сйорвсти на естественной характеристике двигателя.

Время 6т, при котором скорость достйравт зкйгремума Уш, определяется из (4.50): 9т=±(8-у), (4.51)

где 5 = ап^2Р.

По формулам (4.50-4.51) рассчитывается максимальная скорость и максимальное

перерегулирование:

П = (4.52)

Аналогично решая (4.47) с учетом начальных условий, для УВ имеем:

у = Ае~°'565т(рв+у>-(} + Ду0) (4.53)

На основании полученных соотношений на рис. 4.7 показаны рассчитанные на ЭВМ кривые изменения скорости при "сбросе" нагрузки. Кривые построены для различных значений Д и т при Мнач "Мн и Мо=0,1Мн Жесткость естественных характеристик двигателя принята в среднем равной 7%, т.е. Ду11ач =0,07; Д^=0,007. Из анализа и экспериментов следует, что в системах с УВ при глубоких диапазонах регулирования относительная величина максимального перерегулирования может быть получена на порядок меньше, чем в системе с ПУВ (рис.-4.8). В ЭП без УНК вследствие инерционности канала регулирования величина перерегулирования скорости значительно больше, чем в рассмотренных выше случаях. Расчетные данные по номограммам будут тем больше совпадать с экспериментальными, чем больше величина - ТЭ6ГО по сравнению с периодом дискретности преобразователя.

5. Параллельная работа тиристорньн преобразователей в электроприводах постоянного токи.

В ЭП серий ЭПУ1, ЭПУ1М, ЭПУЗ возникает задача повышения мощности за счет параллельного соединения тиристорных преобразователей (ТП) Имеется ряд особенностей в части построения системы управления и электромагнитных процессов при делении токов.

В работе [30], выполненной автором совместно с Михайловым В В., рассматриваются указанные вопросы на примере реверсивных ЭП. Параллельное соединение наибольших по току преобразователей- с номинальным током 630 А позволяет создать сдвоенный преобразователь, обеспечивающий в цепи якоря двигателя номинальный ток 1250 А и мощность 575, кВт. Рассмотрены три варианта структуры параллельно работающих преобразователей ТТП н ТП2 (обозначения в соответствии с гл. 2).

Вариант 1 (с ведущим ТП 1 и двумя регуляторами тока)

Данный вариант отличается минимальными изменениями в одиночных серийных преобразователя ТП1, ТП2 Содержит обший РС, расположенный в ведущем преобразователе и два канала регулирования с двумя РТ и двумя СИФУ. Задание скорости и обратная связь по скорости подаются на.вход РС ведущего ТП1. Общее заллние тока с выхода РС поступает на вход РТ каждого преобразователя. В якоре двигателя имеем сумму токов ТП1 и ТП2. Структура обеспечивает удовлетворительное распределение токов по преобразователям при условии высокой симметрии управляющих импульссз каждой СИФУ. Испытания.структуры показали возможность появления субгармонических автоколебаний в токе каждого преобразователя, в частости, с частотой 100 Гц, которое приводит к неравномерной загрузке тиристоров [30]

Ьариант 2 (с веяущим ТШ и общей СИФУ)

данным вариант содержит ведущий преобразователь ТП1 а полной составе всех узлов и блоков управления. Ведомый ТГО в отличие от ТП1 не содержит узлы СИФУ, Ш, ФПЕ, ЛУ,

PC.

Особенностями являются:

- общая СИФУ, к которой подключаются блоки импульсных трансформаторов (БИТ)

обоих ТП;

- два датчика проводимости ДП, выходы которых объединены и подключены к одному

блоку ЛУ;

- два блока зашит БЗ, выходы которых сблокированы таким образом, что при срабатывании защит в ТП1 запираются тиристоры ЧТО и ТГО и наоборот.

Вариант 2 обеспечивает работу без имеющих место в варианте I автоколебаний тока в каждом ТП. Однако данный вариант требует увеличения мощности блока питания системы

\ правления ТП1 в два раза и трудоемкого перемонтажа.

Вариант 3 (с ведущим ТП1 и двумя СИФУ)

Данный вариант содержит преобразователи U4.1 и U4.2 (рис. 5.1), из которых 114.1 является ведущим, при этом объединяются выходы датчиков проводимости ДП1 и ДП2, а вхолы генераторов пилообразного напряжения (ГПН) СИФУ2 подключаются к общему управляющему органу УО ведущего преобразователя ТП1. Такое решение оказалось эффективным благодаря применению трехканальной СИФУ с самонастройкой. Данная СИФУ предложена автором совместно с Чернышевым A.C., обладает идентичностью амплитуд опорных пилообразных напряжений и обеспечивает синфазное управление параллельными тиристорами [29, 36, 53]. В СИФУ. (рис. 5.4) используется узел азгаподстройки УАП, содержащий два -корректора - интегратора К1 и К2. На их входы поступает в качестве задающего сигнал "пилы" первого канала СИФУ, а в качестве обратной связи - сигналы/'шш", соответствующих каналов. Выходные сигналы корректоров поступают на соответствующие входы ГПН.

Вариант 3 является оптимальным. Здесь обеспечивается равномерное деление токов, требуется минимальный перемонтаж для сопряжения преобразователей без увеличения мощности их источников питания.

При выбранном варианте построения сдвоенного преобразователя неравномерность распределения токов между параллельно включенными тиристорами в основном обусловлена двумя причинами: неодновременностью включения тиристоров и различием прямых ветвей вольт-амперных характеристик. При некоторой асимметрии управляющих импульсов один из параллельных тиристоров включается первым. По нему течет анодный ток и устанавливается определенное падение напряжения. Вследствие различных вольт-амперных характеристик тиристоров и шунтирования включившимся тиристором параллельного с ним, последний тиристор либо вообще не включится, либо включится неравномерно перераспределяя ток с первым. При этом следует учитывать, что для тиристоров при токе спрямления напряжение включения больше падения напряжения в вентнле во включенном состоянии. В данном случае выравнивание токов в преобразователях основано на создании в параллельных ветвях тиристоров одинаковых эквивалентных индуктивных сопротивлений. При равных индуктивносгях L в фазах ТП

протекают практически равные токи кешвискмо от различия вольт-амперных характеристик тиристоров.

При анализе приняты допущения:

- параллельные цепи чисто яидуктквиыг и индуктивность реактора не влияет на процессы в нагрузочной цепи;

• падение напряжения на тиристоре является источником постоянной зяс и, , которая определяется как пороговое значение напряжения на тиристоре

Рассмотрены электромагнитные процессы при неодновременном включении тиристоров. Например, если оершк включился тиристор 3, то к тиристору 1В приложится яяпрятание (рнс. 5.2)

и! =и02+14»2; >иВ), (5.1)

которое должно бить больше напряжения включения, чтобы обеспечить включение последнего

Установивши»« режим (ряс. 5.3):

ьрц + и01 щ ьр12 + и02 |

| (5.3)

откуда

р|, = 0,5р1х -0,5Аи IЬ ] р12 = О^р^ + О^Д и / Ь

где р - оператор Лапласа,

>1. >:• >г - сосшегсгвуюдаг токи б тиристорах 1г 2 и суммарный ток на интервале

(1,-0, 1,«т/3.1/Я).

Интегрируя уравиеиле (5.3), получим (рис 5.3):

I, =о^т -дт/2Ь Г

} (5.4)

\г )

Иитегриродешвд (5.4), определяется средние значения токов Ь и Ь за период питающей сети Т

I, =0^11-ДиТ/36Ь

■12=0,51г+.ДвТ/36Ь 1 (5г,)

н дисбаланс (Д1) токов в тяристорах относительно среднего значения суммарного тока ди через парапзгпьнмг в^егтиди:

. 0,51 з; 18ЫГ

Из (5.6) опредеаеи дяФшшпг токов при номинальном токе 1250 А сдвоенного преобразователя, который прв ицдуншюсти' тоюзограаичигакццего. реактора 0,05 мГн составляет 1,34%.

6. Стандартизация и унификация регулируемых ЭП для металлообрабатывающего оборудования н промышленных роботов.

В СССР и в рамках Интерэлектро с участием автора проводилась большая работа в области стандартизации и унификации ЭП со статическими преобразователями для металлообрабатывающего оборудования, в том числе для металлорежущих станков с ЧПУ и промышленных роботов [20]. Ниже приведена краткая характеристика разработанных и внедренных стандартов по ЭП.

6 1 ГОСТ 25777-83 (СТ СЭВ3572-82). Электроприводы главного движения постоянного тока для метах'юрежущих станков с числовым программным управлением. Общие технические требования [37].

Стандарт распространяется на ЭП главного движения постоянного тока для металлорежущих станков с ЧПУ мощностью от 2,2 до 200 кВт и определяет унификацию их основных параметров и показателей.

В стандарте дана классификация ЭП по следующим признакам: по способу выполнения статического силового преобразователя; по способу регулирования скорости двигателя; по наличию и способу реверса скорости двигателя. Определены технические характеристики, состав и комплектность, сформированы технические требования к основным параметрам: управлению, диапазону регулирования скорости, допустимым погрешностям скорости и коэффициенту неравномерности вращения вала двигателя, динамическим показателям, перегрузкам, к питающей сети и окружающей среде. Сформулированы требования к системам электронной зашиты и диагностики. Определены конструктивные параметры, а также требования х надежности.

6.2. ГОСТ 27803-91. Электроприводы регулируемые для металлообрабатывающего оборудования и промышленных роботов. Технические требования [3 8].

Стандарт распространяется на ЭП постоянного и переменного тока с длительным моментом на валу двигателя от 0.035 до 170 Нм для механизмов подачи металлообрабатывающих станков, в том числе с ЧПУ; для механизмов промышленных роботов; механизмов гибких производственных систем (ГПС) и кузнечно-црессового оборудования (КПО); а также на ЭП постоянного и переменного тока мощностью от 1,1 до 320 кВт для механизмов главного движения металлорежущих станков. В стандарте, определяющем технический уровень изделий в Российской Федерации, дана классификация ЭП' по виду двигателя и преобразователя, по виду обратной связи, по числу координат, по виду конструктивного использования преобразователя, по наличию изменения направления вращения электродвигателя, по виду управления, по способу регулирования скорости.

Установлены технически требования применительно к двум большим группам ЭП:

1) ЭП подач станков и промышленных роботов с обратной связью по скорости и по положению;

2) ЭП главного движения станков.

Требования устанавливают стандартные унифицированные ряды основных параметров двигателей и преобразователей, нормируют величины погрешностей, быстродействие, диапазон регулирования скорости, угловое ускорение, а также комплектность поставки. В стандарте устанавливаются обязательные виды защит, диагностика и обменные сигналы с

управляющими системами верхнего уровня. Определены показатели надежности, требования по устойчивости к внешним воздействиям, по безопасности, конструктивным рядам, а также вопросы конструктивной и схемотехнической унификации. В стандарт даны определения основных параметров и математические зависимости для их вычисления.

7. Рациональная система регулирования электротехнического комплекса УЭНДС с применением УВ я ее динамические особенности.

7Л. Рациональная структура регулирования. При эксплуатации нефтескважин отложение парафина в насосно-компрессорной трубе (НКТ) приводит г уменьшению полезного сечения НКТ, и , как следствие, к значительному снижению производительности добычи нефти и увеличению расхода электроэнергии при ее откачке. Наиболее перспективным способ очистки нефтескважин от парафина, а также снижения вязкости нефти является способ прямого электронагрева с использованием НКТ и обсадной колонны нефтескважины в качестве нагревательных элементов' искусственно созданной электрической цепи в скважине [3, 31-37]. Указанные элементы соединяются между собой специальным погружным контактом, опускаемым на глубину около 800 м, и образуют электрическую цепь, которая подюдачается к силовой установке - источнику тока (напряжения). В процессе нагрева НКТ температура нефти превышает температуру помутнения. парафина (около +35 °С), что обеспечивает его расплавление и вымывание вместе с нефтью. ' - •

С 1994 г. АО ВНИИР совместно с АО «Татнефть» (г. Альметьевск) проводят работы по созданию и исследованию комплекса электрооборудования для реализации на современном техническом уровне способа прямого электронагрева нефтескважин. Автором совместно с к.т.н. Чароновым В-Я. И инж, Музагитовым М.М, Арзамасовым В.Л.. Михайловым В.В. предложен ряд новых идей по созданию автоматизированной электросиловой установки электротехнологического компл&и» УЭНДС, на которую получен патент и два положительных решения на выдачу патентов [3,31-37,67].

Основу силовой электроустановки составляет ТП, работающий в режиме источника тока и имеющий обратные связи по Току н температуре нефти на выходе скважины. Установка обеспечивает задание необходимых значений тока (до 500 А) и температуры нагрева нефти (до 40° С) на выходе скважины. Цепь «ГОСТ- погружной контакт - обсадная колонна-.-представляет собой ИЬ-нагрузку с распределенными параметрами активного сопроти вления и индуктивности с примерным соотношением сопротивлений на частоте 50 Г и (й0Ъ/Я = 4 + 5 (где ш0- циклическая частота сети 314 с"'; модуль сопротивления цепи

\2\ = л/я2 + (ш!.)2 (где <о - циклическая частота тока).

Отсюда следует, что с уменьшение» ю смтаетса Щ, что при требуемом значении тока 1=сопз( обеспечивает уменьшение Напряжения, подводимого к электрической цепи скважины, и снижает установленную мощность силового трансформатора установки э целом. Очевидно, минимальная мощность имеет место при нагреве постоянным током (о=0;, но в этом случае к меугз^убяом пространстве скважины возможен эдеапрош? е разрушением НКТ

и разложением воды на кислород и водород с возможностью взрыва. Для исключения указанных негативных явлений принята частота около 5 Гц. Данная частота является предельной, при которой глубина проникновения тока за счет поверхностного эффекта составляет Л » 5,5 мм и равна толщине трубы НКТ. В результате ток проходит по всему ее сечению без вытеснения на внешнюю поверхность, исключая перегрев и прожег НКТ (при f = 50 Гц Д* 1,7 мм).

Для внедрения данного способа каждая нефтескважина оснащается следующими погружными элементами: изоляционной муфтой, изоляторами-центраторами, погружным контактом, изоляционной штангой.

УЭНДС (рис. 7.1) состоит из наземной части (НЧ УЭНДС) и подземной частя (ПЧ УЭНДС). Силовая установка У ЭНДС может быть стационарной, передвижной или кустовой. Наиболее экономичной является передвижная установка, встраиваемая в конструкцию комплектной трансформаторной подстанции КТППН, которою транспортное средство доставляет на скважину и после-3+5 суточной работы она переводится на другое место работы. Одна такая установка может обслуживать примерно 4+5 скважин в месяц.

Основу силовой электроустановки составляет унифицированный ТП ЭПУ1-2-4827ЕУХЛ4. работающий в режиме источника, тока заданной частоты (рас. 7.2). Выход преобразователя подключается к входным клеммам нефтескважины, а вход - к силовому трансформатору, подключаемому в ЛЭП 6(10) кВ или сети 380 В.

Система регулирования (рис. 7.2) яааяе-гргдвухконтурноа - с внутренним контуром тока (РТ) и регулятором температуры Р1° с гистерезясной характеристикой. На вход Р1° поступают сигналы: задающий и с датчика*, температуры Д!", установленного ва нефтескважине. Задатчиками тока ЗТ и температурь! 31° устанавливаются значения тока и температуры. Генератор (1) вырабатывает задающий - сигнал с частотой 2+5 Га. В зависимости от заданных уставок ЗТ и 3<° на йыходе ТГГ появляется ток соответствующей частоты, разогревающий НКТ и содержащуюся в ней нефть до температуры помутнения парафина.,

Установка обеспечивает ограничение величины тока нагрева при изменении сопротивления электрической цепи нефтескважины вследствие перемыканий по изоляторам и при коротких замыканиях

В состав тиристорной станции управления входят также интерфейс для стыковки через контроллер с системой телеуправления по ЛЭП 6(10) кВ.

В системе предусмотрены следующие виды электрических и технологических защит: от исчезновения фазы (фаз) сетевого напряжения, от максимального тока и короткого замыкания, от тепловой перегрузки преобразователя, от исчезновения электрической цепи нефтескважины, от перемыканий электрической цепи внутри скважины, от однонаправленного (постоянного) тока в электрической цепи нефтескважины.

Цикловое устройство ЦУ обеспечивает время цикла нагрева до 6 суток.

Анализ показывает [3], что предложенная электросиловая установка на базе трехфазного УВ по сравнению с американской установкой «Паратрол» (выполненной на основе

однофазного трансформатора с переключениями отводов обмотки) при одинаковом токе нагрева (до 500 А) имеет следующие преимущества

- отсутствие асимметрии в трехфазном напряжении трансформатора станка-качалки, что обеспечивает нормальные условия для работы другого оборудования,

- снижение напряжения в скважине примерно в три раза, что улучшает условия работы изоляционных компонентов, опускаемых в скважину,

-снижение мощности трансформатора в 2,5 раза;

- автоматизация процесса управления с возможностью осуществления безлюдной технологии очистки нефти через телекоммуникационную систему по ЛЭП 6(10) кВ,

- повышение надежности благодаря низкому уровня напряжения в скважине и наличию электрических и технологических зашит

Применение способа прямого электронагрева нефтескважины УЭНДС эффективно также Для снижения вязкости нефти. В результате повышается надежность работы штангового насоса и снижаются энергозатраты при добыче нефти.

УЭНДС внедрены на восьми нефтескважинах в НГДУ "Азнакаевнефть" Результаты испытаний положительные. Внедрение установок.обеспечивает

- увеличение дебита скважины,

- отсутствие нарушения эксплуатационных качеств пласта нефти;

- отсутствие загрязнения окружающей среды,

- низкие эксплуатационные затраты на очистку по сравнению с другими методами,

- совместимость с эксшгутационными режимами возможность очистки скважины одновременно с подъемом нефти без остановки станка-качалки,

- снижение общих расходов по обслуживанию скважины,

- автоматизацию и безлюдную технологию процесса очистки скважин от парафина с возможностью сопряжения УЭНДС с системой централизованного управления от ЭВМ с диспетчерского пункта по ЛЭП 6( 10) кВ.

В настоящее время разработана новая модификация малогабаритной тиристорной станции управления УЭНДС С применением тиристорных модулей и микропроцессора

7.2. Динамические особенности , контура регулирования тока.

В дискретно-недннейных системах, к которой ■ относится анализируемая импульсная система, возможны апериодические и колебательные переходные процессы [I, 2, 27, 28],. При апериодических процессах фронты Тока являются экспоненциальными (рис, 7.3, б), что при определенных параметрах приводит в снижению эффективного значения тока УЭНДС и ухудшению иагрева ШСТ. В случае колебательных процессов на передних фронтах прямоугольников тока возможны броски, превышающие уровень токоограиичения (рис.7.3, в). Это приводит к чрезмерным перегрузкам тиристоров по току. Для изучения условий появления колебательных проиессовв системе (бросков тока на передних фронтах) автором предложено яспольчомть нереверсивную импульсиую динамическую модель контура тока УВ [27, 28], в которой определяете* условия получения апериодических процессов в "малом" при ступенчатом (единичном) изменении сигнала на входе П-РТ и ПИ-РТ при реверсе тока (рвс.7.4).

Найдем импульсную составляющую тока УВ при единичном скачке сигнала на входе П-РТ [28]:

й^)=1(1), й7(р)=.1/р (7.1)

Для этого определяется левое значение ¿-преобразованного сигнала тоха в модели по

рис.7 2 (обозначения в соответствии с [27,28]):

1 + Z"'YY,Y2(Z,1)

гдеУ,(г,1) = К mZa.

1

THp + lJ T„(Z-d)

YUj(Z,l) • Z-1 = Z"'Za=1 jK^K.Kco.FiJ = K.prKHKC0,F > Z" YY,Y2 (Z,l) = Z4Za=1 {Y(p)Y,(p)Y2(p)} = = Z-'Z,., | KPTK.MK.CO,FKTKK

TnP + lj Z-d'

K = K^TK«,sina, К = —sin—, d = е~тл"

T„ л m

(7.2)

Из (7.2) получаем:

ZK / Ki

l(Z,-0) = -

(Z-l)(Z-d+K) " .

Установившееся значение тока

(7.3)

(7.4)

Из (7.3) и (7.4) определяется степенной ряд

1(г,-о) = ^=^ = [г-1(а-ь)+г-2(а2-ь2)+...г-п(а0-ьп)|, (7.5) ¡(пТ) I ^

где а = 1, Ь = ё-К, с = К/Кт.

В (7.5) значения решетчатой функции в дискретные моменты времени 1=0, 1Т,

2Т ... пТ определяют кривую переходного процесса тока 1(пТ) при реакции системы на

единичный скачок, где

1(0) =0, 1(Т) = 1-Ь, 1(2Т) = 1 -b ...I(пТ) = 1 -bn

(7.6)

Как следует из (7.2) и '(7.5) установившееся значение ЦпТ)у = 1,тх lim (d - K)n = 0.

Из анализа решетчатой функции 1(пТ) следует (рис. 7.5): при Ь > 0 процесс являете* апериодическим (кривая 1); при Ь<0 - затухающим колебательным (кривая 2); при Ь = 0

получаем минимальный по времени переходный процесс конечной длительности п.к.д., время которого равно периоду дискретности УВ (кривая 3). Таким образом, при Ь<0 имеет место колебательность и бросок тока в переходном режиме. На основании проведенных исследований предложена Методика расчета параметров контура регулирования тока [28]. При этом оптимальным является апериодический процесс с временем нарастания переднего фронта тока 1«(3+4)Т, что имеет место при 0,27 <Ь <0,38

8. Технические характеристики унифицированных серий тиристорных ЭП к установок УЭНДС, освоенных а промышленном производстве.

Как указывалось выше под руководством и при непосредственном участии автора в течение более, чем 30-летней работы, создано и-внедрено в промышленность более 20 серий тиристорных устройств и ЭП на их основе, а заводами электротехнической промышленности выпу%ено более 500 тыс. шт. различных преобразователей и ЭП. Указанные изделия кашли широкое применение во многих отраслях промышленности как в нашей стране так и за рубежом. Ниже в табл. 8.1 приведены технические характеристики наиболее массовых унифицированных серий .ЭП и преобразователей, разработанных автором и внедренных в промышленности за последние 10 лет (рис. 8.1, 8 2). Кроме того, под руководством и при непосредственном участии автора разработаны и освоены с 1994 I в опытной проговодсгве ОАО ВНИИР электросиловые установки (шкафы) для УЭНДС. Е основу их положены унифицированные тиристорные преобразователи ЭП типов ЭПУ1-4827ЕУХЛ4 и ЭПУ1М-4827ЕУХЛ4 на ток 630 А. Общий вид УЭНДС, установленной на скважине со станком-качалкой, приведен на рис. 8 3 Опытно-промышленная партия электросиловых установок внедрена на восьми скважинах НГДУ "Азнакаевиефть" АО "Татнефть" (Татарстан). Технические характеристики УЭНДС приведены в табл.8.2.

Таблица 8.2

Выходное напряжение, В до 200

Диапазон изменения выходного тока, А 0-500

Максимальная температура нагрева нефти в нефтескважине, °С +40

Температура окружающей среды (полевые условия) в диапазоне, "С ±40

Кроме УЭНДС эффективно применение УВ в разработанных авторов систем« управления возбуждением синхронных двигателей с упрощенным алгоритмом работы для кустовых насосных станций нефтелредприятий

Особенностями новых издедий (серии ЭПУ1М, СТО, ЭПУЗ, УЭНДС) являются:

1. Разработка н внедренне новой СИФУ с автоподстройкой и минимальным потреблением мощности, а том числе с использованием специализированных ГИС [29,64].

2. Использование а сютемеупрахмння ЭП и УЭНДС аналого-цифровых кржошяов, в том числе микропроцессоров, обеспечивающих самодиагностику, ннднхаиню неисправностей, измерение параметров и управление.:

Типы н характеристики унифицированных тирисчирных ОН

Таблица К I

Параметрм и др. характеристики 011у2, бто 311у1-2и, эмуш-211. чпуз-2п тну1-2и, эму1м-211, г)пуз-2и п11у1-2д, м. и. 'л1у1м-2д м,е„ гшуз-2 д, м, 1: :311у1-1д, м, е, 311у1м-1 д.м.е., эмуз-1 л, м.н. сэ1гг

1. Назначение широкого применения, в том число для машиностроения ДИМ ысхани 1МОВ Пчдач пайков, роботов и ;ф для глаыЮ! о движения станков Тша . "обрабатшакиний центр" ДЛЯ ГЛАВНО! о ДВК*еШ1Я стихов и др. широкого применения, н том числе для машш юстроення специальные Э11 ПОСГОЯШШЮ 1У1Ш для спинов и лр. м(ГУаНИЗМ0В

2. Диапазон номиналыюго тока преобразователя, А '5,'гй. 35 25, 50. 80, 100, 160, 2(10 25. 50, 63, 100,125. 25, 50,80, 100, 160. 200,400, 6м 25, 50, 80, 100, 160,200,400, 610 1000, 1250 и более

3 Номинальное напряжение преобразователя. в '115. 230 115,230,4(10 230, 460 230, 460 230,460 460,630,750

4. Крэтиосп. максимального тока дангателя До 4 до 6 2 2 2 2

5. Диапазон моментов читателей. Им 0,7-170 - - - щ

6. Диапазон мощностей двигателей^ *Вт ' до 5 до 60 до 250 до 250 500 и более

7. Диапазон регулировкой шроспс -полный - в им числе падем - с обратной связью по эде до шюа до 1:50 ДО 1:10000 до 1:60000 1:5 до 1:1000 1:5 1:20 др 1:1000 1:5 1:20 до 1:1000 13

8. Полоса цюпусханвд Частот, Гц 10 35 20 20 -

9. Рекомендуемый тш двигатеде» 4Пида. ДНУ, 2ПБи и др. 41ТФ н др. 4П.4ПФидг 4П,4ПФидр. ашцшльше

ЮОсобешюсга построения шлавой схеиы преобразователи Двухфазная мостовая беетраыефорыаторная Трехфазная мостовая ЧраИСфОрШТОрнаЯ а бестранс фер-иагсрши Трехфазная постовая бестраисфор-матерная Трехфазная мостовая трансфорнагорнад и бестрансфор-маторкая ТрсхфаэцаЯ мостовая. трансформаторная и бестражформаторная Плраоаелиюе ' сосдаипме даухмоегоаш иреоЦм- зоаагелей

11. Зм одчшотавтелъ "Прсгресс-адеиро" (гЛЬедва), "*Элеирош1шша"(г.Харыа)В), ПЭТЗ(гХ1ржеаальск), ЧЭАЗОг.Чебоксапы) ЧЭАЗ(г.Чеб01хары), "Электромашина" (г.Пракопьевск) ЧЭАЗ (Г.Чебоксары) ЧЭАЗ(Г. Чебоксары), "Эл<хтрошшнна" (г.Прскольева) . ЧЭАЖг.Чевоксоры), "Э.тапрошвшна" (г.Праюоьевск) ВНИИР

3. Применение новой элементной базы, усовершенствование схемотехнических решений, защищенных авторскими свидетельствами и патентами.

4. Применение новых конструктивных модулей, обеспечивающих малую установочную площадь и компактное заполнение объема шкафа НКУ.

5. Повышение надежности и улучшение сервиса.

Заключение

Изложенные в представленных к защите работах автора научно обоснованные технические решения в области создания и исследован!« электротехнических систем с УВ для машиностроения и нефтедобычи позволяют сделать следующие основные выводы

1. Предложены и внедрены в массовых сериях тиристорных ЭП новые технические решения в области замкнутых систем с УВ и двигателями постоянного тока, защищенные авторскими свидетельствами и патентами, а именно:

САУ с линеаризацией характеристик УВ в режиме прерывистого тока и переменной величиной электрического люфта, изменяющегося в функции скорости;

САУ с оптимизацией по минимуму динамической ошибки в режиме "сброса" нагрузки;

САУ с цифровым фильтром в канале датчика тока преобразователя,

САУ с многофункциональным сглаживающим реактором;

САУ двухзонного ЭП, оптимизированного в прерывистом, режиме с переменным электрическим люфтом, параллельным регулятором эде и общими каналами фазосмещения для управления якорным преобразователем и возбудителем.

2. Разработаны и углублены методы анализа дннамики н оптимизации замкнутых систем УВ-Д в рпт с учетом специфики УВ и проведено их исследование.

3. Выполнено исследование динамики и проведен сравнительный анализ предельного быстродействия в рнт одно-, двук- и трехконтурных систем УВ-Д с различными типами регуляторов. Исследованы динамические свойства систем с обратной связью по зле, в том числе с многофункциональным использованием сглаживающего реактора в информационной части САУ. Разработаны методики расчета.

4. Предложен и разработан новый способ оптимизации ЭП в режиме "сброса" нагрузки, устройство для его реализации и методика расчета минимальной динамической ошибки для систем с УВ и ПУВ.

5. Проведено исследование параллельной работы УВ в ЭП и предложены рациональные структуры сопряжения, тиристорных преобразователей при их параллельной работе в электроприводах серии ЭПУ. Разработана инженерная методика расчета электромагнитных процессов при делении токов между преобразователями.

6. Предложен принцип построения и исследованы рациональные структуры управления электротехнического комплекса УЭНДС. Разработан метод расчета переходных процессов при реверсировании тока УЭНДС с учетом специфики УВ и.способа управления.

7. Разработаны и внедрены в промышленность государственные стандарты ГОСТ 2577783 и ГОСТ 27803-9! на ЭП со статическими преобразователями мощностью до 320 к:'¡г для металлообрабатывающего оборудования и промышленных роботов.

8. Разработаны и внедрены в промышленность России и страд СНГ более 20 массовых серий тиристорных устройств и ЭП на их основе, предназначенных для машиностроения, нефтедобычи и др. отраслей промышленности.

Список печатных работ н нзобргтемнн по теме доклада

Шучпыг монография

1. Донсхой Н.В., Иванов А.Г., Никитин В.М., Поздеез А.Д; Динамнжавентильного электропривода постоянного тока. Под редакцией А.Д.Иоздеева. ¡1М.: Энерпи, 1975 г., с.223.

2. Донской Н.В., Иванов А.Г., Никитин В.М., Поздеез АД. Управляемый выпрямитель в системах автоматического управления. Под редакцией АД Поздеева. // М: Энергоатомиздаг, 1984 г., с.351.

3 Чаронов В.Я., Иванов А.Г., Михайлов В.В., Арзамасов В.Л., Музапггов М.М., Занкия В.А. Автоматизированная система элеетронлгрева и депарафинизации нефтесяваазш. Под редакцией

В Я. Чаронова и А.Г. Изанога. // г. Альметьевск, Издательство АО «Татнефть», 1998 г.,

с 92.

Науч!ю-те1Ш;ч«£:;пв статьи и др. публикация 4. Иванов А Г., Поздеев А.Д. Аналю динамической ошибки по скорости при «сбросе» нагрузки в нереверсивном тиристорнсм (ионном) электроприводе и способ ее уменьшения, // Со. «Применение полупроводников в автоматизированном электроприводе», вып.З. Информстандартэлекгро, М., 1967 г., с.3-14. 5 Поздеев А.Д., Иванов А.Г. Устойчивость замкнутых систем с вентильными

преобразователями постоянного тока в режиме прерывистых токов. /У Электричество,

1973 г., №12, с.33-37.

6. Поздеев А. Д., Изанов А.Г. Вентильный преобразователь постоянного тока в прерывистом режиме как импульсный элемент, // Электротехническая промышленность. Сер. Преобразозательная техника, 1974 г. вып.1, с.13-16.

7. Поздеев А.Д., Донской Н.В., Иванов АГ. Принципы построения структур вентильного электропривода постоянного тока, оптимизированных а прерывистом режиме. // Тр. ВНИИР, г. Чебоксары, 1974 г., вып.'4, с.59-80.

8. Горчаков В.В., Донской Н.В., Изанов А.Г., Кириллов-. А. А и др. Комплектные тиристорные электроприводы и преобразователи постоянного тока малой мощности. // Тр. VI Всесоюзной конференции по автоматизированному электроприводу., М.: Энергия,

1974 г., с. 162-165.

9. Поздеев А.Д., Донской Н.В., Иванов А.Г., Никитин В.М. Устойчивость и качество регулирования в замкнутых системах с вентильными преобразователями. // Тр. VI Всесоюзной конференции по автоматизированному электроприводу, М.: Энергия, 1974 г., с 56-60.

10. Поздеев А. Д., Иванов АГ. Анализ устойчивости структур вситиль.чого электропривода в режиме прерывистого тока. // Изв. Вузов. Сер. Электромеханика,. 1975 г. №5, с.507-518.

11. Иванов АГ. Исследование динамических свойств замкнутых систем с управляемыми выпрямителями в режиме прерывистых токов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. //Всесоюзный электротехнический институт, М, 1975 г., с.224.

12. Поздеев А.Д., Донской Н.В., Иванов АГ., Никитин В.М., Малик Н.Т., Шипилло В.П., Зимин Ю.С., Ерисова В.В. Специальные вопросы динамики вентильного электропривода

постоянного тока. II Доклад на VII Всесоюзной конференции по автоматизированному электроприводу., г. Таллин, 1975 г.

13. Поздеев АД, Иванов А.Г., Кириллов A.A. Динамические свойства управляемых выпрямителей, реагирующих на среднее значение управляющего воздействия // Электротехника, 1978 г., №5, с. 51-56.

14. Поздеев А.Д., Иванов А_Г. Методы исследования замкнутых систем с управляемыми выпрямителями //Электротехника, 1979 г., №3, с.7-11.

15. Поздеев АД., Иванов А.Г., Кириллов A.A. Применение дискретных методов анализа к расчету установившихся процессов и фактора пульсаций в системах с управляемыми выпрямителями.//Элеетричество, 1979 г., №1,0.31-39.

16. Поздеев АД, Иванов А.Г., Беседин В. А. Предельные динамические свойства трехконтуркойструктуры вентильного электропривода. //Электротехника, 1981 г., Кз4, с.38-42.

17. Горчаков В.В., Донской Н.В., Иванов А.Г. Тиристорные электроприводы постоянного тока с интегральными микросхемами для станкостроения // Электротехника, 1981 г., №6, с.20-24.

18. Иванов А.Г, Чернышев A.C., Маслова М.Н. Использование сглаживающего дросселя в качестве датчика в электроприводе. //Электротехническая промышленность. Сер. Электропривод 1981 г.,№6, с.19-20.

19 Иванов АГ, Маслова М.Н. К вопросу оптимизации вентильного электропривода с обратной связью по эдс. //Сб. Электропривод и комплектные устройства управления электроприводами, Тр. ВНИИР, г. Чебоксары, 1982 г., с 56-68.

20. Кирюшин Ю.С., Поздеев А.Д., Иванов А.Г., Богачев Ю.П. Ингерэлектро для станкостроения //Электротехника, 1983 г., №11, с.33-34.

21. Иванов А.Г., Алексеев В.А., Беседин В А., Маслова М.Н , Яковлев В.И. Двухзонный тирксторныйэлектропривод постоянного тока с реверсом в цепи возбуждения. // Электротехническая промышленность. Сер Электропривод, 1983 г., вып.6, с.8-10

22 A.D. Posdeiew, N.V. Donskoij, AG. Iwanov, V.M. Nikitin; UdSSR. Dynamik ventilgesteuerter ■ Gieichitromantriebe, Teil I. ELEKTRIE 31 (1977) H 10.

23. A.D. Posdejew, N.V. Donskoij, A G. Iwanov, V.M. Nikitin; UdSSR. Dynamik ventilgesteuerter Gieichsuomantriebe, Teil II. ELEKTPJE 31 (1977) H.H.

24. Иванов А.Г., Ушаков И И. Улучшение динамических характеристик тирпсторных электроприводов постоянного тока. //Электротехника, 1988 г., с.27-31.

25. Донской Н.В., Иванов А.Г., Никитин В.М., Купчан Я М., Пименов В.М., Ушаков И И. Электроприводы постоянного тока для станков, роботов и других промышленных механизмов. // Электротехника, 1988 г., с.5-10

26. Горчаков В.В., Иванов А.Г., Сушенцов A.A., Альтшуллер М И., Кириллов А.А:, Купчан ЯМ. Комплектные регулируемые электроприводы постоянного и переменного тока для машиностроительной, газо- и нефтедобывающей и др. отраслей промышленности. // Тезисы докладов II Международной (ХШ Всероссийской) научно-техничгсксй конференции «Проблемы автоматизированного электропривода», г.Ульяновск, 1998 г., с. 124.

27. Иванов А.Г. Динамика контура тока тирисгориого электропривода с ПИ-регулятором и .устройством линеаризации. // Тр. ВНИИР. Электроприводы для станкостроения и промышленных роботов, Чебоксары, 1990 г., с.22-35.

28. Иванов А.Г. Динамические свойства контура тока вентильного электропривода с П-регулятором и устройством линеаризации. //Электротехника, ] 990 г., *ё10, с.36-40.

29. Иванов А.Г., Маслова М.Н., Михайлов В.В., Ушаков И.И., Чернышез A.C., Apsai-üecs В.Л. Бесподстроечная СИФУ дня тпристорных преобргзозателей. // Э.?скгргггашн*а, 1993 г., №13, с.20-22.

30. Иванов А.Г., Михайлов В.В. Параллельная работатиристорных преобразователей электроприводов постоянного тока ЭПУ1. //Электротехника, 1998 г., №2, с.36-40.

31. Чаронов В Я., Музапггов М.М., Иванов А.Г., Горчаков В В., Арзамасов В.Л., Михайлов В В. Проблема электронагрева нефтескважин при очистке их от отложений парафина. // Электротехника, 1995 г., №12, с.46-48.

32. Иванов А.Г., Михайлов В В.. Арзамасов В.Л. Способ электронагрева нефтескважин с целью очистки их от парафина. // Материалы докладов на Международном симпозиуме «Энергосберегающие технологии добычи, транспортировки и переработки твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых», г. Санкг Петербург, 1996 г., с.Ш.

33 Чаронов В.Я , Генин B.C., Иванов А.Г. Математическая модель для исследования тепловых процессов при использовании элекгронагрева для очистки нефтяных скважин от парафина. // Материалы докладов на Международном симпозиуме «Энергосберегающие технологии добычи, транспортировки и переработки твердых,' жидких и газообразных полезных ископаемых», г. Санкг Петербург, 1996 г., с.112.

34. Чзронов В Я., Музагитов М М., Иванов А.Г., Горчаков В.В., Гаврилов А.Н., Леонов

Ю К , Арзамасов В.Л., Михайлов В В., Скворцов Ю Г. Современная технология очистки нефтескважин от парафина. // Нефтяное хозяйство, 1998, №4, с.55-57.

35. ЧароновВ Я., Иванов А Г, Гаврилов А.Н., ЛеоновЮ.К., Арзамасов В. Л., Михайлов В В:, Музагитоз М М„ Заикин В.А. Комплекс оборудования для электронагрева и депарафннизацни скважин. // Сборник докладов производственно-технологического совещания Министерства топлива и энергетики РФ, нефтяной компаний «Роснефть» и \0 «Татнефть» г. Альметьевск. 1997 г., с.94.

36 Чаронов В.Я., Альтшуллер М И, Горчаков В.В., Иванов А.Г., Сушенцов A.A., Кярюшин ВВ., Генин B.C., Борисов Л.Ф., Гаврилов А Н., Леонов Ю.К. Комплексная система автоматизации работы нефтяных скважин. // Тезисы докладов II Международной (ХШ Всероссийской) научно-технической конференции «Проблемыавтоматизированного электропривода», г. Ульяновск, 1998 г., .с. 144.

37 Горчаков ВВ. Иванова О В., Иванов А.Г., Мамченко A.B. Электроприводы главного движения постоянного тока для металлорежущих станков с числовым программным управлением. Общие технические требования. ГОСТ 25777-83 (CT СЭВ 3572-82). Государственный Комитет СССР по управлению качеством,продукции и стандартам,, г. Москва, 1983 г, с.9.

38. Иванов А.Г , Донской HB , КорневаЕ.Н.,СушенцоваГ.Н. Электроприводы регулируемые для металлообрабатывающего оборудования и промышленных роботов. Технические требования. ГОСТ 27803-91. Государственный Комитет СССР по управлению качеством продукции и стандартам, г. Москва, 1991 г., с.20.

Авторские свидетельства и патенты

39, A.c. № 203036 Нереверсивный регулируемый электропривод постоянного тока. / А.Г. Иванов. Б.И. 1967, №20.

40 A.c. №276218. Устройство для управления вентильным преобразователем реверсивного электропривода. / А Г. Иванов, Н.В. Донской, А.Д. Поздеев. Б.И. 1970, №23.

41. A.c. № 483753. Адаптивный ПИ-регулятор для управляемых выпрямителей. / Н.В. Донской, АД. Поздеев, А.Г. Иванов; Б.И. 1975, №33.

42. A.c. № 483759. Адаптивное устройство для управления вентильным преобразователем. 1 Н.В. Донской, АД. Поздеев, А.Г. Иванов. Б.И. 1975, №33.

43. A.c. №630729. Устройство для управления однофазным тиристорным преобразователем. / А.Г. Иванов, М.Н. Маслова, Х.А. Насибулин, A.C. Чернышев. Б.И. 1978, №40.

44. A.c. № 762117. Устройство для управления электродвигателем постоянного тока. / А.Г. Иванов, A.C. Чернышев.. Б.И. 1980, №33.

45. A.c. № 780133. Устройство для управления электроприводом с двухзонным регулированием / А Г. Иванов, В.А. Беседин, В.А. Алексеев Б.И.1980, №42

46. A.c. № 780135. Реверсивный электропривод с двухзонным регулированием частоты вращения / AT. Иванов, В.А Беседин, В.А. Алексеев. Б.И. 1980, №42.

47. A.c. Jfe 836747. Двухзонный электропривоз постоянного тока i А.Г. Иванов, В А. Бесеянн, В. А. Алексеев. Б.И. 1981, .№21.

48. A.c. № 849400. Реверсивный тиристорный электропривод с реверсом поля. / А Г. Иванов, В.А. Беседин, В.А. Алексеев. Б.И. 1981, J&27.

49. А.с Л» 1069110. Электропривод с двухзонным регулированием частоты вращения. / А Г. Иванов, М.Н. Маслова. Б.И. 1984, №3

50 A.c. № 1138913. Реверсивный вентильный электропривод. / А.Г Иванов, И И Ушаков. Б.И 1985, №5 '

51. A.c. № 1141552 Реверсииный вентильный электропривод / А.Г. Иванов, В Ф Шепелин, В.А. Алексеев, И И. Ушаков. Б.И. 1985, Л»7.

52. A.c. № 1307524 Тиристорный электропривод постоянного тока. / А Г Иванов, М Н. Маслова ИИ. Ушаков. Б.И. 1987, N»16.

53. A.c. № 1396233. Устройство управления однофазным нереверсивным симисторным электроприводом. / А.Г. Иванову И И. Ушаков, МИ. Борблик Б.И. 19S8, .V2IS

54. A.c. № 1167516. Датчик для контроля проводимости вентилей. / А.Г. Иванов. В В Горчаков, E.H. Корнева. Б.И. 1985, Ш6

55. A.c. № 1534727. Электропривод постоянного тока / А Г Иванов, И И Ушаков, А С Чернышев, Б.М. Слуцкий, В.Д. Дорофеев. Б И. 1990, .N» 1.

56. A.c. Нч 1644316. Устройство для управления вентильным преобразователей / В.В Михайлов, И.И Ушаков, А.Г. Иванов. Б И 1991. N» 15

57. A.c. Jfe 1644343. Электроприводе двухзонным регулированием скопости /А Г\ Иванов Б.И. 1991. №15.

58. А с. Ка 1658350. Электропривод / А Г Иванов. В.В Михайлов, А С. Чернышев Б И 1991, .N¿23

i9. A.c. Jfe 1690156. Регулируемый электропривод / А Г. Иванов, А С Чернышев Б И 1991, №4!

60 A.c. № 1735994. Электропривод. / В. Л. Арзамасов, А.Г. Иванов, М VI Маслова. И И Ушаков. Б.И. 1992, №19.

61. A.c. № 1765877. Электропривоя с двухзонным регулированием скорости. / А.Г Иванов, М.Н. Маслова, A.C. Чернышев Б.И. 1952, №36

62. Патент № 1767679 на изобретение Вентильный электропривод / И И Ушаков, А Г Иванов, В.Л. Арзамасов, М.Н. Ананьев. Б.И. 1S92, №37

63. A.c. № 1820472. Двухзонный электропривод постоянного тока / А.Г: Иванов, А С. Чернышев, В.А. Алексеев. Б.И 1993, J&21.

64. Патент Не 2006148 на изобретение. Устройство для формирования пилообразных опорных напряжений системы управления преобразователем. / А.Г. Иванов, А С. Чернышев. Б.И. 1994, №1.

65. Патент Ks 2046536 на изобретение. Тиристорный электропривод. / А Г Иванов, И.И Ушаков. Б.И. 1995, №29. .

66. Патент № 2079963 rfa изобретение. Реверсивный тиристорный электропривод. / А.Г. Иванов, НИ. Ушаков. Б.И. 1997, Jfel4

67. Патент N2 2105866 на изобретение. Устройство дляэлеетронагрека нефтескважины. / А.Г. Иванов, В Л Арзаыасов, В.В. Михайлов, В.В. Горчаков, В.Я. Чаоонов, ММ. Музапггов. Бюл. 1998, №6.

л

II

1

1

/

\

4j

1 •'i

S s t я i в 5 I 5 a

Ii

II

С " t а

i-i.а

m

f

.frigêi

ÜСS = D •

ь-К

S 'S и у 3. g g о S S 2

ISgifl PtwEE« I

С n

S. g

u S u С

|s

& u

a s.

4 s

U m

s&g

fS

= S S fc T B 2

s I S « a 2 S'Ç t

5 " S

=■ » s ¡Ie g

_ s

i î lifcl

eîSth

~ 0 я '

s

««fc-Si

Íbíli

p u T. s

P Ы ' * S £ à : S 5 4 5 « I С

s g • s-2 s

a»

fiBllf^ Éfc.fggi?*" ' - g'S-à S' a i- g-P>» ü í S J 5

5 S-si.vg 1 s

fe Ь

О И

г1" y So s a-a.¿ |f ... *

S 2 2. « o-S * a £ £

S § я ' S B*

p- 2 s T

J? S-ä«* B!S:b г l'b *

W 2 fiSÍ:B. » ï'ï er« g »

nllgrili!2^

¿l^l-sib

О. К

. s ■ я

■:* 5. С S SS

a. Çg ¿ 2

РясЛ.2 Фуиаиом иьиш аиц линслри>оо*авого ЭП с ПИД - РС и параллельным двухступенчатым такоограквчеямем УПТО: У1110 - устройства горгддельаога двухступенчатого токоогрвнвченив; К - ключ; О -агравнявтсяь атшш; И - инвертор; остальное - в сеответ-лваа'с|шс.2Л

РвсЛЗ ,Фуц ишитдынвемча лпсарямеааввт ЭП с оасмй шшчивсняиго рн удацвтиюз в ЦФ в дни ДГ:

ЦЦ ~ саговый дегекпр^ЗУ-мтомшшюшее устройства; ЦО - евфрамй ♦сльтр;ДП-датчик афоводзкоств ти^доюрзв БС£Й -сум*!, «тер вазз^аь-саз СИФУ; ТТ- травсфсфвиггар тшт; В - «шгркмтокь

------ ,

. i

15Л.

к

Fur.2.4 Диаграммы дли ЭП с ЦФ :

с пиковым ratcsjtopomjbhttrpatopou

— ■ utia Loi-

л)

л /1 кг i ~ А Иг

№ -Í-H (]--- 1 i 1 , i •i i и. '. „ . t

i ■ ■ ' tML. vWWJ^I - 1 пллллл' *

"1 ЬЛПЛЛЛЛЛЛ i

Í)

Рис.2.5 фувданюиалъааи схсма UEptaepcaniioro ЭЦ, оптампзирсванпаи 00 (щиинуму перерегулнроаания сие роста в регшмс „сброс иагрумся (о) о диаграммы (б) ; .

У-усшгатель; К-компаратор; СУР система уирашквая о рсгулзршзвпия; остадьиаг - о соотиетствии с рис.2.1-2.3

Гпс.2.6 Фуккцнопальпла схема ЭП с двуыопным рггулпропаппеч скорости с УЛХ, УРХ, параллельный РЕ п обшеК СИФУ: АРС - адяптнпныП регулятор скорости; У А - устройство адаптации; РЕ.РТВ - регуляторы ЭДС п тока вслбууле пиа; ДЕ - датчик ЭДС; ГПН - ге-оератор пплооЛрашых напрожепиП; ФИВ - формирователь импульсов для В01будителя; инлексы Я ,8 -сооглетстпенно «якорь» а «потбужденпемдппга-тели; остельпое - в соотпетстиин с рис. 2.1-2.3

Ш

на

S7

Рис. S. 7 Фуггккисналъ/ютя cxe/ta /tcpetepcvgncro jjcK/TjpofipyScdar M¿f¿-/-£ с tfrte/ew»ct<u0»crjfMí/rt vent;J6 $ oéasfi/ен CP(L¿)

Рис. 2 .<? Функциональная creta £Tû с яного-<pyfttu,uOHCtsb*vft ve/T0jnsoêa*vcsr CP

I 1 «M

г- — ----— — — i а _:

Рве. 3 J Дшимвчссквя иоасль САР с УВ в рот

К а - ttxpf-

Ряг.3.1 Cracaocapasa в аерекщшав «вегавлвювом ток« в ротг

tí-X-t^.

ФЧ&ца

qtr Щ ¡¡SfJr

42 . Ф 46 e¿ ■ U>

Р»с,ЗЛКезфф<ща«гггжф£яачатакаврст

Рас. 3.4 Области }пс£чшая свстеиы УВ-Д сП^датеро* в рпт

SS

л WJ -i Г*

fr- s.t y y

л,- 4Г7 л гет fa м* _ s, 1?

i so V ✓ s

"Г 1 У s

у У

V s ЯГ, *rff tfl и «n f-

и г «s № a ■Bt w ¡»/I

ч . с // r? w w ЮЧ r.

>

Рис. i.5 OSjtac/тти ¡/crmptivugaams í

гранично» рехине нри/f * 1 f-prfm { 2-p/t/v

m-? Uê'K.i'O^

JL '

a* as f

Pue S S iafuajiiccmu KXp f-JC) &тз с flít-peryAirrréport

iWi?

XP^

/гы>

Pif с. í ? АФХ сиалеп í/s-J £ prtm

"w Ce К У

nginjiiHi

JJL

№

Н*ф«фш[н|)

«♦ft*

т|м1фщ|н

HlÓ'"|lMMI'!¡l

ñti'ptQfjomp,

JÓULaJ^

л

Pac. 5. S Сециилограмты ябтшхагс&ти v ê системе У&-Л S рят с ЯИ-fC

Puc.ixS ¡/срюичибхпъ ситк/л? пйСиненного регулирование : cjcSa- а&1тколс5<гния при J¿<¿t/zf>, слраёа-о/жугтмб/е иг £ «wtt^jeMW'öw^

Jkfíf

Рис. SM ДФХ при оптимизации еиапен ¿fur/rr: t-ff-fiei ¿-Í1H-PC ; З'/юЭишенмк рщлироёатл) V = мг - orri/iecum£Jtt>K7s частот»

Рис.i. К JuHeapuso&iHMcui mpt/аяираЗ

g /ЭПгЛ — /7.

£*сам

i Uyj-Üyin'Uyttl

Uat'Tñ

АЫ

и.

ti

Uf-Uyít

Ряс. 3.15 Схема шггамвммиш САР в рпт

C.S /

PacJ.12 Коэффициент передай УЕ во юсу

I

з

J {

и /—

/ \

) ^ j \

У

-â,9ti -о.01

ÚHlñ-^fg t' t-ff.Kar* Г

m.î

<m»3

m=£

•S 'Up i

efii t.cs BUS

Рис 3.16 Характеристики 113 дли УБ cr=2J,C: 1,2,3-при lgö"7; 1',2',3-пря tgf**oo

РнсЗ.15 К шшц рпт

у

üitp'fi * агам f.

M с,г c¿ о,* &s е>£ ■ а с, г ge é?e/> РнсЛМЗахсзсшнссп, л^ж/Сф.л per

Рис. 3.17 Хграктернетакп упр-алгаза лввеертеш&кза структувы

о 1

С) <Р1

т,р-и

<я>-

РС

, /

ткр * 1.

РТ

Т1Р+1

т1р

гн **»(')

"н Ч

Че

«Зн

Кг

*ос

2!-

5211

4

1

Ж

Ряс.4.1 Структуры ЭП: », 6 - одп<* я двувожгуршш сПЙД-РС, п - трсхкеетуряав

ОЯптть песетой чи1вопа

Рис. 4.2 К расчету устойчивости ЭП иасубгар-ипническ»!» частота* методом гармоняческл-о баланса. Всргикл.п.нмс линии - обратные АФХ репсрсишюго У И дли субгарманпк 11=2. 3,4,5,М," крниаи I - АФХ линейной части двупсснтурнаП спстсмы ЭИ; крипме 2-5 - АФХ линейной части грсхкоп1 урной гнпсии ЭГ1 соапзетсгоеино яра т;=20,14,5 и 2 мс

Рас. 4.,} Обдаств хсто*чютосг» структур ЭП. 1,1' - граавиы устойчивости солвсгствевао трех, я двухконтурвоа чрумур ЭП в рог для И; 2 - границы устойчивости трехквятур-иг» ЭП в рят при я>2; 3,4 - то же, что я 2, но для няясочастотпых аатгасолебмяв соответственно пря /¡^зО.ЬЧПт^еосХ^) и

//-.-, ZgBt-B,Zs t, g, _ .

. (»¿W£ '

№агв#у(0ж5!кггжаьй"; О''

Р£

рт m

и,m

VjP)

.iemfij

7jPU

t'¡

Üe/P)

Tpfi*f

l .1

— I

On, Я I

'5'

ht

¡ш

J

ä)

Jt£*L

EJ7J

lu

ü£iL

ШШт^

а

¿ыа/ I

£

т,рн

ч Ц>tip)

¡emffJ

TeP*f

[ГШ

aasJ

РасЛ5 К виалсзу ЭП е гвхошгтричееюш мостом

PS

РТ

ш

5£í¿

Л.-

РШ.Ц.6К слолилу ЭП с обратной pfffti^ff ш> напряжению

двигателя и ÍR —-.ссма^нсацией.

if hof цех laot Ц&7 ms tant

Ы"

T--1

ÍXJ их/ tart L-c A ■fa

t-. г

Р«С. 4.7 Vfí/ ¿к yvac/7!s¿ úi-¿/ pJS

а) Д- i-.¿00

б) А-иго

в

РисА.8 Ocu,uyijjorfiafffàt fifxuMO cêpûco ' /tar. J7eécrst часть агцимогра/ямы Ses HKt npaêas - ¡r t/K

i'"r.:<5 T.--—X-:- -¡:..етгчл дзухгэягего -".irs ЗГШМ-2-43-47ДУХЛ4

XT

vlii.

> _ - Ja,va' ——

Рзс.5.2 Cicks jaskffiîîsaa пзрзиззиааыи ыгтзеЭ npecépajaaaTiUïeS

-

1 í

¿2.

Í

Vnz. 5.3 Дггграэсш токи а гтзяп EJSSSSSJII «аатиаЗ

Stt

дата

Pnc.í.4 Фувкщгавалыша схема 01ФУ

ОаЛФО&жтйютх

шогжл&гккяв г ^

. Сикиь/юг и/тонпо

Изаошттз \0 чур/яа Л]

Сточим» ñpeoípaxSofnejf усияжггы улро&кмя

Pk7J Саяа jsnacmsi »нпрвквгрегв

i

ил

TU

ГУ

PT

i3

Коптрси» еястотея а*вав?месхш

\ exíajci**)

Р~т-----■ -----

I J— НартеЫЬяша

ST

r /

Kkí"

Рнг.7,2 ФуккцдакгалмиЕ ŒEMS регуяфовамка -SSSSÍ M тажкратурь

67 U}(0

X

m

Г"—\

I I

v-t

к

m i

.1_U,

i

• t

У1Р)

Рне.7.3 ПереЕодиыа процессы« ICMiyp» fQ0

-СИФ/-УВ* км

1—hw ll-^fO-i-

J ___Jl Г I_

y,ta

i

lifitH

Kr

РисЛЛ Динаимчсоаа модель » пнМ мянур» i»ij«m»miinimi ток«

Рно. 8.1 Серия ЭПУЗ Рнс. 8.2 Серия ЭПУ1М

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС УЭНДС

Рве. 83 УЭЩС.

Рис. 8.4 Шкгф УЭНДС

О /

/ о

0

ОАО ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУ«шЬ-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ РЕЛЕСТРОЕНИЯ

V' д.К.

эссии ¡;

г. 1С Ц г.,

наук

г, 'Г'Д'Т России ЛШАНОВ /А>

швах рукописи

|ригорьевич

СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ С УПРАВЛЯЕМЫМИ ВЫПРЯМИТЕЛЯМИ ДЛЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НЕФТЕДОБЫЧИ

Специальность 05.09.03 — Электротехнические комплексы и системы,

включая их управление и регулирование

ДИССЕРТАЦИЯ

в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

г. Чебоксары, 1998 г.

ОАО ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ РЕЛЕСТРОЕНИЯ

На правах рукописи

./'-ИВАНОВ Александр Григорьевич

СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТР01 ЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ С УПРАВЛЯЕМЫМИ ВЫПРЯМИТЕЛЯМИ ДЛЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НЕФТЕДОБЫЧИ

Специальность 05.09 03 - Электротехдагоеские комплексы и

включая их упраэленве и регулирование

в »яде иаучшго-дехяада , на соискание ученей! степени доктора теждоскйхящук

'Чебоксары 1998

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ю»ьков МЛ", доктор технических наук, профессор Боровиков МА. доктор технических наук, профессор Хватов СВ.

Ведущее предприятие - ОАО Чебоксарский электроаппаратный завод

Защита состоится « декабря .1998 г. в часов на заседании диссертационного совета Д.064.15.03 Чуващского государственного университета им. И:Н. Ульянова (428015, г. Чебоксары. Московский пр., 15)

российская 'ДАРственндя

БЙ5ЛИ0Т&ХД

ЦШ - 9.9

Отзыви на диссертацию в виде научного доклада , в двух экземплярах с подписям^, заверенными печатью учреждения, просим присылать по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке университета.

Диссертация в виде научного доклада разослала «.¿О) ноября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук, доцент 'умы ГП Охоткин

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Последние 30 лет характеризуются бурным внедрением силовой полупроводниковой техники и микроэлектроники, что позволило создать экономичные высоконадежные системы автоматического регулирования с управляемыми выпрямителями (УВ). Общеизвестные достоинства УВ такие, как высокий к. п. д., надежность, экономичность, электронизация управления с возможностью сопряжения с системами любого иерархического уровня предопределили их широкое распространение в машиностроении, нефтедобыче и др. областях промышленности:

Содержание защищаемой автором диссертации составляют результаты его многочисленных разработок и научных исследований электротехнических систем с УВ в двух направлениях:

- в области создания тиристорных электроприводов постоянного тока (ЭП) для машиностроения (станки с ЧПУ, промышленные роботы, кузнечно-прессовое оборудование

и др.),

- в области создания автоматизированных электротехнических комплексов для электронагрева и аепарафинизации нефтескважин (УЭНДС).

В представленной работе приводятся результаты практической реализации разработанных и внедренных в промышленное производство под руководством и при непосредственном участии автора наиболее массовых серий ЭП и промышленных партий комплексов УЭНДС, а также результаты теоретических исследований по актуальным вопросам, возникающим в процессе создания указанных электротехнических систем.

Актуальность выполненной автором работы определяется требованиями научно-технического прогресса в области создания систем со статическим преобразователями для машиностроения и нефтедобычи.

Разработки унифиц. диванных ЭП для станкостроения выполнялись ца основании координационных планов ГКНТ, постановлений правительства СССР, координационных планов по стандарт изации Госстандарта, а также планов международного сотрудничества по линии ■"Иктсрэлектро" в рамках рабочей группы Л» 9 бывших стран СЭВ в 1972-1990 гг. Результаты работ докладывались на конференциях по преобразовательной технике и электроприводу как в стране так и за рубежом.

В последние годы новые разработки проводятся автором по прямым договорам с заводами-изготовителями ЭП и станков. Работы в области автоматизированных электротехнических комплексов для нефтедобычи на базе УВ проводятся по договорам с АО "Татнефть" (Татарстан). Они докладывались и рекомендовались как перспективное направление на Международном симпозиуме по энергосберегающим технологиям в нефтедобыче (г. Санкт-Петербург, 1996 г.); Международном конгрессе по новым технологиям (г. Казань, 1998 г.) и др.

Работа выполнена автором во ВНИИР в содружестве с другими НИИ, КБ и предприятиями электротехнической промышленности. При выполнении работы автор опирался на труды ведущих отечественных и зарубежных ученых в области систем автоматического управления (САУ), преобразовательной техники, электропривода,

^ироэтестрошжд ч эйРчт^оте"нолопг>> То ярезаде зсгт<* -аботы оте^ьыв.нныс у,»«' Булгакова A.A., Слежмовского О.В., Шнпнлло В. П-> Пашою АД. Ильинского н.Ф.. »Эизгесз "» '1, Бу.чат а» ОГ, Боре-. аса М а , Хзатг -а С В, Чзрож); 3 Я , - ч-• ч v i i-V; сстека Н А ФигаГда , в'хлетз С 'Хчфе.'ада Хао.н-'р t Э и

г . ~ J OTM'v-.r- •'••("ojio't < « с ^¡р cksT«.-' расс>.,.т|.>'£ае1»'ы< лреолгм

гсол^еч ■ .з»! уче-,ы-. д ^ bsiiP » ?И Bh^i-V \ПИ, '¡ГУ

С- .V "".i "" i 'I лр, i ">»'■ • ä '¿«tv. чяру^е <ч.»ч. а »s, S croers («V-1 Тг'г <р>* \<?pdrtuvL,;v а ¿¡з С оч-.ь.и iiaj jü tnhiie v .ъ-з гь-г vt^n«

"-члхгл зч им-?' тх. : 1 е ч< Ч-•"<>!"• •xs-.ч ie«""p(s.s.n tarns ^¿сл Сард i" ' v- " • ■г-;>ч»мтель', "7 слог». Г -»в'» Элег^сч и. ¡Vc >■ ."Cr:w .<=»<? i '"Л;.;-^!- ,- f «ff -w-ь овс.чя завод "Э,л»кгромашиы iU'ex.. о»,'пмДс\"к "»тчегромо/аны IPC »»'Й v гзальс»*ш одектротечпччес^и <

завод (ПЭТЗ),

11 —•„•ст?л, ,г«> ,..егм nfÄ-koe тс>А«ие еснозчч*. р-з>итгтов

"'■DO"11 . Т «р.1 _ Г1 ^ "С V jlrfbC " H'-'i ' tin«. .süeHMSiX

ИИ» .'Я а •«« Ji> • 8НМ ч" S3" fei (¡абогы ,"<СТО(.т " (.'«таг.' i ""Тркдаже: ы: >овч4 er1 'ту-'« < — ./ sr~ем с YB тм „ЧТ, -а-имшрь чне ав'срсх» >» сящнг™ ,, •»• анменче

! С, - 1ГВ !ц'зтгг'У несли if к,' с jitista»_<;ие.: характер.»l >ik в т Е.ьиме •'tü^ct\о - х. ~.гг, ч •¡«р-т- е •tj'1.' -с < »I ю*1 эч^—н-искогг .юерта. и' "••wowerw-i з с эр „т! "лиглг^.-п Т /^'.'"¿Тс, с'ятх'ча i-,"'vcr!»4ii -гет яые ,гое бь сгрси -Челяке пс > -«о^. .^жн^ч, s pr'orv х .Krvarak'i чеха awa Это дост t зс^сч ^ «чат

ин-гар.ий'"ич ciisrwn i ,»тгг и жкглчен'а чрезмер"» го емн-реваин а. вг,'-ь .<ощего яепо -'Ч-эльный ня> '? дчигг -^те ч рл s »!<«<_• .i ¡к ■ ¡¡мгющне- wt.» sc. ^ е ail ч. * ют" ? i : ло ч .'е и >.лсрсс^л «.«-ате -п

1,2. Ояяскошуртя 'лшйяфмзоамшм• 6AV с. VB с двтхетл-пенчатим параллельным • ' <оо pao <4CH4tv, ч^ишк-Щ лея тем что с ^ечью Л-сретения ос ка ч-т^чинсм -j <оо-ра,1 iv'i, я cicre^e лза --otmpa pt i-v ировтола п^вы > - t

1 изя-'л гс ск> оЬ&'лс- 'з ет; преллаюшбе оюо рашмемие а -<>»т 'охадч i-чги оСр^ткой »я"» з*е : и ел!» f ииь-х v ьев . v<npot(~ce ни ар заи-i i вгооон xot г.р обесг «т толооам :> ченке о аа«рлаиио!> оор<тю»< евз» ыо по hi ~v

токоограиичвнш вмшаквн таким образом, чяч> корректиуутшие звенья era и оеггшггора с vo~oeni lie охачываюг aift ¡много ¿егдпшн^го si'uri^ ■

Пояй-' ..но цго юг'г-ы структура с ПИД-ге". ч*тором скоросг» исладае- ooj.' е t^o- im О ).сгроаейс'в.'оч, ¡л» иекма поячиквниога с^г. т,фjbsmhs

' ^ САЛ с УВ с опт «чичацией по минимуму ^имамя-нхког ошибки в режиме topoca игр\"ки, >со овеете 1ивй«тс* перестройкой структуры реп'Дированим пр»! помощи vcTpoitctaa нелинеияиЛ коррекции. -

14 С4У с УВ ч цифровым фильтром ь канале датчика тока, комм\пдция м. юро'о осуществляется импульсами управления п<ри1,!сров >& В ре^дьта'е с <..icie"u обеспечивается устойчивое фуякциояировочке в рпт несиогря на ис«езчовеиче ияфорчаги,,!

по току в бесгоковые интервалы (особенно в САУ с П-регулятором тока, а также в однофазных ЭП). Цифровой фильтр выполняется в двух вариантах: на базе пикового детектора и на основе интегратора.

1.5. САУ с УВ с многофункциональным использованием сглаживающего реактора. Это обеспечивает использование реактора, кроме фильтра в силовой цепи, также в информационной части системы - в качестве датчиков тока и эдс двигателя. 16. Рациональная линеаризованная структура САУ двухзонных ЭП с переменным электрическим "люфтом", параллельным регулятором эдс и общими каналами фазосмещения для управления якорным преобразователем и тиристорнын возбудителем. Структура обеспечивает простоту, высокую надежность и качество регулирования.

2. Предложена динамическая модель системы УВгД в рпт, учитывающая дискретно-нелинейные свойства преобразователя, исследованы динамические свойства и оптимизация систем УВ-Д. Разработаны методики расчета устойчивости и оптимизации систем, в том числе из условия получения процессов конечной длительности.

3. Проведены сравнительные исследования быстродействия различных систем ЭП с ПИД-регуляторами скорости, а также трехконтурной структуры подчиненного регулирования. Исследованы динамические свойства систем с обратной связью по эдс, в том числе для ЭП с многрфункциональным • использованием <хлажив4ющего реактора. Разработана методика расчета значений .частот среза дая. указанных структур, Показано, что трехконтурная структура примерно в 2,5 раза хуже ,по быстродействию, чем даухконтурная, а быстродействие в одноконтурной системе с ПИД-РС примерно, в 1,5 раза выще* чем в двухконтурной.

4. Предложен новый способ оптимйзацми сйстемы УВ-Д в режиме "сб{юСа" неузки, заключающийся в том; что при появлении динамической ошибки УВ переводится в инверторный режим, что обеспечивает форстрованный спад тока двигателя и снижение перерегулирования по скорости;. Исследованы минимально возможные динамические отклонения скорости в этом режиме при различных типах УВ. Разработана методика расчета, получены аналитические зависимости и номограммы..

5. Проведено исследование параллельной работы УВ в системах ЭЛ и предложены рациональные структуры сопряжения преобразователей. Разработана инженерная методика расчета электромагнитных процессов и дисбаланса токов.между преобразователями.

6. Предложен принцип построения... й исследованы рациональные структуры управления электротехнического комплекса УЭНДС с применением УВ в режиме преобразователя частоты, учитывающие . особенности нагрузки, и специфику депарафинизации нефтескважины.

7. Проведено исследование и предложен метод оптимизации переходных процессов в контуре тока УЭНДС с учетом дискретно-нелинейных свойств УВ и способа управления. Определены условия получения оптимальной диаграммы тока.

Практическая ценность результатов научных работ автора состоит в разработке и промышленном освоении многочисленных массовых серий тиристорных преобразователей и ЭП на их основе, а также электротехнических комплексов УЭНДС для машиностроения и нефтедобычи. Кроме того разработаны и внедрены в промышленности стандарты

ГОСТ25Т77-83 и ГОСТ27803-91. Последний в настоящее время является основным нормЕТияшим документом в России, регламентирующим унификацию и смювные твошчеекие требования ЭП со стзтичесь-кми преобразователями для меашюобрабЕгшвашшего и др. оборудования мощностью до 320 кВт.

Сеззашач? под руководством asrropa и при «¡-о непосредственном участии элеи|>0гекн>п!Ж5ое оборудование по техническим решениям не уступает, а в некоторых случаях и првйосгюлвгЕ лучшие образцы аналогичного класса оборудования ведущих зарубежных фирм [Baumuiier, ФРГ, Kiokner Muller, ФРГ; Produkuon Technologies, США]:

Реализация результатов работы

Серни тирисгорных устройств и ЭП на их основе кашли широкое внедрение на заводах-изготовителхх электротехнической промышленности, продукция которых применяется в машиностроении. нефтедобыче и др; При этом разработано 5 поколений указанных выше изделий, что составляет более 20 массовых серий устройств со статическими преобразозатеетми (см. табл.!). которые были освоены семью заводами-изготовителями. Обвг 'й рб1»ем выпушеняы». заводами установок составляет более 500 тыс. штук.

Указанные серии являются самыми массовыми в отечественной электротехнической промышленности, которые на протяжении нескольких десятилетий широко внедрялись в машиностроитгяьком комплексе и др областях как в кашей стране, так и в оборудовании, поставляемой ая экспорт (станки, стань; прокатки труб, установки непрерывной разливки стгяя и др. I Данные серии широко применялись s выпускаемых станках станкозаводов: ЙСП0 (г Иваново). КСПО (г Самара), Коломенский станкостроительный завод, МЗКРС »г. Место). Красный Пролетарий (г Москва), УЗТС (г. Ульяновск), Минское стшжостроитеяькое объединение. ГЗФС (г Нижний Новгород) и др. Серии ЭП массово используются на отечественных автозаводах ГАЗ, ВАЗ, АЗЛК, УАЗ, КАМАЗ

Автор непосредственно участвовал в практическом внедрении тирисгорных ЭП на Магнитогорском и Орско-Халиловском металлургических комбинатах, на металлургическом комбинате "Дуязвзатмо" {Венгрия), на атомном центре в г Буэнос-Айрес (Аргентина), на многих етанхосгрдагельвых заводах гг. Иваново, Ульяновска, Москвы, Коломны, К. Новгорода, Вжвбвка, Краматорска, а также на ВАЗ'е и КАМАЗ'е

Основные технические решения разработанных и внедренных серий защищены авторскими свидетельствами и патентами. .

Боль тая работа по унификации ЭП дня станкостроения и робототехники под руководством и при непосредственном участии автора проводилась по линии "Ивт&рэвехгро" в рабочей группе. № 9 [20]. При этом с участием автора были разработаны технические требования, техдокументация и стандарты на вентильные ЭП постоянного и перченного toes, на основании которых проводились разработки и испытания унифшмрованиых ЭП в СССР и странах СЭВ.

В последние гадал под руководством и при непосредственном участии: автора созданы злеэтротехнологические комплексы УЭНДС на базе унифицированных тирисгорных

Таблицаi

Обозначение серии изделия (преобразователя, ЭП, устройства) Назначение Предарнятяе-изготовитель Примечание

1. БУ3509. .Б>9Я>9В 2 БТО ■ Однофазные тирксторные преобразователи для ЭП ОАО "Чебоксарский злектроаппаратный завод (чэаз) г. Чебоксары

3.БУ;ШУ ■".'."■ 4. БУВ. ШУБ 5. БТУЗООО Трехфазные тнрисгоркыс сташши управления для эп

6.ЭПУ1 7..ЭПУ1М. Трехфазные тяриеторные ЭП

8.эпуз ' В стадии освоения

9. ПТТ, ПТТР,ПТТБ : in at. атр ; П.ТЕ.ТЕР.ТП.ТПР 12. ШТУ Трехфазные тиристорные преобразователи оао "Элеггровыпрямнтсдь" г.Саранск

13.31! 14 ЭПУ2-1 Однофазные нереверсивные тиристорныс ЭП ОАО "Прогресс-элеиро" г. Москва

15. ЭТУ 3(К)|) . 16. ЭТУ 1 ; Трехфазные тиристсриыс эп . Электромеханический завод (АЭМЗ) ■■т. Александрия ->(¥Црашй) ,'■■

17.ПТОР !;9;«У|Й>?:/; Одмфзэжгс реверсивные тирнеториь.'£ пДОбразбвгтвлНдля ЭП •' ; З'жгдЭлектреааваюг*''. .. г, Харыхя (Украина)

20. ЭПУ2-2 Однофазные ¡едсрсивныс тирксторные ЭП

21/БУ3509 22:ЭПУ2-Г модификации ПЭТЗ Однофазные агревсраонше тирасториые преобразователи и ЭП Электротехнический заказ (ПЭТЗ) г. Пржевальск (Киргизия)

23 ЭГТУ1 модификации завода' Элегтргашьню" Трехфазные тнрисггриыс эп ОАО "Элапромашняа" т. Прокогюзвос

24.еэпт ' ' ' ■■■ ■ ' ■"■■ Саешшшше торясторныс ЗП № пхк 1000 а и более ОАО ВНИИР г. %боксары • На базе параллельной работы ЭПУ1М. ЭПУЗ

25: уэддс Злепросшовые тирксторные установки для нефтескважин Опыуно- прошшлвяиые образцы

устройств ЭПУ1 и ЗПУ1М. При этом в опытном производстве ОАО ВНИИР изготовлено 14 электросиловых установок^ которые внедряются в АО «Таз-нефть». '

На основные технические рещейия комплекса УЭНДС получен патент и полож»1тельные решения о выдаче патентов.

Предложенные УЗНДС имеют высокую эффективность и обеспечивают: увеличение дебита нефтескважины, .. . отсутствие загрязнения; окружающей . среды, низкие эксплутацнонные расходы на депараф.ш-изйцлю по сравнению с другими методами, совместимость с экспяутационвыми режимами, высокую степень электронизации и автоматизации управления.

Основные положения, которые выносятся на защиту

1. Новые технические решения в области замкнутых систем с УВ и двигателями йостоянногб. тока для. массовых серий ЭЙ; ¡примененных в машиностроении и др. областях промышленности.

2. Результаты исследований, дйнамикиь и оптимизация--.':-систем. УВ-Д а. режиме прерывистого тфка $ уч^м епецифишЛФ. ...• '*.-.'

3. Сравнительные р«улвташс.исследований динамики однЫ, Двух- и -трехконтурных. систем УВ-Д в .режиме .непрерывного'то и видами обратных связей.

4: .Способ минимизаций' дииамйче'с.рй/о№ в системе УВ Д, его практическая реализация и методика расчета ошибки при различных типах УВ.

5. Результаты исследования параллельной работы-тиристорных преобразователей в ЭП. разработка^рааионвдьной^Шс^едаг/^^

процёссЬвлйиделенщгхоквв^^межйулр^бразввателями:

6. Новый .принцип''пойроени*:^ комплекса УЭНДС:н;1 базе УВ для 10фтедобычи »грфу^Таты свШЗсгв^тнтУ'рд ре^п!рова>пи-ток;1.; с учетом способа управления:

.7. -Практическая реаДйзайияраб&т-двйэра с УВ для машиностроения и нефтедобычи.

Публикация « апробация Из:- Я.еча^ных.ра®ог;мто^а к том числе три научные Монографий; 27' научных статей,. опубликоваиных в центральных журналах и дбклаяов, 29. авторских -'свидетель«^ й . патен10в,;Г два

государственных стандарта.

Ссылки на работы; имеющие теоретический (гмег6дрлагичес.кйЙ~и.яи принципиальны�