Системa динамiчного навантаження з резонансним контуром для двигунiв постiйного струму

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти України

Національна гірнича академія України

УДК 621.313.004.13

05.09.03 - Електротехнічні комплекси та системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Система динамічного навантажування з резонансним контуром для двигунів постійного струму

Нечаєва Світлана Володимирівна

Дніпропетровськ 1999

Анотації

Нечаєва С.В. Система динамічного навантажування з резонансним контуром для двигунів постійного струму. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - Електротехнічні комплекси та системи. - Національна гірнича академія України, Дніпропетровськ, 1999.

Дисертацію присвячено питанням формування струмового навантаження в системі навантажування з резонансним контуром. Аналізується відповідність процесів у якірному колі при традиційному навантажуванні та в режимі динамічного навантажування, їх еквівалентизація з точки зору гармонічного складу, а також особливості визначення навантажувальної спроможності ДПС. Досліджено основні утрати, що виникають в електричній машині в результаті динамічного навантажування. Наведено рекомендації до вибору параметрів системи навантажування, що дозволяють мінімізувати витрати на обладнання. Запропоновано методику створення системи керування.

Ключові слова: випробування, електричні машини, динамічне навантажування, резонансний контур, еквівалентизація навантаження.

Нечаева С.В. Система динамического нагружения с резонансным контуром для двигателей постоянного тока. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы. - Национальная горная академия Украины, Днепропетровск, 1999.

Диссертация посвящена вопросам формирования токовой нагрузки в системе нагружения с резонансным контуром. Предложено разделение контуров постоянного и переменного токов в системе динамического нагружения двигателей постоянного тока с воздействием на обмотку якоря, что, в отличие от формирования постоянной и переменной составляющих тока нагрузки одним источником питания, позволяет уменьшить установленную мощность используемого электрооборудования и энергопотребление в процессе испытаний электрических машин. При наличии резонанса в контуре источника переменного напряжения реактивные мощности собственной индуктивности двигателя и дополнительной емкости циркулируют в замкнутом контуре, не влияя на питающую сеть.

Анализируется соответствие процессов в якорной цепи при традиционном нагружении и в режимах динамического нагружения, их эквивалентизация по предложенным критериям нагружения: эффективному значению тока якоря, гармоническому составу и потребляемой мощности. С помощью предложенных коэффициентов оценивается увеличение составляющих потерь мощности при динамическом нагружении по сравнению с обычной работой двигателя при номинальной нагрузке. Исследована зависимость величины необходимой установленной мощности электрооборудования от частоты переменной составляющей тока. Приведены рекомендации по выбору параметров системы нагружения с резонансным контуром для двигателей постоянного тока, позволяющие минимизировать затраты на оборудование при создании и модернизации систем динамического нагружения. На базе анализа вариантов схемных решений определено соотношение параметров элементов системы нагружения и параметров испытуемого двигателя. Установленная мощность источников постоянного и переменного напряжения составляет соответственно 15 и 20% от номинальной мощности испытуемого двигателя. Предложенная система нагружения с резонансным контуром для двигателей постоянного тока является универсальной, позволяя использовать один комплект оборудования для испытания двигателей целого ряда номинальных мощностей. Разработанная математическая модель позволяет исследовать функционирование системы нагружения с резонансным контуром, взаимное влияние элементов резонансного контура и определять их параметры.

Предложена методика создания системы управления с учетом особенностей динамического нагружения двигателей постоянного тока в системе с резонансным контуром. В исследуемой системе нагружения предусмотрены автоматическая настройка резонансной частоты, стабилизация токовой нагрузки и получение информации о состоянии электрической машины по результатам испытаний. Проведены экспериментальные исследования резонансных характеристик системы нагружения. Основные результаты работы получили применение при проектировании и создании испытательной станции для двигателей постоянного тока.

Ключевые слова: испытания, электрические машины, динамическое нагружение, резонансный контур, эквивалентизация нагрузки.

Nechaeva S.V. System by dynamic loading motors of direct current with rezonansable contour. - Manuscript.

Thesis for a candidat's degree by speciality 05.09.03 - Electrotechnical complexes and systems. - National Mining Academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, 1999. The dissertation is devoted to forming current load for loading system with rezonansable contour. Conformity of processes in rotor chain by traditional loading and in regimes of dynamic loading, their equivalentation in aspect harmonic composition, also peculiarities of motors of direct current loading ability definition have been analysing. Main losses, taken place inside electrical machine in consequence dynamic loading have been researched. Recommendations for choice of parameters of loading system, permited to minimize expenditure for equipment have been adduced. Technique of control system creation has been proposed.

Key words: tests, electrical machines, dynamic loading, rezonansable contour, equivalentation of load.

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі автоматизованого електроприводу Криворізького технічного університету Міністерства освіти України.

Науковий керівник: Заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор, Родькін Дмитро Йосипович, (кафедра автоматизації технологічних процесів Кременчуцького державного політехнічного університету)

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри електрообладнання промислових підприємств Дніпродзержинського державного технічного університету, Садовой Олександр Валентинович.

Кандидат технічних наук, доцент кафедри електромеханічних систем Вінницького державного технічного університету, Видміш Андрій Андрійович.

Провідна установа - Харківський державний політехнічний університет, Міністерства освіти України, м. Харків

Захист відбудеться "22" квітня 1999 р. о 16 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.07 Національної гірничої академії України (320027, м. Дніпропетровськ, пр. Карла Маркса, 19), корп. № 1, ауд. 102.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національної гірничої академії України.

Автореферат розісланий "19" березня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 08.080.07 кандидат технічних наук, доцент В.Т. Заїка

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Невід'ємною частиною виробництва і ремонту електричних машин є їх промислові випробування. Методи і схеми, які переважно використовуються зараз з цією метою, не зовсім відповідають зростаючим вимогам до якості отриманої в результаті випробувань інформації про стан і характеристики електричної машини. Найбільш це стосується систем для випробування електричних машин під навантаженням (систем навантажування). Розвиток електротехнічної промисловості, зокрема електромашинобудування, вдосконалення режимів роботи електротехнічних комплексів потребує розробки та утворення нових методів і схем навантажування, що дозволяють отримати необхідну інформацію, одночасно поліпшуючи енергетичні і масогабаритні показники систем навантажування.

Здійснені дослідження в цій галузі дозволили створити принципово новий метод навантаження та діагностики електричних машин - метод динамічного навантажування. Ефект навантаження досягається за рахунок енергообмінних процесів між двигуном та мережею при змінюванні параметрів, які характеризують сумарну енергію в електричній машині. Розроблені на його базі пристрої одержали використання у ряді підприємств електроремонтного виробництва. Однак фізичні процеси в електричній машині, а також розподіл складових потужностей між двигуном, джерелом живлення та іншими елементами системи під час динамічного навантажування були досліджені недостатньо.

Суттєвою особливістю методу є використання знакозмінного струму замість постійного, що створює умови для зменшення потужності обладнання та споживання електроенергії, одночасно потребуючи забезпечити тепловий еквівалент струму в силовому контурі перетворення потужності для статичного та знакозмінного режимів.

Крім того, при застосуванні навантажування актуальним є завдання стабілізації навантаження і питання про еквівалентність звичайних режимів роботи електричної машини і режиму динамічного навантажування. Дослідженню цих питань стосовно машини постійного струму, а також аналізу та створенню системи динамічного навантажування, вибору режиму її функціонування з метою забезпечити оптимальне співвідношення потужностей електрообладнання, яке використовується під час випробувань, і присвячена розглянута робота.

Метою роботи є підвищення ефективності та економічності випробувань двигунів постійного струму шляхом розробки і дослідження системи динамічного навантажування двигунів постійного струму з резонансним контуром, яка дозволяє обмежити установлену потужність використовуваного обладнання, знизити витрати електроенергії та запобігти впливові на електричну мережу.

Для досягнення поставленої мети вирішено наступні задачі:

- обґрунтовано можливість і доцільність використання системи динамічного навантажування з резонансним контуром;

- досліджено фізичні процеси в обмотках електричної машини під час динамічного навантажування; проведено аналіз гармонічного складу струмів якірних секцій;

- визначено та обґрунтовано загальні підходи і принципи еквівалентизації звичайних режимів роботи електричної машини і режиму динамічного навантажування, досліджено їх використання при формуванні режимів роботи системи навантажування;

- розроблено методику вибору параметрів обладнання системи навантажування, яка забезпечує оптимальне співвідношення потужностей використовуваного електрообладнання (що дозволяє мінімізувати сумарну установлену потужність і знизити вживання електроенергії);

- розроблено систему автоматичного керування, яка містить систему стабілізації навантаження, а також пристрій для настроювання резонансу в контурі навантажування;

- досліджено особливості формування динамічних режимів навантажування машин постійного струму (експериментально та з допомогою ЕОМ)

Методи дослідження. Для вирішення поставлених задач у роботі використано: аналіз літературних джерел і узагальнення раніше зроблених досліджень; використання методів і загальноприйнятих положень по дослідженню електромеханічних процесів в електричних машинах, теорії автоматизованого електроприводу і перетворюючої техніки з широким використанням ЕОМ; перевірка достовірності основних теоретичних положень і аналітичних обчислень за допомогою експерименту, при розробці математичної моделі - методи численого рішення систем диференційних рівнянь, метод гармонічного аналізу.

Наукові положення та результати, їх новизна. Відокремлення контурів постійного та змінного струмів у системі динамічного навантажування двигунів постійного струму з впливом на обмотку якоря, на відміну від формування постійної та змінної складової струму навантаження одним джерелом живлення, дозволяє зменшити установлену потужність використовуваного електрообладнання та енергоспоживання під час випробувань електричних машин.

1. Запропоновано спосіб та пристрій динамічного навантажування з резонансним контуром для двигунів постійного струму, що дозволяє підвищити ефективність та економічність промислових та післяремонтних випробувань електричних машин.

2. Розроблено методику еквівалентизації робочих режимів машини постійного струму і режиму динамічного навантажування по запропонованим критеріям навантаження: ефективному значенню струму якоря, гармонічному складу і потужності, яка при цьому використовується, що дозволяє розрахувати та забезпечити необхідний рівень навантаження випробовуваних електродвигунів.

3. Розроблено методику вибору параметрів системи навантажування, яка базується на аналізі залежностей між параметрами елементів системи, що забезпечує оптимальне співвідношення потужностей використовуваного електрообладнання і може застосовуватись при створенні та модернізації систем динамічного навантажування.

4. Розроблено математичну модель системи динамічного навантажування з резонансним контуром, яка дозволяє досліджувати функціонування системи навантажування, а також вивчати взаємний вплив елементів резонансного контуру та визначати їх параметри.

5. Розроблено систему управління з урахуванням особливостей динамічного навантажування двигунів постійного струму в системах з резонансним контуром та алгоритм узгодження роботи регуляторів, що забезпечують автоматичне настроювання резонансної частоти, стабілізацію струмового навантаження та отримання даних про стан електричної машини за результатами випробувань.

Достовірність наукових положень і результатів забезпечується відповідністю результатів досліджень за допомогою математичних моделей фізичним уявленням про процеси, що відбуваються в секціях обмотки якоря та в резонансному контурі, відомим із наукової літератури; перевіркою вносимих висновків і положень шляхом дублювання декількома методами, узгодженістю теоретичних висновків стосовно вибору частоти змінної складової та параметрів системи і результатів експериментального дослідження.

Наукове значення роботи полягає в розробці методики еквівалентизації робочих режимів машини постійного струму і режиму динамічного навантажування, що дає можливість подальшого дослідження та аналізу режимів динамічного навантажування, аналітичному обґрунтуванні вибору частоти змінної складової струму навантаження при розробці системи навантажування з резонансним контуром для двигунів постійного струму.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці системи динамічного навантажування з резонансним контуром для двигунів постійного струму, що дозволяє обмежити установлену потужність використовуваного обладнання; практичних рекомендацій до вибору параметрів системи динамічного навантажування з резонансним контуром для двигунів постійного струму; системи стабілізації навантаження, пристрою для настроювання резонансу в контурі навантажування; математичної моделі та програми для розрахунку на персональній ЕОМ динамічних режимів і динамічних процесів.

Реалізація результатів роботи. Результати дисертаційної роботи використано у проекті станції випробування двигунів автомобілів БелАЗ в умовах цеху № 9 підприємства "Електромашпромсервіс".

Система навантажування з резонансним контуром для двигунів постійного струму пройшла промислове випробування і впроваджена в умовах електроремонтного цеху Криворізького залізорудного комбінату.

Апробація роботи. Основні наукові положення і результати дисертації оприлюднено на 2-й міжнародній конференції "Математичне моделювання в електротехніці та електроенергетиці" у Львові в 1997 р.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 8 друкованих праць.

Структура роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку літератури і додатків. Роботу викладено на 176 сторінках машинописного тексту, вона містить 36 малюнків, 1 таблицю та список літератури з 72 наймень.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульована сутність проблеми, основні положення дисертації.

У першому розділі проведено аналіз літературних джерел з проблеми випробування електричних машин під навантаженням, а також з проблем настроювання систем і зниження вживаної потужності, дослідження процесів в обмотках електричної машини.

Завдання полягає у створенні пристроїв, які дозволятимуть здійснювати перевірку показників якості електричної машини шляхом випробувань у відповідності з вимогами стандартів, забезпечивши при цьому мінімум вживаної потужності і достатній рівень інформації про стан електричної машини.

Аналіз недоліків систем навантаження з механічним агрегуванням виявив доцільність створення систем навантажування, в яких випробовуваний двигун поєднує в собі функції об'єкту навантажування і навантажувального пристрою без механічних симуляторів навантаження.

Вирішенням проблеми є метод динамічного навантажування, сутність якого полягає в тому, що з допомогою відповідним чином сформованих керуючих впливів на джерело живлення якоря або обмотки збудження формуються енергообмінні процеси між випробовуваною електричною машиною і електричною мережею або між декількома машинами. В силовому колі при цьому циркулюють знакозмінні складові якірного струму, а в енергообміні беруть участь індуктивність якірного ланцюга і динамічна ємкість, еквівалентом якої виступає момент інерції частин двигуна, які обертаються.

Однак, залишилося невирішеним питання еквівалентності значень таких основних показників, як навантаження, утрати, нагрівання електричної машини в режимі динамічного навантажування відповідним значенням у звичайних (номінальних) умовах роботи.

Системи динамічного навантажування є перспективними також завдяки тому, що процес передачі енергії електричним шляхом не викликає технічних складностей і має значні можливості керування і автоматизації.

Використання обчислювальних засобів при цьому дозволяє вирішити наступні задачі: автоматичного вимірювання контрольованих величин, їх обробки і оперативної видачі для контролю під час випробувань двигунів; отримання додаткової інформації для визначення діагностичних ознак з метою визначення якісних характеристик і працездатності електричних машин; підготовки і видачі документації на випробовувані електричні машини; підготовки баз даних про процес випробування електричних машин.

При навантажуванні з впливом на напругу якоря двигуна отримано прості й прийнятні результати; в системах з впливом на потік, які відрізняються меншою складністю, при традиційних підходах у побудові систем регулювання залежності, які характеризують швидкість і струм, виходять занадто складними для подальшого користування.

Формування керуючих впливів розглянуто як специфічне, достатньо складне завдання, вирішення якого суттєво спрощує побудову систем ДН. Процес перетворення потужності в системах динамічного навантажування відрізняється складністю в тому відношенні, що при цьому змінюються усі складові повної потужності, а криві струмів і напруг містять складний спектр гармонічних, що ускладнює аналіз отриманих результатів. Крім того, значно ускладнюються операції вимірювання ефективних, середніх і максимальних значень параметрів режиму навантажування.

Аналіз праць, виконаних у галузі створення і розробки систем для навантажування, дослідження і випробування електричних машин, дозволили сформулювати мету і задачі дисертації, відзначити шляхи вирішення поставлених задач. електричний двигун навантаження струм

Другий розділ присвячено питанням відповідності режиму навантажування номінальному режиму роботи при використанні систем динамічного навантажування для машин постійного струму, коли навантаження має змінний характер, дослідженню фізичних процесів в МПС при випробуванні ії методом динамічного навантажування з впливом на обмотку якоря.

Eквівалентизацію навантаження здійснено в двох основних напрямках: аналіз гармонічного складу струмів якірних секцій і оцінка дійсної навантажувальної спроможності машин постійного струму при використанні методів динамічного навантажування.

Без впливу комутації струм секції якоря представлено у вигляді:

, (1)

де та - постійна і змінна складові струму якоря,

- переключна функція колектора;

- резонансна частота навантажування, 1/с.

В загальному вигляді одержано - при динамічному навантажуванні струм -ої секції обмотки якоря для :

. (2)

У випадку, коли , розклад на гармоніки містить в своєму складі не лише косинуси, але і синуси:

. (3)

Наявність вищих гармонічних оцінено у відношенні до амплітуди основної хвилі при навантажуванні постійним струмом:

Дослідження показали, що для цілих відношення гармонічних "зсувається" з його збільшенням, до того ж максимально виражені гармоніки, порядок яких найближче до . Найбільш ідентичні графіки а) і в), таким чином найбільш близьке до традиційного режиму навантажування за гармонічним складом навантажування при частоті , крім того, для непарних струми якірної обмотки містять гармоніки парних порядків і навпаки - для парних . Подальше збільшення частоти викликає надмірні додаткові витрати, пропорційні квадрату частоти.

У випадку, якщо резонансна частота не кратна , струм секції якірної обмотки в загальному вигляді:

, (4)

гармонічний склад не відповідає роботі в звичайному режимі.

Також досліджено форму струму якірних секцій з урахуванням комутації, однак гармонічний склад струму при цьому зміниться неістотно, не більш ніж на 1-2 %.

При еквівалентизації навантаження розглянуто паралельно режими роботи електричної машини (створення еквівалентних умов роботи, одержання характеристик, що відповідають за інформативністю робочим характеристикам, відбиваючих необхідні відомості про машину) і параметри електричної машини (утрати і опори, граничні та номінальні значення параметрів, коефіцієнти для переходу від режиму динамічного навантажування до звичайного, оцінки параметрів на базі проведених випробувань).

Основними показниками навантажувальної спроможності електричної машини є струмове навантаження і механічна потужність на валу.

Визначивши в режимі ДН утрати електричної машини, можна оцінити її навантажувальну спроможність. Виникають наступні можливості:

- визначити в режимі динамічного навантажування всі складові утрат, знаючи відповідні коефіцієнти, перейти до утрат в робочому режимі;

- сформувати умови динамічного навантажування таким чином, щоб навантажувальна спроможність (або утрати) відповідала робочій, при цьому коефіцієнти переходу від однієї системи до іншої автоматично враховуються при настройці параметрів системи;

- знаючи номінальні значення величин та їх значення, одержані в результаті ДН, а також використовуючи коефіцієнти переходу, визначити параметри - невідомі і ті, що змінили своє значення в процесі ремонту або експлуатації.

В ході досліджень зроблено аналіз особливостей енергетики процесу динамічного навантажування. Порядок гармонічних коливань у кривій вихідної напруги джерела живлення і кривій струму можуть не співпадати. Форма кривої струму при динамічнім навантажуванні відрізняється від синусоїдальної, тому що звичайно містить постійну і змінну складові. При несинусоїдальній напрузі живлення вищі гармоніки напруги викликають додаткові утрати, які характеризуються потужністю викривлення. Активна складова потужності визначається сумою механічних і електричних утрат якірного ланцюга. Зміна гармонічного складу струму при незмінному рівні похідної дозволяє зробити перерозподіл утрат в електричній машині. Визначення утрат важливо для оцінки ККД і перевищення температури окремих частин машини, крім того, утрати визначають економічність і надійність. Закон розподілу утрат повинен забезпечувати оптимальний коефіцієнт корисної дії.

Зроблено припущення, що відмінність під час динамічного навантаження від викликано лише додатковим нагріванням,

,

де - коефіцієнт навантаження. (5)

Визначивши в режимі ДН коефіцієнт зміни опору , можна отримати температуру, що відповідає звичайному режиму.

Під час динамічного навантажування комутація і потенційні умови на колекторі погіршуються, однак вираз для можна вважати достатнім для розрахунків. Крім пульсаційних утрат з'являються утрати, які враховуються коефіцієнтом Фільда .

Коефіцієнт збільшення eлектричних утрат під час динамічного навантажування ( = 1...1.1)

. (6)

Для отримання треба змінювати значення

В холодному стані

, (7)

а для певної температури

, (8)

Механічні утрати розглянуто таким чином:

, (9)

основна відміна від викликана коливанням швидкості .

,

де

, (10)

приблизно = 0.07...0.14.

Магнітні утрати від змінної складової потоку якоря при ДН складають 7...17% від магнітних утрат, викликаних основним потоком.

Інша складова утрат в сталі, яка змінюється в режимі ДН залежить від співвідношення

. (11)

.(12)

Для = 1 і = 0.05...0.1 одержано:

.

У третьому розділі розглянуто питання вибору основного обладнання та моделювання системи динамічного навантажування з резонансним контуром.

Значні недоліки систем динамічного навантажування електричних машин - циркуляція потужності між двигуном і джерелом живлення, а також завелика установлена потужність обладнання. Бажаний результат можливо досягнути при установці паралельних випробовуваному двигуну ланцюгів, що дозволяють здійснити живлення двигуна від двох або більш джерел, не зв'язаних один з одним енергетичними зв'язками. При цьому потужність джерел складає 10-15% від потужності навантажуваних машин. В традиційних системах установлена потужність перетворювального обладнання складає 110-125 % від потужності навантажуваної машини.

Значна різниця в потужностях пояснюється тим, що при двох джерелах необхідно використовувати додаткові реактивні елементи (накопичувачі), які забезпечуватимуть адекватність енергообмінних процесів. Реактивними елементами можуть бути ємкісні (зі статичною або з динамічною ємкістю) або індуктивні накопичувачі.

При використанні системи навантажування з ємкісним накопичувачем необхідно, щоб систему було налагоджено на резонанс, тому що в цьому випадку реактивні потужності ємкості і власної індуктивності двигуна циркулюють у замкненому контурі, не здійснюючи вплив на живлячу мережу.

Тиристорний перетворювач ТП - типовий тиристорний випрямляч, потужність якого приймається з урахуванням тільки постійної складової струму . Індуктивність - індуктивність фільтра, що забезпечує зниження змінної складової струму від джерела змінної частоти. Перетворювач частоти - тиристорний або машинний перетворювач з синусоїдним виходом, амплітудою і частотою, що регулюються.

Еквівалентна схема заміщення системи навантажування електропривода постійного струму з резонансним контуром буде мати вигляд (мал.2,б) де - внутрішній опір джерела постійного струму. Ємкості , індуктивності і утворюють резонансний контур для частоти .

Значення струмів і напруг можна визначити, скориставшись принципом накладення струмів від і .

Для налагодження резонансу використовується змінна ємкість, або змінюється частота на виході перетворювача частоти. При одержимо:

,

або при

. (13)

Використання традиційних методів аналітичного дослідження занадто ускладнено великою кількістю досліджуваних параметрів. Використання розробленої моделі збільшує достовірність розрахунків, забезпечує надійність наступної експлуатації, дозволяє обмежитись мінімальною кількістю експериментів, необхідних при створенні і налагодженні промислового варіанту системи навантажування. Математичну модель прийнято у вигляді:

(14)

Вираз для ємкості конденсатора, що забезпечує резонанс, отримаємо, скориставшись методом активного двополюсника.

. (15)

Розроблена математична модель дозволяє також досліджувати гармонічний склад з урахуванням комутації, порівнювати вміст вищих гармонічних для різних співвідношень резонансної частоти контура змінного струму і власної частоти обертання двигуна. Розрахунок здійснюється з точністю до 0.5% у відношенні до основної гармонічної змінної складової. Отримано базу коефіцієнтів для переходу від режимів динамічного навантажування до традиційних, що дозволяють провести уточнення параметрів випробовуваного двигуна за результатами проведених випробувань.

Розроблена модель дозволяє також комплексно підійти до проблеми дослідження, об'єднати аналіз перехідних процесів з питанням вибору обладнання і побудови системи регулювання. З'являється можливість використати готову модель для програмного забезпечення діючої системи в реальному масштабі часу (створення "експертних" систем управління і т.п.), для урахування додаткових факторів, характерних для конкретного типу випробовуваних двигунів.

Метою досліджень, основні етапи і результати яких приведено в даному розділі, є створення методики вибору електрообладнання для систем навантажування з резонансним контуром. Дослідження ґрунтуються на аналізі варіантів схемних рішень, що дозволяють визначити співвідношення параметрів елементів системи навантажування і параметрів випробуваного двигуна. Основним критерієм вибору є забезпечення заданого режиму навантажування. При цьому сумарна установлена потужність електрообладнання і потужність, що поступає з живлячої мережі, повинні бути мінімальні.

Наведено деякі загальні рекомендації по вибору окремих елементів системи навантажування з резонансним контуром, в тому числі обумовлені відокремленням джерел живлення.

Сумарна установлена потужність обладнання

, (16)

де - потужність випробуваного двигуна .

, (17)

де - конструктивний коефіцієнт,

.

Відношення має мінімальне значення при

.

Найбільш економічно приймати відношення



в межах 15-30.

Досліджено вплив частоти змінної складової на необхідне значення установленої потужності обладнання. Для

:

, (18)

де - резонансна частота навантажування, 1/с;

і - параметри, які визначаються потужністю випробуваного двигуна, ; при цьому змінюється для кожного .

Для і

залежність

буде лінійною.

Наведено залежності

для різних значень . Як видно, оптимальні робочі частоти (з точки зору мінімуму установленої потужності обладнання) знаходяться в межах 100-200 Гц.

В четвертому розділі досліджується створення системи управління, яка враховує особливості об'єкту, що розглядається - навантажувального пристрою з резонансним контуром. Визначено необхідні рівні управління і відповідні контури регулювання:

1) Для створення режиму, найбільш економічного щодо споживання електроенергії та зниження установленої потужності обладнання, при випробуванні електричних машин одним з методів динамічного навантажування в контурі змінного струму повинно відбуватися явище резонансу. При налагодженні резонансу контрольованою ознакою є кут фазового зсуву між струмом і напругою, а керуючим впливом - частота змінної складової.

2) При контролі і регулюванні навантаження реалізація регулятора здійснюється за рахунок оцінки ефективного значення несинусоїдальної величини, а саме - струму якірного ланцюга. Керуючим впливом при цьому виступає амплітуда змінної складової.

Запропоновано схемні рішення регуляторів на базі цифрової та аналогової техніки. Узгодження роботи регуляторів і завдання режимів навантажування, обробка отриманої інформації здійснюється керуючою ЕОМ.

Подано алгоритм роботи регуляторів. Математичне моделювання системи керування дозволило оцінити її швидкодію - 5-6 секунд для запуску та 2-3 секунди при зміні керуючого впливу.

В п'ятому розділі викладено особливості та результати експериментальних досліджень у лабораторних умовах фізичної моделі системи динамічного навантажування з резонансним контуром для ДПС, результати та перспективи застосування системи в виробничих умовах.

Під час експерименту отримано залежність струму і напруги якірного ланцюга при змінюванні резонансної частоти для різних значень швидкості двигуна. Виконано дослідження резонансних характеристик системи навантажування. Визначено параметри двигуна згідно з розробленими методиками. Підтверджено теоретичні висновки відносно вибору оптимальної частоти змінної складової.

Впровадження системи динамічного навантажування з резонансним контуром для двигунів постійного струму в умовах електроремонтного цеху Криворізького державного залізорудного комбінату дозволило вдвічі знизити установлену потужність силових перетворювачів та зменшити витрати електроенергії під час навантаження на 32%.

Основні висновки по роботі

1. Аналіз тенденцій розвитку обладнання для випробувань електричних машин постійного струму показав можливість і доцільність створення і використання систем динамічного навантажування з резонансним контуром, що дозволить обмежити установлену потужність використовуваного обладнання та знизити витрати електроенергії.

2. Дослідження фізичних процесів в електричній машині в умовах динамічного навантаження, аналіз гармонічного складу струмів якірних секцій, підтвердили аналогію між режимами динамічного навантажування і робочими режимами двигуна постійного струму. При дослідженні гармонічного складу оцінено похибку кожного з використаних методів (без урахування впливу комутації максимальна похибка складає 2 %), порівняльна оцінка значень, отриманих при використанні кожного з методів, підтвердила їх достовірність.

3. Розроблено інженерну методику еквівалентизації робочих режимів машини постійного струму і режиму динамічного навантажування за критеріями навантаження: ефективному значенню струму якоря, гармонічному складу і вживаній потужності; досліджено її застосування при формуванні режимів роботи системи навантаження в двох напрямках: визначити коефіцієнти еквівалентизації та забезпечити їх відповідність звичайному режиму.

4. Розроблена математична модель системи динамічного навантажування з резонансним контуром дозволяє отримати залежності параметрів навантажувального режиму при варіації констант резонансного контуру, виконати дослідження швидкодії та якості процесу регулювання струмового навантаження з впливом на частоту і напругу перетворювача частоти резонансного контуру. Залежності, отримані в результаті моделювання, підтверджують справедливість аналітичних посилок.

5. Запропоновано методику вибору параметрів системи навантажування, яка забезпечує оптимальне співвідношення потужностей використовуваного електрообладнання (дозволяє мінімізувати сумарну установлену потужність і знизити споживання електроенергії); запропоновані залежності можливо використовувати при створенні, проектуванні систем динамічного навантажування з резонансним контуром. Підтверджено зроблені висновки, що установлена потужність джерела живлення у випадку резонансу не перевищує 20% максимальної потужності випробовуваного двигуна. Це дозволяє також використовувати один комплект обладнання для випробувань двигунів цілого ряду номінальних потужностей.

6. Розроблено систему керування, яка містить пусковой регулятор, систему стабілізації навантаження, а також пристрій для налагодження резонансу в контурі навантажування. Порівняльна оцінка результатів роботи системи з системою керування і без неї дозволила визначити ефективність її застосування - зменшення часу випробувань на 12 % та збільшення їх інформативності.

7. Розроблені програми розрахунків на персональній ЕОМ дозволяють досліджувати особливості формування динамічних режимів навантажування машин постійного струму.

8. Виконані експериментальні дослідження підтвердили основні теоретичні положення, сформульовані в роботі. Розбіжність отриманих характеристик з розрахунковими не перевищує 8%.

Основні положення дисертації опубліковано в роботах

1. Использование устройств динамического нагружения при модернизации испытательных станций электродвигателей / Родькин Д.И., Веласко А.Х., Величко Т.В., Кришковец И.В., Нечаева С.В. // Изв. ВУЗов "Горный журнал". - 1995 г.- № 9.- С. 104-111

2. Системы нагружения электрических машин с резонансным контуром в силовых цепях / Родькин Д.И., Нечаева С.В. - Кривой Рог, 1995 г. - Деп. в ГНТБ Украины 15.11.95 г., № 2388 - Ук 95.

3. Нечаева С.В. Эквивалентизация потерь мощности ДПТ технологических механизмов в режиме знакопеременной нагрузки // Разработка рудных месторождений. - Кривой Рог: КТУ. - 1997г. - Вып.61. - С.81-86.

4. Нечаева С.В., Родькин Д.И. Анализ токовой нагрузки ДПТ в динамических режимах // Разработка рудных месторождений. - Кривой Рог: КТУ. - 1997г. - Вып.61. - С.76-81.

5. Нечаева С.В. Применение математической модели для эквивалентизации нагрузки в системах динамического нагружения - Технічна електродинаміка.- Спеціальний випуск.-Ін-т електродин. НАН України.- Київ. - 1998г. - С.156-158.

6. Нечаева С.В. Принципы управления системами нагружения с резонансным контуром. // Разработка рудных месторождений. - Кривой Рог: КТУ. - 1998г. - Вып.62. - С.86-89

7. Параметры электрооборудования систем нагружения с емкостным накопителем для машин постоянного тока / Нечаева С.В., Родькин Д.И., Усенко М.А. // Изв. ВУЗов "Горный журнал". - 1998 г.- № 5-6.- С. 121-126

8. Нечаева С.В. Эффективные системы нагружения двигателей постоянного тока // Придніпровський науковий вісник. - Дніпр-ськ. - Наука і освіта. - 1998г. - Вип.29. - C.95-97

Размещено на Allbest.ru

...