Реверсивний асинхронний електропривід, що керується за ротором, з покращеними динамічними та енергетичними показниками

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

“ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Реверсивний асинхронний електропривід, що керується за ротором, з покращеними динамічними та енергетичними показниками

Спеціальність 05.09.03 - Електротехнічні комплекси і системи

Карпук Ігор Анатолійович

Донецьк - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донбаському державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України, м. Алчевськ.

Науковий керівник:

кандидат технічних наук, доцент,

Шевченко Іван Степанович, Донбаський державний технічний університет,

професор кафедри автоматизованих електромеханічних систем, м. Алчевськ

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор,

Герасимяк Ростислав Павлович, Одеський національний політехнічний університет, професор кафедри електромеханічних систем з комп'ютерним управлінням, м. Одеса;

доктор технічних наук, професор,

Толочко Ольга Іванівна, ДВНЗ "Донецький національний технічний університет", завідуюча кафедрою електроприводу і автоматизації промислових установок, м. Донецьк.

електропривід струм релейний кінематичний

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Близько 2/3 усього обсягу виробляємої електроенергії (ЕЕ) використовується для механічної роботи, що виконується електроприводом (ЕП). Регульований ЕП проникає практично в усі технології, які не обходяться без перетворення ЕЕ в механічну. Цьому сприяють досягнення провідних електротехнічних корпорацій світу, які поставляють на ринок електронні компоненти, функціонально підготовлені для керування ЕП - як для безпосереднього перетворення ЕЕ, так і для керування цим процесом.

Регульовані ЕП завойовують області використання нерегульованих як для забезпечення технологічних характеристик, так і з метою енергозбереження. При цьому перевага віддається асинхронним ЕП, оскільки асинхронні машини (АМ) мають кращі масогабаритні показники, більш високу надійність та термін служби, простіші в обслуговуванні й ремонті.

Відомі чисельні розробки й дослідження, присвячені проблемі створення регульованого асинхронного електропривода. Великий внесок у вирішення цієї проблеми внесли вчені московської школи (Петров І.І., Соколов М.М., Булгаков О.О., Онищенко Г.Б., Сандлер О. С.), ленінградської (Башарин О.В., Соколовський Г.Г., Рудаков В.В.), уральської (Шубенко В.О., Браславський І.І.), одеської (Петров Л.П., Герасимяк Р.П., Андрющенко О.А.), львівської (Губенко Т.П., Плахтина Є.Г.), а також ряд інших учених України й Росії (Епштейн І.І., Садовой О.В., Чермалих В.М., Плесков В.І., Пересада С.М.) і закордонні вчені (Blaschke F., Leonard W.).

Частотнорегульовані ЕП, що використовуються та вирішують більшість технологічних завдань із прийнятною якістю, уступають по надійності ЕП на базі АМ з фазним ротором (ФР). Останні, маючи практично постійний за величиною магнітний потік, можуть забезпечувати високі регулювальні, динамічні й енергетичні показники так, як ЕП постійного струму з машинами незалежного збудження.

У цей час цілий ряд механізмів (підйому й пересування в кранах, рольганги різного призначення, штабелери, маніпулятори та ін.) обладнані такого роду ЕП. Забезпечуючи високу надійність роботи та задовільну динаміку, вони найчастіше мають або малий діапазон регулювання швидкості, або низькі енергетичні показники, або дуже чутливі до різного роду збурень.

З огляду на сказане вище та у зв'язку з ростом світових цін на енергоносії, завдання розробки ЕП на базі АМ із ФР з високими енергетичними й динамічними показниками, який забезпечує малу чутливість до параметричних і координатних збурень, є досить актуальним, оскільки передбачає високий економічний ефект.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана згідно з науковою тематикою кафедри АЕМС ДонДТУ “Розробка систем оптимального релейного керування електроприводами постійного та змінного струму”. Запропоновані рекомендації щодо вибору функціональних схем, алгоритми й структури релейних систем керування, технічні рішення використовувалися при виконанні держбюджетної НДР №47 0101U003080 “Розробка теоретичних основ побудови й створення адаптивних потужних статичних перетворювачів частоти й електричних приводів для індукційних технологічних комплексів” (2001 - 2003 р.), держбюджетної НДР №127 0103U002536 “Розробка елементів теорії й принципів побудови ефективних електронних і електромеханічних систем перетворення параметрів електричної енергії” (2004 - 2006 р.), у яких здобувач є виконавцем.

Мета і задачі досліджень. Мета дисертації - розробка асинхронного електропривода з високими енергетичними й динамічними показниками, що керується виключно за ротором, інваріантного до параметричних і координатних збурень.

Основні задачі досліджень:

1. Провести аналіз існуючих функціональних схем ЕП на базі асинхронно-вентильного каскаду (АВК) на предмет динамічних, масогабаритних і інших показників для розробки функціональної схеми реверсивного ЕП на базі АВК з високими енергетичними й динамічними показниками, що керується виключно за ротором.

2. Розробити схемні рішення елементів системи ЕП на базі АВК (систему імпульсно-фазового керування (СІФК) вентильним перетворювачем (ВП), релейне джерело струму (РДС), датчики синхронізації та ін.).

3. Розробити математичні моделі АМ, ВП, у тому числі що працюють на змінній частоті, і релейного джерела струму; дослідити режими їхньої роботи.

4. Для розробленого ЕП синтезувати й дослідити релейні системи керування при абсолютно жорстких кінематичних зв'язках.

5. Синтезувати й дослідити релейні системи керування для електропривода на базі АВК з врахуванням пружно-в'язких властивостей кінематичних зв'язків.

6. Провести на фізичній моделі об'єкта експериментальну перевірку основних теоретичних положень, залежностей і результатів математичного моделювання з метою підтвердження їхньої адекватності.

Об'єктом дослідження є електромагнітні й електромеханічні процеси в елементах асинхронного ЕП і системи в цілому.

Предмет дослідження - реверсивний ЕП на базі АВК, що керується виключно за ротором, при наявності параметричних і координатних збурень.

Методи досліджень. При розв'язанні поставлених задач застосовувалися наступні методи: аналітичне конструювання оптимальних систем, методи зворотних задач динаміки - при синтезі релейних систем керування; методи математичного моделювання й чисельного розв'язання систем диференціальних рівнянь - при аналізі режимів роботи синтезованих систем ЕП; експериментальні. Математичне моделювання проводилося на ЕОМ за допомогою математичних пакетів.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Уперше запропоновано принцип побудови регульованого асинхронного ЕП, що реверсується за ротором, з використанням в якості мережного перетворювача (МП) релейного джерела струму, що дозволяє підвищити енергетичні показники й перевантажувальну здатність АМ у каскадних схемах включення.

2. Доведена можливість застосування релейних систем управління, що працюють у ковзному режимі, для одержання необхідних статичних і динамічних показників якості каскадного ЕП при забезпеченні низької чутливості електромеханічної системи до параметричних і координатних збурень. Отримано оптимальні за мінімумом інтегральної квадратичної похибки релейні управління для такого ЕП.

3. Отримано аналітичні залежності для електромеханічних (ЕМХ) і механічних (МХ) характеристик на базі АВК з керованим роторним перетворювачем (РП) при використанні мережного перетворювача з фазовим управлінням, а також релейного джерела струму як у розімкненій, так і в замкненій системі ЕП.

4. Встановлено, що можливий синтез релейних систем управління, який базується на спрощених структурних схемах системи ЕП, як методом аналітичного конструювання регуляторів, так і методом зворотної задачі динаміки, при використанні різних фазових просторів.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблений асинхронний ЕП дозволяє одержати високі енергетичні (коефіцієнти потужності мережного й роторного перетворювача можуть досягати одиниці, привод електромагнітно сумісний з мережею живлення) і динамічні показники (гранична швидкодія контура струму завдяки РДС). Рекомендації з вибору системи ЕП, технічні рішення можуть бути використані при проектуванні електроприводів змінного струму з малою чутливістю до параметричних і координатних збурень. Аналітичні залежності для знаходження к.к.д. і коефіцієнта потужності каскадних схем увімкнення показують, що розроблений ЕП на базі АВК з РДС має к.к.д. на 2-3% вище традиційної системи АВК, cos ц МП наближається до одиниці, перевантажувальна здатність АМ у каскаді збільшується до 20 %.

Результати дисертаційної роботи впроваджені в навчальний процес Донбаського державного технічного університету при виконанні курсового й дипломного проектування, магістерських робіт, а також виданні навчального посібника.

Особистий внесок здобувача. У розробку нових наукових результатів, винесених на захист, автором особисто:

- виконано аналіз існуючих підходів при побудові каскадних ЕП;

- запропоновано принцип побудови та розроблена функціональна схема ЕП з використанням РДС та реверсом по колу ротора, що дозволяє одержати високі енергетичні й динамічні показники ЕП;

- проведено порівняння різних джерел сигналу для датчика синхронізуючої напруги СІФК ВП, що працює на змінній частоті, дано рекомендації щодо використання різних джерел сигналу;

- одержано аналітичні вирази ЕМХ і МХ АВК на базі ВП з фазовим керуванням, а також з РДС;

- синтезовано релейні системи управління ЕП на базі АВК при нехтуванні й врахуванні пружно-в'язких властивостей кінематичних зв'язків;

- проведено математичне моделювання на ЕОМ;

- проведено експериментальне дослідження системи ЕП на базі АВК.

Апробація результатів дисертації. Основні положення й результати дисертаційної роботи доповідалися на міжнародних науково-технічних конференціях “Електромеханічні системи, методи моделювання й оптимізації” (м. Кременчук, 2004 р.), “Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія й практика” (м. Алушта, 2003, 2005 р.р., м. Одеса, 2006 р.), міжнародної науково-методичної конференції “Комп'ютерне моделювання” (м. Дніпродзержинськ, 2000 р.), міжнародної конференції “Проблеми сучасної електротехніки-2002” (м. Київ, 2002), на наукових семінарах Національної Академії наук України “Динаміка автоматизованих електромеханічних систем” (м. Алчевськ, 2003 - 2006 р.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи відображені в 23 друкованих працях, з них 5 - у наукових журналах, 13 - у збірниках наукових праць, 2- патенти України на винахід, 3 - деклараційних патенти; 2 друковані праці опубліковані без співавторів.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, 5 розділів, висновків і додатків. Повний обсяг дисертації складає 204 сторінки, з них 71 рисунок на 54 сторінках; 8 додатків на 35 сторінках, 102 найменування використаних літературних джерел на 10 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі - “Стан питання та постановка задач дослідження” проведено аналіз існуючих напрямків розвитку регульованого асинхронного електроприводу на базі машини з фазним ротором, показані переваги й недоліки кожного з напрямів, визначено області використання регульованого асинхронного ЕП, визначено цілі й задачі дослідження.

У другому розділі - “Вибір способу та засобів керування енергією у роторному колі асинхронної машини” запропоновано декілька варіантів побудови систем ЕП на базі АВК, проведено їх аналіз і порівняння між собою.

Недоліком більшості варіантів побудови ЕП із джерелами напруги (ДН) є необхідність узгодження вихідної напруги ДН з робочими напругами роторного кола АМ за допомогою трансформатора. Джерела струму позбавлені цього недоліку, оскільки автоматично підстроюються своїми вихідними напругами до змін напруг АМ.

Запропоновано варіант побудови системи ЕП (іменований надалі базовим), особливістю якого є використання в якості МП регульованого РДС, що будується на повністю керованих вентилях (GTO, ТЗ і ін.) (рис. 1).

Рис. 1. Система ЕП на базі АВК з використанням РДС.

Відмінною у даній системі є з одного боку повна керованість, а з іншого - робота в режимі джерела струму з використанням релейного принципу управління, - перетворювач працює як РДС. Це забезпечує практично граничну швидкодію в регулюванні випрямленого струму ротора (рис. 2), тобто момента й швидкості, а також малу чутливість контуру струму до параметричних збурень, що виникають у цьому контурі, тобто стабільність регулювальних характеристик РДС. За рахунок відсутності трансформатора і згладжувального дроселя у колі випрямленого струму досягається значне зменшення масогабаритних показників каскаду, а кількість каналів СІФК вентилями така ж, як і в традиційному варіанті.

РП для забезпечення реверсу АМ за ротором також побудований на керованих вентилях.

Рис. 2. Часові діаграми роботи релейного джерела струму

Запропоновано також варіанти побудови системи ЕП на базі АВК, електромагнітно сумісної з мережею живлення, і системи ЕП з підвищеною перевантажувальною здатністю.

Для реалізації запропонованого варіанта системи ЕП розроблено схемні рішення елементів системи ЕП на базі АВК (СІФК вентильним перетворювачем, який працює на змінній частоті, РДС, датчики синхронізації та ін.). Встановлено, що найбільш прийнятними для синхронізації імпульсів управління вентилями РП є сигнали “відновленої” е.р.с. ротора, однак потрібні захисні пристрої від імпульсних перешкод. Застосування ж асинхронних мікромашин як датчиків синхронізуючої напруги забезпечує потрібну форму сигналу й захист СІФК від імпульсних завад, однак вимагає облаштування додатковими електромашинними пристроями з погоджувальними передачами.

Властивості розробленого джерела струму досліджено за допомогою цифрового й електродинамічного (фізичного) моделювання.

У третьому розділі - “Дослідження динамічних і статичних властивостей силової частини ЕП по схемі АВК” здійснено вибір підходу до моделювання АМ у каскадних схемах вмикання, обрано й розроблено математичні й цифрові моделі АМ, ВП, РДС, отримано аналітичні залежності ЕМХ і МХ для різних систем каскадного ЕП, отримано аналітичні залежності для оцінки енергетичних показників каскадних схем ЕП.

Досліджено декілька математичних моделей АМ у різних координатних системах і просторах фазових координат. У подальших дослідженнях процесів у системі ЕП використовувалась математична модель АМ у координатній системі, що “прив'язана” до роторних обмоток, у просторі фазових координат “_s - I_r”. Це дозволяє розглядати спільно процеси в АМ і ВП без додаткових перетворень:

(1)

(1)

де k_e= E_CH/E_PH - коефіцієнт трансформації е.р.с. АМ;

U_j, U_k, Ш_j, Ш_k, - миттєві значення напруг і потокозчеплень статора та ротора відповідно ( j = A, B, C; k = a, b, c);

r_j, r_k - активні опори обмоток статора та ротора відповідно, при симетричній машині r_j=r_s, r_k=r_r;

у - коефіцієнт розсіяння за Блонделем ();

i_k - миттєві значення роторних струмів;

е_а, е_в, е_с - миттєві значення фазних е.р.с. ротора;

р_п - число пар полюсів обмоток АМ;

М_Е, М_С - електромагнітний момент АМ і момент навантаження на його валу;

J - момент інерції ротора;

, - електричний і механічний кути обертання ротора ();

_e, - електрична і механічна швидкість ротора;

k_s= x_ms/x_s - коефіцієнт магнітного зв'язку обмоток статора ();

- зведений до ротора активний опір статора.

Напруги, які прикладені до статорних обмоток, мають вигляд:

(2)

де - кругова частота напруги мережі (електрична швидкість обертання поля АМ).

Е.р.с., що наведені потокозчепленнями АМ в обмотках ротора (e_a, e_b, e_c) в системі (1), використовуються для моделювання ВП, що визначає повну сумісність моделей АМ і ВП при такому підході. Отримані в моделі е.р.с., струми та ін. є реальними фазними координатами ротора АМ, що є перевагою даного підходу моделювання АМ.

Запропоновано також варіант врахування насичення сталі АМ у колі головного потоку. Дослідження показали, що враховувати насичення магнітопроводу АМ має сенс лише при значному (більше 15-20 %) збільшенні напруги статора, але звичайно в мережах живлення напруга дорівнює або менше номінальної, тому всі дослідження системи ЕП виконані без врахування явища насичення.

У зв'язку з тим, що у якості базового обраний варіант побудови системи ЕП з керованим РП і з використанням РДС у якості МП, необхідно було розробити адекватні працездатні моделі ВП і РДС для цифрового моделювання як одного з основних методів дослідження об'єктів.

Розроблено математичні й цифрові моделі ВП і РДС. Математична модель РДС, наприклад, виглядає так:

. (3)

Підсистема F формування , за логічними нерівностями ():

; ;;

; ;.

Стан вентилів і окремих груп реверсивного джерела струму визначається рівнем комутаційних функцій , , а також , . Останні можуть приймати значення +1, 0, -1 залежно від стану координат ЕП: сигналів тахогенератора, регуляторів швидкості та струму. При вентильна група, що працює в цей момент, забезпечує шунтування свого виходу, тобто обмотки ротора. При група переводиться у випрямний режим, а при - в інверторний.

Результати моделювання ВП і РДС підтвердили їхню адекватність фізичним процесам у них. На підставі запропонованих цифрових моделей АМ і ВП проводилися дослідження спільної роботи в складі системи ЕП на базі АВК.

Отримано аналітичні залежності для ЕМХ і МХ ЕП на базі АВК з керованим РП при використанні МП з фазовим управлінням, а також РДС як у розімкненій, так і в замкненій системі ЕП.

Наприклад, рівняння ЕМХ і МХ системи ЕП при використанні МП з фазовим управлінням мають вигляд (у відносних одиницях):

, (4)

, (5)

де x_Т , x_к - індуктивні опори короткого замикання погоджувального трансформатора, (струмообмежувального реактора) і АМ відповідно;

r_Т - активний опір обмоток трансформатора (зведений до вторинної сторони);

- падіння напруги на відкритому тиристорі (12 В);

, ,

- випрямлений струм (відносні одиниці);

k_ci = I_d / I_p - коефіцієнт підсилення за струмом для обраної схеми РП;

б_с, б_р - кути відкривання МП і РП;

m - пульсність схеми РП і МП (для мостової - m = 6).

Верхній знак в (4) і (5) відноситься до режиму роботи РП випрямлячем (_р/2), МП - інвертором (_з /2), а нижній - до інверсних режимів.

Механічні характеристики АМ за (5) наведені на рис. 3. МХ праворуч від осі швидкості відносяться до випрямного режиму РП. У цьому випадку при роботі як по полю ( ), так і проти нього ( ), надлишкова енергія ротора через МП повертається в мережу змінного струму. МХ ліворуч - відповідають роботі РП інвертором, коли енергія як МП, так і одержувана з ротора (за винятком втрат) віддається в мережу при обертанні ротора по полю (другий квадрант).

При використанні в якості МП джерела струму електромагнітний момент машини визначається за загальновідомим виразом:

, (6)

де СФ - магнітний потік АМ;

I_p - діюче значення струму ротора;

ц_p - кут зсуву роторного струму відносно е.р.с. ротора.

Оскільки при використанні РДС у якості МП криві роторних струмів центровані відносно кривих е.р.с. (рис. 4), то cos ц_p наближається до одиниці, і після додаткових перетворень рівняння механічної характеристики системи ЕП на базі АВК з РДС у розімкненому стані має вигляд (в.о.):

, (7)

де - струм роторних обмоток (в.о.);

- номінальний струм роторних обмоток, А.

Струм може бути виражений через випрямлений струм I_dи РДС:

. (8)

Механічні характеристики являють собою практично вертикальні лінії.

При замиканні системи за швидкістю пропорційним регулятором швидкості, рівняння механічної характеристики має вигляд:

, (9)

де - коефіцієнт передачі джерела струму ( ), А/В;

- максимальне значення керуючої напруги на його вході, В;

- величина сигналу завдання на швидкість, В;

- коефіцієнт зворотного зв'язку за швидкістю, Вс.

Зазвичай приймають:

, (10)

де - швидкість поля АМ.

Тоді, після перетворень, маємо:

, (11)

де - величина завдання у в.о. на рівень швидкості ( ).

На рис. 5 наведені електромеханічні характеристики базового варіанта побудови ЕП, замкненого за швидкістю, при різних рівнях завдання на швидкість (чорними крапками показані експериментально отримані дані).

Проведено аналіз і порівняння енергетичних показників існуючих і запропонованої систем каскадного ЕП.

Найбільш простим і точним методом визначення к.к.д. вентильного каскаду є метод розрахунку втрат. Сутність цього методу полягає у визначенні втрат в елементах привода й підрахунку повних втрат Р у приводі.

Для двигунного режиму:

, (12)

де - корисна потужність на валу АМ;

Сталі втрати асинхронного двигуна знаходяться із:

, (13)

де - номінальна потужність АМ, Вт;

- номінальний к.к.д. АМ;

- номінальний момент АМ, ;

- номінальне ковзання АМ;

- опір обмотки статора, Ом;

- опір обмотки ротора, зведений до статора.

Змінні втрати визначаємо, зводячи всі втрати до роторного кола АМ:

. (14)

Випрямлений струм визначається величиною моменту навантаження за формулою:

, (15)

де - індуктивний опір обмотки ротора АМ, Ом;

- еквівалентний активний опір кола випрямленого струму каскаду, Ом.

Еквівалентний опір у випадку використання варіанту системи ЕП на базі АВК з РДС визначається так:

. (16)

Отримані аналітичні залежності представлені в графічній формі на рис. 6 (квадратні маркери показують експериментальні дані). Аналізуючи отримані залежності, відзначимо, що значення к.к.д. традиційного й базового варіантів побудови системи ЕП корелюються зі значеннями, наведеними в літературі, а також що к.к.д. системи ЕП на базі АВК з РДС на 2 - 3% відсотка вище, ніж традиційної.

Для розрахунку коефіцієнта потужності системи ЕП на базі АВК з РДС отримано наступний вираз:

, (17)

де - коефіцієнт, що враховує спотворення форми кривих первинних струмів двигуна та трансформатора;

- намагнічувальній струм.

Відзначимо, що коефіцієнт потужності системи ЕП на базі АВК з РДС не залежить від швидкості ЕП. Залежності коефіцієнта потужності системи ЕП традиційної й на базі АВК з РДС від швидкості при різних рівнях моменту наведені на рис. 7.

У четвертому розділі - “Синтез систем управління АЕП” проведено синтез релейних систем управління (РСУ) для різних систем ЕП на базі АВК як при абсолютно жорстких кінематичних зв'язках, так і при урахуванні пружно-в'язких властивостей кінематичних зв'язків, а також здійснено синтез спостерігача стану.

Для забезпечення необхідної динаміки, квазіінваріантності до параметричних і збурювальних впливів були синтезовані РСУ за допомогою двох методів структурно-алгоритмічного синтезу РСУ - аналітичного конструювання регуляторів (АКР) і зворотної задачі динаміки (ЗЗД).

Проведено синтез регуляторів струму, швидкості, положення в просторі природних і канонічних координат для двох різних варіантів побудови системи ЕП: на базі ДН з фазовим керуванням, а також РДС. Синтез здійснювався як для структурної схеми системи ЕП на базі АВК, наведеної на рис. 8,а, так і для спрощеної структурної схеми (рис. 8,б). Наприклад, для базової системи, використовуючи приведену вище методику, одержано такий алгоритм управління релейного регулятора швидкості у фазовому просторі основних координат:

, (18)

де - вагові коефіцієнти алгоритму оптимального управління регулятора швидкості.

На підставі проведеного аналізу отриманих результатів цифрового моделювання зроблено висновки:

- моделювання АВК за спрощеною структурною схемою (за середнім значенням коефіцієнтів) і кусково-лінійній апроксимації ВП, а також з використанням імітаційних моделей АМ і ВП дає практично однакові результати. Цим підтверджується коректність використання при синтезі управлінь спрощеної структурної схеми ЕП;

- синтезовані методом АКР РСУ дозволяють реалізувати заданий критерій якості - мінімум інтегральної квадратичної похибки по кожній з координат ЕП.

Результати цифрового моделювання системи ЕП на базі АВК з РДС наведені на рис. 9.

Для багатомасової системи ЕП було проведено синтез асимптотичного спостерігача повного (стосовно відновлюваної частини об'єкта управління) порядку.

У п'ятому розділі - “Експериментальні дослідження системи ЕП на базі АВК” розглянуто створення лабораторної установки й проведення експериментальні дослідження для підтвердження адекватності отриманих раніше результатів цифрового моделювання реальним фізичним процесам.

Завданням експерименту було створення реверсивного ЕП змінного струму на базі АВК, що керується винятково за ротором.

Експериментальна установка складається з АМ з ФР, керованого РП, мережного вентильного перетворювача у вигляді РДС, блоку обробки інформації на основі аналого-цифрового перетворювача й PC-комп'ютера з необхідним програмним забезпеченням.

Результати експериментальних досліджень наведені на рис. 10.

Система ЕП пускається до швидкості 52 с-¹ (половина синхронної швидкості), працює на цій швидкості, потім швидкість ЕП збільшується до 75 с^-1, відбувається накид-зняття навантаження, гальмування до швидкості 55 с^-1, гальмування й реверс до швидкості -5 с^-1, гальмування до нуля. На рис. 10,а приведені криві швидкості й випрямленого струму системи ЕП. На рис. 10, б наведена крива е.р.с. ротора, на рис. 10, в крива напруги U_d. Як видно, частота е.р.с. і напруги змінюється, на початку при пуску по полю вона більша, при розгоні ЕП починає зменшуватися, при гальмуванні збільшується.

На рис. 10, г в іншому часовому масштабі представлені криві швидкості й роторної е.р.с. при пуску системи ЕП по полю. Добре видно, як змінюється (зменшується) частота роторної е.р.с. при пуску.

Результати експериментального моделювання системи ЕП на базі АВК корелюються з результатами математичного моделювання, представленими на рис. 9, що дозволяє говорити про адекватність раніше проведеного математичного моделювання реальним фізичним процесам

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі представлені нові рішення в області побудови регульованих асинхронних електроприводів, що забезпечують покращені енергетичні й динамічні показники при низькій чутливості до параметричних і координатних збурень.

Розроблений асинхронний ЕП дозволяє одержати високі енергетичні (коефіцієнти потужності мережного й роторного перетворювача можуть досягати одиниці, привод електромагнітно сумісний з живильною мережею) і динамічні показники (завдяки синтезованим алгоритмам і структурам релейних систем керування).

1. У результаті аналізу й порівняння різних варіантів побудови систем ЕП на базі АВК найбільш раціональним визнано варіант, коли функції мережного перетворювача напруги виконує регульоване джерело струму, кероване релейною системою.

2. Доведено високу ефективність використання релейного джерела струму в якості регульованого вентильного перетворювача відносно швидкодії, енергетичних і масогабаритних показників ЕП. У струмовому контурі АВК досягається практично гранична швидкодія. Формування струму ротора за допомогою релейного джерела струму дозволяє робити цей струм практично повністю активним і збільшити момент, особливо при низьких рівнях швидкості й роботі проти поля (до 20%).

3. За допомогою математичного моделювання доведено, що різні математичні моделі АМ не дають особливих переваг по жодному з показників (витрати машинного часу, точність і т.д.). Раціональною варто визнати математичну модель АМ у трифазній координатній системі, яка обертається зі швидкістю ротора, у просторі фазових координат “_s - I_r” і що дозволяє розглядати спільно процеси в АМ і ВП без додаткових перетворень.

4. Отримані аналітичні залежності показують, що розроблений ЕП на базі АВК з релейним джерелом струму має к.к.д. на 2-3% вище традиційної системи АВК, а cos ц мережного перетворювача наближається до одиниці.

5. Уперше отримані оптимальні по мінімуму інтегральної квадратичної похибки релейні управління для розробленого ЕП.

6. Доведено, що за допомогою релейних систем керування й спостерігача стану можлива побудова ЕП змінного струму на базі АВК при наявності пружно-в'язких властивостей у кінематичних ланцюгах з обмеженням коливань у пружних зв'язках.

7. Експериментальними дослідженнями підтверджена правомочність принципів і схемних рішень, покладених в основу побудови реверсивного ЕП на базі АВК, керованого винятково за ротором.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ:

1. Зеленов А.Б., Шевченко И.С., Карпук И.А. Асинхронный электропривод на базе машины двойного питания // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы. - 2000. № 1(6). - С. 57-64.

2. Шевченко И.С., Карпук И.А., Морозов Д.И. Цифровое моделирование асинхронной машины в реальных фазовых координатах с учетом насыщения магнитопровода// Проблемы создания новых машин и технологий. Научные труды КГПУ. - Кременчуг: КГПУ, 2001. - Вып. 1/2001 (10) - С. 315-320.

3. И.С. Шевченко, Ю.П. Самчелеев, В.Д. Потапов, И.А. Карпук, Ю.В. Скурятин. Асинхронный вентильный каскад с высокими динамическими и энергетическими свойствами // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск. Проблеми сучасної електротехніки. Частина 8. - С. 17-20.

4. Шевченко И.С., Морозов Д.И., Карпук И.А. Цифровое моделирование электропривода на базе реальной асинхронной машины двойного питания. // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск. Проблеми сучасної електротехніки. Частина 8. - С. 11-16.

5. И.А. Карпук, Д.И. Морозов, Ю.В. Скурятин, Ю.П. Самчелеев, И.С. Шевченко. Асинхронный вентильный каскад с синусоидальными роторными токами и высоким коэффициентом мощности // Вісник Національного технічного університету “Харківський політехнічний університет”. - Харків: НТУ “ХПІ”, 2003, № 10. - т.2. - С. 401-405.

6. І.А. Карпук, Д.І. Морозов, І.С. Шевченко, Ю.П. Самчелєєв. Вибір підходів для цифрового моделювання асинхронної машини з вентильними перетворювачами в роторному колі // Електротехніка та електроенергетика. - Запоріжжя, ЗНТУ, 2/2003. - С. 60-67.

7. Карпук И.А. Особенности построения систем управления роторным преобразователем // Вісник Кременчуцького державного політехничного університету: Наукові праці КДПУ. - Кременчук: КДПУ, 2004. - Вип. 2/2004 (25). - С. 53 - 56.

8. Ю.П. Самчелеев, Ю.В. Скурятин, И.А. Карпук, И.С. Шевченко. Регулируемый источник тока с релейным управлением // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. - №2(72). - 2004. - С. 153-162.

9. Карпук И.А. Синтез релейной системы управления асинхронным вентильным каскадом // Вісник Національного технічного університету “Харківський політехнічний університет”. - Харків: НТУ “ХПІ”, 2004, № 43. - С. 103 - 106.

10. Шевченко И.С., Карпук И.А., Морозов Д.И. Формирование цифровых моделей электроприводов на базе регулируемого источника тока с релейным управлением // Вісник Кременчуцького державного політехничного університету. - Кременчук: КДПУ, 2005. - Вип. 5/2005 (33). - С. 165 - 168.

11. Карпук И.А., Шевченко И.С. Синтез системы управления регулируемого асинхронного ЕП с источником тока в роторной цепи // Вісник Національного технічного університету “Харківський політехнічний університет”. - Харків: НТУ “ХПІ”, 2005, № 45. - С. 173-175.

12. И.А. Карпук, Д.И. Морозов, И.С. Шевченко, Ю.П. Самчелеев. Широкорегулируемый асинхронный электропривод, электромагнитно совместимый с питающей сетью // Вісник Національного технічного університету “Харківський політехнічний університет”. - Харків: НТУ “ХПІ”, 2005, № 45. - С. 299 -302.

13. Карпук И.А., Шевченко И.С., Самчелеев Ю.П. Оценка энергетических показателей электропривода на базе АВК с регулируемым источником тока в роторной цепи // Вісник Кременчуцького державного політехничного університету: Наукові праці КДПУ. - Кременчук: КДПУ, 2006. - Вип. 4/2006 (39) Частина 1. - С. 79 - 81.

14. И.А. Карпук, И.С. Шевченко. Экспериментальные исследования реверсивного асинхронного электропривода, управляемого по ротору // Електромашинобудування та електрообладнення. Міжвідомчий науково-технічний збірник. - Київ, “Техніка”, 2006, № 66. - С. 54-55.

15. Патент України на винахід 66190 А. МКІ 7 Н02Р 27/04. Асинхронний вентильний каскад / І.А. Карпук, Д.І. Морозов, Ю.В. Скурятін, І.С. Шевченко, Ю.П. Самчелєєв - № 2003087621; Заявл. 12.08.2003; Опубл. 15.06.2006; Бюлл. № 6 від 15.06.2006 р.

16. Патент України на винахід № 73605. МКІ 7 Н02Р7/62. Електропривід змінного струму / І.С. Шевченко, Ю.П. Самчелєєв, Ю.В. Скурятін, І.А. Карпук - № 2003032539; Завял. 25.03.2003; Опубл. 15.08.2005; Бюл.№ 8. від 15.08.2005.

17. Деклараційний патент на винахід 31870 А. МКІ 6 Н 02М 5/00. Пристрій фазозміщення для системи імпульсно-фазового керування тиристорного перетворювача / І.С. Шевченко, М.Г. Нікітін, Ю.П. Самчелєєв, В.Д. Потапов, І.А. Карпук - № 98115956; Заявл. 10.11.1998; Опубл. 15.12.2000; Бюлл. № 7 - II від 15.12.2000 р.

АНОТАЦІЯ

Карпук І.А. “ Реверсивний асинхронний електропривод, що керується за ротором, з покращеними динамічними та енергетичними показниками ”. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - електротехнічні комплекси та системи. - ДНВЗ “Донецький національний технічний університет”, Донецьк, 2007.

Дисертація присвячена розробці реверсивного асинхронного електропривода з високими динамічними та енергетичними показниками, квазіінваріантного до параметричних та координатних збурень.

У результаті аналізу й порівняння різних варіантів побудови систем ЕП на базі АВК найбільш раціональним визнаний варіант, коли роль мережного перетворювача напруги виконує регульоване джерело струму, що керується релейною системою.

Доведено високу ефективність використання релейного джерела струму в якості регульованого вентильного перетворювача відносно швидкодії, енергетичних і масогабаритних показників ЕП. У струмовому контурі АВК досягається практично гранична швидкодія. Формування струму ротора за допомогою релейного джерела струму дозволяє робити цей струм практично повністю активним і збільшити момент, особливо при низьких рівнях швидкості й роботі проти поля (до 20%).

Ключові слова: асинхронний вентильний каскад, релейна система управління, електромеханічні характеристики, механічні характеристики, коефіцієнт потужності.

Карпук И.А. “Реверсивный асинхронный электропривод, управляемый по ротору, с улучшенными динамическими и энергетическими показателями”. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы. - ГУВЗ “Донецкий национальный технический університет”, Донецк, 2007.

В настоящее время целый ряд механизмов (подъема и передвижения в кранах, рольганги различного назначения, штабеллеры, манипуляторы и др.) оборудованы такого рода ЭП. Обеспечивая высокую надежность работы и хорошую динамику, они зачастую имеют или малый диапазон регулирования скорости, или низкие энергетические показатели, или очень чувствительны к различного рода возмущениям.

Учитывая вышесказанное и в связи с ростом мировых цен на энергоносители, задача разработки ЭП на базе АМ с ФР с высокими энергетическими и динамическими показателями асинхронной машины, который обеспечивает малую чувствительность к параметрическим и координатным возмущениям, является весьма актуальной, поскольку предполагает высокий экономический эффект

Диссертация посвящена разработке асинхронного электропривода с высокими энергетическими и динамическими показателями, управляемого исключительно по ротору, квазиинвариантного к параметрическим и координатным возмущениям.

Работа выполнена в соответствии с научной тематикой кафедры АЭМС ДонГТУ “Разработка систем оптимального релейного управления электроприводами постоянного и переменного тока”.

В результате анализа и сравнения различных вариантов построения систем ЭП на базе АВК наиболее рациональным признан вариант, когда роль сетевого преобразователя напряжения выполняет регулируемый источник тока, управляемый релейной системой.

Доказана высокая эффективность использования релейного источника тока в качестве регулируемого вентильного преобразователя в отношении быстродействия, энергетических и массогабаритных показателей ЭП. В токовом контуре АВК достигается практически предельное быстродействие. Формирование тока ротора с помощью релейного источника тока позволяет делать этот ток практически полностью активным и увеличить момент, особенно при низких уровнях скорости и работе против поля (до 20%).

С помощью математического моделирования доказано, что различные математические модели АМ не дают особых преимуществ ни по одному из показателей (затраты машинного времени, точность и т.д.). Рациональной следует признать математическую модель АМ в трехфазной координатной системе, вращающейся со скоростью ротора, в пространстве фазовых координат “_s - I_r” и позволяющую рассматривать совместно процессы в АМ и ВП без дополнительных преобразований.

Полученные аналитические зависимости показывают, что разработанный ЕП на базе АВК с релейным источником тока имеет к.п.д. на 2-3% выше традиционной системы АВК, а cos сетевого преобразователя приближается к единице.

Впервые получены оптимальные по минимуму интегральной квадратичной ошибки релейные управления для разработанного ЕП.

Для обеспечения необходимой динамики, квазиинвариантности к параметрическим и возмущающим воздействиям были синтезированы РСУ с помощью двух методов структурно-алгоритмического синтеза РСУ - аналитического конструирования регуляторов (АКР) и обратной задачи динамики (ОЗД).

Доказано, что при помощи релейных систем управления и наблюдателя состояния возможно построение ЕП переменного тока на базе АВК при наличии упруго-вязких свойств в кинематических цепях с ограничением колебаний в упругих кинематических связях.

Экспериментальными исследованиями подтверждена правомочность принципов и схемных решений, положенных в основу построения реверсивного ЕП на базе АВК, управляемого исключительно по ротору.

Рекомендации по выбору системы ЭП, технические решения могут быть использованы при проектировании электроприводов переменного тока с малой чувствительностью к параметрическим и координатным возмущениям.

Ключевые слова: асинхронный вентильный каскад, релейная система управления, электромеханические характеристики, механические характеристики, коэффициент мощности.

Karpuk I.A. “ Reversible asynchronous electro-occasion which follows after a rotor, with improving dynamic and power indexes ”. Manuscript.

Dissertation on the receipt of scientific degree of candidate of engineerings sciences after speciality 05.09.03 are electrical engineerings complexes and systems. It is the Donetsk national technical university, Donetsk, 2007.

Dissertation is devoted development of reversible asynchronous electric drive with high dynamic and power indexes, non-sense by parametric and co-ordinate indignation.

As a result of analysis and comparison of different variants of construction of the systems of еп on a base АVC the most rational is acknowledge a variant, when the role of network transformer of tension executes the managed source of current which follows the relay system.

High efficiency of the use of relay source of current is proved in quality the managed valve transformer in relation to a fast-acting, power indexes of ED. In a current contour of AVC is achieved practically maximum fast-acting. Forming of current of rotor by the relay source of current allows to do this current practically fully active and to multiply a moment, especially at the low levels of speed and work against the field (to 20%).

Forming of current of rotor by the relay source of current allows to do this current practically fully active and to multiply a moment, especially at the low levels of speed and work against the field (to 20%).

Keywords: asynchronous valve cascade, relay control system, electromechanics descriptions, mechanical descriptions, power-factor.

Размещено на Allbest.ru

...