Електромеханічні процеси та регулювання асинхронних електроприводів з інверторними перетворювачами частоти

У п'ятому розділі наведені результати експериментальних досліджень електромеханічних процесів у стаціонарних і динамічних режимах роботи асинхронних електроприводів без датчиків усередині та на валу двигуна з розробленими АСЧР, у тому числі в спеціаль-них режимах роботи (при частотно-динамічному гальмуванні та провалах напруги живильної мережі) на прикладі серійних й дос-лідно-промислових зразків електроприводів з АІС, АІН та АІН-ШІР і електродвигунами різної потужності: А-114-6М, ВАЗ-16-64-6, А-91-4 та А-62-4 потужністю 320, 3400, 75 та 14 кВт відповідно. Відхилення експериментальних даних від обчислених не перевищує 5-7%.

ВИСНОВКИ

1. Розвинута теорія електромеханічних процесів частотно-регу-льованого АД, що полягає в отриманні раніше невідомих функціо-нальних залежностей, в оптимізації та визначенні оптимальних пара-метрів стаціонарних пускових і робочих режимів двигуна під час живлення від різних типів інверторних ПЧ (АІС, АІН, АІН-ШІР та АІН-ШІМ за синусоїдальним законом) з урахуванням впливу несинусоїдальності форми вихідних напруг (струмів) автономних інверторів та насичення головного магнітного ланцюга двигуна і дозволило одержати порівняння, кількісний та якісний аналіз вказаних процесів.

2. Розроблені методики розрахунку стаціонарних пускових і робочих режимів (екстремального значення середнього електромагніт-ного моменту і відповідної оптимальної пускової частоти (ковзання), максимальних значень статорного струму та електромагнітного моменту розмаху пульсацій електромагнітного моменту і швидкості) ч-р АД з урахуванням впливу несинусоїдальності форми вихідних напруг (струмів) автономних інверторів (АІС, АІН, АІН-ШІР та АІН-ШІМ за синусоїдальним законом) і насичення головного магнітного ланцюга двигуна, що підвищує якість проектування цих електроприводів.

3. Визначені принцип побудови автоматичних систем частотного регулювання, названий квазівекторним, і засіб його здійснення, що дозволяють при істотному спрощенні систем регулювання формувати електромеханічні процеси асинхронного привода, які близкі до векторного керування.

4. Здійснені ефективні режими керування асинхронних електроприводів з АІС, АІН та АІН-ШІР без застосування датчиків усередині і на валу двигуна, що базуються на нових способах (економічного керування, обмеження статорного струму, вимірювання електромагнітного моменту двигуна, керування в умовах просадок і провалів напруги живильної мережі), алгоритмах (часово-імпульсної модуля-ції напруги інвертора) та структурах автоматичного регулювання (з векторним, квазівекторним і амплітудним принципами регулювання, з двозонним і економічним керуванням двигуном, при рекуперативному і частотно-динамічному гальмуванні електропривода), які дозволили створити асинхронні ч-р електроприводи широкого загальнопромислового призначення з якісно новими характеристиками.

5. На основі запропонованих аналітичних залежностей, способів керування і структур регулювання розроблені універсальний алгоритм та цифрові моделі для обчислення електромеханічних процесів у нестаціонарних (динамічних) режимах роботи асинхронних електроприводів з інверторними ПЧ (або джерелами живлення довільної несинусоїдальної форми). Це забезпечує обчислення і аналіз вказаних процесів з урахуванням несинусоїдальної форми статорних напруг (струмів) і насичення головного магнітного ланцюга двигуна, так і впливу АСЧР електроприводів, спрощення процесу обчислення при збереженні достатньої для інженерних задач точності, розширення обсягу інформації стосовно параметрів режимів електропривода.

6. Виконані експериментальні дослідження на серійних та дослідно-промислових зразках асинхронних частотно-регульованих електроприводів потужністю від 14 до 3400 кВт з різними типами інверторних ПЧ (АІС, АІН та АІН-ШІР) і автоматичними системами частотного регулювання електроприводів без датчиків усередині та на валу двигуна, які підтвердили обгрунтованість прийнятих у роботі вихідних положень і припущень, достовірність отриманих результатів, ефективність розроблених технічних рішень.

7. На основі виконаних теоретичних та експериментальних досліджень у ВАТ НДІ «Перетворювач» (м. Запоріжжя) створені дослід-но-промислові зразки електроприводів потужністю від 10 до 6300 кВт і промислово впроваджені у ВАТ «Запорізький електроапаратний завод» серійні комплектні асинхронні частотно-регульовані електроприводи типів ЕКТ, ЕКТ2, ЕКТ3, ТТП (Е) 1 потужністю від 10 до 400 кВт. Досвід експлуатації електроприводів у різних галузях промисловості свідчить про їх роботоздатність та ефективність, а також підтверджує правильність отриманих у дисертації положень, результатів, висновків.

НАУКОВІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ

1. Волков А. В. Анализ и метод расчета пульсаций электромагнитного момента частотно-регулируемого асинхронного двигателя//Техническая электродинамика. - 1989. - №2. - С. 76-82.

2. Волков А. В. Анализ и метод расчета пульсаций электромагнитного момента асинхронного двигателя, питаемого от автономного инвертора тока// Техническая электродинамика. -1989. - №4. - С. 69-73.

3. Волков А. В. Анализ пускового режима асинхронного двигателя при питании от автономного инвертора напряжения// Технічна електродинаміка. - 1996. - №3. - С. 48-53.

4. Волков А. В. Анализ пусковых режимов асинхронных электроприводов с инверторными преобразователями частоты// Технічна електродинаміка. - 1996. - №6. - С. 49-54.

5. Волков А. В. Анализ и расчет стационарных режимов асинхронного двигателя при питании от автономного инвертора напряжения//Технічна електродинаміка. - 1998. - №5. - С. 41-46.

6. Волков А. В. Анализ стационарных режимов асинхронного двигателя при питании от автономного инвертора с широтно-импульсным способом регулирования выходного напряжения// Технічна електродинаміка. - 1998. - №6. - С. 42-47.

7. Волков А. В. Исследование пускового режима асинхронного двигателя при питании от автономного инвертора с широтно-импульсным регулированием выходного напряжения// Технічна електродинаміка. - 1996. - №5. - С. 37-42.

8. Волков А. В. Квазивекторное управление частотно-регулируемым асинхронным двигателем // Технічна електродинаміка. - 1999. - №3. - С. 32-36

9. Волков А. В., Андриенко П. Д. Асинхронный частотно-регулируемый электропривод// Электротехническая промышленность. Электропривод. - 1983. - №9. - С. 17-21.

10. Волков А. В., Рогалева Т. И. Исследование пускового режима асинхронного двигателя при питании от автономного инвертора тока// Техническая электродинамика. - 1990. - №5. - С. 77-83.

11. Волков А. В., Рогалева Т. И. Расчет эффективных алгоритмов управления автономным инвертором напряжения// Техническая электродинамика. - 1988. - №2. - С. 35-40.

12. Волков А. В., Шехтер А. С., Рогалева Т. И. Цифровая модель для исследования электромеханических характеристик асинхронного двигателя при несинусоидальном питании// Промышленная энергетика. - 1990. - №2. - С. 38-40.

13. Андриенко П. Д., Волков А. В. Исследование на ЭВМ регулировочных характеристик частотно-регулируемого асинхронного двигателя// Техническая электродинамика. - 1986. - №4. - С. 82-87.

14. Андриенко П. Д., Волков А. В. Способы частотного управления асинхронными двигателями// Электротехническая промышленность. Электропривод. - 1983. - №10. - С. 13-15.

15. Андриенко П. Д., Волков А. В., Лохматов А. Г. Преобразователи частоты серии ТТП (Е) 1// Промышленная энергетика. - 1992. - №6. - С. 7-9.

16. Андриенко П. Д., Волков А. В., Сухарев В. Н. Модернизированный электропривод серии ЭКТ2-А// Промышленная энергетика. - 1991. - №5. - С. 9-11.

17. Исследование на ЦВМ алгоритма управления автономным инвертором тока / П. Д. Андриенко, А. В. Волков, М. А. Еременко, Т. И. Рогалева // Электротехническая промышленность. Электропривод. - 1984. - №1. - С. 14-16.

18. Комплектный тиристорный электропривод переменного тока типа ЭКТ-250/660 и ЭКТ-400/660/ П. Д. Андриенко, И. А. Гомон, А. В. Волков, А. Г. Николов// Электротехническая промышленность. Электропривод. - 1982. - №6. - С. 6-7.

19. А. с. 928584 СССР, МКИ НО2Р 7/42. Электропривод переменного тока/ П. Д. Андриенко, А. В. Волков, Ю. И. Гричина, А. Г. Николов (СССР). - №2818608/24-07; Заявлено 07. 09. 79; Опубл. 15. 05. 82, Бюл. №18. - 1 с.

20. А. с. 1241391 СССР, МКИ НО2Р 3/24. Устройство для торможения частотно-регулируемого асинхронного электродвигателя/ А. В. Волков (СССР). - №3501350/24-07; Заявлено 20. 10. 82; Опубл. 30. 06. 86, Бюл. №24. - 1 с.

21. А. с. 1246321 СССР, МКИ НО2Р 7/42. Частотно-регулируемый электропривод/ А. В. Волков, П. Д. Андриенко (СССР). - №3778983/24-07; Заявлено 02. 08. 84; Опубл. 23. 07. 86, Бюл. №27. - 2 с.

22. А. с. 1309244 СССР, МКИ НО2Р 7/42. Электропривод/А. В. Вол-ков, А. С. Шехтер (СССР). - №3958923/24-07; Заявлено 30. 09. 85; Опубл. 07. 05. 87, Бюл. №17. - 1 с.

23. А. с. 1309247 СССР, МКИ НО2Р 7/42. Частотно-регулируемый асинхронный электропривод/ А. В. Волков (СССР). - №3994964/24-07; Заявлено 27. 12. 85; Опубл. 07. 05. 87, Бюл. №17. - 1 с.

24. А. с. 1601728 СССР, МКИ НО2Р 7/42. Устройство для управления частотно-регулируемым электроприводом/ А. В. Волков, А. С. Гринченко (СССР). - №4608326/24-07; Заявлено 23. 11. 88; Опубл. 23. 10. 90, Бюл. №39. - 1 с.

25. А. с. 1793527 СССР, МКИ НО2Р 7/42. Устройство для управления частотно-регулируемым асинхронным электроприводом/ А. В. Волков (СССР). - №4925088/07; Заявлено 03. 04. 91; Опубл. 07. 02. 93, Бюл. №5. -2 с.

26. А. с. 1829102 СССР, МКИ НО2Р 7/42. Устройство для управления асинхронным электродвигателем / А. В. Волков, А. С. Гринченко, А. Г. Лохматов (СССР). - №4819779/07; Заявлено 16. 03. 90; Опубл. 23. 07. 93, Бюл. №27. - 1 с.

27. А. с. 1830608 СССР, МКИ НО2Р 7/42. Способ управления асинхронным электроприводом / А. В. Волков, А. С. Гринченко (СССР). - №4828405/07; Заявлено 28. 05. 90; Опубл. 30. 07. 93, Бюл. №28. - 1 с.

28. Пат. 2039955 Россия, МКИ НО2Р 7/42. Способ измерения электромагнитного момента асинхронного двигателя/ А. В. Волков (Украина). - №5015192/07; Заявлено 01. 07. 91; Опубл. 20. 07. 95, Бюл. №20. - 1 с.

29. Еременко М. А., Волков А. В., Кобинская Н. А. Проектирование частотно-регулируемых электроприводов на ЭВМ// Тез. докл. VII конф. «Электроприводы переменного тока с полупроводниковыми преобразователями». - Свердловск. - 1986. - С. 33.

30. Высоковольтный асинхронный электропривод/ П. Д. Андриенко, А. В.. Волков, В. Б. Сумин, А. С. Шехтер// Тез. докл. VIII конф. «Электроприводы переменного тока с полупроводниковыми преобразователями». - Свердловск. - 1989. - С. 38.

Особистий внесок здобувача в роботах, опублікованих у співавторстві: [9, 14] - огляд, аналіз та класифікація способів керування і принципів побудови систем регулювання електроприводів без датчиків усередині та на валу двигуна; [10-13, 17, 29] - постановка завдання дослідження, вибір методів та шляхів вирішення, участь у створенні та налагодженні програм цифрових моделей і виконанні розрахунків на ЕОМ; [15, 16, 18, 30] - розробка, випробування та впровадження систем регулювання електроприводів. Особистий внесок в авторські свідоцтва на винаходи: [19] - загальна побудова структури регулювання та конкретна технічна реалізація фазозрушувального пристрою, функціонуючого на змінній частоті, участь в експериментах; [21, 22, 24, 26, 27] - постановка завдання та створення структур регулювання, участь в експериментальних дослідженнях.

АНОТАЦІЯ

Волков О. В. Електромеханічні процеси та регулювання асинхронних електроприводів з інверторними перетворювачами частоти. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05. 09. 03 - електротехнічні комплекси та системи. - Національна гірнича академія України, Дніпропетровськ, 1999.

Дисертація присвячена дослідженню і розрахунку електро-механічних процесів асинхронних частотно-регульованих (ч-р) електроприводів і керуванню ціма електроприводами. Наведено якісний та кількісний аналіз електромеханічних процесів у ста-ціонарних пускових і робочих режимах асинхронного двигуна під час живлення від різних типів інверторних перетворювачів частоти (ПЧ) з урахуванням несинусоїдальності форми їх вихідних напруг (струмів) та насичення головного магнітного ланцюга двигуна. Розроблені способи керування і структури регулювання асинхронних електроприводів з інверторними ПЧ, що не потребують датчиків усередині і на валу двигуна і забезпечують ефективні режими функціонування та нормовані електромеханічні процеси привода. Основні результати роботи підтверджені експериментально і були застосовані при створенні серійних та дослідно-промислових зразків асинхронних ч-р електроприводів.

Ключові слова: Асинхронний двигун, частотне регулювання, електромеханічні процеси, автоматична система.

АННОТАЦИЯ

Волков А. В. Электромеханические процессы и регулирование асинхронных электроприводов с инверторными преобразователями частоты. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05. 09. 03 - электротехнические комплексы и системы. - Национальная горная академия Украины, Днепропетровск, 1999.

Диссертация посвящена исследованию и расчету электро-механических процессов асинхронных частотно-регулируемых (ч-р) электроприводов и управлению этими электроприводами.

Получены функциональные зависимости, осуществлена оптимизация, приведен качественный и количественный анализ электромагнитных процессов для стационарных пусковых и рабочих режимов асинхронного двигателя (АД) при питании от различных типов инверторных преобразователей частоты (ПЧ) : автономного инвертора тока (АИТ), автономных инверторов напряжения с амплитудным (АИН), широтно-импульсным (АИН-ШИР) регулированием и широтно-импульсной модуляции (АИН-ШИМ) по синусоидальному закону выходного напряжения, - которые учитывают несинусоидальность формы выходных напряжений (токов) ПЧ и насыщение главной магнитной цепи двигателя.

Разработаны методики расчета экстремального значения элект-ромагнитного момента и соответствующей оптимальной частоты (скольжения), максимальных (пиковых) значений статорного тока и электромагнитного момента, размаха пульсаций электромагнитного момента и скорости АД, вызванных воздействием несинусои-дальности формы выходных напряжений (токов) указанных типов инверторных ПЧ. Созданы цифровые модели и универсальный алгоритм для расчета электромеханических процессов асинхронного электропривода в стационарных и динамических режимах при питании от различных типов инверторных ПЧ или от источников питания произвольной несинусоидальной формы.

Предложены эффективные способы (квазивекторного и экономичного) управления асинхронными ч-р электроприводами, позволяющие формировать нормированное качество электромеханических процессов привода, режим функционирования с минимальными электромагнитными потерями в АД и технически упростить автоматические системы частотного регулирования (АСЧР). На основе векторного и предложенных способов управления созданы структуры АСЧР электроприводов с АИТ, АИН и АИН-ШИР (ШИМ), не содержащие датчиков внутри и на валу двигателя. Рассмотрены специальные вопросы регулирования: время-импульсной модуляции и частотно-дина-мического торможения в электроприводах с АИН, амплитудного регулирования нединамичных электроприводов с АИН-ШИР и управления электроприводами с инверторными ПЧ в условиях воздействия просадок и провалов напряжения питающей сети.

Основные результаты работы подтверждены экспериментально и нашли применение при создании серийных и опытно-промыш-ленных образцов асинхронных ч-р электроприводов.

Ключевые слова: Асинхронный двигатель, частотное регулирование, электромеханические процессы, автоматическая система.

THE SUMMARY

Volkov A. V. Electromechanical processes and regulation of asynchronous electric drives with inverter frequency converters. - Manuscript.

Thesis for the doctor's degree by speciality 05. 09. 03 - electrotechnical complexes and systems. - The National Mining University of Ukraine, Dnepropetrovsk, 1999.

The dissertation is devoted to research and calculation of electromechanical processes in the asynchronous adjustable - frequency (a-f) electric drives and to control by these drives too. There is presented qualitative and quantitative analysis of electromechnical processes in stationary starting and working asynchronous motor's regimes by power supply from different types of the inverter frequency converters (FC) taking into account their nonsinusoidal output signals and saturation of the main magnetic motor circuit. The control methods and automatic frequency regulation systems circuits of the asynchronous drives with inverter FC are elaborated. They guarantee qualitative standard electromechanical processes of the drive and don't use any sensors inside and on shaft of the motor. The main results of the work are confirmed experimentally and have found an industrial unitity in the design of the asynchronous a-f electric drives.

Key words: Аsynchronous motor, frequency regulation, electromechanical processes, automatic regulation system.

Размещено на Allbest.ru