Методика расчета расходов на подготовку производства, перспективные разработки оборудования для автономных энергосистем и тяговых электроприводов

Размещено на http://www.allbest.ru/

МЕТОДИКА РАСЧЕТА РАСХОДОВ НА ПОДГОТОВКУ ПРОИЗВОДСТВА

Перспективные разработки оборудования для автономных энергосистем и тяговых электроприводов

Б.Э. Павлушков

К.М. Сидоров

Целью разработок является достижение максимальной энергетической и электромеханической эффективности автономных энергосистем (АЭС) и тяговых электроприводов (ТЭП) и снижение стоимости производства и эксплуатационных расходов.

Теоретические (расчетные) основы разработок

Транспортное средство с автономной энергосистемой и тяговым электроприводом (ТЭП) требует организации совместной работы как электрических (электродвигатель, генератор, аккумуляторная батарея), механических (трансмиссия), так и тепловых агрегатов (двигатель внутреннего сгорания). Определение рациональных законов управления ТЭП является многофакторной задачей, решение которой может быть получено при помощи аналитических исследований.

Разработки систем тягового энергетического оборудования, представленные в настоящей статье, базируются на теории электромеханического преобразования энергии в асинхронной машине (АМ) с короткозамкнутым ротором. При этом ключевыми являются уравнения АМ, записанные в векторной форме для неподвижной системы координат статора [1]:

где - соответственно векторы потокосцепления статора и ротора; - векторы напряжений на обмотках статора и ротора; - векторы токов в обмотках статора и ротора; - вектор электромагнитного момента; Rs, Rr - активные сопротивления обмоток статора и ротора; Ls, Lr - полные индуктивности обмоток статора и ротора; Lm - взаимная индуктивность обмоток статора и ротора (полная индуктивность обмотки статора от основного магнитного потока); щ - угловая частота вращения ротора электрической машины с одной парой полюсов; p - число пар полюсов.

Для решения системы уравнений электромеханического преобразования асинхронного двигателя можно воспользоваться уравнениями, записанными относительно потокосцеплений [2]:

где

.

Токи статора и ротора определяются, исходя из выражений [2]:

где .

Система уравнений электромеханического преобразования энергии при постоянных коэффициентах перед переменными - нелинейная и решается численными методами.

Определение рациональных законов управления электрической машиной

Приведенные выше уравнения асинхронной машины справедливы как для переходных, так и для установившихся режимов работы АМ. Для описания работы АМ в установившемся режиме, а также с нагрузкой, обладающей значительной инерционностью (приведенный к валу момент инерции нагрузки во много раз превышает собственный момент инерции АМ), дифференциальные уравнения электромеханического преобразования энергии могут быть упрощены, что в свою очередь облегчает формулировку основных принципов регулирования работы асинхронной машины. Для этой цели эффективным может быть описание АМ при помощи схем замещения в установившемся режиме позволяющих записать основные зависимости электрических и электромеханических параметров АМ в упрощенной форме, адаптированной к реализации на программном и аппаратном уровне в устройствах управления электроприводом.

На основании аналитических исследований и практического опыта для реализации в системе ТЭП выбран частотно-токовый способ управления с минимизацией потерь энергии в асинхронной тяговом электродвигателе-генераторе (АТД) при реализации тяговых и тормозных режимов.

Алгоритм управления асинхронной машины базируется на математических зависимостях параметров АТД, соответствующих Т-образной схеме замещения.

В пределах напряжений фазы статора U1 U1макс.

- момент АТД равен:

- максимальная величина момента АТД достигается при заданном токе I1 и оптимальном значении опт. = r2/ (xm+ x2), что реализуется системой автоматического управления КПО в зоне ШИМ.

В пределах напряжений фазы U1 = U1макс.

- момент АТД определяется выражением:

где А() = (r12+ xm22) 2 + 2 r1r2 + (r12/xm2 + 2) r22, откуда следует возможность управления величиной М путем воздействия на параметры или согласно приведенным уравнениям, где М - электромагнитный момент в зазоре АТД; KI ,КU - постоянные коэффициенты; Ud - напряжение на входе трехфазного тягового инвертора напряжения; - коэффициент модуляции; r1, х1 - активное и индуктивное сопротивление статора АТД; r2 - приведенное активное сопротивление ротора АТД; xm - индуктивное сопротивление цепи намагничивания, , - частоты токов статора и ротора АТД (отнесенные к номинальному значению частоты тока статора) = fl / flн и = f2 / flн.

Управление величиной М может быть реализовано принудительным заданием тока статора I1 и абсолютного скольжения f2 посредством автоматической системы управления, выполняющей поддержание заданных величин I1 и f2 с использованием обратных связей по фактическим значениям тока I1 и частоты f вращения вала АМ, при этом текущая величина частоты напряжения фаз АМ определяется согласно зависимости f1 = f · p ± f2, где р - число пар полюсов АМ.

Таким образом реализуется принцип частотно-токового управления АМ во всем диапазоне изменения М и f.

Оптимизация частотно-токового управления основана на принципе автоматического поддержания максимальной величины момента М в функции абсолютного скольжения вопт. при заданном токе I1. При этом учитывается изменение xm от Im, что приводит к зависимости вопт. от I1.

С целью упрощения практической реализации функция вопт. от I1, определяется экспериментально по частным зависимостям М(в), при I1 = I1з - const.

С достаточным приближением может быть принята линейная зависимость вопт. от I1, при М = Ммакс. в соответствии с уравнением вопт. = в0 + kв • I1, где в0 - начальная величина вопт.; kв - постоянный коэффициент (kв =Двопт /ДI1).

Необходимым условием рационального управления асинхронным тяговым электродвигателем-генератором (АТД) в составе ТЭП является формирование трехфазного управляемого напряжения ориентированное на:

- максимальное использование напряжения силового источника постоянного тока;

- максимальное приближение тока фазы к синусоидальной форме;

- снижение коммутационных потерь энергии в силовых вентилях инвертора.

Реализация перечисленных выше факторов может быть достигнута при исполь-зовании двухзонного формирования фазных напряжений инвертора U1, при этом: энергетический электропривод эксплуатационный расход

В первой зоне, при U1 <U1макс. применяется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) длительности импульсов управления силовых транзисторов с её реализацией ШИМ - одновременно по двум фазам. При этом управление верхним и нижним транзисторами в каждой фазе производится поочередно с частотой 4,5 - 5 кГц, а управление величиной U1 осуществляется изменением коэффициента модуляции.

Во второй зоне при U1 = U1макс. применяется амплитудно-ступенчатая модуляция U1 по гармоническому закону (АСМ) при длительности каждой ступени 60 временных градусов.

Структурная схема АЭС и ТЭП

Рис. 1. Структурная схема системы автономного энергообеспечения и ТЭП:

АЗУ - автоматическое зарядное устройство, БАУ - блок автоматического управления, БНЭ - батарея накопителей энергии, БСК - блок силовой коммутации, ВН - выпрямитель напряжения, ИСН - источник собственных нужд, КПУ - комплект преобразовательного оборудования и устройств управления,

КСП - комплект силовых преобразователей напряжения, ОРС - оперативный регулятор скорости,

ПУСК - пульт управления, сигнализации и контроля, ЭДГ - электродвигатель-генератор.

Известные варианты АСМ отличаются длительностью одноразовой коммутации силового вентиля инвертора в пределах периода напряжения фазы.

По условию достижения максимально возможной величины напряжения фазы U1 при заданном Ud, выбран вариант АСМ по гармоническому закону: U1= Ud (cosn/3), где n - натуральный ряд чисел.

Переход между зонами ШИМ - АСМ реализуется плавно при достижении максимального коэффициента ШИМ.

Фотографии отдельных блоков автономных функциональных устройств (АФУ) представлены на рис. 2 ? 4

Функциональные связи АФУ в конструктивном исполнении

Рис. 5. Схема функциональных связей АФУ.

Объекты практической реализации

МФТС включает комплект силового преобразовательного оборудования, цифровую систему автоматического регулирования тяговыми линейными электродвигателями и пульты оперативного управления движением.

Рис. 9. Структурная схема автономной энергоуста-новки (АЭУ) общепромышленного назначения.

Оценка технико-экономического уровня СТЭО ОАО «НПП «Квант» в сравнении с аналогами

Рис. 10. Характеристики силовых преобразователей частоты отечественного и зарубежного производства, удельная мощность.

Рис. 11. Характеристики силовых преобразователей частоты.

Литература

1. Ковач К.П. Переходные процессы в машинах переменного тока / К.П. Ковач, И. Рац; перевод с немецкого А.А. Дартау и В.А. Щедровича; под. ред. А.И. Вольдека. М.- Л.: Госэнергоиздат, 1963. 744 с.2. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин: учеб. для вузов / И.П. Копылов. М.: Высшая школа, 2001. 327с.

Размещено на Allbest.ru