Регульований електропривід турбомеханізмів за схемою вентильного двигуна зі збудженням змінним струмом

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ

УДК 62-83: 621.313

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

РЕГУЛЬОВАНИЙ ЕЛЕКТРОПРИВОД ТУРБОМЕХАНІЗМІВ ЗА СХЕМОЮ ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГУНА ЗІ ЗБУДЖЕННЯМ ЗМІННИМ СТРУМОМ

Спеціальність 05.09.03 - Електротехнічні комплекси та системи

БАРДАВІЛЬ ІМАД

Київ - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі автоматизації управління електротехнічними комплексами Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" (НТУУ "КПІ").

Науковий керівник:

Чермалих Валентин Михайлович, доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри автоматизації управління електротехнічними комплексами НТУУ "КПІ".

Офіційні опоненти:

Родькін Дмитро Йосипович, заслужений діяч науки і техніки, доктор технічних наук, професор кафедри систем автоматичного керування та електропривода Кременчуцького державного політехнічного інституту;

Пересада Сергій Михайлович, кандидат технічних наук, доцент кафедри електроприводу і автоматизації промислових установок НТУУ "КПІ".

Провідна установа - Інститут електродинаміки НАН України.

Захист відбудеться "09" червня 1999 року о 15-00 годині на засіданні спеціалізованої Ради К 26.002.06 при Національному технічному університеті України "КПІ", корп. № 20, ауд. 3.

Відгуки на автореферат в двох екземплярах, скріплених печаткою установи, просимо надсилати за адресою: 252056, Київ-56, проспект Перемоги, 37, Вченому секретарю.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного технічного університету України "КПІ".

Автореферат розісланий "07" травня 1999 р.

Вчений секретар Спеціалізованої Ради Б.М. Кондра.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Впровадження передових технологій і створення сучасного обладнання потребує все більш широкого застосування регульованого електропривода, що дозволяє не лише підвищити якість технічного процесу, але й зменшити споживання електричної енергії.

Турбомеханізми (доцентрові насоси, вентилятори, турбокомпресори і т. ін.) є машинами широкого застосування. Близько 25 % всієї електроенергії, що її виробляють у країнах СНД, витрачається приводами турбомеханізмів. Тому технічне вдосконалення і підвищення економічності електроприводів цих машин належать до головних завдань, які визначають раціональне використання електроенергії. Під економічністю електропривода розуміють не лише його найменшу вартість, але й таку якість, як регульованість.

Потужність турбомеханізмів лежить в досить широких межах. Швидкості обертання робочого колеса також різні (від 100 об/хв. вентиляторів великих градирень до 20000 об/хв. надшвидкісних турбокомпресорів). Однак, незважаючи на різноманітність механізмів за призначенням, умовами роботи, основними параметрами, їх характеристики з точки зору вимог і умов роботи електропривода мають багато спільного.

До недавнього часу практично в усіх країнах для приводів турбомеханізмів застосовувались майже винятково нерегульовані електроприводи на основі синхронних або асинхронних машин. Це пояснювалось, головним чином, відсутністю в ті часи технічних засобів для створення достатньо потужних регульованих електроприводів змінного струму.

Одною з важливих обставин, що підтверджують доцільність застосування регульованого електропривода, зв'язану з тим, що режим роботи багатьох турбомеханізмів (насосів комунального і промислового водопостачання, шахтних вентиляторів, енергетичних турбокомпресорів) в більшості випадків є принципово невизначеним.

Це не дозволяє на стадії проектування вибрати робочу машину, яка оптимально задовольняє режим роботи системи, більш того в процесі експлуатації режим роботи установки суттєво змінюється. За таких умов оптимізація роботи турбомашини можлива тільки при регулюванні швидкості обертання робочого колеса.

Передові в технічному відношенні фірми Німеччини, США, Японії застосовують для турбомеханізмів такі регульовані приводи, як наприклад, вентильні каскади, машини подвійного живлення, індукторні муфти ковзання, вентильні двигуни. Вентильний двигун (ВД) на основі синхронної машини, являючи собою найбільш досконалу систему електропривода, звичайно застосовується для потужних турбомеханізмів. Для середніх потужностей перспективною є системи електропривода по схемі ВД на основі асинхронної машини (АМ) з фазним ротором зі збудженням постійним або змінним струмом.

За останні два десятиліття в світовій практиці накопичено великий досвід створення ВД на основі загальнопромислових синхронних машин або машин спеціальної конструкції. Тим часом ВД на основі АМ з фазним ротором досліджені недостатньо як в теоретичному, так і в експериментальному відношенні.

Через це дослідження характеристик і оптимізація параметрів ВД на основі АМ, які виконані в даній роботі, є актуальним завданням.

Мета дисертації - визначення характеристик ВД на основі АМ зі збудженням змінним струмом, оптимізація параметрів силового перетворювача та частоти струму збудження, а також розробка методів отримання механічних характеристик з заданими властивостями при нереверсивному і реверсивному магнітному полі збудження, яке обертається. Це дозволить використовувати принципи ВД при реконструкції діючих електроприводів турбомеханізмів з метою поліпшення їх регулювальних та енергетичних показників.

Для досягнення мети необхідно розв'язати такі завдання

встановити аналітичні залежності, які описують основні характеристики ВД зі збудженням змінним струмом на основі схеми заміщення, яка є частковим випадком відповідної схеми машини подвійного живлення;

дослідити характеристики ВД в рушійному режимі та встановити залежність граничного електромагнітного моменту від кута випередження відпирання вентилів інвертора;

дослідити вплив частоти поля збудження на характеристики ВД і визначити оптимальну частоту напруги збудження, яка забезпечує мінімальну сумарну потужність перетворювачів;

виконати аналіз режиму роботи ВД при реверсуванні напрямку обертання поля збудження для отримання робочих швидкостей з мінімальним енергоспоживанням;

виконати аналіз ступеня використання установленої потужності асинхронної машини в схемі ВД.

Методи досліджень. Виконані дослідження базуються на фундаментальних положеннях електродинаміки та теорії автоматизованого електропривода; в ході аналізу використовується коректний апарат алгебри та математичного аналізу. При дослідженні системи керування ВД застосовано метод структурного моделювання з використанням ЕОМ.

Наукова новизна. В дисертації

теоретично досліджений ВД з природною комутацією на основі АМ з фазним ротором, доведено, що завдяки полю збудження, яке обертається, забезпечена машинна комутація вентилів інвертора в усьому діапазоні частот обертання, в тому числі - при запусканні;

обґрунтована можливість дослідження характеристик ВД по схемі заміщення аналогічно відповідній схемі АМ з нормальним живленням і яка є частковим випадком схеми заміщення машини подвійного живлення;

отримані рівняння механічної, електромеханічної характеристик та характеристики електромагнітного моменту ВД при управлінні згідно з законом постійного значення кута випередження відпирання вентилів інвертора;

доведено, що у ВД існують деякі оптимальні значення частоти поля збудження, при яких для роботи на номінальній швидкості двигуна потрібний мінімальний запас по напрузі роторного трансформатора;

отримані формули та графіки для визначення оптимальної частоти поля збудження, яка забезпечує мінімум сумарної установленої потужності перетворювальних агрегатів у роторі та статорі ВД.

Практична цінність. Одержані теоретичні результати дозволяють визначити параметри обладнання при реконструюванні діючого асинхронного електропривода. А саме, за побудованими графіками основних характеристик ВД для конкретних умов експлуатації можна вибрати раціональний режим керування, а на основі залежності усталених кутових швидкостей двигуна від частоти та напрямку обертання поля збудження - забезпечити необхідний діапазон регулювання.

Реалізація результатів роботи. Результати виконаних досліджень використані при розробці лабораторного стенду для експериментальної перевірки відповідних основних характеристик ВД, отриманих шляхом розрахунків та реальних. Встановлено, що в ВД зі збудженням змінним струмом відсутня необхідність у регулюванні напруги збудження. Що суттєво спрощує схему керування перетворювачем порівняно з ВД при збудженні постійним струмом. Експериментально підтверджено, що реалізація пропонованої системи електропривода не вимагає заміни раніше встановленого двигуна.

Апробація роботи. Основні положення дисертації доповідались та обговорювались на конференції з міжнародною участю "Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика" (м. Алушта, 1997р.); міжнародній науково-технічній конференції "Современные технологии экономичного и безопасного использования электроэнергии" (м. Дніпропетровськ, 1997 р.); 5-ій Українській конференції з автоматичного управління "Автоматика-98" (м. Київ, 1998 р.).

Публікації. Основний зміст роботи відображено в 5 статтях в науково-технічних виданнях.

Структура та об'єм дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів та висновку. Зміст роботи викладено на 118 сторінках машинописного тексту, ілюстровано 29 рисунками. Перелік використаної літератури вміщує 89 найменувань. Додатки наведені на 17 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, наведені основні положення роботи, сформульовані задачі досліджень, мета яких - створення регульованого електропривода на основі АМ, що найповніше забезпечує умови роботи турбомеханізмів.

Перший розділ присвячено аналізу джерел, на основі якого визначено задачі, що розв'язуються у роботі. Розглянуто особливості характеристик турбомеханізмів як навантажувальних машин електроприводів, наведені основні системи регульованих електроприводів великої потужності на основі АМ з фазним ротором в режимі подвійного живлення за каскадною схемою.

У другому розділі одержані рівняння основних характеристик ВД на основі АМ з фазним ротором зі збудженням змінним струмом.

Аналіз літературних джерел показав, що для більшості турбомеханізмів достатньо мати три-чотири робочих швидкості, що досягається економічними з точки зору споживання електроенергії засобами. Такі режими легко реалізуються електроприводом за схемою ВД на основі синхронної машини зі збудженням постійним струмом. Керування тиристорами інвертора виконується або сигналом давача положення, або за допомогою давача електрорушійних сил (ЕРС) ротора. Головним недоліком подібної схеми є відсутність машинної комутації вентилів інвертора при запуску та при роботі на малих частотах обертання. Цей недолік ліквідується в ВД зі збудженням трьохфазним змінним струмом (рис. 1).

Якорем двигуна служить ротор АМ, в коло якого включений перетворювач з ланкою постійного струму (ПВ). Як індуктор використано статор АМ, який живиться від джерела трьохфазної напруги низької частоти (ДНЧ).

В наведеній схемі магнітне поле збудження обертається, завдяки чому в роторі наводиться ЕРС навіть при нульовій швидкості двигуна. Цим забезпечується машинна комутація залежного інвертора в усьому діапазоні частот обертання, в тому числі і при запуску. Важливою перевагою ВД зі збудженням змінним струмом є також відсутність необхідності у встановленні на валу АМ давача положення ротора. Аналітичні залежності, що визначають механічні характеристики ВД зі збудженням змінним струмом, можуть бути отримані, розглядаючи дану схему як машину подвійного живлення або асинхронно-вентильний каскад (АВК) з керованою роторною групою вентилів.

Оскільки поняття ковзання S у схемі ВД має той же сенс, що і в нормальній схемі вмикання АМ, то при обертанні ротора в напрямку протилежному до обертання поля статора (що завжди має місце при запуску):

S=(₁₊)/₁₌₂/₁₌f₂/f₁,

де - частота обертання ротора,

₁₌2f₁/p, ₂₌2 f₂/p

- кругова частота обертання магнітного поля машини відносно статора і ротора;

f₂=f₁+p/(2)

f₁, f₂ - частоти напруги статора і ротора; p - число пар полюсів АМ. З урахуванням цього завжди при такому режимі S1.

Дослідження характеристик ВД виконується на основі загальноприйнятих припущень про заміну реальних несинусоїдальних напруг, електрорушійних сил (ЕРС) і струмів їх першими гармоніками.

Випрямлена ЕРС на вході інвертора:

, (1)

де Е ₂₀ - ЕРС холостого ходу ротора; I_d - випрямлений струм; - комутаційний індуктивний опір; - кут випередження відкривання вентилів інвертора.

Частина електромагнітної потужності на стороні випрямленого струму:

P₁₂=E_d I_d,

що дорівнює P₁₂(S-1)/S, перетворюється в механічну роботу P_мех. Інша частина P₁₂/S передається в статор, де вона рекуперується в мережу. Як наслідок, електромагнітний момент ВД:

, (2)

= f_1н/f₁.

Е_2н - номінальна фазна ЕРС ротора АМ; X_кн=X_р - значення X_кн на частоті f_1н=50 Гц.

Якщо магнітне поле ВД обертається по відношенню до ротора в протилежному напрямі, то має місце марне перекачування енергії через статор у мережу. Виходячи з цього, вибір вторинної напруги силового трансформатора слід виконувати за умови обертання магнітного поля узгоджено з ротором. Номінальна фазна ЕРС силового трансформатора E_тн визначається з виразу:

, (3)

де - коефіцієнт трьохфазної мостової схеми; _т - кут управління тиристорами трансформаторної групи;

- еквівалентний опір, зведений до кола ротора; r_др, r_тр - активний опір згладжувального дроселя та трансформатора відповідно.

Згідно (3) маємо:

, (4)

; ; .

Електромагнітний момент у відносних одиницях:

, (5)

- ковзання ВД при ідеальному холостому ході.

Залежність М^* від не має екстремуму, тому перевантажувальна спроможність ВД визначається тільки комутаційною стійкістю інвертора. Рівняння комутації для даного типу ВД має вид:

,

а відносний момент:

,

де - кут комутації; =- - кут запасу для відновлення запираючих властивостей тиристорів.

Стійка робота інвертора можлива лише при > 0, тобто теоретично максимальне значення кута комутації =. Тому граничний момент визначається виразом:

. (6)

Характеристики електроприводу за схемою ВД залежать від прийнятого алгоритму керування інвертором. Для ВД зі збудженням змінним струмом фізичний смисл мають два закони керування: =const і =const.

Співвідношення (5), (4) і (1) являють собою рівняння характеристик відповідно механічної, електромеханічної і електромагнітного моменту ВД при управлінні за законом =const. Зі зростанням кута збільшується граничний момент ВД. Максимальний граничний момент, який приблизно дорівнює 0,83М_к, досягається при =75⁰.

У третьому розділі досліджено вплив частоти струму збудження і напрямку обертання поля на потужність перетворювачів у статорі і роторі, встановлено раціональний режим роботи електроприводу.

Для даної системи приводу досить важливим є визначення оптимальної частоти збудження, яка забезпечує найменшу потужність перетворювачів у статорі і роторі. Дослідження показали, що зниження частоти f₁ при обертанні поля статора в протилежному по відношенню до обертання ротора напрямі не тягне за собою зменшення потужності перетворювачів. Поле збудження, яке обертається, необхідне тільки при запуску ВД і роботі на малих швидкостях. Після того як швидкість двигуна досягне 15-20 % номінальної, поле збудження може бути зупинено, і реверсовано, тобто воно може обертатись в той самий бік, що і ротор. При цьому частота магнітного поля ротора, а як наслідок, і індукована в роторі ЕРС зменшується, що в свою чергу дозволить зменшити потрібну напругу випрямляча для одержання заданої швидкості.

Енергетична діаграма для випадку, коли напрям руху поля і ротора співпадають, зображена на рис. 2. В рушійному режимі електромагнітна потужність Р ₁₂, що дорівнює сумі потужностей, які споживаються з мережі ротором (Р ₂) і статором (Р ₁) за вирахуванням витрат Р ₁ і Р ₂, перетворюється в механічну роботу Р_мех. Таким чином корисна потужність на валу:

Р_п= Р_мех-Р_мех,

де Р_мех - механічні витрати.

На рис. 3 зображена енергетична діаграма для випадку, коли поле збудження обертається в напрямку протилежному обертанню ротора.

Через повітряний зазор передається не вся потужність Р ₂, а лише частина її за вирахуванням втрат Р ₂ в колі ротора і в залежності від співвідношення параметрів ВД і величини навантаження можливі два випадки: якщо Р ₁₂/S>Р ₁, то має місце рекуперація частини енергії в мережу, при Р ₁₂/S<Р ₁ рекуперації енергії не буде, більш того статор буде споживати з мережі енергію, необхідну для покриття в ньому втрат.

В розглянутій системі при ₀ =_н, якщо поле статора і ротор обертаються в одному напрямі, частота струму в роторі:

f₂ =_1нp/(2) - f₁₀. (7)

Якби магнітне поле і ротор обертались в протилежних напрямках, така частота струму в роторі мала б місце при швидкості '<_1н, зв'язаній з f₂ співвідношенням:

f₂='p/(2) + f₁₀. (8)

Прирівнюючи праві частини (7) та (8), маємо:

' = _1н-2₁=_1н (1-2/), де =f_1н/f₁₀=_1н/₁. (9)

З виразу (9) видно, що чим більше частота поля збудження f₁₀, тим більшу частину потужності привод споживає через статор і тим меншу - через ротор. Сумарна установлена потужність перетворювальних агрегатів у роторі і статорі може мати мінімум при деякому значенні f₁₀. Сумарна потужність двох перетворювачів дорівнює S_п=3(U₁I_1н+E_2тI_2н), де I_1н, I_2н - номінальні струми статора і ротора АМ; U₁ - фазна напруга статора; E_2т - напруга вторинної обмотки трансформатора при холостому ході.

Встановлена потужність перетворювачів у відносних одиницях:

, (10)

C₁=U₁/E₁; k_i=/I_2н;

С₁- номінальний струм статора, наведений до ротора; E₁ - ЕРС статора; U_2* - коефіцієнт запасу по відношенню до номінальної ЕРС ротора АМ.

Якщо магнітне поле статора і ротор обертаються в одному напрямку, то:

, (11)

(12)

r_1*, r_2* - еквівалентні опори статора і ротора.

На рис. 4 у відповідності з залежностями (10) та (11) побудовані графіки для ряду значень кута .

Якщо магнітне поле статора і ротор обертаються в протилежні сторони, то:

. (13)

Продиференціювавши (10) по з урахуванням (11) і (13) і, прирівнявши похідні нулю, отримаємо:

; (14)

. (15)

Співвідношення (14) має сенс тільки при:

c₁k_i/cos > A_max+1. (16)

Вважаючи <60⁰ і, підставляючи A_max з (12) в (16), після перетворень отримаємо:

c₁k_i > cos²(/2). (17)

Оскільки c₁1 і k_i>1, нерівність (17) завжди виконується, і функція (10) має мінімум. Порівняння співвідношень (14) і (15) показує, що, тобто якщо поле статора і ротор обертаються в одному напрямку, оптимальна частота поля збудження більша ніж у випадку, коли поле статора і ротор обертаються в протилежні сторони.

Формула (10) дозволяє при заданій частоті збудження визначити мінімальну сумарну потужність перетворювачів.

Формування сигналу заданої частоти f_1з перетворювача-збуджувача відбувається в функції заданої швидкості обертання двигуна. При запуску поле обертається в напрямку зворотному до обертання ротора. Потім при визначеній швидкості відбувається зменшення частоти f₁ з подальшим зростанням її до початкового значення f_1з, але з напрямком обертання поля, який співпадає з напрямком обертання ротора.

На рис. 5 зображено функціональну схему замкнутої системи електроприводу на основі ВД, у якій поблизу визначеної швидкості двигуна реалізовано режим реверсу напрямку обертання магнітного поля машини. Силова частина системи ідентична показаній на рис. 1 в ротор АМ включено перетворювач частоти за схемою випрямляч В - залежний інвертор І, а в статор - тиристорний збуджувач ТЗ, який також являє собою перетворювач частоти, що працює в режимі джерела напруги U₁ низької частоти f₁. Управління випрямлячем здійснюється вихідним сигналом системи регулювання швидкості, яка являє собою стандартну систему підлеглого регулювання з регуляторами швидкості (РШ) і струму (РС). Управління інвертором виконується в функції ЕРС фаз двигуна. Виділення сигналів ЕРС здійснюється функціональним побудовником (БВЕ) відомим методом, виходячи з напруги і струму фаз. На рис. 6 приведені механічні характеристики ВД для =60⁰ і ряду значень кута управління _т.

Формування сигналу f_1з завдання частоти перетворювача-збуджувача відбувається в функції заданої частоти обертання електроприводу на виході блоку нелінійності (НЕ). Останній має характеристику типу "насичення", рівень якої відповідає максимальному значенню f₁, позначеному f₁₀. На вхід НЕ подається різниця між сигналами заданої та граничної частот обертання (відповідно _з і _гр). Сигнал _гр формується на виході порогового елементу ПЕ, знак цього сигналу визначається знаком _з, тобто напрямком обертання приводу. Величину _гр рекомендується приймати такою, що дорівнює:

_гр=_н (1-1/)

(параметр в даному випадку дорівнює =f_1н/f₁₀).

При частотах обертання _з<_н(1-2/) НЕ знаходиться в зоні насичення, і робота ВД нічим не відрізняється від раніш розглянутого частота збудження стала (вона дорівнює f₁₀), і поле обертається проти ротора (припускається, що напрям обертання поля, тобто порядок чергування фаз напруги U₁, визначається знаком сигналу f_1з).

Якщо задана швидкість перевищує значення _н(1-2/), НЕ виходить з насичення, і завдання на частоту поля зменшується. При_з= _гр частота f₁ дорівнює нулю, поле збудження зупиняється, і розглянута система працює як класичний ВД зі збудженням постійним струмом. Подальше зростання _з призводить до того, що сигнал f_1з змінює знак, як наслідок, змінюється напрям обертання поля - воно починає обертатися в той само бік, що й ротор. При _з=_н частота f₁ досягає початкового значення f₁₀, однак обертання поля відбувається в напрямі протилежному до початкового. Якщо блоки НЕ та ПЕ будуть мати симетричні характеристики, то порядок роботи всіх вузлів електроприводу не буде залежати від напряму обертання ротора ВД (тобто від знаку сигналу _з). вентильний двигун асинхронна електромеханічна

Стабілізацію потокозчеплення ВД (а, як наслідок, комутуючої ЕРС) при зміні частоти збудження, в тому числі, при переході її через нуль, забезпечує спеціальний контур регулювання потокозчеплення. На вхід регулятора потокозчеплення подається сигнал розузгодження між заданим і фактичним потокозчепленням, а на виході формується сигнал U_1з завдання напруги перетворювача-збуджувача. Перераховані операції легко реалізуються на основі аналогових або цифрових схем.

При узгодженому обертанні магнітного поля збудження та ротора відсутнє марне перекачування електромагнітної потужності з ротора в статор і назад в мережу. В рушійному режимі електромагнітна потужність Р ₁₂ дорівнює сумі потужностей, що їх споживають з мережі ротор та статор, за винятком відповідних втрат, що забезпечує мінімально можливе для заданої частоти обертання споживання електроенергії.

Застосування тиристорного електроприводу, як правило, завжди супроводжується погіршенням використання електричної машини, і це повинно враховуватись при виборі потужності двигуна, призначеного для роботи з тиристорним перетворювачем. Два головних фактори, які погіршують використання АМ у схемі ВД:

через великий зсув фаз між ЕРС та струмом ротора, а також несинусоїдальності струму, електромагнітний момент М_вд, що його розвиває АМ в схемі ВД, менше ніж момент М_нс в нормальній схемі ввімкнення;

через різний зсув фаз між намагнічувальним струмом та струмом ротора, при одному й тому ж значенні струму ротора, струм ротора в схемі ВД більше ніж в нормальній схемі ввімкнення.

Коефіцієнт К_в використання АМ в схемі ВД:

- номінальний коефіцієнт потужності в роторному колі.

Як наслідок, для того, щоб струм статора не перевищив номінального значення, тривало допустимий струм ротора АМ в схемі ВД повинен бути меншим від номінального.

Четвертий розділ присвячено аналізу особливостей побудови системи підлеглого регулювання електроприводу за схемою ВД. З метою описання динаміки ВД використана методика, прийнята в теорії АВК. Подібність структури ВД зі збудженням змінним струмом та двигуна постійного струму дозволить використовувати у розглянутому електроприводі стандартну двоконтурну систему підлеглого регулювання (СПР) з внутрішнім контуром регулювання струму та зовнішнім контуром регулювання швидкості (рис. 5). Однак специфічні особливості ВД не завжди дозволяють використати стандартну методику настройки СПР при виборі структури і параметрів регуляторів. У випадку ВД при компенсації значної сталої часу Т_Е контуру струму слід ураховувати те, що вона залежить від швидкості ковзання двигуна, оскільки від швидкості залежить опір кола випрямленого струму R_Е. Тому точна компенсація Т_Е буде мати місце при певному, налагоджувальному значенні ковзання.

Максимальне значення Т_Е (R_Е=R_Еmin), буде при нерухомому роторі, а максимальне (R_Е=R_Еmax) - при максимальній швидкості. Розрахунки показують, що відношення R_Еmax/R_Еmin у всьому діапазоні регулювання частоти не перевищує 5. Якщо як налагоджувальну сталу часу Т_{Е 0} прийняти значення Т_Е у середній частині діапазону регулювання, то у всьому діапазоні регулювання швидкості має місце прийнятна якість перехідних процесів. Таким чином, при управлінні інвертором ВД за законом =const налагодження регулятора струму мало відрізняється від традиційного, прийнятого в приводі постійного струму.

Якщо управління інвертором здійснюється за законом =const, налагодження контуру регулювання струму суттєво ускладнюється, оскільки в цьому випадку контур у розімкненому стані може виявитися нестійким. Однак величина електромагнітної сталої часу при =const буде більшою, а її зміна при регулюванні швидкості - меншою, ніж при =const.

Налагодження контуру регулювання швидкості ВД, незалежно від прийнятого закону управління інвертором, може виконуватись на основі стандартної методики, виходячи з лінеаризованої структурної схеми.

ВИСНОВКИ

Турбомеханізми можна розглядати як окремий клас машин з вентиляторним навантаженням, особливістю якого є суттєве зниження моменту опору зі зменшенням швидкості обертання. В більшості випадків режими цих машин (насосів комунального і промислового водопостачання, рудничних вентиляторів, енергетичних турбокомпресорів та ін.) є принципово невизначеними. Тому оптимізація роботи турбомашин можлива лише при регулюванні швидкості обертання електродвигуна.

Головним недоліком машинно-вентильних каскадів, що застосовуються для вентиляторів великої потужності, є наявність додаткових машин постійного струму, що мають складну конструкцію і низьку надійність в експлуатації. Регулювання швидкості електроприводу за схемою асинхронно-вентильного каскаду (АВК), яке здійснюється при повній напрузі, яка підводиться до статора АМ, призводить при роботі з малим навантаженням до зниження ККД і коефіцієнту потужності, погіршення енергетичних показників.

Найдосконалішою системою регульованого електроприводу змінного струму великої потужності є електропривод за схемою вентильного двигуна на основі синхронної або асинхронної машин, який при правильному виборі параметрів має характеристики подібні характеристикам машини постійного струму незалежного збудження.

Вентильний двигун на основі АМ зі збудженням постійним струмом потребує застосування спеціальних схем компенсації реакції якоря через несиметричне нагрівання обмоток статора, який виконує роль індуктора. Умови роботи АМ в схемі ВД зі збудженням змінним струмом значно кращі, оскільки через обмотки статора протікає трьохфазний змінний струм, як і в нормальній схемі ввімкнення, що забезпечує машинну комутацію вентилів інвертора при будь-якій частоті обертання, в тому числі і при запуску.

Характеристики електроприводу на основі ВД залежать від прийнятого алгоритму управління інвертором. З точки зору технічної реалізації найпростішим є управління з постійним кутом випередження (=const). Для такого режиму управління отримані рівняння механічної, електромеханічної характеристик і характеристики електромагнітного моменту.

В ВД на основі АМ існує деяке оптимальне значення частоти поля збудження, яке забезпечує мінімум сумарної установленої потужності перетворювальних агрегатів у роторі і статорі.

Одержання знижених робочих швидкостей можливе як за допомогою зміни підведеної до ротора АМ напруги, так і реверсуванням напряму обертання поля збудження. При узгодженому обертанні поля збудження і ротора сумарна встановлена потужність силового обладнання зменшується приблизно на 20 %.

При розрахунку контуру регулювання струму ВД слід враховувати залежність еквівалентного активного опору роторного кола, а як наслідок, і електромагнітної сталої часу від частоти обертання. У випадку управління інвертором за законом =const прийнятна якість перехідних процесів забезпечується при настроюванні регуляторів, що практично не відрізняється від традиційного, прийнятого у приводі постійного струму.

ПУБЛІКАЦІЇ

1. Чермалых В.М., Бардавил Имад. Электромеханические характеристики электропривода по схеме вентильного электропривода с возбуждением переменным током // Техн. электродинамика. - 1998. - №5. - С. 28-31.

2. Чермалых В.М., Яценко О.Я., Бардавил Имад. Система комбинированного управления электроприводом с компенсацией внешних и параметрических возмущений // Придніпровський науковий вісник. Технічні науки. - 1988. - №96 (163). - С. 43-47

3. Виноградов С.Б., Бардавил Имад. Оценка работоспособности электроприводов насосных станций горно-обогатительных комбинатов // "Проблемы создания новых машин и технологий", Научные труды Кременчугского государственного политехнического института, 1998, вып. 2. - С. 125-127.

4. Чермалых В.М., Чермалых Т.В., Бардавил Имад. Оптимизация регулирования и определение параметров электрооборудования турбомашин // Доклады международной научно-технической конференции "Современные технологии экономичного и безопасного использования электроэнергии". - Днепропетровск, 1997. - С. 138-141.

5. Чермалых В.М., Яценко О.Я., Бардавил Имад. Оптимизация управления турбомашинами с частотно-регулируемым электроприводом // Праці п'ятої Української Конференції з автоматичного управління "Автоматика-98". - Частина 1. - Київ, 1998. - С. 410-418.

АНОТАЦІЯ

Бардавіль Імад. Регульований електропровід турбомеханізмів за схемою вентильного двигуна зі збудженням змінним струмом. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук з спеціальності 05.09. 03 - Електротехнічні комплекси та системи. - Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", Київ, 1999.

Дисертація присвячена питанням вдосконалення регульованого електропривода за схемою вентильного двигуна (ВД) для турбомеханізмів. Одержані рівняння основних характеристик (механічної, електромеханічної та електромагнітного моменту) ВД на основі асинхронної машини з фазним ротором зі збудженням змінним струмом. Досліджено вплив частоти струму збудження і напрямку обертання поля на потужність перетворювачів у статорі та роторі. Встановлено, що в ВД існує оптимальне значення частоти поля збудження, при якій забезпечується мінімальна сумарна установлена потужність перетворювальних агрегатів. В запропонованій системі електропривода одержання знижених швидкостей досягається найекономічнішим способом, а саме - зміною підведеної до ротора напруги та реверсуванням напрямку обертання поля збудження.

Ключові слова: вентильний двигун, асинхронна машина, електромеханічні характеристики, поле збудження.

Бардавиль Имад. Регулируемый электропривод турбомеханизмов по схеме вентильного двигателя с возбуждением переменным током. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы. - Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", Киев, 1999.

Диссертация посвящена вопросам совершенствования регулируемого электропривода по схеме вентильного двигателя (ВД) для турбомеханизмов. Получены уравнения основных характеристик (механической, электромеханической и электромагнитного момента) ВД на основе асинхронной машины с фазным ротором с возбуждением переменным током. Исследовано влияние частоты тока возбуждения и направления вращения поля на мощность преобразователей в статоре и роторе. Установлено, что в ВД существует оптимальное значение частоты поля возбуждения, при которой обеспечивается минимальная суммарная установленная мощность преобразовательных агрегатов. В предлагаемой системе электропривода получение пониженных скоростей достигается наиболее экономичным способом - изменением подводимого к ротору напряжения и реверсированием направления вращения поля.

Ключевые слова: вентильный двигатель, асинхронная машина, электромеханические характеристики, поле возбуждения.

Bardavil Imad. The control electric drive of the turbomechanisms under the scheme of the valve-type engine with excitation by an alternating current. - Manuscript.

The dissertation in candidacy for a degree of the candidate of engineering science with a specialty 05.09.03 - Electrotechnical complexes and systems. - National technical university of Ukraine "Kiev polytechnic institute", Kiev, 1999.

The dissertation is devoted to questions of perfection of the control electric drive under the scheme of the valve-type engine (VE) for turbomechanisms. The equations of the basic characteristics (mechanical, electromechanical and electromagnetic moment) VE are received on the basis of the asynchronous machine with the phasic rotor with excitation by an alternating current. The influence of frequency of the excitation current and direction of the rotation field on the power of converters in stator and rotor is investigated. There is established, that in VE there is an optimum meaning of frequency of the excitation field, at which the minimal total established power of the converter units is provided. In offered system of the electric drive the lowered speeds is reached by the most economic way by change supply rotor voltage and reverse direction of rotation of the excitation field.

Key words: valve-type engine, asynchronous machine, electromechanical characteristics, excitation field.

Размещено на Allbest.ru

...