автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Вентильные системы асинхронного электропривода с каскадно-частотным управлением

На правах рукописи

Шишлин Денис Иванович

" 5 ОД

ВЕНТИЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С КАСКАДНО-ЧАСТОТНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Специальность 05.09.03 - "Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование''

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Липецк 2000

Работа выполнена в Липецком государственном техническом университете

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор МЕЩЕРЯКОВ В. Н. Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор КАЛИНИН В. Ф.,

кандидат технических наук, старший научный сотрудник СОБОЛЕВ А. И.

Ведущее предприятие

открытое акционерное общество "Липецкая металлургическая компания Свободный Сокол" (г. Липецк)

Защита состоится «21 » апреля в 12м часов на заседании диссертационного Совета Д 064.22.03 в Липецком государственном техническом университете по адресу: 398055 г. Липецк, ул. Московская, 30, административный корпус, ауд. 601.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Липецкого государственного технического университета.

Автореферат разослан « № » марта 2000 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Основной тенденцией развития современных электроприводов переменного тока является использование асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, управляемых посредством вентильных преобразователей. В то же время в качестве приводных двигателей для общепромышленных механизмов, например подъемно-транспортных, широкое распространение получили асинхронные двигатели с фазным ротором, в связи с чем на предприятиях даже при проведении модернизации в качестве приводных оставляют этот тип двигателей.

Среди регулируемых приводов наибольшее распространение получили системы асинхронных вентильных каскадов (АВК) и системы с тиристорными преобразователями частоты (ТГТЧ). При этом для механизмов общепромышленного назначения целесообразно разрабатывать системы электропривода, которые обеспечивали бы сочетание высоких динамических свойств и энергетических показателей. Важной задачей является также снижение потребляемой системой электропривода реактивной мощности, которое достигается за счет схемных решений в силовой цепи. В этом случае перспективным направлением является создание гибридных схем, сочетающих в себе свойства каскадных и частотных электроприводов. В соответствии с этим требуется проводить анализ динамических процессов в системе каскадно-частотного электропривода, рассматривать такие важные параметры, как перегрузочная способность двигателя в проектируемой системе и способы ее повышения, критерии оптимизации энергетических характеристик. Поэтому работы, направленные на создание вентильных систем асинхронного электропривода с каскадно-частотным управлением являются актуальными, т.к. в конечном итоге способствуют улучшению энергетических показателей механизмов общепромышленного назначения.

Объектом исследования являются силовые схемы электропривода, разработанные на основе синтеза вентильных каскадов и частотно-управляемых приводов.

Цель работы. Совершенствование систем каскадного и частотного электропривода путем новых схемных решений, улучшающих энергетические показатели механизмов общепромышленного назначения.

Идея работы заключается в разработке вентильных систем асинхронного электропривода с использованием гибридных схем, сочетающих в себе свойства каскадного и частотного электроприводов.

Задачи, которые ставились и выполнялись в ходе работы:

- моделирование асинхронного двигателя как объекта управления в системе каскадно-частотного электропривода;

- моделирование замкнутой системы каскадно-частотного электропривода;

- построение энергетических, характеристик системы каскадно-частотного электропривода;

- проведение экспериментальных исследований с целью определения статических, динамических и энергетических свойств системы каскадно-частотного электропривода.

Методы исследования. Поставленные в работе задачи решались структурным и частотным методами теории автоматического управления, методами математического моделирования на ЭВМ с использованием численных методов, а также методами экспериментального анализа.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- построена матемагическая модель замкнутой системы каскадно-частотного электропривода;

- предложен метод коррекции ее динамических свойств;

- сопоставлены энергетические показатели действующих систем каскадного и частотного электроприводов и системы каскадно-частотного электропривода;

- рассмотрены критерии оптимизации энергетических показателей;

- построена энергетическая диаграмма системы каскадно-частотного электропривода.

Практическая ценность работы состоиг в том, что:

- на базе асинхронных двигателей с фазным ротором создана система, сочетающая в себе свойства систем ТПЧ-АД и АВК с повышенным коэффициентом мощности по сравнению с действующими каскадными электроприводами;

- разработана инженерная методика синтеза регуляторов при построении замкнутых систем управления каскадно-частотным электроприводом;

- регулирование момента в системе каскадно-частотного электропривода осуществляется путем применения более простой одноканальной схемы управления выпрямленным током в отличие от двухканальных схем в частотно-управляемых электроприводах;

- использование серийного оборудования делает возможным использовать систему каскадно-частотного электропривода в общепромышленных механизмах.

Достоверность положений, результатов и выводов подтверждена: точностью математических моделей, учитывающих динамические свойства и нелинейность характеристик асинхронного двигателя и элементов электропривода; строгой доказанностью результатами математического моделирования и экспериментальными данными полученных аналитических выражений; сопоставимостью полученных результатов с положениями общей теории электропривода.

Реализация результатов работы

Диссертация выполнена на кафедре электропривода Липецкого государственного технического университета в рамках НИР «Энергосберегающие системы асинхронного электропривода подъемно-транспортных механизмов». Создан опытный образец электропривода с каскадно-частотным управлением. Математическая модель системы каскадно-частотного электропривода внедрена в учебный процесс и используется в курсовом и дипломном проектировании, что подтверждено актом внедрения.

На защиту выносятся:

- результаты математического моделирования системы каскадно-частотного электропривода;

- результаты синтеза регуляторов замкнутых систем управления каскадно-частотным электроприводом;

- энергетические характеристики системы каскадно-частотного электропривода;

- результаты экспериментальных исследований.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертации были представлены на областной научной конференции «Молодежь и наука на рубеже XXI века» (Липецк, 1997); международной научно-технической конференции «Энергосбережение-98» (Тула, 1998); научно-технической конференции кафедры «Электропривода и автоматизации промышленных установок и технологических комплексов», посвященной 25-летию кафедры электропривода ЛГТУ (Липецк, 1999); II региональной научно-технической конференции «Современная электротехнология в промышленности центра России. Исследования, инновации, применение» (Тула, 1999).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 6 печатных работах, из них 2 статьи, 4 тезиса докладов на конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 59 наименований, приложения. Общий объем работы составляет 171 страницу. Основная часть изложена на 113 страницах текста, работа содержит 48 рисунков на 46 страницах, 24 таблицы.

V 1 •

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определены решаемые в диссертации основные задачи, показаны новизна и ценность работы, выделены основные защищаемые положения.

В первой главе проведен анализ действующих асинхронных электроприводов, рассмотрены их достоинства и недостатки, обоснованы меры, направленные на улучшение энергетики и повышение работоспособности наиболее широко применяемых систем. Проанализированы также принципы построения математических моделей и систем управления параметрами электроприводов.

Постоянное увеличение потребности в регулируемых электроприводах с двигателями переменного тока обусловило изучение и разработку ряда специальных систем. Практический интерес вызывает создание новых электроприводов на основе синтеза систем с частотным управлением и каскадных схем включения асинхронного двигателя с фазным ротором. Выбор в пользу той или иной системы управления приходится увязывать с требованиями к технологическому процессу, к качеству регулирования параметров электропривода, с его энергетическими показателями. Предложены варианты систем управления, позволяющие одновременно управлять токами в обмотках статора и ротора и регулировать скорость двигателя.

Математическое моделирование играет важную роль в изучении динамических свойств систем электропривода. В ряде случаев оно является едва ли не главным методом исследования. При анализе систем асинхронного электропривода выбор системы координат зависит от того, по каким цепям (статорной или роторной) осуществляется регулирование параметров. Для математического описания и построения замкнутых систем управления электроприводом была использована система координат (ху), оси которой вращаются с постоянной скоростью «„. Она наиболее удобна для моделирования, т. к. базовые величины (токи, потокосцепления) являются здесь сигналами постоянного тока.

Для наиболее полного описания систем электропривода и для оценки адекватности созданных математических моделей были применены также экспериментальные методы исследования.

Во второй главе рассмотрена система каскадно-частотного электропривода. Функциональная схема силовой части электропривода показана на рис. 1. Преобразователь Х5Ъ\, связанный с питающей сетью через трансформатор ТУ 1, является регулируемым и работает в режиме выпрямителя; преобразователь UZ2 работает в режиме автономного инвертора. Он может быть

связан с обмоткой статора через согласующий трансформатор ТУ2. В цепь ротора включен нерегулируемый выпрямитель l¡ZЗ. В цепь выпрямленного тока установлен сглаживающий реактор Ь.

Принципиальными отличиями данной системы от АВК является то, что асинхронный двигатель не имеет прямого включения в сеть; энергия скольжения, за исключением потерь, передается в статорную цепь двигателя; регулируемый преобразователь работает в выпрямительном режиме. Обмотки статора и ротора, таким образом, оказываются включенными в общую цепь, что позволяет управлять одновременно токами, протекающими в них. Достоинством является возможность применения серийного оборудования, в частности ТПЧ.

Рис. 1. Функциональная схема силовой части системы каскадно- частотного электропривода

Повышение пускового момента двигателя является одной из важных задач при эксплуатации электроприводов. Величина момента определяется произведением величин токов, протекающих в обмотках. При установке согласующего трансформатора в цепь статора токи в ней и роторной цепи пропорциональны друг другу на величину коэффициента трансформации к^. При таком техническом решении пусковой момент увеличивается (рис. 2), однако увеличиваются габариты установки, потери в системе электропривода. При условии постоянства напряжения £/,, подводимого к статору, в случае приме-

нения трансформатора и без него напряжения на выходе регулируемого выпрямителя связаны соотношением

где иот - напряжение регулируемого выпрямителя со стороны переменного тока при наличии трансформатора; [/„ - при его отсутствии; £/ог<£/0.

Рис. 2. Механические характеристики системы каскадно-частотного электропривода:

1, 2- с трансформатором в цепи статора; 1', 2'- без трансформатора; * * , * *

1, 1 - при С/, =0,5 и у; =1; 2, 2 - при Ui =0,5 и /, =0,8

В системе каскадно-частотного электропривода также осуществляется одновременное регулирование подводимого к статору двигателя напряжения и его частоты. При регулировании по закону U,//, = const при частотах, близких к номинальной частоте сети, для определения величины напряжения регулируемого выпрямителя справедливо выражение

u0f = u0/*,

где U0/ — напряжение на выходе регулируемого выпрямителя при частоте

подводимого к статору напряжения, отличной от номинальной частоты; 1/0 -

*

при частоте, равной номинальной; /, - относительное значение частоты.

Построена математическая модель асинхронного двигателя в системе каскадно-частотного электропривода в системе координат (ху). Проведено моделирование динамических электромагнитных процессов. Выведены выражения для статических характеристик двигателя в данной системе при использовании согласующего трансформатора. Полученные результаты подтверждены экспериментальными данными.

Третья глава посвящена замкнутым системам каскадно-частотного электропривода. Управление в данном случае осуществляется по цепи выпрямленного тока. При синтезе систем управления применяются методы, характерные для электроприводов постоянного тока.

Включение обмоток статора и ротора в общую цепь позволяет одновременно управлять токами в них. Особенностью данной схемы следует считать то обстоятельство, что при поддержании постоянной величины тока в переходных режимах остается постоянной и величина подводимого к статору двигателя напряжения, а следовательно, и величина потока в зазоре. Про-тивоэдс на протекание переходных процессов в электроприводах постоянного тока практически не влияет. Однако в электроприводах переменного тока влиянием противоэдс статора пренебрегать нельзя. Кроме того, в системе каскадно-частотного электропривода эдс ротора, зависящая от скольжения $, направлена согласно с эдс регулируемого выпрямителя. При настройке замкнутого контура тока (рис. 3) на модульный оптимум (при неподвижном роторе) для определения передаточной функции регулятора применялся метод последовательной коррекции. В соответствии с ним выявлено, что регулятор является пропорционально-интегральным и его передаточная функция имеет вид

и'

рт 2Т^рк т к 2 Т^рКкотк 771 \

где Тэ и Лэ - соответственно компенсируемая постоянная времени, учитывающая индуктивности двигателя и цепи выпрямленного тока, и эквивалентное сопротивление цепи выпрямленного тока; - некомпенсируемая постоянная времени контура тока, равная постоянной времени, определяющей инерционность работы тиристорного преобразователя; к,, ки - коэффициенты выпрямления по току и напряжению тиристорного преобразователя; ктп, кот - коэффициенты передачи тиристорного преобразователя и обратной связи по току; ке -коэффициент трансформации двигателя; К - коэффициент, определяемый параметрами двигателя.

1и

В полученном выражении величины Тэ и Яэ зависят от величины скольжения. Реализация такой зависимости усложняет систему управления. Для достижения требуемого качества переходных процессов значение л принято постоянным. -

V г.

шп{р) "У кт ^ тп

7> + 1

1/Яэ

Тэр+1

Рис. 3. Структурная схема замкнутого контура тока

При расчете регулятора скорости в соответствии с настройкой на модульный и симметричный оптимумы также удобно воспользоваться частотным методом. Асинхронные двигатели, как объекты управления, при математическом описании представлены нелинейной системой уравнений. Вследствие этого параметры системы управления каскадно-частотным электроприводом могут несколько отличаться от параметров, рассчитанных по методике, применимой для систем постоянного тока. Такие отступления иногда необходимы для достижения требуемого качества регулируемых параметров. Структурная схема разомкнутого контура скорости представлена на рис. 4.

В соответствии с требованиями настройки замкнутого контура скорости на модульный оптимум передаточная функция регулятора имеет вид

КАр)=

Лп

• к к |

1

2 Т^кски

к

где Гд - некомпенсируемая постоянная времени контура скорости, равная 2Тг, ки - коэффициент отношения момента к квадрату выпрямленного тока, кс -

X 1

коэффициент обратной связи по скорости; 3 - момент инерции ротора двигателя.

В данном случае форсирующее звено не оказывает существенного влияния на протекание переходного процесса. В таком случае можно представить регулятор скорости как пропорциональный с передаточной функцией

Кс(р)=-

Л^от I _

27Л*Л ^

\2Т^кскм ' J

-Мг

Рис. 4. Структурная схема разомкнутого контура скорости

В соответствии с требованиями настройки замкнутого контура скорости на симметричный оптимум передаточная функция регулятора имеет вид

гп*,^_УКр + №от л ГХ*„ IТ>Р+1)Р

(

При проектировании системы в соответствии с настройкой на симметричный оптимум наблюдаются значительные колебания скорости и требуется большее время для достижения ее заданного значения. Дифференцирующие звенья очень чувствительны к пульсациям входного сигнала, поэтому в системах управления их применяют редко. Кроме того, недостатком пассивных корректирующих звеньев является невозможность получения высоких коэффициентов передачи и достаточно точного воспроизведения требуемых передаточных функций. Передаточная функция устройства коррекции определена методом последовательной коррекции и имеет вид

2 Т„кгки

* с "

Колебательность при этом значительно снижается. По быстродействию и величине перерегулирования переходная характеристика скорости отвечает требованиям настройки системы каскадно-частотного электропривода на симметричный оптимум.

Таким образом, для улучшения динамики привода, качества регулирования скорости следует применять регулятор пропорционально-интегральный, реализуемый на операционном усилителе с передаточной функцией:

иг- , ч {^р+\)Л0Т \ТТ кскм

WPC ip) = ■ , - ■ у-}-•

Щ Ркмкс ' J

Рассматриваемая система электропривода сочетает в себе свойства каскадного и частотного электроприводов. При частотном управлении асинхронным двигателем напряжение статора может в общем случае регулироваться как в функции относительной частоты /, , так и в функции момента нагрузки. При соблюдении постоянства потока в зазоре двигателя и, следовательно, его момента требуется выполнять закон С/, jjx — const. В каскадно-частотном электроприводе управляющим воздействием на систему является напряжение на выходе регулируемого выпрямителя Ud. Функциональная зависимость от*

носительного значения напряжения на выходе регулируемого выпрямителя Ud

от относительного значения частоты /, , с учетом того, что можно представить

*

величину эквивалентного сопротивления как выражение R3=a + b-fl , определяется по формуле

• f! ud = 4

К{ к.

Из данного выражения видно, что напряжение на выходе регулируемого выпрямителя следует менять в меньшей степени, чем частоту напряжения, подводимого к статору. При изменении скорости вследствие изменения частоты подводимого к статору напряжения значение скольжения * остается постоянным. Следовательно, зависимость и* - р{/*) является линейной.

Структурная схема на рис. 3 дополняется внешним замкнутым контуром эдс двигателя. Регулятор эдс является интегральным и имеет передаточную функцию

где кэ - коэффициент передачи датчика эдс.

Системы регулирования скорости посредством изменения частоты имеют, как правило, общий канал задания напряжения и частоты. В системе кас-кадно-частотного электропривода в канале задания величины напряжения предусмотрен узел, реализующий зависимость U* =f(/¡* ).

В четвертой главе исследованы основные особенности энергетики системы каскадно-частотного электропривода. В условиях современного производства возникает необходимость достижения наиболее рационального использования двигателей. Выбираются определенные критерии, благодаря которым данная задача решается, например минимум потребляемого тока, максимум кпд и коэффициента мощности и т. д.

В системе каскадно-частотного электропривода при установке в цепь статора согласующего трансформатора токи в обмотках статора и ротора пропорциональны между собой на величину коэффициента трансформации кт„. Проведен анализ энергетических характеристик системы электропривода при таком техническом решении. Условиями оптимизации являлись: 1) постоянство развиваемого двигателем момента при различных значениях коэффициента трансформации кп\ 2) постоянство подводимого к статору двигателя напряжения при том же условии. При первом условии достигнуты минимумы потерь в обмотках двигателя, однако согласно второму условию величина подводимого к статору двигателя напряжения поддерживается постоянной посредством системы подчиненного регулирования. Кроме того, практический интерес представляет повышение пускового момента двигателя в данной системе.

Выражение для момента асинхронного двигателя определяется произведением модулей векторов токов статора и ротора и выражения тригонометрической функции угла между ними sin в. В системе каскадно-частотного электропривода получена зависимость угла 9, определяемая параметрами системы, от коэффициента кТР:

sM= ---,

Цк'ТР+а-кТ1, +р

*

х2, х^ - индуктивные сопротивления фазы ротора и магнитной цепи двигателя.

Смысл рассмотрения данного критерия оптимизации заключался в нахождении значения кп, в соответствии с которым наблюдался максимальный кпд системы. В данном случае целесообразно рассматривать зависимости отношения потерь в обмотках двигателя к развиваемому- моменту Л/"*,,, /М* и суммарных потерь в системе ЛРг ¡М к коэффициенту кТР и определить их экстремальные значения.

Для функции АР*ш/М = р(к1Т) получено уравнение

2 • гг ■ к?? н— а • г2 ■ к^ + р • гг ■ к^---■ а • кп - [5 • гх = 0.

Для функции ДрЦм* = р(кп)\

3-г.+

0,005 Рль 2

+ Л

1 Л,

К-К к,

0

'кТр

1 л,

з {иСИ-иоу

где Р,„ - активная мощность, потребляемая статором двигателя в номинальном режиме работы; Ра - потери холостого хода; Иа, - номинальное напряжение, подводимое к статору; гх, гг - активные сопротивления фаз обмоток статорам ротора; Кэ2 - эквивалентное активное сопротивление, приведенное к цепи ротора.

С помощью численных методов определены значения кТР, при которых наблюдается максимум кпд системы электропривода.

Система АВК имеет низкий коэффициент мощности. К настоящему времени разработаны и внедрены различные схемные решения, направленные на его улучшение. Как правило, это связано с увеличением габаритов установки, усложнением силовой части и системы управления электроприводом. Система каскадно-частотного электропривода отличается от системы АВК тем, что энергия скольжения возвращается в цепь статора двигателя. Регулируемый преобразователь работает в режиме выпрямителя; система потребляет активную и реактивную энергию из сети. Мощность, подводимая к статору дви-

гателя, 1\ определяется как сумма мощности скольжения Мо0.5 и мощности Рс, потребляемой системой с учетом потерь в обмотках сетевого трансформатора и вентилях тиристорного преобразователя.

Р1 = РС + Мсоа 5 .

Потребляемая из сети мощность определяется выражением РПОТР = Ш->-(АР + АРАИ).

Из полученного выражения следует, что с учетом относительно малой доли потерь в автономном инверторе АРЛИ система каскадно-частотного электропривода и система АВК потребляют практически одинаковое количество активной энергии.

На рис. 5 представлена энергетическая диаграмма системы.

АВК потребляет реактивную энергию и со стороны двигателя, и со стороны трансформатора инвертора. Отношение величин мощностей, потребляемых системой АВК и каскадно-частотным. электроприводом определяется выражением

£?'„ + Япо-.г в'

дв +1,

где бяо7? и бде ~ соответственно реактивные мощности, потребляемые системой АВК и двигателем в ней.

Выражение (2 ]ЮТР характеризует потребляемую реактивную мощность со стороны трансформатора инвертора (АВК) или выпрямителя (каскадно-час-тотный электропривод).

На основании расчетных данных система каскадно-частотного электропривода потребляет на 25...30 % меньше реактивной энергии, чем система АВК, что способствует повышению коэффициента мощности до 20%. Исходя из того, что рассматриваемая система сочетает в себе свойства каскадного и частотного приводов были проведены экспериментальные исследования энергетических характеристик систем каскадно-частотного электропривода и ТПЧ-АД. По результатам экспериментов было установлено, что системы каскадно-частотного электропривода имеют лучший коэффициент мощности.

р р

1 1 1 ПОТР

Рис.5. Энергетическая диаграмма системы каскадно-частотного электропривода

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований решены актуальные задачи, направленные на совершенствование вентильных систем асинхронного электропривода путем разработки систем с каскадно-частотным управлением, улучшающих энергетические показатели приводов механизмов общепромышленного назначения.

Материалы диссертации позволяют сформулировать следующие основные выводы:

1. Построена математическая модель на базе векторной модели асинхронного двигателя, которая позволяет исследовать свойства каскадно-частотного электропривода в разомкнутой и замкнутой системах, а также рассмотреть энергетические характеристики (коэффициент мощности, кпд, потери в обмотках, потребляемую мощность) в статических и динамических режимах.

2. Разработан принцип построения системы каскадно-частотного электропривода с одноканальной системой управления моментом двигателя на базе автономных инверторов тока и напряжения.

3. Разработан метод коррекции динамических свойств системы асинхронного электропривода с каскадно-частотным управлением, позволяющий компенсировать влияние в силовой часта схемы положительной обратной связи по эдс ротора и отрицательной обратной связи по эдс статора.

4. В сравнении с традиционными системами АВК система каскадно-частотного электропривода характеризуется меньшим (на 25...30 %) потреблением реактивной энергии и обладает повышенным (на 20%) коэффициентом мощности.

5. Использование серийного оборудования, а также ограничение в разомкнутых и замкнутых системах момента асинхронного двигателя в пусковых режимах позволяют применять каскадно-частотный электропривод в общепромышленных механизмах.

Работы, опубликованные по теме диссертации:

1. Мещеряков В. Н., Шишлин Д. И. Исследование систем асинхронного электропривода для общепромышленных механизмов И Областная научная конференция «Молодежь и наука на рубеже XXI века». Липецк, 1997.

2. Мещеряков В. Н., Шишлин Д. И. Построение замкнутой системы управления каскадно-частотным электроприводом // Электромеханика 1998. №4, С. 46 - 50.

3. Мещеряков В. Н., Шишлин Д. И. Повышение эффективности вторичного использования энергии в каскадных схемах включения асинхронных двигателей // Международная научно-техническая конференция «Энергосбе-режение-98». Тезисы докладов. Тула, 1998.

4. Мещеряков В. Н., Шишлин Д. И. Некоторые особенности энергетики системы каскадно-частотного управления асинхронным двигателем с фазным ротором // Научно-техническая конференция кафедры «Электропривода и автоматизации промышленных установок и технологических комплексов», посвященная 25-летию кафедры электропривода Липецкого государственного технического университета. Тезисы докладов. Липецк, 1999.

5. Мещеряков В. Н., Трошкин С. Н., Шишлин Д. И. Пути энергосбережения в электроприводах крановых механизмов // «Сталь». 1999. №10. С.77-78.

6. Мещеряков В. Н., Шишлин Д. И. Особенности энергетики и определение энергетических показателей в системе каскадно-частотного электропривода. Современная электротехнология в промышленности центра России. Исследования, инновации, применение // Труды II региональной научно-технической конференции. Тула, 16 ноября 1999. Тула: ТулГУ, 1999. 168 с.

1С

Личный вклад автора в работах, написанных в соавторстве, заключается в следующем: в [1 ] проанализирована работа некоторых действующих асинхронных электроприводов, определен приоритет их. использования для общепромышленных механизмов с точки зрения экономичности; в [2] рассмотрен кас-кадно-частотный электропривод, его замкнутая система управления; в [3] представлен принцип работы системы каскадно-частотного электропривода, определены направления дальнейшего его исследования; в [4] показаны некоторые виды оптимизации рассматриваемой системы электропривода; в [5] предложена к использованию система каскадно-частотного электропривода взамен некоторых действующих систем асинхронных электроприводов для крановых механизмов; в [6] расчетным и экспериментальным путями определены и сопоставлены энергетические показатели рассматриваемой системы с наиболее распространенными системами асинхронного электропривода.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ВЕНТИЛЬНЫЕ КАСКАДЫ И ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С ТИРИСТОР-НЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ЧАСТОТЫ.

1.1. Обзор действующих систем электропривода переменного тока.

1.2. Принципы построения замкнутых систем управления каскадных и частотных электроприводов.

1.3. Принципы математического моделирования электроприводов переменного тока.

1.4. Выводы.

2. СИСТЕМА КАСКАДНО-ЧАСТОТНОГО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ С ФАЗНЫМ РОТОРОМ

2.1. Описание системы.

2.2. Построение математической модели.

2.3. Построение характеристик в разомкнутой системе электропривода.

2.4. Выводы.

3. ПОСТРОЕНИЕ ЗАМКНУТЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ КАС-КАДНО-ЧАСТОТНЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ.

3.1. Построение системы подчиненного регулирования при неизменной частоте напряжения, питающего статор двигателя.

3.1.1. Настройка контура тока.

3.1.2. Настройка контура скорости.

3.2. Управление системой посредством изменения частоты напряжения, подводимого к статору двигателя.

3.3. Выводы.

4. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМЫ КАСКАДНО-ЧАСТОТНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА.

4.1. Критерии оптимизации энергетических параметров системы каскадно-частотного электропривода.

4.2 Построение энергетической диаграммы системы каскадно-частотного электропривода. Энергетические показатели.

4.3. Определение энергетических показателей по результатам математического моделирования каскадно-частотного электропривода

4.4. Выводы

Актуальность темы исследования определяется тем, что основной тенденцией развития современных электроприводов переменного тока является использование асинхронных двигателей (АД) с короткозамкнутым ротором, управляемых посредством вентильных преобразователей. В то же время в качестве приводных двигателей для общепромышленных механизмов, например подъемно-транспортных, широкое распространение получили асинхронные двигатели с фазным ротором, в связи с чем на предприятиях даже при проведении модернизации в качестве приводных оставляют этот тип двигателей [1].

Среди регулируемых приводов наибольшее распространение получили системы асинхронных вентильных каскадов (АВК) и системы с тиристорными преобразователями частоты (ТПЧ) [2, 3, 4, 5].

Электропривод с ТПЧ обеспечивает динамические характеристики, не уступающие по качеству характеристикам электроприводов постоянного тока. Это, прежде всего, относится к высококачественным системам управления, достаточно сложным по структуре и настройке и которые применяются там, где предъявляются высокие требования к управлению параметрами привода (позиционные системы) [5]. Немаловажное значение имеет форма кривых тока и напряжения, подводимого к статору двигателя в случаях использования ТПЧ. Несинусоидальность указывает на наличие высших гармоник, что, в конечном итоге, оказывает влияние на динамику системы электропривода [4, 6].

Для механизмов общепромышленного назначения представляется целесообразным разрабатывать системы электропривода, которые обеспечивали бы сочетание высоких динамических свойств и энергетических показателей

7].

Возможность режима "опрокидывания" инвертора в системе АВК из-за кратковременного пропадания напряжения сети снижает надежность работы системы в крановых приводах, где питание осуществляется по троллеям [7]. 5

Важной задачей является снижение потребляемой системой электропривода реактивной мощности, которое достигается за счет схемных решений в силовой цепи. Эти решения не должны существенно усложнять схему, а, значит, и снижать ее надежность. При этом желательно использовать стандартное оборудование. В этом случае перспективным направлением является создание гибридных схем, сочетающих в себе свойства каскадных и частотных электроприводов. В соответствие с этим требуется проводить анализ динамических процессов в системе каскадно-частотного электропривода, рассматривать такие важные параметры, как перегрузочная способность двигателя в проектируемой системе и способы ее повышения [8], критерии оптимизации энергетических характеристик. Поэтому работы, направленные на создание вентильных систем асинхронного электропривода с каскадно-частотным управлением являются актуальными, т.к. в конечном итоге способствуют улучшению энергетических показателей механизмов общепромышленного назначения.

Объектом исследования являются силовые схемы электропривода, разработанные на основе синтеза вентильных каскадов и частотно-управляемых приводов.

Цель работы. Совершенствование систем каскадного и частотного электропривода путем новых схемных решений, улучшающих энергетические показатели механизмов общепромышленного назначения.

Идея работы заключается в разработке вентильных систем асинхронного электропривода с использованием гибридных схем, сочетающих в себе свойства каскадного и частотного электроприводов.

Задачи, которые ставились и выполнялись в ходе работы:

- моделирование асинхронного двигателя как объекта управления в системе каскадно-частотного электропривода;

- моделирование замкнутой системы каскадно-частотного электропривода;

- построение энергетических характеристик системы каскадно-частот-ного электропривода;

- проведение экспериментальных исследований с целью определения статических, динамических и энергетических свойств системы каскадно-частотного электропривода.

Методы исследования. Поставленные в работе задачи решались структурным и частотным методами теории автоматического управления, методами математического моделирования на ЭВМ с использованием численных методов, а также методами экспериментального анализа.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- построена математическая модель замкнутой системы каскадно-час-тотного электропривода;

- предложен метод коррекции ее динамических свойств;

- сопоставлены энергетические показатели действующих систем каскадного и частотного электроприводов и системы каскадно-частотного электропривода;

- рассмотрены критерии оптимизации энергетических показателей;

- построена энергетическая диаграмма системы каскадно-частотного электропривода.

Практическая ценность работы состоит в том, что:

- на базе асинхронных двигателей с фазным ротором создана система, сочетающая в себе свойства систем ТПЧ-АД и АВК с повышенным коэффициентом мощности по сравнению с действующими каскадными электроприводами;

- разработана инженерная методика синтеза регуляторов при построении замкнутых систем управления каскадно-частотным электроприводом;

- регулирование момента в системе каскадно-частотного электропривода осуществляется путем применения более простой одноканальной схемы управления выпрямленным током в отличие от двухканальных схем в частотно-управляемых электроприводах;

- использование серийного оборудования делает возможным использовать систему каскадно-частотного электропривода в общепромышленных механизмах.

Достоверность положений, результатов и выводов подтверждена: точностью математических моделей, учитывающих динамические свойства и нелинейность характеристик асинхронного двигателя и элементов электропривода; строгой доказанностью результатами математического моделирования и экспериментальными данными полученных аналитических выражений; сопоставимостью полученных результатов с положениями общей теории электропривода.

Реализация результатов работы

Диссертация выполнена на кафедре электропривода Липецкого государственного технического университета в рамках НИР "Энергосберегающие системы асинхронного электропривода подъемно-транспортных механизмов". Создан опытный образец электропривода с каскадно-частотным управлением. Математическая модель системы каскадно-частотного электропривода внедрена в учебный процесс и используется в курсовом и дипломном проектировании, что подтверждено актом внедрения.

На защиту выносятся:

- результаты математического моделирования системы каскадно-частотного электропривода;

- результаты синтеза регуляторов замкнутых систем управления каскадно-частотным электроприводом;

- энергетические характеристики системы каскадно-частотного электропривода;

- результаты экспериментальных исследований.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертации были представлены на областной научной конференции "Молодежь и наука на рубеже XXI века" (Липецк, 1997); международной научно-технической конференции "Энергосбережение-98" (Тула, 1998); научно-технической конфе8 ренции кафедры "Электропривода и автоматизации промышленных установок и технологических комплексов", посвященной 25-летию кафедры электропривода ЛГТУ (Липецк, 1999); II региональной научно-технической конференции "Современная электротехнология в промышленности центра России. Исследования, инновации, применение" (Тула, 1999).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 6 печатных работах, из них: 2 статьи, 4 тезиса докладов на конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 59 наименований, 6 приложений. Общий объем работы составляет 175 страниц. Основная часть изложена на 113 страницах текста, работа содержит 48 рисунков на 46 страницах, 18 таблиц.

4.4. Выводы

1. Установка трансформатора в цепь статора двигателя позволяет увеличить его пусковой момент в системе каскадно-частотного электропривода, но, вместе с тем, приводит к увеличению габаритных размеров установки.

2. Оптимизация по максимуму кпд системы при данном техническом решении производится путем варьирования значения кГР.

3. В соответствии с полученной энергетической диаграммой система каскадно-частотного электропривода потребляет активную энергию практически в том же объеме, что и система ABK.

4. В системе каскадно-частотного электропривода снижено потребление реактивной энергии из сети по сравнению с АВК, что заметно повышает коэффициент мощности.

5. Математическая модель системы каскадно-частотного электропривода позволяет рассматривать энергетические характеристики в статических и динамических режимах.

143

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований решены актуальные задачи, направленные на совершенствование вентильных систем асинхронного электропривода путем разработки систем с каскадно-частотным управлением, улучшающих энергетические показатели приводов механизмов общепромышленного назначения.

Материалы диссертации позволяют сформулировать следующие основные выводы:

1. Построена математическая модель на базе векторной модели асинхронного двигателя, которая позволяет исследовать свойства каскадно-частотного электропривода в разомкнутой и замкнутой системах, а также рассмотреть энергетические характеристики (коэффициент мощности, кпд, потери в обмотках, потребляемая мощность) в статических и динамических режимах.

2. Разработан принцип построения системы каскадно-частотного электропривода с одноканальной системой управления моментом двигателя на базе автономных инверторов тока и напряжения.

3. Разработан метод коррекции динамических свойств системы асинхронного электропривода с каскадно-частотным управлением, позволяющий компенсировать влияние в силовой части схемы положительной обратной связи по эдс ротора и отрицательной обратной связи по эдс статора.

4. В сравнении с традиционными системами АВК система каскадно-частотного электропривода характеризуется меньшим (на 25.30 %) потреблением реактивной энергии и обладает повышенным (на 20%) коэффициентом мощности.

5. Использование серийного оборудования, а также ограничение в разомкнутых и замкнутых системах момента асинхронного двигателя в пусковых режимах позволяют применять каскадно-частотный электропривод в общепромышленных механизмах.

144

1. Вешеневский С. Н. Характеристика двигателей в электроприводе. М.: Энергия, 1977. 432 с.

2. Яуре А. Г., Шафиров 3. Е. Применение асинхронных короткозамк-нутых двигателей для механизмов передвижения грузоподъемных кранов. -Электротехника, 1984, №8, с. 29 31.

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

4. Энергосберегающая технология электроснабжения народного хозяйства: В 5 кн.: Практ. пособие / Под ред. В. А. Веникова. Кн. 2. Энергосбережение в электроприводе / Н. Ф. Ильинский, Ю. В. Рожанковский, А. О. Горнов. -М.: Высш. шк., 1989. 127 с.

5. Справочник по автоматизированному электроприводу. Под ред. В. А. Елисеева и А. В. Шинянского. М.: Энергоатомиздат, 1983. 616 с.

6. Жемеров Г. Г. Тиристорные преобразователи частоты с непосредственной связью. М., «Энергия», 1977. 280 с.

7. Яуре А. Г., Певзнер Е.М. Крановый электропривод: Справочник. -М.: Энергоатомиздат, 1988.

8. Шулаков Н. В., Медведев Е. И. Асинхронно-вентильный каскад с последовательным возбуждением двигателя // Изв. вузов. Электромеханика. 1988. №1. С. 47-54.

9. Онищенко Г. Б. Асинхронный вентильный каскад. М., «Энергия», 1967.- 150 с.

10. В. Г. Власов, В. Л. Иванов, Л. И. Тимофеева. Взрывозащищенный тиристорный электропривод переменного тока. М.: Энергия, 1977.

11. Асинхронно-вентильные нагружающие устройства. С. В. Хватов, В. Г. Титов, А. А. Поскробко, В. Ф. Цыпкайкин. М.: Энергоатомиздат, 1986. -144 с.

12. Сандлер А. С., Тарасенко Л. М. Принципы построения замкнутых систем вентильного каскада. Труды МЭИ. «Электромеханика», 1971, вып. 86, ч.1.

13. Тарасенко Л. М. Вентильный каскад с обратной связью по ЭДС ротора. «Электротехническая промышленность. Электропривод». М., Ин-формэлектро, 1971, вып. 7.

14. Подчиненное регулирование параметров в машине двойного питания. «Электротехническая промышленность. Электропривод», 1974, вып. 6. 32. Авт.: Л. X. Дацковский, Л. М. Тарасенко, И. Л. Локтева, И. С. Кузнецов.

15. Онищенко Г. Б., Тарасенко Л. М. Автоматическое управление реку-перативно-динамическим торможением в вентильном каскаде. «Электротехническая промышленность. Электропривод», М., Информэлектро, 1971, вып.6, с. 20-23.

16. Булгаков А. А. Частотное управление асинхронными электродвигателями. М.: Наука, 1966.

17. Сандлер А. С., Сарбатов Р. С. Автоматическое частотное управление асинхронными двигателями. М.: «Энергия», 1974. - 328 с.

18. Системы подчиненного регулирования электроприводов переменного тока с вентильными преобразователями. Слежановский О. В., Дацковский Л. X., Кузнецов И. С. и др. М.: Энергоатомиздат, 1983.

19. Шубенко В. А. и др. Асинхронный электропривод с тиристорным управлением. М., «Энергия», 1967.

20. Каган В. Г. и др. Нелинейные системы с тиристорами. М.: «Энергия», 1968. 96 с.

21. Аранчий Г. В., Жемеров Г. Г., Эпштейн И. И. Тиристорные преобразователи частоты для регулируемых электроприводов. М.: Энергия, 1968.

22. Толстов Ю. Г. Автономные инверторы. В кн. Преобразовательные устройства в энергетике. - М.: Наука, 1964.

23. Забродин Ю. С. Автономные тиристорные инверторы с широтно-импульсным регулированием. М.: Энергия, 1977. 136 с.

24. Парфенов А. П. Асинхронный электропривод с тиристорным преобразователем напряжения и специальным режимом квазичастотного управления // Электромеханика. 1993. №7. С. 14-15.

25. Построение систем автоматизированного электропривода. ЛДНТП, 1968. Авт.: В. Д. Барышников, Г. Г. Соколовский, В. А. Новиков, В. М. Шес-таков.

26. Сандлер А. С., Гусяцкий Ю. М., Затрубщиков Н. Б. Вопросы динамики асинхронного частотно-управляемого электропривода с автономным инвертором тока // Электричество. 1979. №4. С. 38 43.

27. Принципы построения частотно-регулируемых электроприводов на базе ТПЧ со звеном постоянного тока. Яцук В. Г., и др. Истринское отд. ВНИИэлектромеханики. Пром. Энергетика. 1978. №11. С. 39.

28. Сабинин Ю. А., Грузов В. Л. Частотно-регулируемые асинхронные электроприводы. Л. Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985.

29. П. Д. Андриенко, Р. Т. Шрейнер, А. В. Волков. Динамика двухкон-турной системы регулирования скорости асинхронного двигателя с обратной связью по частоте // «Электротехн. промышл. Сер. Электропривод». №9. 1982. С. 5-8.

30. Трещев И. И. Методы исследования электромагнитных процессов в машинах переменного тока. Л., «Энергия», 1969.

31. Попов Е. П., Пальтов И. П. Приближенные методы исследавания нелинейных автоматических систем. М. Физматгиз, 1960.

32. Веников В. А. Переходные электромеханические процессы в электромеханических системах. -М.: Энергоиздат. 1983. 616 с.

33. Ямамура С. Спирально-векторная теория электрических цепей и машины переменного тока. Ч. 1. СПб. 1993.

34. Ямамура С. Спирально-векторная теория электрических машин переменного тока // Электротехника. 1996. №10. С. 7 15.

35. Сандлер А. С., Тарасенко Л. М. Синтез технически оптимальных систем управления вентильным каскадом. В кн. Асинхронный тиристорный электропривод. Свердловск, изд. УПИ, 1971, с. 83 - 85.

36. Булгаков А. А., Основы динамики управляемых вентильных систем. М., Изд-во АН СССР, 1963.

37. Башарин А. В., Постников Ю. В. Примеры расчета автоматизированного электропривода на ЭВМ. Л.: Энергоиздат, 1990.

38. Кирпичников В. М., Мельчеков В. Д. К математическому и аналоговому моделированию асинхронных двигателей с тиристорным управлением в роторных цепях. В кн.: Асинхронный тиристорный электропривод. Свердловск, изд. УПИ, 1971.

39. Борцов Ю. А., Соколовский Г. Г. Автоматизированный электропривод с упругими связями. СПб.: Энергоиздат. СПб отд., 1992. - 288 с.

40. Страхов С. В. Переходные процессы в электрических цепях, содержащих машины переменного тока. М. Л., Госэнергоиздат, 1960. - 246 с.

41. Забродин Ю. С. Промышленная электроника М.: Высшая школа,1982.

42. Мещеряков В. Н., Федоров В. В. Асинхронно вентильный каскад с инвертором в цепи статора и общим звеном постоянного тока // Электротехника. 1998. №6. С. 47 -50.

43. Патент 2076450. РФ. Способ регулирования частоты вращения двигателя двойного питания и устройство для его осуществления/ В. Н. Мещеряков // Открытия. Изобретения. 1997, №9, МКИ Н02Р 7/36.

44. Патент 2099850. РФ. Способ управления асинхронным двигателем с фазным ротором/ В. Н. Мещеряков // Открытия. Изобретения. 1997, №35, МКИ Н02Р 7/63.

45. Сандлер А. С., Тарасенко Л. М. Динамика каскадных электроприводов. М.: Энергия, 1977.148

46. Комплектные тиристорные электроприводы. Справочник. Под ред. Перельмутера В. М. М.: Энергоатомиздат, 1988. 319 с.

47. Справочные данные по электрооборудованию. Под ред. А. Е. Гуре-вича, А Н. Дьякова. М.: Машгиз, 1960. 1 3 т.

48. Бычков В. П. Электропривод и автоматизация металлургического производства. М.: Высшая школа, 1987.

49. Мещеряков В. Н., Шишлин Д. И. Построение замкнутой системы управления каскадно-частотным электроприводом // Электромеханика. 1998. №4. С. 46-50.

50. Унифицированные системы автоуправления электроприводом в металлургии. Изд. 2-е, перераб. и доп. Гарнов В. К., Рабинович В. Б., Вишне-вецкий Л. М. М., «Металлургия», 1977. 192 с.

51. Фрер Ф., Орттенбургер Ф. Введение в электронную технику регулирования. М., «Энергия», 1973.

52. Рудаков В. В. и др. Асинхронные электроприводы с векторным управлением. Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1987.

53. Браславский И. Я. «О возможностях энергосбережения при использовании регулируемых асинхронных электроприводов // Электротехника, 1998. №8. С. 2-6.

54. Мещеряков В. Н., Шишлин Д. И. Исследование систем асинхронного электропривода для общепромышленных механизмов // Областная научная конференция «Молодежь и наука на рубеже XXI века». Липецк, 1997.

55. Мещеряков В. Н., Трошкин С. Н., Шишлин Д. И. Пути энергосбережения в электроприводах крановых механизмов // «Сталь». 1999. №10. С.77-78.

56. П. 1.1. Технические данные двигателя МТ112-6:

57. Номинальное напряжение, В.

58. Номинальная мощность, кВт.

59. Номинальная частота вращения, об/мин.

60. Перегрузочная способность Мшх/Мн.1. Статор: cosqHOM.Оcos (рхх.О,си >А.U1. Jcx ' А.г, , Ом.1х. , Ом.1,1. Ротор: Ет , В.2(1рН , А.16г2 , Ом.Ох2 , Ом.Ол

61. Коэффициент трансформации ке кг-м .11. Момент инерции J.0,0(

62. П. 1.2. Технические данные трансформатора ТСП-10/0,7:

63. Номинальная мощность, кВА.'

64. Напряжение сетевой обмотки, В.

65. Напряжение вентильной обмотки, В.

66. Ток вентильной обмотки, А.^

67. Напряжение преобразователя, В.1. Ток преобразователя, А.

68. Потери холостого хода, Вт.

69. Потери короткого замыкания, Вт.!ик,%

70. П. 1.3. Технические данные двигателя МТВ311-6:

71. Номинальное напряжение, В.3

72. Номинальная мощность, кВт.1

73. Номинальная частота вращения, об/мин.9

74. Перегрузочная способность Мшх/Мн.^1. Статор: cos<рном.Оcos фхх.О,1сн, А.28lex ,А.16г, , Ом А.О,х, , Ом.0,5751. Ротор: ЕРН , В1. А.42г2 , Ом.0,х2 , Ом.0,2^

75. Коэффициент трансформации ке.2

76. Момент инерции J, кг • м2 . .0,2154