Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіті і науки України

Одеський національний політехнічний університет

УДК 62-83:621.314.2

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Динамічні режими електромеханічних систем підйомних механізмів кранів з електроприводом «Перетворювач напруги - асинхронний двигун»

05.09.03 - Електротехнічні комплекси та системи

Нгуен В'єт Хинг

Одеса 2009

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі „Електромеханічні системи з комп'ютерним управлінням” Одеського національного політехнічного університету Міністерства освіти й науки України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Герасимяк Ростислав Павлович, Одеський Національний політехнічний університет, професор кафедри „Електромеханічні системи з комп'ютерним управлінням”

Офіційні опоненти

- доктор технічних наук, професор Марущак Ярослав Юрійович, Національний університет „Львівська політехніка”, професор кафедри „Електропривод і автоматизація промислових установок”;

- кандидат технічних наук, доцент Онищенко Олег Анатолійович, Одеська державна академія холоду, доцент кафедри „Електротехніка та електронні пристрої”.

Захист відбудеться 10 квітня 2009 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 41.052.05 в Одеському Національному політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1, адм. корпус, ауд.400.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Одеського національного політехнічного університету (м. Одеса, пр. Шевченка, 1).

Автореферат розіслано 6 березня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.П. Шевченко

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Для механізмів підйому багатьох кранових механізмів, широко розповсюджених у народному господарстві України, в багатьох випадках необхідне забезпечення малих швидкостей, м'яких перехідних процесів, які знижують динамічні навантаження в елементах кінематичних передач, і надійної роботи. Масовість використання та тяжкі умови експлуатації кранових механізмів визначають жорсткі вимоги до складності електроприводів та високої надійності їхньої роботи. Найпоширеніші стандартні магнітні контролери з контакторным керуванням резисторами в ланцюзі ротора асинхронних двигунів вже не задовольняють багатьом сучасним вимогам до цих механізмів. Переобладнання портових та інших кранових механізмів на асинхронний електропривод з частотним керуванням задовольняє всі вимоги, які висуваються до електропривода; але такий електропривод вимагає значних капіталовкладень і забезпечує надлишкові можливості. Найбільш доцільним при модернізації таких механізмів, які працюють з низькими швидкостями лише короткочасно, є застосування перетворювачів напруги: вони дозволяють, залишивши той же двигун з фазним ротором, плавно регулювати його момент, а при використанні негативного зворотного зв'язку за швидкістю - і швидкість у необхідному діапазоні. При цьому виникає завдання одержання жорстких механічних характеристик, а електропривод зі зворотним зв'язком за швидкістю і електромеханічна система (ЕМС) в цілому внаслідок особливостей асинхронного двигуна можуть виявитися нестійкими. Крім того, робота в перехідних режимах, коли не можна не враховувати податливість пружних елементів механізму, часто викликає значні, навіть неприпустимі динамічні навантаження в елементах кінематики.

Саме тому ця робота, присвячена виробленню рекомендацій щодо вибору параметрів електропривода перетворювач напруги - асинхронний двигун (ПН-АД), які забезпечують надійну й високої якості роботу електромеханічної системи підйомних механізмів, є актуальною для народного господарства України і Соціалістичної республіки В'єтнам.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась відповідно до науково-дослідних тем № 612-52 «Дослідження динамічних режимів складних автоматизованих електромеханічних систем із електроприводами змінного струму», номер державної реєстрації 0105U007567, та № 568 - 52 «Дослідження електромеханічних систем автоматизації промислових установок і побутової техніки», номер державної реєстрації 0107U001966 у рамках координаційного плану Міністерства освіти і науки України.

Метою дисертації є розробка методів аналітичного синтезу електропривода «Перетворювач напруги - асинхронний двигун» електромеханічної системи механізмів підйому з врахуванням нелінійних властивостей і електромагнітних перехідних процесів асинхронного двигуна та вироблення рекомендацій щодо поліпшення якості квазістатичних і перехідних режимів електромеханічних систем.

Задачі дослідження:

а) дослідження особливостей асинхронного двигуна при живленні від перетворювача напруги, аналіз його частотних характеристик;

б) обґрунтування методів моделювання електропривода перетворювач напруги - асинхронний двигун;

в) врахування нелінійних властивостей асинхронного двигуна при розрахунку стійкості електропривода перетворювач напруги - асинхронний двигун;

г) аналіз електромеханічної системи підйомних механізмів з електроприводом перетворювач напруги - асинхронний двигун зі зворотним зв'язком за швидкістю, оцінка стійкості ЕМС;

д) оцінка якісних показників динамічних режимів електромеханічної системи, розробка рекомендацій щодо зниження навантажень в кінематичних ланках.

Об'єктом дослідження є динамічні режими електромеханічної системи підйомних механізмів з електроприводом перетворювач напруги - асинхронний двигун.

Предметом дослідження є коливальність електропривода зі зворотним зв'язком за швидкістю і електромеханічної системи в цілому при врахуванні електромагнітних перехідних процесів асинхронного двигуна.

Методи дослідження. Теорія автоматичного керування використовувалась для оцінки стійкості ЕМС і визначення граничного коефіцієнта підсилення. Електричні машини - для одержання передаточних функцій асинхронного двигуна. Теорія електропривода - для побудови механічних характеристик електропривода перетворювач напруги - асинхронний двигун зі зворотним зв'язком за швидкістю. Диференційне числення, методи чисельного вирішення диференціальних рівнянь - при математичному моделюванні електропривода ПН-АД і електромеханічної системи підйомних механізмів.

Наукова новизна одержаних результатів. У дисертації особисто здобувачем отримані такі наукові результати:

ѕ вперше створена модель асинхронного двигуна на базі його передаточних функцій з врахуванням нелинійностей АД;

ѕ обґрунтовано можливість аналітичного розрахунку критичного коефіцієнта підсилення за умовами стійкості електропривода перетворювач напруги - асинхронний двигун зі зворотним зв'язком за швидкістю з врахуванням нелинійності кривої намагнечування асинхронного двигуна;

ѕ запропоновано метод побудови областей стійкості електромеханічної системи підйомних механізмів з врахуванням електромагнітних сталих часу асинхронного двигуна;

ѕ удосконалено метод обмеження динамічних навантажень у кінематичних ланках підйомних механізмів з електроприводом перетворювач напруги - асинхронний двигун.

Практичне значення результатів, одержаних в дисертації. Запропоновані методи дозволяють працювати на механічних характеристиках електропривода ПН-АД, які є найбільш жорсткими зі всіх можливих за умовами стійкості; гарантований діапазон регулювання швидкості цих механізмів становить 20:1-15:1. Запропоновані методи обмеження навантажень у кінематичних передачах здатні збільшити строк експлуатації електромеханічної системи підйомних механізмів, дозволяючи таким чином розширити область застосування електропривода ПН-АД.

Матеріали дисертації розглянуті на засіданні технічних рад ВАТ НДІ «Перетворювач» (м. Запоріжжя) і підприємства «CDDK VIET XO» (республіка В'єтнам) і одержали позитивну оцінку. Крім того, розробки дисертації використовуються в навчальному процесі кафедри «Електромеханічні системи з комп'ютерним управлінням» Одеського національного політехнічного університету в курсах лекцій «Електропривод типових промислових установок», у курсовому та дипломному проектуванні.

Особистий внесок здобувача. Роботи [4, 6] написані й опубліковані автором самостійно. У роботі [1] здобувач одержав залежності сталих часу й коефіцієнтів демпфування асинхронного двигуна від його параметрів. У роботі [2] ним запропонована методика побудови зон стійкості ЕМС. У публікації [3] він розрахував критичний коефіцієнт підсилення за умовами стійкості. У роботі [5] здобувач створив модель асинхронного двигуна на базі його передаточних функцій з врахуванням нелинійностей АД.

Апробація результатів досліджень. Основні наукові положення і окремі результати роботи доповідалися й обговорювалися на міжнародних науково - технічних конференціях «Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика» (Крим, 2005, 2008, Одеса, 2006 р.), на IX міжнародному семінарі “Computation problems of Electrical Engineering” СРЕЕ'08 (Алушта, 2008), на семінарі „Проблеми динаміки автоматизованих електромеханічних систем змінного струму” Наукової ради НАН України (Одеса, 2007, 2008 р.), на кафедрі «Електромеханічні системи з комп'ютерним управлінням» Одеського національного політехнічного університету (Одеса, 2006, 2008 р.)

Публікації. Основний зміст дисертації опубліковано у шести друкованих працях - фахових наукових виданнях, рекомендованих ВАК. Без співавторів опубліковано 2 наукові роботи.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація загальним обсягом 139 сторінок; вона складається із вступу, чотирьох розділів, висновків до роботи, списку використаних джерел з 61 найменування і містить 72 рисунка, 6 таблиць та додатки на 6 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету та задачі дослідження, які необхідно розв'язати для досягнення поставленої мети; визначені наукова новизна та практична цінність роботи. Подана інформація про апробацію роботи, її структуру, про публікації автора по темі дисертації.

У першому розділі описуються особливості електромеханічної системи механізмів підйому, вимоги до електропривода цих механізмів, перелічені переваги електропривода перетворювач напруги - асинхронний двигун (ПН-АД). Показано, що внаслідок короткочасної роботи цих механізмів на знижених швидкостях електропривод ПН - АД з ідеальним перетворювачем, заснованим на силових транзисторах із ШІМ, може бути придатним для механізмів підйому при модернізації масових кранів. Однак тут же підкреслюється, що для одержання стабільних низьких швидкостей необхідно використовувати негативний зворотний зв'язок за швидкістю, що може погіршити якість перехідних процесів.

Доведено, що для аналізу електромеханічних систем цих механізмів їх механічну частину у більшості випадків можна представити у вигляді двох зосереджених мас з гнучким зв'язком між ними. Наведені припущення, які брались до уваги при записі диференціальних рівнянь ЕМС.

У другому розділі для аналізу динамічних властивостей асинхронного двигуна, зокрема дослідження стійкості замкнутого електропривода ПН-АД, з основних рівнянь АД виведені його передаточні функції для електромагнітного моменту М - вихідної величини електромеханічного перетворювача і внутрішнього зворотного зв'язку за швидкістю:

(1)

Для цього двигун линеаризовано «у малому» і використовуються відносні одиниці. У формулах (1) - це напруга в точці розкладання, а - коефіцієнти; вони постійні, якщо не змінюються параметри асинхронного двигуна (активні й реактивні опори ланцюгів статора, ротора) і ковзання.

На рис.1 представлена структурна схема електропривода ПН-АД з використанням негативного зворотного зв'язку за швидкістю й передаточних функцій (1). Всі змінні на рис.1 даються у відхиленнях.

На цій схемі ПН, У и ДОС - перетворювач напруги, підсилювач і датчик зворотного зв'язку, всі ці ланки вважаємо на даному етапі пропорційними з коефіцієнтами підсилення , і відповідно.

Згідно рис.1 передаточна функція АД для швидкості може бути представлена у вигляді

(2)

а після підстановки у (2) виразів передаточних функцій (1) отримаємо вираз послідовного з'єднання типових ланок - інерційного, двох коливальних і двох форсуючих:

(3)

За допомогою математичної програми “Мathematica” розраховані й побудовані залежності сталих часу , і коефіцієнтів демпфування , від опору ланцюга ротора й ковзання. Було відзначено, що безпосередньо впливає тільки на коефіцієнт підсилення двигуна і електромеханічну сталу часу . На рис.2 для приклада побудовані залежності всіх інших сталих часу від опору ланцюга ротора (а) і ковзання (б).

За допомогою передаточної функції (3) були побудовані частотні характеристики і проаналізовано вплив на їх вигляд коефіцієнтів передаточної функції АД.

Крім того, наведена методика побудови механічних характеристик електропривода ПН-АД зі зворотним зв'язком за швидкістю.

У третьому розділі, використовуючи критерій стійкості Найквиста для лінеаризованих систем з передаточною функцією (3), розраховано граничний коефіцієнт підсилення розімкнутої системи ; при ньому замкнутий за швидкістю електропривод перебуває на межі стійкості, коли частота зрізу дорівнює тій частоті , при якій фаза , тобто . Отримані два значення частоти



(4)

де

Визначено граничний коефіцієнт підсилення по формулі

(5)

Якщо підставити значення або з (4) в (5), то одержимо й відповідно. Щоб замкнута система була стійкою, коефіцієнт розімкнутої системи повинен задовольняти умовам або . Звичайно, реально використовується лише перша умова, тому що значення становить тисячі й десятки тисяч. Якщо , тобто режим - на межі стійкості, тоді можна визначити граничний коефіцієнт

(6)

Відзначимо, що ковзання асинхронного двигуна при керуванні напругою в замкнутій системі й великому коефіцієнті підсилення (на жорсткій характеристиці) змінюється в невеликому діапазоні. Тому при такій зміні ковзання всі параметри (, , , , ) залишаються майже незмінними. Отже, значення , , , мало залежать від ковзання при керуванні напругою в замкнутій системі.

Як доведено раніш, впливає лише на та : обернено пропорційний , а обернено пропорційна . Всі інші параметри ( ) не залежать від напруги статора двигуна. З (4) також видно, що й не залежать від , тому вихідна напруга практично не впливає на ці частоти. З виразів (5) і (6) видно, що граничний коефіцієнт підсилення прямо пропорційний і тому обернено пропорційний .

Як приклад розраховано припустимий коефіцієнт підсилення для двигуна типу 4МТFH 200L8, 15 кВт при опорі ланцюга ротора , s=0,9. Перехідні процеси лінійної моделі й частотні характеристики підтверджують теоретичні висновки про умови стійкості (5) і (6). На рис 3 дана ілюстрація стійкості замкнутої системи за допомогою частотних характеристик; на ньому наведені ЛАЧХ при (а), при (б) та ЛФЧХ (в). Таким чином, дійсно аналітично можна визначити граничний коефіцієнт підсилення електропривода ПН-АД.

Крім того, за допомогою програми Matlab, отримана математична модель нелінійного замкнутого електропривода ПН-АД на базі передаточних функцій АД. У ній коефіцієнти автоматично змінюються під час розрахунку. І одночасно, створена математична модель для того ж електропривода на основі відомих вихідних рівнянь АД. Для цього використана готова модель асинхронного двигуна, яку вважаємо еталонним зразком; лише додатково до неї моделюється керований трифазний генератор. Відомо, що аналітично не можна розрахувати граничний коефіцієнт при наявності нелінійності. Не можна цього зробити, також використовуючи готову модель асинхронного двигуна в MatLab.

Дані моделювання свідчать про те, що , розраховані по формулі (6) і за допомогою нелінійної моделі на основі передаточних функцій, практично збігаються, однак , отриманий по типовій, добре апробованій моделі АД, менше тих значень, і це варто враховувати при проектуванні замкнутого електропривода ПН-АД. Останнє значення будемо вважати достовірним і у подальшому позначати .

Очевидно похибка розрахунку й моделювання викликана тим, що перехідний процес здійснюється при значних коливаннях змінних, а передаточні функції отримані після лінеаризації «у малому».

Численні розрахунки показали, що відношення граничних коефіцієнтів підсилення

одержаних різними способами, практично не залежить від ковзання (рис 4, а). Воно визначається тільки статичним моментом або напругою в сталому режимі. Цю залежність (рис4,а) вдалося апроксимувати поліномом 3-ого ступеня:

(7)

Тепер для розрахунку реального граничного коефіцієнта підсилення за допомогою коефіцієнта може бути врахована похибка розрахунку за виведеними раніше формулами. Однак поки не враховувалася зміна насичення магнітного ланцюга асинхронної машини при регулюванні напруги.

Були розраховані граничні коефіцієнти підсилення для різних сталих режимів (тобто з різними ковзанням і напругою). Ці коефіцієнти отримані розрахунковим шляхом (за формулою 6) з врахуванням насичення і без його врахування. Показано, що врахування насичення майже не впливає на напругу у відповідній точці характеристики.

Ці розрахунки свідчать про те, що відношення граничних коефіцієнтів підсилення

теж не залежить від ковзання. На нього впливає тільки напруга в сталому режимі. Відповідна розрахункова залежність наведена на рис 4, б. Природно, це відношення тим більше, чим ближче розрахункова напруга до номінальної, тобто воно збільшується при зростанні моменту двигуна. Цю залежність вдалося описати поліномом 3-ого ступеня, який дійсний при :

= 2,06 -1,3 +0,26 +0,733 (8)

Таким чином, для асинхронних двигунів серії МТ можна розрахувати граничний коефіцієнт із врахуванням насичення

(9)

причому розраховується за допомогою формули (6).

На рис.5 наведені механічні характеристики, побудовані для щонайбільшого () коефіцієнта підсилення з врахуванням нелінійності двигуна і без його врахування. Характеристики 1 і 3 побудовані з , який розраховувався для М = 0,5, а 2 і 4 - для М=1 при s=0,95 і 0,9 відповідно.

Природно, з врахуванням нелінійності АД ( і ) знижуються, тому жорсткості механічних характеристик теж зменшуються на 25…30% (рис.5,а). Однак при великих моментах (х-ки 2 і 4 на рис.5,б), коли і близькі до 1, вони відрізняються лише на 10…12%.

У четвертому розділі розглянута поведінка електромеханічної системи механізмів підйому з врахуванням пружності податливих ланок і електропривода ПН-АД. Характерними величинами двомасової механічної частини, які беруть участь у роботі ЕМС із пружностями, будемо вважати моменти двигуна М і статичний , моменти інерції обох мас J₁ й J₂, жорсткість пружної ланки . Основні рівняння ЕМС з електроприводом ПН-АД:

(10)

За допомогою рівнянь (10) побудована структурна схема ЕМС, наведена на рис.6. Вирішуючи систему рівнянь (10) щодо змінних, які нас цікавлять, одержимо вирази, що зв'язують ці змінні з параметрами ЕМС:



(11)

З виразів (11) випливає характеристичне рівняння замкнутої системи

.

Підставляючи в останнє рівняння вирази передаточних функцій і з (1), одержимо

=> (12)

де коефіцієнти є функціями , , і всіх параметрів двигуна.

Для оцінки стійкості такої ЕМС при використанні критерію Гурвіца необхідно записати визначники за допомогою головної матриці, що складається з коефіцієнтів рівняння (12). Умовою стійкості за Гурвицем при є необхідність забезпечення умов . Після вирішення системи нерівностей ( ) відносно коефіцієнта підсилення й жорсткості (при заданих параметрах двигуна і для різних значень s, та ) або відносно напруги статора й жорсткості , виявилося, що система стане стійкою, якщо

де - значення жорсткості, при яких замкнута система перебуває на межі стійкості.

Як приклад для ЕМС механізму підйому з двигуном 4MTFH200L8 розраховані й побудовані області стійкості з врахуванням коефіцієнтів і при заданих =const ( =const) - рис.7,а, або k = const - рис.7, б. На рис.8 наведені графіки перехідних процесів моменту пружності; побудовані по точній моделі ЕМС, вони підтверджують наявність цих областей стійкості: система стійка для точки А (рис.7,а) - графік 1 і нестійка для точки В - графік 2. асинхронний двигун напруга електропривод

Крім того, розглянуто поведінку електромеханічної системи механізму підйому з врахуванням пружності податливих ланок двомасової механічної частини (ДМЧ) і електропривода з асинхронним двигуном в перехідних процесах пуску. Багаторазове моделювання дозволило побудувати наведені на рис.9 залежності відносного значення максимального моменту пружності (тут і далі по відношенню до номінального моменту двигуна) від частоти власних коливань (тобто від коефіцієнта жорсткості - при заданих та ); тут коефіцієнт співвідношення мас

Однак відомо, що власна реальна частота коливань механічної частини двигун - линва - вантаж складає 3…10 Гц (у відносних одиницях ), а = 1,05…1,35. Навіть для цього випадку, як свідчить рис.9, вдвічі і більше перевищує номінальний момент двигуна.

Для поліпшення якості перехідного процесу, зниження перевантажень гнучкої ланки доцільно використати можливість регулювання підведеної напруги. Адже саме розглянутий у роботі електропривод перетворювач напруги - асинхронний двигун може впоратися з таким завданням. Для цього закон зміни напруги ідеального ПН зручно задавати таким: , причому ; тут коефіцієнт „а” характеризує темп зростання напруги.

Рис.10 свідчить про те, що для зниження до сприятливих величин доцільно приймати коефіцієнт „а” в межах від 0,05 до 0,1. Чим більше коефіцієнт „а”, тим ближче перехідні процеси до тих, коли не використовуються властивості перетворювача напруги.

Для цього випадку на рис. 11 наведені результати моделювання двигуна 4MTFH 200L8 при прямому пуску, а також з коефіцієнтом а =0,05, які свідчать про значне (на 20-25%) зниження максимального значення .

Таким чином, дійсно значення моменту двигуна і пружності можна суттєво знизити, керуючи плавністю зростання напруги перетворювача. Аналогічна картина отримана для випадку пуску з резистором в роторі; цей резистор при певній швидкості виводиться.

Висновки

1. Виведено передаточні функції асинхронного двигуна при його лінеаризації «у малому» та живленні від ПН. Отримано залежності фіктивних сталих часу й коефіцієнтів демпфування складових типових ланок АД від його параметрів, швидкості та напруги, які дозволяють проводити аналіз і синтез електропривода ПН-АД.

2. Проведено аналіз частотних характеристик АД при цьому способі регулювання. Показано, що отримані передаточні функції й частотні характеристики двигуна дозволяють аналітично досліджувати стійкість замкнутого електропривода.

3. Розглянуто кілька математичних моделей асинхронного двигуна, який живиться від ПН, зі зворотним зв'язком за швидкістю, зроблено їхні співставлення; доведено, що моделі, засновані на передаточних функціях, доцільно використовувати для синтезу електропривода, а відома модель, що базується на вихідних рівняннях двигуна, - для перевірки і оцінки результатів.

4. Запропоновано аналітичну методику розрахунку граничних коефіцієнтів підсилення за умовою стійкості, отримані залежності поправних коефіцієнтів від напруги, які уточнюють на 20…30 % значення цих граничних коефіцієнтів.

5. Показано, як нелінійна модель ЕМС з двомасовою механічною частиною дозволяє будувати графіки областей стійкості ЕМС в координатах , при цьому враховується зміна насичення АД.

6. Проаналізовано динамічні навантаження в елементах кінематики при пуску АД. Виявилося, що реальний момент двигуна може привести до перевантажень, які залежать від частоти власних коливань і коефіцієнта співвідношення мас ; вони становлять 2 - 3,5 - кратне значення від статичного моменту номінального вантажу.

7. Показана можливість зниження динамічних навантажень в елементах кінематичної передачі та линви до 1,2…1,5- кратного значення використанням властивостей перетворювача напруги, а саме - плавним зростанням напруги, яка підводиться до двигуна, запропоновано закон зміни цієї напруги.

8. Запропоновані методи розрахунку параметрів і методика обмеження динамічних навантажень дозволяють розширити область застосування електропривода ПН-АД, особливо при модернізації масових кранів.

Список опублікованих праць за темою дисертації

Герасимяк Р.П., Нгуен В.Х., Тарабанчук А.С. Влияние параметров и режима работы асинхронного двигателя на его частотные характеристики // Вісник НТУ «ХПІ». - Харків, НТУ ХПІ, 2005, № 45. - С. 86-88.

Герасимяк Р.П., Нгуен В.Х., Здрозис К.П. Динамические режимы электромеханической системы с асинхронным приводом // Електромашинобуд. та електрообладн. - 2006. -Вип. 66. - С.30-32.

Герасимяк Р.П., Нгуен В.Х. Устойчивость замкнутой системы электропривода преобразователь напряжения - асинхронный двигатель // Електромашинобуд. та електрообладн. - 2007. - Вип. 69. - С.23-27.

Нгуен В.Х. Расчет граничных коэффициентов усиления замкнутой системы асинхронного электропривода с учетом насыщения // Електромашинобуд. та електрообладн. - 2008. -Вип. 70. - С.23-27.

Герасимяк Р.П., Нгуен В.Х., Лещев В.А. Электромеханическая система подъемных механизмов с замкнутым асинхронным электроприводом // Вісник НТУ «ХПІ». - Харків, НТУ ХПІ, 2008, № 30. - С.326 - 328.

Нгуен В.Х. Динамические нагрузки в кинематических звеньях подъемных механизмов с электроприводом преобразователь напряжения - асинхронный двигатель// Електромашинобуд. та електрообладн. - 2008. - Вип. 71.- С. 18 - 21.

Анотація

Нгуен В. Х. Динамічні режими електромеханічних систем підйомних механізмів кранів з електроприводом «Перетворювач напруги - асинхронний двигун». - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - Електротехнічні комплекси і системи. Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2009.

Дисертація присвячена розробці методів аналітичного синтезу електропривода «Перетворювач напруги - асинхронний двигун» електромеханічної системи механізмів підйому з врахуванням нелінійних властивостей і електромагнітних перехідних процесів асинхронного двигуна та вироблення рекомендацій щодо поліпшення якості квазістатичних і перехідних режимів в електромеханічних системах. З метою підвищення надійності для ПТМ варто застосовувати найбільш прості електроприводи, які задовільняють основним вимогам цих механізмів. Так, для кранових механізмів, які працюють у повторно-короткочасному режимі і не потребують тривалого регулювання швидкості, таким електроприводом є перетворювач напруги - асинхронний двигун (ПН- АД).

У роботі виведені передаточні функції АД для електромагнітного моменту - вихідної величини електромеханічного перетворювача і внутрішнього зворотного зв'язку за швидкістю.По виведених передаточних функціях асинхронного двигуна при його лінеаризації «у малому» і живленні від ПН отримані залежності фіктивних сталих часу і коефіцієнтів демпфування складових типових ланок від параметрів АД, його швидкості і напруги. Проведено аналіз частотних характеристик АД. Отримані передаточні функції і частотні характеристики двигуна дозволяють досліджувати стійкість замкнутого лінеаризованого електропривода ПН-АД.

Запропоновано кілька математичних моделей електропривода ПН- АД зі зворотним зв'язком за швидкістю, дані рекомендації щодо їх застосування. Розроблено аналітичну методику розрахунку граничних коефіцієнтів підсилення за умовою стійкості і уточнення їхніх значень з використанням достовірних моделей.

Розглянута поведінка електромеханічної системи механізмів підйому з врахуванням пружності податливих ланок. Показано, як за допомогою нелінійної моделі ЕМС з двомасовою механічною частиною будуються графіки областей стійкості по різних параметрах, коли враховується також зміна насичення АД. Проаналізовано динамічні навантаження в елементах кінематики при пуску АД. Показано можливість зниження навантажень в елементах кінематичної передачі завдяки плавному зростанню напруги, що підводиться до двигуна, запропоновано закон зміни цієї напруги.

Запропоновані методи розрахунку параметрів і методика обмеження динамічних навантажень дозволяють розширити область застосування електропривода ПН - АД, особливо при модернізації масових кранів.

Ключові слова: механізм підйому, асинхронний двигун, перетворювач напруги, моделювання, електромеханічна система, стійкість, динамічні навантаження.

Аннотация

Нгуен В. Х. Динамические режимы электромеханических систем подъемных механизмов кранов с электроприводом «Преобразователь напряжения - асинхронный двигатель». - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы. Одесский национальный политехнический университет, Одесса, 2009.

Диссертация посвящена разработке методов аналитического синтеза электропривода «Преобразователь напряжения - асинхронный двигатель» электромеханической системы механизмов подъема с учетом нелинейных свойств и электромагнитных переходных процессов асинхронного двигателя и выработке рекомендаций по улучшению качества квазиустановившихся и переходных режимов в электромеханических системах. С целью повышения надежности для ПТМ следует применять наиболее простые электроприводы, но удовлетворяющие основным требованиям этих механизмов. Так, для крановых механизмов, работающих в повторно-кратковременном режиме и не требующих длительного регулирования скорости, таким электроприводом является преобразователь напряжения - асинхронный двигатель (ПН-АД). Он обладает относительно простой силовой частью, неплохой регулируемостью, сравнительно низкой стоимостью и повышенной надежностью. Однако устойчивые пониженные скорости этот электропривод может обеспечить лишь в замкнутой по скорости системе регулирования.

В работе по основным уравнениям АД выведены его передаточные функции для электромагнитного момента - выходной величины электромеханического преобразователя и внутренней обратной связи по скорости. По выведенным передаточным функциям асинхронного двигателя при его линеаризации «в малом» и питании от ПН получены зависимости фиктивных постоянных времени и коэффициентов демпфирования составляющих типовых звеньев от параметров АД, его скорости и прикладываемого напряжения. Полученные передаточные функции и частотные характеристики двигателя позволяют исследовать устойчивость замкнутого линеаризованного электропривода ПН-АД. Дана методика построения механических характеристик электропривода ПН-АД с обратной связью по скорости.

Используя критерий устойчивости Найквиста для линеаризованных систем, рассчитан предельный коэффициент усиления разомкнутой системы, при котором замкнутый по скорости электропривод находится на грани устойчивости.

Предложено несколько математических моделей электропривода ПН-АД с обратной связью по скорости, выполнено их сопоставление, даны рекомендации по применению. Разработана аналитическая методика расчета граничных коэффициентов усиления электропривода ПН-АД по условию устойчивости и уточнения их значений с использованием достоверных моделей. Показано, что при учете нелинейностей АД максимальные жесткости реальных механических характеристик снижаются в среднем на 15-17%.

Рассмотрено поведение электромеханической системы механизмов подъема с учетом упругости податливых звеньев и электропривода ПН-АД.Показано, как с помощью нелинейной модели ЭМС с двухмассовой механической частью строятся графики областей устойчивости по разным параметрам, когда учитывается также изменение насыщения АД.

Проанализированы динамические нагрузки в элементах кинематики при пуске АД. Оказалось, что реальный момент двигателя при пуске, получаемый при моделировании АД, может привести к перегрузкам, зависящим от частоты собственных колебаний механической части и коэффициента соотношения масс ; они могут превышать статический момент номинального груза в 2-3,5 раза. Показана возможность снижения нагрузок в элементах кинематической передачи использованием свойства преобразователя напряжения, а именно - плавным нарастанием подводимого к двигателю напряжения, предложен закон изменения этого напряжения.

Предложенные методы расчета параметров и методика ограничения динамических нагрузок позволяют расширить область применения электропривода ПН-АД, особенно при модернизации массовых кранов.

Ключевые слова: механизм подъема, асинхронный двигатель, преобразователь напряжения, моделирование, электромеханическая система, устойчивость, динамические нагрузки.

Annotation

Nguyen V.H. Dynamic regimes of Electromechanical systems of hoisting mechanisms of cranes with the electric drive "The voltage converter - induction motor". - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of technical sciences by a speciality 05.09.03 - Electrotechnical complexes and systems. - Odessa national polytechnic university, Odessa, 2009.

The dissertation is devoted to development of methods of analytical synthesis of the electric drive "Voltage converter - induction motor" (VC-IM) of electromechanical system of hoisting mechanisms in view of nonlinear properties and electromagnetic transients of induction motor and development of the recommendations on improvement of quality static and transitive regimes in electromechanical systems. With the purpose of increase of cranes reliability it is necessary to apply the most simple electric drives, but satisfying to the basic requirements of these mechanisms. So, for crane mechanisms working in a repeatedly - short-term regimes and which are not demanding long speed regulation, such electric drive is the voltage converter - induction motor.

Transfer functions for the electromagnetic torque IМ - initial size of the electromechanical converter and internal speed feedback are obtained. On these transfer functions of induction motor the dependences of constant time and damping factors of typical parts of IM parameters, speed and voltage are received. The analysis of the IM frequency characteristics is spent at this method of regulation. The received transfer functions and the frequency characteristics of the motor allow to investigate stability of the electric drive a VC-IM. Some mathematical models of the electric drive a VC-IM with a speed feedback are proposed, the recommendations for application are given. The analytical method of calculation of boundary amplification factors of the electric drive a VC-IM is developed.

Behavior of electromechanical system of hoisting mechanisms in view of elasticity of parts and electric drive a VC-IM is considered. Is shown, with the help of nonlinear model EMS with a two-mass mechanical part the diagrams of stability fields on different parameters are constructed, when the change of saturation a IM is taken into account also. Dynamic loadings in kinematical elements are analyzed at IM start-up. It is shown possibility of loadings decrease in kinematical elements by fluent voltage increase to the motor, the law of this voltage change is proposed.

The proposed methods of parameters calculation and method of dynamic loadings restriction allow to extend field of application of the VC-IM electric drive, especially at crane modernizations.

Key words: hoisting mechanism, induction motor, voltage converter, modeling, electromechanical system, stability, dynamic loadings.

Размещено на Allbest.ru

...