Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИСТЕТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Спеціальність 05.09.03 - електротехнічні комплекси і системи

СИСТЕМИ КЕРУВАННЯ СИНХРОННИМИ ЕЛЕКТРОПРИВОДАМИ З

ЄМНІСНИМИ НАКОПИЧУВАЧАМИ ЕНЕРГІЇ В КОНТУРІ ЗБУДЖЕННЯ

(ТЕОРІЯ, ДОСЛІДЖЕННЯ, РОЗРОБКА, ЗАСТОСУВАННЯ)

Нізімов Віктор Борисович

Дніпропетровськ-2002

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Стан і актуальність проблеми. Значну питому вагу в забезпеченні безперервних і складних технологічних процесів на підприємствах металургійної, хімічної, нафтопереробної галузей промисловості мають синхронні двигуні (СД) з системами збудження (СЗ).

Технічна досконалість сучасних тиристорних систем збудження, досягнута завдяки зусиллям вітчизняних і зарубіжних вчених, провідних науково-дослідних і виробничих колективів хоча і дозволила практично вирішити задачу надійності роботи синхронних електроприводів (СЕП) цілого ряду установок з безперервними технологічними процесами в умовах безперебійного електропостачання при належній якості електроенергії, однак при короткочасних порушеннях електропостачання або прикладання значного навантаження до валу двигуна вони практично вичерпали можливість подальшого підвищення надійності роботи СЕП.

Відомі системи збудження не забезпечують необхідних асинхронних характеристик СД при незмінній або змінній кратності пускового резистора, що необхідно для підвищення електромагнітного моменту номінально завантажених СД в умовах зниженої напруги електромережі. При самозапуску СД ряду механізмів і установок із безперервними або складними технологічними процесами після короткочасної перерви електроживлення системи збудження з режимом інвертування перетворювачів не забезпечують форсованого гасіння поля збудження, що призводить до несинхронного вмикання двигуна, яке супроводжується значними кидками струму статора й електромагнітного моменту. В результаті цього відбувається відключення СЕП, що призводить до значного народногосподарського збитку. Застосування релейного або параметричного форсування напруги збудження в тиристорних системах є малоефективним при глибоких зниженнях напруги в мережі живлення або прикладаннях значного навантаження до валу двигуна через інерційність контуру збудження, що в результаті призводить до втрати стійкості завантажених двигунів. Відомі тиристорні збуджувачі з трифазними нульовими і мостовими силовими схемами мають низький коефіцієнт потужності при номінальному збудженні, що веде до зменшення наявної реактивної потужності всього електротехнічного комплексу на 2...33%.

З означених причин у випадку неуспішного самозапуску синхронних двигунів установок з виробництва аміаку час відновлення технологічного процесу складає до 30 годин, а при виробництві азотних добрив збиток, пов'язаний з перервою електроживлення, досягає до 0,5 млн. карбованців на рік (у цінах восьмидесятих років).

Таким чином, незважаючи на короткочасність глибоких знижень напруги живлення і перерв електропостачання, вони можуть створювати тривалі порушення технологічного процесу, великі матеріальні втрати, а в ряді випадків - пожежі й вибухи, що в підсумку призводить до значного народногосподарського збитку.

Сучасні досягнення у виробництві силових конденсаторів та напівпровідникової техніки створили передумови для розробки ефективних систем керування СЕП з ємнісними накопичувачами енергії (ЄНЕ) у контурі збудження в сполученнях з вентильними перетворювачами. Системи керування з ЄНЕ мають властивості, які принципово відрізняють СЕП з такими системами від існуючих СЕП з тиристорними збуджувачами (ТЗ) і дозволяють суттєво поліпшити квазістатичні та динамічні характеристики електроприводів.

Окремі результати досліджень систем збудження з накопичувачами енергії (НЕ) висвітлені у відомих роботах О.Б. Брона, М.В., Веліна, В.Е. Воскобойника, Н.М. Дворака, Ф.Д. Дубініна, Л.П. Каплуна, Д.К. Крюкова, Г.В. Кувшінова, А.В. Новикова, К.Б. Носова, М.І. Школи та інших.

Однак все коло раніше вирішених теоретичних та практичних задач не дозволяє почати розробку та широке впровадження систем керування СД з ЄНЕ в контурі збудження, тому що відсутні надійні та ефективні схемотехнічні рішення таких систем. Це пояснюється тим, що недостатньо повно розроблені теоретичні питання впливу ЄНЕ на квазістатичні та динамічні характеристики СЕП, рівень перенапруг на ОЗ, швидкодію процесів форсування напруги збудження та гасіння поля, вибір параметрів ЄНЕ і додаткових елементів контуру збудження, а також на перехідні процеси в різних режимах роботи СЕП.

Практична відсутність математичних моделей, структурних схем, алгоритмів, програм і методів розрахунку СЕП з ЄНЕ у контурі збудження не дозволяє вирішити теоретичні питання та провести необхідні дослідження для визначення закономірностей, залежностей та властивостей для розробки нових технічних рішень, які підвищують експлуатаційну надійність синхронних електроприводів в умовах короткочасних порушень електропостачання та прикладання значного навантаження до валу двигуна.

Тому дослідження з метою встановлення закономірностей і залежностей впливу ЄНЕ на режими роботи СЕП і на цій основі розвиток наукових і методологічних основ розрахунку, моделювання і створення нових систем керування синхронними електроприводами з ЄНЕ в контурі збудження, які забезпечують підвищення експлуатаційної надійності установок для забезпечення протікання складних і безперервних технологічних процесів є актуальною науково - прикладною проблемою.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Тематика досліджень, виконаних у дисертації, відповідає технічній політиці зі створення високоефективного обладнання і посилення режиму економії та раціонального використання електроенергії, сировинних, паливно-енергетичних та інших матеріальних ресурсів, яка проводиться в країні, і включалася в плани найважливіших НДР АН УРСР у галузі природничих і суспільних наук, затверджені Постановами Президії АН УРСР від 20.05. 1981 р. № 251, від 27.12. 1985 р. № 474, а також реалізувалась у рамках пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки “Екологічно чиста енергетика і ресурсозберігаючі технології“ міністерства України в справах науки і технології і виконувалася під керівництвом і з безпосередньою участю автора за госпдоговорами з рядом підприємств і установ: КривДРЕС - 2 Міненерго СРСР, ІЕД АН УРСР, Дніпровським металургійним комбінатом, Дніпродзержинським виробничим об'єднанням “Азот”, Вольногорським заводом електровакуумного скла Мінелектронпрома СРСР, (науково-дослідні роботи: № ДР.75058716, 1978 р.; № ДР.78036134, 1980 р.; № ДР.01840027823, 1985 р.; № ДР.01850023716, 1986 р.; № ДР.01840051417, 1984р.; № ДР.01850030277, 1985 р.; № ДР.01900031839, 1990 р.; № ДР.01910030556, 1992 р.; № ДР.0193027954, 1993 р.; № ДР.0194U001209, 1994 р.; № ДР.0196U014244, 1996 р.), а також згідно з договорами про науково-технічне співробітництво.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є виявлення нових закономірностей, залежностей і характеристик енергообміних процесів у контурі збудження з ЄНЕ і створення на їх основі систем керування синхронними електроприводами механізмів і установок безперервних і складних технологічних процесів, які забезпечують підвищення експлуатаційної надійності в умовах короткочасних порушень електропостачання і прикладання значного навантаження до валу двигуна.

Для досягнення мети поставлені й вирішені наступні задачі:

1. Установити особливості режимів роботи СЕП з існуючими СЗ в умовах раптових короткочасних порушень електропостачання і прикладання значного навантаження до валу двигуна і обгрунтувати необхідність застосування ЄНЕ в контурі збудження для поліпшення експлуатаційних характеристик синхронних електроприводів у основних режимах роботи.

2. Розробити математичні моделі, структурні схеми, алгоритми, програми і методику розрахунків квазистатичних і перехідних процесів, які дозволяють установити вплив ЄНЕ на характеристики і режими роботи синхронних електроприводів.

3. Установити закономірності, залежності та характеристики енергообмінних процесів у контурі збудження і на цій основі розробити алгоритми керування ЄНЕ та визначити раціональні параметри нових технічних рішень, які забезпечують підвищення експлуатаційної надійності роботи синхронних електроприводів в умовах раптових короткочасних порушень електропостачання і прикладання значного навантаження до валу двигуна.

4. Дослідити і впровадити у виробництво розроблені зразки технічних пристроїв, результати експлуатації яких підтверджують основні наукові положення дисертації і дозволяють розробити практичні рекомендації з удосконалення систем керування синхронними електроприводами з ЄНЕ.

Об'єктом дослідження в роботі виступають енергообмінні процеси керування системами збудження з ЄНЕ потужних високовольтних синхронних електроприводів в умовах короткочасних порушень енергопостачання і прикладання значного навантаження до валу двигуна.

Предмет дослідження - квазістатичні, динамічні характеристики й енергетичні показники синхронних електроприводів з ємнісними накопичувачами енергії в контурі збудження.

Ідея роботи - полягає у встановленні закономірностей впливу ЄНЕ в контурі збудження на перехідні режими роботи СД, використанні залежностей енергообмінних процесів між контуром збудження і накопичувачем енергії та формуванні необхідних схемотехничних рішень для підвищення надійності і безаварійності роботи потужних СД приводів механізмів і установок безперервних або складних технологічних процесів в умовах раптових короткочасних порушень енергопостачання і прикладання значного навантаження до валу двигуна.

Методи дослідження. Для досягнення поставленої в роботі мети використані наступні методи дослідження.

Методи математичного моделювання із застосуванням математичних моделей і структурних схем, отриманих на основі диференційних рівнянь електричної рівноваги напруг контурів комплексу СД - СЗ і рівнянь механічної рівноваги в координатних осях d, q, 0, жорстко пов'язаних з ротором, у системі відносних одиниць - для дослідження перехідних процесів асинхронного пуску СД, гасіння магнітного поля, форсування напруги збудження і режиму електродинамічного гальмування.

Методи теорії ланцюгів і еквівалентних схем заміщення СД в осях d, q з використанням комплексних чисел - для дослідження статичних характеристик асинхронного пуску з різноманітними пусковими пристроями.

Метод теорії планування експерименту з використанням ортогонального центрального композиційного плану - для оптимізації режиму асинхронного пуску СД.

Класичні методи розрахунку електричних ланцюгів із R,L,C елементами і метод операційного числення з використанням перетворення Карсона - Хевисайда - для дослідження режимів гасіння поля СД без демпферних контурів при постійному значенні індуктивності контуру збудження.

Методи чисельного інтегрування системи диференціальних рівнянь у формі Коші - для дослідження демпфування автоколивань у системі синхронний двигун - виробничий механізм.

Експериментальні дослідження на випробувальному стенді, обладнаному синхронними двигунами з різноманітними системами збудження, режимів асинхронного пуску, гасіння поля, форсування напруги збудження, електродинамічного гальмування СД, а також енергетичних показників систем керування збудженням СД - для підтвердження отриманих наукових положень і результатів моделювання.

Натурні дослідження у виробничих умовах на синхронних двигунах підприємств енергетичної, хімічної, металургійної й електронної галузей промисловості - для практичного підтвердження основних теоретичних положень, наукових результатів і експериментальних досліджень на фізичних моделях.

Основні наукові положення і їх новизна:

Введення в контур збудження керованих ємнісних накопичувачів енергії дозволяє збільшити амплітуду активної складової струму ОЗ в режимі асинхронного пуску за рахунок використання енергії, властивостей і характеристик ЄНЕ для підвищення електромагнітного моменту СД, що принципово неможливо забезпечити при відомих принципах керування.

Ємнісні накопичувачі енергії дозволяють вивести запасену електромагнітну енергію контуру збудження з необхідною швидкодією для зменшення струму ОЗ і е.р.с. статора з метою створення умов для автоматичного повторного вмикання (АПВ) або автоматичного вмикання резерву (АВР), і забезпечення безперервності технологічних процесів в умовах короткочасних порушень електропостачання, що не досягається при існуючих законах керування збудженням з режимом інвертування перетворювача через відсутність або недостатню величину комутаційної е.р.с. електромережі.

Ємнісні накопичувачі енергії дозволяють утримати в синхронізмі СД при короткочасних глибоких зниженнях напруги в електромережі або прикладаннях значних навантажень до валу двигуна за рахунок введення в контур збудження запасеної накопичувачем енергії і компенсації електромагнітної інерційності ОЗ, чим досягається необхідна швидкість зростання струму збудження й електромагнітного моменту двигуна. Існуючі принципи форсування напруги збудження в цих умовах вимагають значних рівнів напруги збудження, що суттєво підвищує вартість і знижує енергетичні показники системи збудження.

Введення енергії ємнісних накопичувачів в контур збудження в момент комутації вентилів несиметричних і різнокерованих перетворювачів дозволяє підвищити енергетичні показники збуджувачів, знизити рівень вищих гармонік і потужність викривлення, що при відомих законах керування збуджувачами для синхронного електроприводу або технічно неможливо, або економічно недоцільно.

Таким чином, наукова новизна дисертації полягає в подальшому розвитку існуючої теорії систем керування синхронними електроприводами з ємнісними накопичувачами енергії в контурі збудження.

Практичне значення результатів роботи полягає в тому, що на їх підставі розроблено і впроваджено в промисловість:

1. Ефективні пускозахисні пристрої для асинхронного пуску СЕП, які містять вентильні, ємнісні та резисторні елементи і дозволяють підвищити середній асинхронний момент двигуна в 1,3...1,5 раза порівняно з режимом резисторного пуску і забезпечити успішну синхронізацію ЕП в умовах зниженої напруги.

2. Безконтактні пристрої гасіння поля синхронних ЕП різних варіантів із примусовим ємнісним вимиканням тиристорів збуджувача зустрічним струмом або зустрічною напругою попередньо зарядженого ЄНЕ, працездатність яких не залежить від величини і наявності напруги в електромережі, що живить збуджувачі, що дозволяє скоротити час для вводу автоматичного повторного вмикання або автоматичного вмикання резерву.

3. Пристрої для циклічного керування параметрами контуру збудження з ємнісною компенсацією індуктивності цього контуру при збігу знаків е.р.с. і струму обмотки збудження, що забезпечують зростання вхідного моменту синхронного двигуна в 1,3...1,5 раза порівняно з пристроями при оптимально обраному пусковому резисторі й успішний самозапуск синхронних електроприводів відповідних механізмів після короткочасного порушення електропостачання.

4. Пристрої керування збудженням синхронних ЕП з використанням резонансних явищ коливального розряду попередньо зарядженого ЄНЕ, які забезпечують гранично можливу швидкодію форсування струму в контурі збудження двигуна і гасіння поля останнього, що дозволяє утримати в синхронізмі номінально завантажені синхронні двигуни в умовах зниженої напруги або прикладання значного навантаження до валу двигуна.

5. Мостові напів- і різнокеруємі збуджувачі з ЄНЕ, які дозволяють у порівнянні з існуючими збуджувачами зменшити потужність викривлення на 35...41% і повну потужність контура збудження на 2,5% у режимі номінального збудження за умови зростання коефіцієнту потужності на 11...15% залежно від режиму збудження синхронних двигунів.

Технічний рівень наукових розробок відповідає кращим світовим зразкам аналогічного виду систем керування СЕП. Розроблені на основі дисертаційних досліджень схемотехнічні рішення систем керування синхронними ЕП захищені 28 авторськими свідоцтвами СРСР на винаходи і двома патентами України.

Створені пристрої керування з ЄНЕ у контурі збудження впроваджені на відповідальних синхронних електроприводах промислових підприємств різних галузей промисловості, що підтверджено 7 актами впровадження.

Технічна реалізація схемотехнічних рішень на основі теоретичних розробок виконана на синхронних двигунах потужністю 2000 квт, 100 об/хв електроприводу кульових барабанних млинів тракту паливоприготування п'яти енергоблоків 300 мвт Криворізької ДРЕС - 2 ВЕО Дніпроенерго.

Введено в експлуатацію автоматичний регулятор збудження на турбодвигуні СТД 1600-2 потужністю 1600 квт Вольногорского заводу електровакуумного скла.

Введена в експлуатацію система керування режимом збудження для демпфірування коливань синхронного електроприводу кульового барабанного млина енергоблоку Трипільської ДРЕС.

Введено в експлуатацію пристрій для самозапуску синхронного двигуна потужністю 1000 квт привода насосного агрегату з керованим ємнісним накопичувачем енергії та переводом струму в контур розрядного резистора на насосній станції Дніпровського металургійного комбінату.

Пристрій самозапуску синхронного двигуна потужністю 1600 квт впроваджено на електроприводі поршневого компресора цеху“Карбамід-2”ДВО “Азот”.

Самозапуск синхронних двигунів турбокомпресорів з розробленими схемними рішеннями впроваджений у цехах “Карбамід-1” і “Карбамід-2” ДВО “Азот”. Параметри двигунів: номінальна потужність 4800 квт, 1500 об/хв, напруга і струм статора - 6000 В і 535 А.

У результаті впровадження перелічених розробок отримано підтверджений економічний ефект у сумі 517 тисяч карбованців (у цінах 1990р.).

Основні результати дисертаційної роботи впроваджені в навчальний процес Дніпродзержинського державного технічного університету при читанні курсів “Силові перетворювачі автоматизованого електропривода”, “Системи керування електроприводами” і використані при створенні навчального посібника для студентів ВНЗ, виданого видавництвом “Вища школа”.

Особистий внесок здобувача полягає в розв'язанні науково-прикладної проблеми розвитку наукових і методологічних основ керування синхронними електроприводами з ємнісними накопичувачами енергії в контурі збудження, у встановленні впливу ЄНЕ на режими роботи електроприводів і на цій основі - розробці нових пристроїв для підвищення експлуатаційної надійності синхронних електроприводів. У роботах, написаних у співавторстві, особистий внесок автора полягає:

У працях [7, 11, 12, 15, 25, 27] виконані теоретичні й експериментальні дослідження процесів гасіння поля СД з ЄНЕ й отримані аналітичні залежності процесів гасіння поля.

У працях [6, 8, 9, 16, 17, 30] розроблені методика розрахунку моментних характеристик асинхронного режиму з ЄНЕ в контурі збудження і математичні моделі комплексу, виконані теоретичні й експериментальні дослідження основних нестаціонарних режимів СД.

У статті [10] обґрунтовано принцип форсування збудження СД, виконані теоретичні й експериментальні дослідження.

У статті [13] виконані теоретичні й експериментальні дослідження режиму асинхронного пуску СД і проведена оптимізація зазначеного режиму.

У статтях [14, 18, 19] виконані теоретичні й експериментальні дослідження впливу ЄНЕ на режим електродинамічного гальмування і енергетичні показники мостових збуджувачів.

В авторських свідоцтвах СРСР 20, 21 здобувачу належать ідеї, принципи керування ЄНЕ в контурі збудження і розробка пристроїв.

Апробація результатів дисертації. Основні положення, результати і висновки дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на Всесоюзному семінарі “Компенсація реактивної потужності як засіб економії електроенергії” (м.Магнітогорськ, 1978 р.), III Всесоюзної конференції “Електробезпечність на гірничорудних підприємствах чорної металургії СРСР” (м.Орджонікідзе, 1982 р.), Республіканської науково-технічної конференції “Перспективи розвитку електромашинобудування на Україні” (м.Харків, 1983 р.), IV Всесоюзної науково-технічної конференції “Динамічні режими роботи електричних машин і електроприводів” (м. Дніпродзержинськ, 1985 р.), Крайової науково-технічної конференції “Автоматизація електроприводів і оптимізація режимів електропостачання” (м. Красноярськ, 1985 р.), II Всесоюзної науково-технічної конференції “Шляхи економії і підвищення ефективності використання електроенергії в системах електропостачання промисловості й транспорту” (м.Смоленськ, 1987 р.), V Всесоюзній науково-технічній конференції “Динамічні режими роботи електричних машин і електроприводів” (м. Каунас, 1988 р.), міжнародних науково-технічних конференціях “Проблеми створення нових машин і технологій” (м. Кременчук, 1998-2001 р.р.), на наукових семінарах ІЕД АН УРСР з комплексної проблеми “Наукові основи електроенергетики”, а також на кафедрі "Автоматизованого електропривода" Московського енергетичного інституту, 1991 р., на кафедрі "Автоматизованого електроприводу" Львівського політехнічного інституту "Львівська політехніка", 1992 р., на кафедрі "Електрообладнання" Дніпродзержинського державного технічного університету, 1980-2001 р.р.

Публікації. Основний зміст, наукові положення, результати і висновки дисертаційної роботи опубліковані в 85 працях: у навчальному посібнику для студентів ВНЗ, 43 статтях і тезах доповідей у науково-технічних журналах і збірниках матеріалів конференцій, 28 авторських свідоцтвах СРСР на винаходи і 2-х патентах України, 11 науково-технічних звітах по НДР.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 7 розділів з висновками з кожного розділу, загальних висновків, переліку використаних джерел і 3 додатків. Дисертаційна робота містить 473 сторінки наскрізної нумерації, у тому числі - 300 сторінок тексту з 19 таблицями, 172 рисунків, із них 130 рисунків складають 88 сторінок, список використаних джерел з 246 найменувань - на 25 сторінках і додатків - на 52 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

синхронний електропривод енергія збудження

У вступі обґрунтована актуальність проблеми, зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, сформульовані наукова проблема, мета і задачі досліджень, викладена наукова новизна, практичне значення одержаних результатів, особистий внесок здобувача в наукових роботах, що опубліковані у співавторстві, відображені питання апробації одержаних наукових результатів та публікації.

У першому розділі проведено огляд і порівняльний аналіз існуючих систем збудження і режимів керування СД. Показано, що в умовах раптових короткочасних порушень електропостачання існуючі системи збудження не дозволяють впливати на асинхронні характеристики СД для підвищення електромагнітного моменту номінально завантажених двигунів. При самозапуску СД механізмів з безперервними технологічними процесами після короткочасної перерви електропостачання СЗ із режимом інвертування перетворювачів не забезпечують гасіння поля збудження, що призводить до несинхронного включення двигуна і супроводжується значними кидками струму статора і електромагнітного момента. Внаслідок цього відбувається виключення електроприводу, що призводить до значних народногосподарських збитків. Застосування форсування напруги збудження виявляється малоефективним при глибоких зниженнях напруги в живлячій мережі або прикладання значного навантаження до валу двигуна через інерційність контуру збудження, що в підсумку призводить до втрати стійкості завантажених двигунів. Створені статичні СЗ з трифазними нульовою і мостовою силовими схемами мають низький коефіцієнт потужності, що веде до зменшення виробляємої реактивної потужності СД. Таким чином, існуючі СЗ мають суттєві недоліки. Крім того, все коло раніше вирішених теоретичних і практичних задач не дозволяє почати розробку і широке впровадження систем керування з НЕ для СЕП, тому що відсутні математичні моделі, структурні схеми, алгоритми, програми і методи розрахунків для встановлення закономірностей впливу ЄНЕ на режими керування СЕП, і на цій основі - розробка нових технічних рішень, які забезпечують підвищення експлуатаційної надійності функціонування електроприводів.

Другий розділ присвячений розробці математичних моделей і структурних схем електроприводу при вмиканні в контур збудження ЄНЕ, активних і ключових елементів у різних сполученнях, створенню алгоритмів і програм розрахунків основних режимів роботи електроприводу. Об'єктом опису є комплекс, який містить явнополюсний СД з нормальною конструкцією магнітопроводу, з демпферною обмоткою і обмоткою збудження, узгоджуючий трансформатор, напівпровідникову СЗ з групою вiдокремлюючих діодів і пускозахисний контур, який складається з пускового резистора, електричної ємності НЕ і тиристорних ключів (рис. 1).

У зв'язку з тим, що диференційні рівняння містять змінні коефіцієнти, які є періодичними функціями кутів, напруги на вентилях є нелінійними функціями струмів і змінна структура СЗ, то доцільно спростити задачу і провести математичний опис в ортогональних осях d, q, 0 для різних станів управляємих ключів.

Тоді рівняння потокозчеплень електричних контурів СД:

Робочі потокозчеплення визначаються з картини магнітного поля в повітряному зазорі за відомими методиками:

.(2)

Рівняння механічної рівноваги:

(3)

На підставі отриманих рівнянь складена узагальнена структурна схема СД.

Наведено опис СД як об'єкта управління для різного ступеня компенсації інерційності контуру збудження з урахуванням того, що демпферна обмотка зображена одним еквівалентним контуром у поздовжній і поперечній осях.

Тоді рівняння потокозчеплень, виражені через відповідні сталі часу, набувають вигляду:

На базі математичних моделей і структурних схем розроблені алгоритм і програма розрахунку перехідних процесів електроприводу з ЄНЕ в ОЗ.

У третьому розділі визначено вплив елементів, які включені в контур збудження, на моментні характеристики СД і характер зміни струму в ОЗ. Миттєве значення електромагнітного момента, обумовленого ОЗ, дорівнює

.(5)

Струм в ОЗ визначиться із системи диференційних рівнянь з урахуванням режиму роботи СД.

Тоді миттєві значення електромагнітного моменту мають вид:

при вмиканні в ОЗ тільки пускового резистора

,(6)

за наявності пускового резистора та реверсивному збуджувані

,(7)

при замиканні ОЗ на електричну ємність НЕ

,(8)

при замиканні ОЗ на електричну ємність НЕ та шунтуючий її резистор

.(9)

Аналіз наведених виразів свідчить, що для підвищення електромагнітного моменту СД необхідно збільшувати струм в ОЗ, що досягається вмиканням електричної ємності НЕ в сполученні з пусковим та шунтуючим резисторами. Розроблена методика розрахунку статичних характеристик асинхронного пуску СД, яка базується на еквівалентних схемах і дозволяє враховувати включення в контур збудження ємнісних, активних та реактивних елементів у різній комбінації. Розроблено алгоритм і програму розрахунку цих характеристик комплексним методом на ПЕОМ. Проведені чисельні розрахунки статичних асинхронних характеристик для основних схем пускових пристроїв (ПП) варіюванням ємності НЕ в межах 10...10000 мкФ, кратності пускового і шунтуючого резисторів K=4...10. Вказані характеристики перебудовані в залежності пускового, вхідного, мінімального і максимального моментів від величини ємності НЕ з фіксованими значеннями додаткових елементів. Показано, що глухопiдключений ЄНЕ дозволяє СД розвивати значні пускові (6,303 в.о.) і максимальні (3,03 в.о.) моменти, однак, при певних значеннях ємності НЕ (300...700 мкФ для досліджуваного СД) можуть виникати в області напівсинхронної швидкості значні гальмівні моменти (до 4,746 в.о.) і значні кидки струму статора, які перевищують десятикратне значення. При послідовному з'єднанні ЄНЕ та пускового резистора усуваються гальмівні моменти, трохи знижуються пускові (1,525 в.о.) і максимальні (3,019 в.о.) моменти, а вхідний момент не перевищує 0,817... 1,197 в.о. При паралельному включенні ЄНЕ та пускового резистора вхідні моменти лежать у межах 1,269...1,495 в.о. При незмінній ємності НЕ підвищення асинхронних моментів здійснюється лише в деякому обмеженому діапазоні ковзань.

Розроблена методика розрахунку характеристик асинхронного пуску СД, яка дозволяє визначати струмове навантаження елементів демпферної обмотки (ДО) та величину електромагнітного момента на підставі таких систем рівнянь.

Рівняння для контура статора за осями:

.(10)

Рівняння рівноваги напруг для ОЗ:

(12)

Рівняння для демпферних контурів набiгаючого краю полюса по осі d:

(13)

Рівняння для демпферних контурів набiгаючого краю полюса по осі q:

.(14)

Рівняння для незалежних контурів збiгаючого краю полюса находять зміною за колом індексу "H" на "C" у наведених виразах.

За розробленою програмою розраховане струмове навантаження ДО для двигуна P =3150 кВт, n =500 об/хв з десятьма латунними стрижнями на полюсі за умови включення в ОЗ шестикратного резистора та НЕ ємністю 400 і 2000 мкФ. Аналіз розрахункових даних свідчить, що наявність електричної ємності в ОЗ призводить до струмового розвантаження стрижнів в області значних ковзань. При відносно малих значеннях ковзання струмове навантаження на крайні стрижні ДО збільшується.

Причому підвищення температури за час асинхронного пуску вказаного двигуна складає для обмоток статора та збудження відповідно:

при шестикратному резисторі, ⁰С-10,4 та 0,087;

при ємності НЕ 400 мкФ, ⁰С-12,32 та 0,3;

при ємності НЕ 2000 мкФ, ⁰С-10,8 та 0,13.

У той самий час нагрів елементів демпферної обмотці складає 104...110⁰С.

Це дає можливість розвантажить демпферну обмотку шляхом перерозподілу струмів між цією обмоткою і обмоткою збудження вмиканням ЄНЕ.

Розглянуто вплив безперервної зміни ємності НЕ в функції ковзання на асинхронні характеристики СД та доказано, що ПП зі змінною структурою є більш ефективними при дискретній зміні параметрів останніх.

Отримано залежність ємнісного опору від ковзання при різних кратностях пускового резистора, яка забезпечує максимальне значення електромагнітного моменту двигуна у режимі асинхронного пуску. На рис.2 наведено залежність x_c=f(s) для двигунів різних потужностей та швидкостей обертання ротору. Вказана залежність апроксимована виразом:

.

Величина ємності НЕ має вид:

.

Пускові характеристики для цього двигуна при R_п=4R_f і ємності НЕ 100...400 мкФ наведені на рис.3.

Розроблені пускові пристрої з включенням ємнісних, резистивних і ключових елементів в ОЗ наведені на рис.4.

Оптимізацію параметрів ПП для СД потужністю 2000 кВт, 100 об/хв виконано методом планування експерименту з використанням ортогонального центрального композиційного плану другого порядку. Значення коефіцієнтів апроксимуючого полінома визначалось за критерієм Ст'юдента, а адекватність моделі - за критерієм Фiшера. Найбільша похибка апроксимацiї після відкидання незначних коефіцієнтів складала 1,41%. Рівняння регресії при значних коефіцієнтах та декодуванні факторів має вигляд

M_ср =1,58 + 9,6.10^-3 C - 4.10^-5 С², (15)

звідки випливає, що кратність пускового резистора K=2...10 при ковзаннях 1>S>0,4 практично не впливає на величину середнього пускового моменту. Однак при малих значеннях K можливі значні кидки пускового струму статора СД.

У четвертому розділі дослідження перехідних процесів асинхронного пуску СД виконано на підставі розв'язання системи повних диференційних рівнянь відповідно до програми розрахунку, яка розроблена в другому розділі.

Теоретичними і експериментальними дослідженнями показано, що застосування ЄНЕ призводить не тільки до зростання струму ОЗ і електромагнітного моменту СД, але й викликають перенапруги, небезпечні за рівнем електричної міцності ізоляції. Для обмеження перенапруг на ОЗ при асинхронному пуску СД необхідно виключати ЄНЕ застосуванням тиристорних ключів, що керуються рівнями допустимої напруги.

Розрахункові залежності асинхронного пуску СД наведені на рис.5 відповідно при включенні в ОЗ десятикратного резистора (рис.5,а), послідовно з'єднаних десятикратного резистора та ЄНЕ С=2000 мкФ (рис.5,б), паралельно з'єднаних десятикратного резистора та ЄНЕ С=2000 мкФ (рис.5,в) послідовно-паралельно з'єднаних резисторів і ЄНЕ (рис.5,г). Виконана порівняльна оцінка режимів асинхронного пуску СД, розрахункові залежності з них наведені в табл.1.

Експериментальними дослідженнями на фізичних моделях СД підтверджені основні теоретичні положення і доведена доцільність застосування створених ПП для отримання асинхронних характеристик СД заданої форми.

У п'ятому розділі наведена характеристика основних способів гасіння поля і встановлено, що жоден з них не забезпечує інтенсивного зниження магнітного потоку двигуна при глибоких зниженнях напруги в мережі, яка живить збуджувач, або при її повному зникненні.

Для підвищення надійності цього режиму і забезпечення успішного самозапуску СД відповідальних механізмів створені пристрої гасіння поля збудження. В розроблених пристроях примусове вимикання збуджувача забезпечується зустрічною напругою або зустрічним струмом попередньо зарядженої ємності НЕ при вмиканні гасячого тиристора. Заряд ЄНЕ здійснюється в момент синхронізації СД від збуджувача через зарядний діод або від незалежного джерела зарядної напруги. Залежно від прийнятої схеми гасіння поля забезпечується аперіодичний, лінійний або коливальний розряд ЄНЕ в контурі збудження. Здійснена порівняльна оцінка ефективності відомих способів і засобів гасіння поля збудження в реальних умовах експлуатації СД. Теоретично і експериментально доведено, що вмикання розрядного резистора та електричної ємності НЕ в контур збудження є більш ефективним засобом гасіння поля, ніж режим інвертування збуджувача з регламентованого ДСТУом кратністю форсування напруги в нормальних і аварійних умовах живлячої збуджувач мережі. Отримані аналітичні залежності для різних варіантів пристроїв гасіння поля СД без демпферних контурів при сталості індуктивності контуру збудження, які дозволяють визначати час гасіння поля і максимальний рівень перехідної напруги на ОЗ залежно від параметрів двигуна, величини ємності НЕ і кратності розрядного резистора. Визначено вплив параметрів пристроїв гасіння на перехідні процеси гасіння поля СД.

Проведені значні чисельні експерименти процесу гасіння поля СД з використанням повної системи диференційних рівнянь у режимі інвертування збуджувача, при включенні в ОЗ розрядного резистора, при замиканні контуру збудження на електричну ємність НЕ та шунтуючий її резистор. Наведена порівняльна оцінка цих способів гасіння поля збудження для СД з демпферними контурами. Показано, що при гасінні поля СД потокозчеплення осі d визначається:

при інвертуванні збуджувача

(18)

при вмиканні в ОЗ розрядного резистора

(19)

при замиканні ОЗ на електричну ємність НЕ

(20)

при замиканні ОЗ на електричну ємність НЕ та шунтуючий резистор

(21)

Розрахункові залежності процесу гасіння поля СД для деяких пристроїв наведені на рис.6 відповідно при інвертуванні збуджувача (рис.6,а), при розрядному резисторі (рис.6,б), при розрядному резисторі та ємнісному вимиканні збуджувача (рис.6,в), при замиканні ОЗ на електричну ємність НЕ (рис.6,г).

Аналіз результатів розрахунку (рис.9) процесу гасіння поля в цих пристроях засвідчив, що застосування ЄНЕ дозволяє суттєво знизити рівень максимальної напруги на ОЗ і підвищити швидкодію цього режиму за рахунок збільшення кратності розрядного резистора до 20.

Дослідно-промислова експлуатація цієї системи на СД потужністю 2000кВт приводу кульового барабанного млина тракту паливоприготування КривДРЕС-2 засвідчила високу надійність режиму гасіння поля та зниження рівня перенапруг на ОЗ приблизно вдвічі порівняно з резисторним варіантом, що реалізується за допомогою автомату АГП.

Основні теоретичні положення підтверджені експериментальними дослідженнями модельного СД. Осцилограми процесу гасіння магнітного поля для деяких пристроїв наведені на рис.7: у режимі інвертування збуджувача (рис.7,а); при включенні резистора в ОЗ пристроєм АГП (рис.7,б); при ЄНЕ і замиканні ОЗ на розрядний резистор (рис.7,в); при замиканні ОЗ на електричну ємність НЕ (рис.7,г).

Шостий розділ присвячений розробці пристроїв управління процесом збудження СД. Автоматичне регулювання збудження (АРЗ) є засобом поліпшення експлуатаційних та енергетичних показників двигуна і вузла електричного навантаження. Однак у ряді випадків внаслідок iнерцiйностi контуру збудження СД та регламентованої ДСТУ 24688-81 кратності форсування за напругою АРЗ є малоефективним. Обмежені можливості сучасних збуджувачiв та пристроїв АРЗ суттєво розширюються за рахунок використання форсування шляхом розряду попередньо зарядженого ЄНЕ в контурі збудження з одночасною подачею в цей компенсований контур форсувальної напруги збуджувача. При цьому управління збудженням СД досягається зміною структури силового перетворювача, за якою забезпечується релейне управління в зоні великих збурень, а в зоні малих - певне управління. Доказано, що час форсування струму збудження визначається чвертю власних коливань роторного контуру, а необхідна величина ємності НЕ має вигляд:

. (22)

Розроблена методика розрахунку вказаних форсувальних режимів. Розрахунковими (рис.8) та експериментальними дослідженнями встановлено, що швидкодія вказаних режимів на порядок вище, ніж у серійних тиристорних збуджувачiв.

Розроблено статичний збуджувач, який забезпечує управління збудженням у функції напруги статора та режиму роботи СД.

Досліджено застосування періодичного збудження для демпфірування автоколивань в електромеханічній системі СД - кульовий барабанний млин (КБМ). Результати чисельного моделювання засвідчили, що згасання найбільш небезпечної гармоніки коливань досягається в електромеханічній системі шляхом певного фазового зсуву змінної складової напруги відносно кута навантаження, а також вибором оптимального співвідношення коефіцієнта зворотного зв'язку в схемі АРЗ і граничної напруги збудження. При цьому виникає значне зниження струмів та втрат енергії в еквівалентних контурах двигуна.

Розглянуто використання циклічного управління параметрами контуру збудження для підвищення ефективності управління СД у режимі асинхронного пуску та самозапуску. Показано, що ЄНЕ в контурі збудження дозволяє збільшувати амплітуду струму ротора з одночасним зменшенням його фази, а, отже, і середнє значення моменту СД при одноіменній полярності е.р.с. і струму на кожному оберті ротора. Усунення ЄНЕ призводить до зменшення амплітуди струму та зниження гальмівного моменту, яка створюється ОЗ. Внаслідок цього зростає середній асинхронний момент, що дозволяє забезпечити успішну синхронізацію номінально завантажених СД у режимі самозапуску. Розраховані перехідні процеси режиму самозапуску різних систем збудження та засобах гасіння поля (рис.9): при інвертуванні тиристорного збуджувача з K=1,72 (рис.9,а); при замиканні ОЗ на резистор R_p =4R_f (рис.9,б); при замиканні ОЗ на резистор R_p =4R_f та ємність НЕ С=2500 мкФ (рис.9,в); при замиканні ОЗ на резистор R_р =10R_f та ємність С=2500 мкФ (рис.9,г); при замиканні ОЗ на ємність НЕ С=2500 мкФ (рис.9,д).

Досліджено вплив режиму збудження та величини опору гальмівних резисторів на час аварійного гальмування. Аналіз розрахункових та експериментальних досліджень засвідчив, що при екстреному електродинамічному гальмуванні (ЕДГ) СД з малим зведеним моментом інерції і відносно високою перехідною сталою часу контуру збудження режим збудження здійснює незначний вплив на тривалість гальмування. Якщо потрібний час ЕДГ задано в межах 0,7...1 с, то форсування збудження СД може бути малоефективним. У даному випадку достатньо забезпечити природне затухання струму в ОЗ включенням, наприклад, нульового вентиля. В синхронних електроприводах з відносно великим моментом інерції необхідно використовувати розроблені збуджувачi з ємнісними НЕ в контурі збудження, які забезпечують форсувальне значення струму збудження за час 0,02...0,05 с, тобто за час переключення обмоток статора СД на гальмівні резистори.

Сьомий розділ присвячений підвищенню енергетичних та експлуатаційних показників тиристорних збуджувачiв СД із застосуванням ЄНЕ. Доказано, що застосування ЄНЕ в контурі збудження, дозволяє знизити струмове та теплове навантаження на обмотці статора та демпферну обмотку в режимі асинхронного пуску СД. Осцилограми асинхронного пуску СД наведені на рис.10.

Визначені збитки від раптових короткочасних порушень електропостачання на підприємствах різних галузей промисловості. Доказано, що суттєве зниження збитків досягається за рахунок утримання СД у синхронізмі використанням систем керування з ЄНЕ у контурі збудження.

Показано, що в режимі номінального збудження коефіцієнт потужності несиметричного збуджувача (НЗ) перевищує на 15% коефіцієнт потужності симетричного збуджувача (СЗ). Однак суттєвим недоліком НЗ є відсутність режиму гасіння поля збудження. Використання ЄНЕ дозволило усунути цей недолік і підвищити коефіцієнт потужності мостових збуджувачiв. Експериментальними дослідженнями доказано, що використання ЄНЕ в симетричних збуджувачах підвищує коефіцієнт потужності з 0,548 до 0,562 в режимі номінального збудження, а при форсуванні збудження коефіцієнт потужності збільшується з 0,933 до 0,964. Однак за абсолютними значеннями значної частини енергетичних показників несиметричні збуджувачi перевершують симетричні навіть за наявності в останніх ЄНЕ.

В додатку А наведено фрагменти програми розрахунку статичних і динамічних режимів синхронного двигуна.

В додатку Б наведені результати розрахунку статичних характеристик асинхронного режиму СД при детальному розгляданні струмового навантаження елементів демпферної обмотки.

В додатку В наведені акти впровадження результатів дисертаційної роботи.

ВИСНОВКИ

У дисертації виконані теоретичне узагальнення і нове розв'язання науково - прикладної проблеми розвитку наукових і методологічних основ створення систем керування синхронними електроприводами з ємнісними накопичувачами енергії як сукупність розроблених математичних моделей, структурних схем, алгоритмів і програм розрахунків. Зазначена сукупність математичного опису дозволила установити нові закономірності та залежності енергообміних процесів між ЄНЕ і контуром збудження, виявити вплив ЄНЕ на режими роботи синхронних електроприводів, обґрунтувати алгоритми керування ЄНЕ і раціональні параметри контуру збудження для одержання необхідних квазістатичних і динамічних характеристик СЕП. Установлені залежності та закономірності дозволили розробити нові технічні рішення з ЄНЕ в контурі збудженні, які дозволяють підвищити експлуатаційну надійність функціонування синхронних електроприводів установок і механізмів безперервних та складних технологічних процесів в умовах раптових короткочасних порушень електропостачання і прикладання значного навантаження до валу двигуна.

Основні наукові і практичні результати дисертаційної роботи полягають у наступному:

1. Вперше установлено, що контур збудження з підключеним ЄНЕ в режимі асинхронного пуску СД являє собою особливий клас зарядно-розрядних ланцюгів, що характеризуються зменшенням амплітуди і частоти е.р.с. ОЗ з одночасним зростанням напруги та електричної енергії ЄНЕ. Це дозволяє використовувати запасену енергію для збільшення активної складової струму ОЗ і моменту двигуна для успішного пуску СД в умовах номінального завантаження або зниженої напруги живлення і створити пускозахисні пристрої з ЄНЕ, що забезпечують збільшення асинхронного моменту СД в 1,3...1,5 раза порівняно з режимом резисторного пуску.

2. Вперше установлено вплив ЄНЕ в різних сполученнях з пасивними елементами роторного контуру на статичні моментні характеристики асинхронного режиму синхронних двигунів, що дозволяє визначати раціональні параметри елементів в нових схемотехнічних рішеннях, що забезпечують максимальне значення асинхронного моменту й успішний пуск номінально завантажених двигунів.

3. Вперше установлено вплив ЄНЕ на струмове навантаження демпферної обмотки, розподіл струмів по стрижнях і елементах короткозамикаючих кілець і перевищення температури цих елементів. Це дає можливість розвантажити демпферну обмотку в режимі асинхронного пуску СД шляхом перерозподілу струмів між цією обмоткою й обмоткою збудження, що підвищує експлуатаційну надійність двигунів.

4. Вперше установлено взаємозв'язок параметрів роторного контуру з ЄНЕ в сполученні з пасивними і ключовими елементами на динаміку асинхронного пуску СД, що дозволяє розробити схемотехнічні рішення і алгоритми керування роторним контуром при обмеженні рівня перехідної напруги на ОЗ в умовах зниження струмового навантаження на обмотку статора і розвантаження демпферної обмотки.

5. Вперше установлено взаємозв'язок параметрів роторного контуру й ЄНЕ в сполученні з резисторними і ключовими елементами, що дозволило обґрунтувати принцип керування режимом гасіння поля при припустимому рівні перенапруги на ОЗ, що визначається величиною ємності НЕ, а швидкодія - кратністю розрядного резистора, розробити схемотехничні рішення для скорочення часу вмикання АПВ чи АВР і збереження безперервності технологічних процесів.

6. Вперше обґрунтовано принцип керування режимом збудження СД для утримання їх у синхронізмі з використанням запасеної енергії при коливальному розряді ЄНЕ в контурі збудження і розробити схемотехнічні рішення для збільшення струму й електромагнітного моменту в умовах короткочасного зниження напруги в електромережі або прикладання значного навантаження до валу двигуна, причому швидкодія режиму форсування визначається чвертю періоду власних коливань роторного контуру.

7. Встановлено, що для номінально завантажених СД найбільш ефективним є циклічне керування параметрами контуру збудження для їхнього успішного самозапуску. Застосування циклічного керування параметрами контуру збудження з вмиканням ЄНЕ при збігу знаків е.р.с. і струму ОЗ і вимиканням ЄНЕ при різнойменних знаках цих величин дозволяє підвищити вхідний момент СД у 1,3...1.5 раза порівняно з резисторним варіантом асинхронного пуску.

8. Доведено ефективність штучного демпфірування автоколивань у системі СД - виробничий механізм за рахунок застосування форсування струму збудження при оптимально обраній випереджальній фазі змінної складової напруги.

9. Установлено, що для синхронних електроприводів з відносно малим моментом інерції керування режимом збудження практично не впливає на час гальмування агрегату при аварійній або технологічній зупинці. Тому в режимі екстреного динамічного гальмування необхідно забезпечити природне гасіння струму в контурі збудження СД вмиканням, наприклад, нульових вентилів. Для електроприводів з великими моментами інерції необхідно забезпечити форсоване збільшення струму при ємнісній компенсації інерційності контуру збудження і використання енергії накопичувачів з наступним переводом привода в режим екстреного електродинамічного гальмування.

10. Використання енергії ємнісних накопичувачів у момент комутації вентилів силового перетворювача дозволило розробити системи збудження, які дозволяють знизити потужність викривлення на 35...41% і повну потужність контуру збудження на 2,5% у режимі номінального збудження при зростанні коефіцієнта потужності системи збудження на 11...13% у залежності від режиму збудження синхронних двигунів. Використання ємнісних накопичувачів забезпечує більш високі енергетичні показники розроблених напів- та різнокеруємих систем збудження синхронних електроприводів порівняно з відомими симетричними системами.

11. Технічний рівень науково обґрунтованих розробок відповідає кращим світовим зразкам аналогічного виду систем керування СЕП. Розроблені пристрої захищені 28 авторськими свідоцтвами СРСР на винаходи і двома патентами України. Розроблені схемотехничні рішення впроваджені на ряді синхронних двигунів потужністю 1000, 1600, 2000 і 4800 квт приводів механізмів з безперервними технологічними процесами, у результаті чого забезпечили успішний самозапуск СД незалежно від величини і наявності напруги в електромережі, що живить систему збудження. У результаті впровадження перерахованих розробок отримано підтверджений економічний ефект у сумі п'ятсот сімнадцять тисяч карбованців у цінах 1990р.

12. Використання наукових положень, результатів і висновків дисертаційної роботи дозволить розробити нові і модернізувати існуючі системи збудження для поліпшення енергетичних і експлуатаційних показників при високій надійності функціонування синхронних електроприводів.

ЛІТЕРАТУРА

1. Низимов В.Б. Применение накопителей энергии для асинхронного пуска синхронных двигателей // Науковий вісник НГА України.-2000.№1.-С.49-51.

...