Частотно-керований асинхронний електропривід металургійних транспортних ліній

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ "ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА"

УДК: 62-83: 621.313.3

Частотно-керований асинхронний електропривід металургійних транспортних ліній

Спеціальність 05.09.03 - Електротехнічні комплекси та системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Казимир Ягела

Львів 1998

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Політехнічному інституті Ченстохова (Польща)

Захист відбудеться 26 грудня 1998 року о 10 год 00 хв на засіданні спеціалізованої Ради Д 35.052.02 при Державному університеті "Львівська політехніка" за адресою: 290646 м. Львів, вул. С. Бандери, 12.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Державного університету "Львівська політехніка" (290646 м. Львів, вул. Професорська, 1)

Автореферат розісланий " " листопада 1998 року

Вчений секретар спеціалізованої Ради кандидат технічних наук Шегедин О.І.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Одним з важливих напрямків розвитку електроприводу є дослідження, створення нових конструкцій та схем і впровадження, пов'язані з управлінням та регулюванням асинхронних машин. Важливість цієї проблеми випливає з популярності асинхронного двигуна з короткозамкнутим ротором як елемента електроприводу, який характеризується низькими інвестиційними й експлуатаційними затратами. Ці чинники, а також сучасні можливості частотного управління зумовили зацікавленість широкого загалу проектно-конструкторських організацій та дослідників опрацюванням нових систем живлення та структур управління й регулювання. Підтвердженням цієї думки є факти організації міжнародних науково-технічних конференцій з проблем керованого електроприводу, на яких проблемам частотно-керованого асинхронного електроприводу присвячено близько половини доповідей, надісланих спеціалістами зі всього світу.

Проблеми частотно-керованого асинхронного електроприводу тісно пов'язані з проблемами технологій, в яких використовуються ці приводи.

Металургійні рольганги є надзвичайно важливою ланкою металургійного технологічного процесу, оскільки вони забезпечують неперервність прокатки. Від надійності роботи рольгангів залежить якість виробів та продуктивність металургійного комбінату. Рольганги належать до транспортних систем і використовуються в лініях неперервного розливу сталі, гарячої та холодної прокатки листів, труб та ін. Проведені дослідження продемонстрували, що потужність цих ліній складає 20% повної потужності прокатного стану. Звідси виникає проблема модернізації цих ліній, особливо в частині їх електроприводів.

Вихідною базою для якісного проектування систем електроприводу змінного струму металургійних транспортних ліній є результати всебічних експериментальних та симуляційних досліджень. Симуляційні дослідження на сучасних комп'ютерах вимагають досконалих математичних моделей, в яких враховано всі визначальні фізичні фактори. Це твердження одинаково стосується як електричних машин, так і джерел живлення, об'єднаних за допомогою систем ідентифікації та керування.

Незважаючи на досягнення в галузі дослідження електроприводу транспортних систем, як індивідуального так і групового, проблема дослідження систем електроприводів металургійних транспортних ліній з врахуванням їх специфічних особливостей сьогодні не є розв'язаною. Далека від свого завершення і проблема математичного моделювання таких складних електромеханічних комплексів. Тому створення методу дослідження процесів і характеристик частотно-керованого асинхронного електроприводу рольгангів з урахуванням механічних взаємодій транспортних систем, електромагнітних зв'язків в статичних перетворювачах і асинхронних двигунах, впливу систем керування приводу на технологічний процес і проведення за допомогою цього методу комплексу досліджень з вивчення динамічних і квазіусталених режимів, а також вироблення рекомендацій щодо проектування та правильної експлуатації систем електроприводу в цілому є на сьогоднішній день актуальною проблемою.

Тема дисертації присвячена питанню модернізації транспортних ліній підприємств металургійної промисловості Республіки Польща. Задачею модернізації було впровадження нових систем з високим коефіцієнтом корисної дії, мінімальними експлуатаційними затратами, високою надійністю. Вказані вимоги забезпечує частотно-керований асинхронний електропривід з тиристорними та транзисторними перетворювачами зі штучною комутацією типу PWM і DTC. Такими приводами можна керувати в залежності від заданого критерія якості, контролюючи необхідні координати та параметри електромеханічної системи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана в Ченстоховському політехнічному інституті (Польща) згідно з програмами Міністерства народної освіти № BR - 21/89-93 і Комітету наукових досліджень № BS 21/303А/ FPH/95/97. Результати досліджень впроваджувались згідно з Договором № BZ-21-103/ R/W між Ченстоховським політехнічним інститутом і Ченстоховським металургійним комбінатом.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є створення комплексного методу дослідження динаміки частотно-керованих багатомашинних асинхронних електроприводів на основі сучасних математичних моделей та програмно-технічних засобів і його застосування до аналізу й оптимізації групових електроприводів металургійних транспортних ліній.

Комплексність методу полягає в охопленні врахування впливу роботи механізмів рольгангів на якість параметрів транспортованої смуги, зокрема впливу таких факторів як: несинхронність лінійних та кутових швидкостей, ексцентричність валків рольгангів, яка виникає внаслідок дії різних чинників, пробуксовування валків.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати такі задачі:

визначити параметри і характеристики механізмів навантаження двигунів, а також сформулювати критерії якості з врахуванням параметрів металургійного технологічного процесу;

зробити аналіз конструкцій, схем і систем керування частотно-керованих асинхронних електроприводів для рольгангових ліній;

здійснити ідентифікацію параметрів об'єктів регулювання досліджуваних систем;

з використанням пакету MATLAB-SIMULINK розробити моделі для дослідження динаміки частотно-керованих асинхронних електроприводів металургійних транспортних ліній;

провести методом комп'ютерного симулювання широкий спектр досліджень для аналізу та оптимізації параметрів систем частотно-керованого асинхронного електроприводу, впроваджених на металургійному комбінаті в м. Ченстохові (Польща);

виконати експериментальні дослідження з метою перевірки адекватності математичних моделей та результатів оптимізації.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше запропоновано комплексний метод дослідження на персональних комп'ютерах частотно-керованих багатомашинних асинхронних електроприводів металургійних транспортних ліній з врахуванням як механічних зв'язків рольгангів, так і електромагнітних зв'язків у силовій частині електроприводу, їх взаємних впливів, а також перетворення інформації в системах керування. Основними складовими запропонованого методу є моделі асинхронних машин і перетворювачів частоти на базі інверторів напруги типу PWM і DTC створені з використанням процедур пакету MATLAB-SIMULINK.

Запропонований метод дав змогу отримати результати, позначені науковою новизною:

за допомогою проведених досліджень визначено зв'язок між прискореннями та умовами роботи рольгангового групового електроприводу;

для уточнених критеріїв якості розраховано допустиме прискорення, яке забезпечує задану нормативну якість катаної смуги;

виходячи з умов забезпечення потрібних технологічних показників транспортних ліній визначено параметри двигунів з конкретним врахуванням діапазону регулювання швидкості й на основі цього опрацьовано принципи створення конструкцій і проектування рольгангових двигунів, які дають змогу отримати характеристики необхідні для забезпечення якісного процесу транспортування металургійних виробів;

враховуючи явище розсинхронізації швидкостей та ексцентричність валків транспортної лінії, для узагальнених параметрів знайдено залежності між швидкістю руху виробу і його якістю;

уточнено спосіб регулювання напруги високомоментного рольгангового двигуна, який дає можливість збільшити діапазон регулювання;

запропоновано систему електроприводу з корекцією характеристики U-f, що дало змогу під'єднати високомоментний двигун безпосередньо до валка рольгангу. Додатковою перевагою цього приводу є майже 100% надійність роботи. Такий тип електроприводу невідомий за межами Польщі;

створено новий клас рольгангових двигунів, які застосовані в транспортних лініях листів, труб і слябів при неперервному розливі сталі.

Практичне значення одержаних результатів. Результати теоретичних досліджень лягли в основу технічних проектів, впроваджених на металургійних підприємствах у вигляді проектно-конструкторських розробок. Теми цих розробок, акти впровадження яких наведено в дисертації, є такими:

Розробка системи електроприводу для рольгангів у зоні нормалізаційної печі з використанням асинхронних двигунів з тиристорним регулюванням обертів.

Впровадження системи електроприводу для рольгангів у зоні нормалізаційної печі з використанням асинхронних двигунів з тиристорним регулюванням обертів.

Модернізація системи електроприводу рольгангів нормалізаційної печі ділянки WBG металургійного комбінату в Ченстохові (Польща).

Модернізація системи електроприводу вхідної кліті в напрямку покращення її динамічних характеристик.

Розробка та створення прототипу відрізку рольгангової лінії з низькочастотним електроприводом у районі рольганга №502 WBG металургійного комбінату в Ченстохові (Польща).

Концепція модернізації рольгангів завантажувальної, розвантажувальної та прокатної ліній WBG металургійного комбінату в Ченстохові (Польща).

Застосування перетворювачів частоти в системах електроприводів металургійних рольгангів.

Електромеханічна система електроприводу металургійних рольгангів із застосуванням моторедукторів типу 2SM-HC, 2NM-HC.

Концепція модернізації систем електроприводу головних транспортних рольгангів на ділянці прокатування труб WBG металургійного комбінату в Ченстохові (Польща).

Розробка асинхронного двигуна рольганга COS.

Система рольгангового електроприводу. Патент Республіки Польща №Р-286903.

Впровадження цих розробок значно підвищило якість металургійних виробів і дало економічний ефект в 1990-1996 рр. 2233982 нових злотих.

Розроблені програми представляють собою діалогову систему, яка дає змогу спеціалістам в області електроприводу досліджувати динаміку і характеристики частотно-керованих асинхронних електроприводів. Форма представлення результатів досліджень у вигляді годографів векторів струмів і потокощеплень дає наглядну картину процесів, які протікають у двигуні під час роботи електроприводу і є апаратом аналізу цих процесів.

Естиматор магнітного потоку і електромагнітного моменту, використаний в експериментальних дослідженнях, розширює можливості аналізу процесів в діючому асинхронному двигуні.

Особистий внесок здобувача. У роботах написаних у співавторстві дисертантові належить: в [14, 15, 17, 22-24, 32] - способи розрахунку електромагнітних і електромеханічних параметрів рольгангових асинхронних двигунів зі спеціальною конструкцією ротора; в [10] - створено дискретну модель напівпровідникового перетворювача як джерела живлення асинхронного двигуна; в [20] - запропоновано лінеаризовану модель групового електроприводу окремо вибраного відрізка рольгангової лінії; в [21] - на основі процедури швидкого перетворення Фур'є створено модель спостерігача фази струму групи асинхронних глибокопазних двигунів; в [26] - представлено систему неперервного регулювання реактивної і повної потужностей металургійних електроприводів; в [28 - 30] - розроблено концепцію систем живлення й управління для рольгангових ліній труб, слябів і листів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи обговорювались та отримали позитивний відгук на таких національних та міжнародних конференціях і наукових семінарах:

1-ій Європейській конференції ЕРЕ “Power Electronics and Application”, Брюссель, 1985.

науково-технічній конференції “Автоматизація електроприводів і технологічних процесів”, Ченстохова, 1986.

науково-технічній конференції “Комп'ютерні методи в автоматиці та електротехніці”, Політехніка Ченстоховська, 1986.

IV-ому науковому симпозіумі “Напрямки розвитку електричної метрології”, Варшава, 1987.

науково-технічній конференції “Сучасні промислові електроприводи змінного струму”, Ченстохова, 1987.

міжнародній конференції “IC on Electrical Machines and Drives”, Аделаїда (Австралія), 1987.

виступі з науковою доповіддю в університеті VUB, Брюссель, 1987.

X-ій крайовій конференції з автоматики, Люблін, 1988.

2-ій міжнародній конференції ICED-88, Брасов (Румунія), 1988.

доповіді в Маріупольскому металургійному інституті, 1988.

доповіді “Груповой частотно-регулируемый асинхронный электропривод. Математические модели”, МЭИ, 1989.

IV-ій конференції “Ремонт в енергетиці”, Люблінець (Польща), 1989.

науковій доповіді у фірмі SIEMENS, Erlangen-Dillingen, ФРН, 1990.

IV-ій крайовій конференції з промелектроніки, Варшава, 1990.

доповіді в MEZ, Vsetin (Чехія), 1990.

IV-ій Європейській конференції ЕРЕ “Power Electronics and Application”, Флоренція (Італія), 1991.

крайовій конференції СОЕ-92, Варшава-Зегже (Польща), 1992.

I-ій та II-ій крайових конференціях “Металургійні електроприводи”, 1995, 1997.

міжнародній конференції “Electrical Drives and Power Electronics” EDPE96, Кошіце (Словаччина), 1996.

II-ій міжнародній конференції з електромеханіки і електротехнології, Крим, 1996.

VI-ій міжнародній конференції "Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика" , Крим, 1998.

Окрім цього, окремі фрагменти дисертаційної роботи були обговорені на наукових семінарах Ченстоховського політехнічного інституту та ДУ “Львівська політехніка,” а також на зборах наукового осередка Товариства польських електриків.

За впровадження результатів досліджень автор отримав у 1990 році нагороду Міністра народної освіти 2-го ступеня за наукові та науково-технічні досягнення. Радою Ченстоховської воєводської організації Науково-технічного товариства автора відзначено нагородою 1-го ступеня за видатні досягнення в технічній галузі.

Публікації. За результатами досліджень у галузі рольгангового електроприводу змінного струму опубліковано 58 праць, з них 12 одноосібних, отримано 3 патенти.

Структура дисертаційної роботи. Дисертація складається з вступу, шести розділів, висновків, списку літератури в кількості 176 найменувань та додатків. Основний текст роботи викладений на 239 сторінках та містить 177 рисунків на 79 сторінках і 20 таблиць на 9 сторінках.

2. ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність, наукову новизну та практичну цінність, сформульовано мету досліджень та положення, які виносяться на захист.

У першому розділі дано характеристику металургійних транспортних ліній (рис. 1) як навантажень для частотно-керованих асинхронних електроприводів.

Описано функціональні залежності для швидкості переміщення наземних транспортних ліній як об'єктів з двома степенями свободи і надземних як об'єктів з трьома степенями свободи.

Зосереджено увагу на характеристиках та параметрах навантаження двигунів рольгангових ліній. У цих лініях використовуються як груповий, так і індивідуальний електропривід. Індивідуальні електроприводи, які є з'єднанням двигуна з валком рольганга і живляться від одного керованого джерела, належать до класу групових електроприводів з точки зору способу живлення. Такий тип приводу є предметом аналізу умов навантаження окремих двигунів. Іншим важливим чинником характеру навантаження є взаємодія між окремими секціями транспортної лінії. Залежно від співвідношення швидкостей окремих сусідніх секцій рольганга можлива синхронна або асинхронна робота лінії. Динамічний момент на валку рольганга визначається формулою:

Mд = Mел(t) - (Mст + M) , (1)

де: Mел(t) - електромагнітний момент, створений двигуном; Mд - динамічний момент; Mст+M - складові моменту навантаження: статичного Mст та імпульсного M.

Статичний момент Mст виникає з втрат на тертя в підшипниках і на тертя смуги об валок під час процесу ковзання валка. Імпульсний момент рольганга M враховує геометрію валка з точки зору його ексцентричності і є функцією кута повороту валка. Ексцентричний рух валка спричинений прогином рами рольганга, прогином у підшипникових вузлах, прогином між центрами тяжіння та віссю симетрії підшипників, викривленням валка в результаті транспортування смуги високої температури, удару транспортованого листа в результаті відсутності плоскості прокатуваної смуги. У дисертації наведено вирази для визначення статичного та імпульсного моментів. Там же описано алгоритм визначення коефіцієнтів, які входять у ці формули.

Для перевірки цих формул і використаних у них коефіцієнтів здійснено фізичний експеримент на робочому рольгангу. Осцилограми для швидкостей, моментів і струмів, що відповідають роботі рольганга під час транспортування листа, подані та проаналізовані в дисертаційній роботі. Зокрема, оцінено синхронну й асинхронну роботу рольгангових секцій. Опрацьовано експериментально зняті діаграми моментів і швидкостей, а отримані для них математичні вирази використано в подальших дослідженнях.

Частина цьогу розділу присвячена формуванню критерія якості електроприводів транспортних ліній, в якому враховані технологічні параметри процесу. Транспортні лінії устатковані багатомашинними електроприводами змінного струму, які утворюють певні групи - технологічні секції- можуть живитися двома способами: індивідуальним з використанням системи керування вищого рівня (рис. 2) і систем з єдиним джерелом живлення і єдиною системою керування (рис. 3).

PC1, PC2, PCn - перетворювачі частоти, NUR - система керування верхнього рівня, S1, S2, Sn - сигнали керування

Незалежно від способу живлення групи двигунів якість процесу керування оцінюється такими параметрами:

- відносною різницею кутової швидкості;

- відносною різницею максимальних кутових швидкостей;

- відносним значенням різниці середніх швидкостей;

- відносним значенням різниці струму двигунів;

- максимальним відносним значенням різниці струмів двигунів,

де i-1, i - кутові швидкості i-1 i i-го двигуна;

* - задане значення кутової швидкості;

[i]=[1, 2, ... , i, ... , n] - вектор кутових швидкостей двигунів;

[Ii]=[I1, I2, ... , Ii, ... ,In] - вектор струмів двигунів;

Ii-1, Ii - струми i-1 i i-го двигуна;IN - номінальний струм.

Ці параметри утворюють вектор:

(2)

Процес транспортування смуги для вибраної ділянки рольганга буде оптимальним, якщо втрати енергії в кожен момент часу будуть мінімальні. Останнє положення формулює критерій якості функціонування групового рольгангового приводу. Математичний вираз такого критерію записується у вигляді квадратичної форми:

, (3)

де матриця E має вигляд:

, (4)

Ju - момент інерції механічної системи, приведений до валу двигуна; Ls - індуктивність обмотки статора.

Для забезпечення якості технологічного процесу використовуються відповідні норми, зокрема BSEN10163 (Великобританія), яка визначає вимоги щодо стану поверхні гарячекатаних листів різної ширини. Виходячи з цих норм та наведених у дисертації залежностей твердості за Роквеллом або за Вікерсом, описуються допустимі зміни швидкості в часі для рольганга, що є необхідним для правильного функціонування системи керування.

У другому розділі описано сучасні електроприводи змінного струму для металургійних транспортних ліній. Такі електроприводи класифікуються відповідно до схеми, зображеної на рис.4.

Як рольгангові електроприводи пропонується застосовувати самонесучі конструкції моторедукторів. На металургійному комбінаті "Ченстохова" (Польща) впроваджено серії моторедукторів 2NM-HC i 2SM-HC, характеристиками яких є самонесучість конструкції, можливість роботи при перекосах, частих змінах швидкості обертання, великий пусковий момент. Ці моторедуктори створені в результаті розробки самонесучої конструкції редуктора, з'єднаного з електричним двигуном, при відповідному застосуванні технології його виготовлення. Моторедуктори призначені для роботи в легких, середніх та важких умовах. У впроваджених моторедукторах застосовано тільки серійні асинхронні двигуни з короткозамкнутим ротором, потужностями 0.7555 кВт і швидкостями обертання 725, 950, 1450 об/хв. Крім моторедукторів у цьому розділі описані муфти та з'єднувачі, що застосовуються в системах електроприводу металургійних транспортних ліній.

Окрему увагу приділено конструкції рольгангових асинхронних двигунів. Рольганговий двигун як елемент металургійної транспортної лінії повинен відповідати таким вимогам: пусковий момент близький до критичного; високий клас ізоляції; можливість плавної зміни швидкості обертання; високий ступінь захисту, що пояснюється роботою в умовах підвищеної вологості. Конструкція таких асинхронних двигунів була опрацьована і впроваджена в транспортній лінії слябів установки неперервного розливу сталі та лінії транспортування листів. Розраховано і впроваджено три класи двигунів: з нормальною конструкцією і оптимізованою роторною кліткою з латуні М63-CuZn37 з питомим опором =0.007 [Ом.мм2/м]; з глибоким пазом; високомоментні на номінальну частоту 50Гц і понижену - 5Гц. Ці двигуни призначені для безпосереднього механічного з'єднання з валком рольганга. Розрахункові дані цих двигунів приведені у вигляді таблиць в дисертації. Механічні характеристики спроектованих високомоментних асинхронних двигунів показані на рис.5.

Детально розглянуті схеми і основи керування перетворювачами частоти на базі інверторів напруги, які застосовуються в металургійних транспортних лініях. Аналізується скалярне і векторне керування, а також пряме керування моментом (Direct Torque Control). У перших двох випадках використовуються інвертори напруги типу PWM (з широтно-імпульсною модуляцією), а в останньому використовується регулювання напруги в функції електромагнітного моменту і магнітного потоку, що можливе тільки в системі "напівпровідниковий перетворювач - асинхронний двигун". Функціональні схеми, зображені на рис. 6 - 8 пояснюють принцип роботи відповідних систем керування.

У третьому розділі здійснено ідентифікацію електромеханічних параметрів об'єктів керування металургійних транспортних ліній. Під терміном ідентифікація параметрів маємо на увазі визначення коефіцієнтів рівнянь, які описують окремі об'єкти і використовуються в моделях електроприводу як керованої електромеханічної системи. Визначення параметрів пов'язане з вихідними допущеннями.

Асинхронний двигун еквівалентується заступною схемою, зображеною на рис. 10.

У цій схемі параметри роторної обмотки враховують витіснення струму, а насичення по шляхах робочого поля враховується індуктивністю Lm.

Параметри обмотки ротора визначені при таких допущеннях: магнітне коло ненасичене, магнітна проникливість стержня ротора становить o, довжина стержня є значно більшою за його поперечні розміри, розподіл індукції магнітного поля є функцією геометрії паза. В дисертації наведені формули, які дають можливість визначити опори стержня рольгангового двигуна: з глибокопазним ротором; зі стержнем округлої форми; високомоментного.

Окрема частина розділу присвячена визначенню індуктивності Lm при врахуванні насичення. Ця індуктивність визначається формулою:

, (5)

де: Lmo - індуктивність магнітного поля, створеного головним потоком без врахування насичення; km - коефіцієнт, що враховує насичення магнітного кола залежно від точки роботи машини і змінюється згідно із відповідною залежністю в інтервалі km=1,02-1,5; bm - коефіцієнт несинусоїдальності форми поля.

Другою важливою частиною електроприводу є механічна система "транспортований матеріал - валок - вал двигуна". Вплив механічної системи та її структури на якість процесу транспортування є одинаково важливим порівнянно з впливами системи живлення та керування. Зрозуміло, що правильне визначення параметрів механічної частини відіграє вагому роль. Важко описати однозначно параметри, що залежать як від виду рольганга, так і від транспортованого матеріалу (лист, труба, сляб тощо). Тому в дисертації наведені таблиці, які містять інформацію щодо коефіцієнтів пружності скручування, моментів інерції, модулів пружності, коефіцієнтів тертя.

Напівпровідникові перетворювачі частоти розглядаються як об'єкти зі змінною структурою та постійними параметрами згідно з рис. 9. У зв'язку з цим число к - тактів переключення визначає схему з'єднання, а отже і напругу на асинхронному двигуні.

Система керування описується диференційними рівняннями відповідно до структурної схеми і передавальних функцій регуляторів. Коефіцієнти передавальних функцій, які входять у згадані диференційні рівняння, визначаються традиційними методами теорії автоматичного керування.

Перші три розділи роботи є основою для створення математичних моделей керованих електромеханічних систем, проведення симуляційних та експериментальних досліджень.

У четвертому розділі приведені математичні моделі систем електроприводу, створені в середовищі пакету MATLAB-SIMULINK. Комплексне моделювання технологічного процесу транспортування металургійних виробів вимагає створення субмоделей окремих вузлів. Розроблено такі субмоделі: системи керування верхнього і нижнього рівнів з урахуванням згаданих критеріїв; джерел живлення, що утворені певними типами статичних перетворювачів; асинхронних двигунів, як перетворювачів електричної енергії в механічну; механічної частини транспортної лінії.

Модель групового асинхронного електроприводу рольганга зображена на рис. 11.

Груповий електропривід на базі асинхронних двигунів утворений з N машин, під'єднаних до одного джерела живлення. Математична модель групи двигунів базується на моделі асинхронного двигуна як окремого елемента. З точки зору спостережності електромеханічних явищ групи двигунів істотним є визначення значень трьох складових вектора стану X, які утворюють вихідний вектор Y. Зв'язок між вихідним вектором та вектором стану описується залежністю

, (6)

дe матриця зв'язків Mw має вигляд:

, (7)

а вектор стану:

Рівняння (6) визначає вихідний вектор для одного і -го двигуна . Перші два елементи вектора Yi(t) - це складові струму статора, визначені в системі осей -, а третій елемент цього вектора - кутова швидкість i-гo двигуна.

Група з N -двигунів описується матрицею:

. (8)

З точки зору дослідження групового електроприводу важливо знати величину струму, споживаного визначеною ділянкою транспортної лінії, та кутові швидкості двигунів, які мають вплив на показники якості технологічного процесу. Алгоритм визначення цих струмів і швидкості пояснює схема, зображена на рис. 11.

Асинхронний рольганговий двигун є окремим елементом системи електроприводу, що складає основний вузол моделювання технологічного процесу. Його вектор стану (6) є вихідною точкою для створення моделі групи двигунів. Двигун розглядається як елемент зі змінними параметрами, в яких одночасно враховуються явище витіснення струму та насичення магнітного кола. Вихідними допущеннями для створення моделі асинхронного двигуна (крім допущень для визначення параметрів обмотки ротора) є: обмотка статора є симетрична трифазна; нехтується вплив анізотропії та гістерезису; магнітна індукція в повітряному проміжку є синусоїдальна.

Система рівнянь, що описує асинхронний двигун, має вигляд:

, (9)

дe: Us,r ; Is,r ; s,r ; Rs,r - відповідно вектори напруг, струмів, потоків та матриця активних опорів статора (s) та ротора (r); J, D, k - механічні параметри двигуна з врахуванням робочого органу; J - момент інерції; D - коефіцієнт тертя; k - коефіцієнт пружності валу, що враховується у випадку безпосереднього з'єднання валу двигуна і валка; Mel, Mz - моменти двигуна та навантаження; - кут повороту ротора; - кутова швидкість валу двигуна.

Система рівнянь (9) є базовою для аналізу динаміки системи при одночасному застосуванні теорії унітарної трансформації моделі та методу змінних стану до опису процесів у груповому електроприводі. На рис. 12 наведена блок-схема рольгангового асинхронного двигуна, реалізована в середовищі пакету MATLAB-SIMULINK.

Модель для дослідження динаміки механічної частини рольгангової транспортної лінії, створена на основі кінематичної схеми (рис. 13), показана на рис. 14.

Підхід до моделювання решти об'єктів системи є аналогічним, а їх реалізація за допомогою блоків середовища MATLAB-SIMULINK детально описана в дисертаційній роботі. Характерною особливістю цих моделей є наявність діалогового середовища для задання параметрів при проведенні математичного експерименту.

Однотипний підхід до створення моделей елементів дає змогу застосовувати їх при дослідженні різних систем електроприводу металургійних транспортних ліній.

У п'ятому розділі викладено результати різноманітних досліджень систем електроприводів металургійних транспортних ліній методом комп'ютерного симулювання з використанням сучасних програмних продуктів, математична основа створених моделей розглянута в попередньому розділі.

Описане програмне забезпечення для дослідження динаміки систем рольгангових двигунів, що живляться від перетворювачів типу PWM; лінії високомоментних двигунів, що живляться від перетворювача типу PWM; рольгангових двигунів, що живляться від перетворювачів типу DTC. Окремо розглядаються динамічні режими рольгангового електропривода з врахуванням динамічних параметрів.

Для лінії рольгангових двигунів використано моделі таких елементів: біполярного перетворювача типу PWM (можливе використання однополярного перетворювача типу PWM та ідеального синусоїдального перетворювача); короткозамкненого асинхронного двигуна в координатних осях (, ); ПІ - регулятора з обмеженням; навантаження двигуна.

Результати досліджень розділено на дві групи: 1) двигун навантажений постійним моментом; 2) двигун навантажений моментом зі стрибкоподібним характером зміни і в ньому є імпульс моменту, спричинений ексцентричністю валків.

Перша група досліджень ілюструє залежності від часу струмів, швидкостей і різниці швидкостей двох двигунів у випадку стрибкоподібної зміни моменту навантаження величиною 80% MН. В отриманих залежностях зміни швидкості обертання двигунів яскраво проявляється вплив моменту навантаження. Тривалість відхилень швидкості від заданого значення становить 0.15 сек. Одночасно, на основі критеріїв якості можна визначити, що біжуча нерівномірність кутового прискорення становить .

Порівняння з нормативними таблицями з точки зору якості поверхонь смуги виявили, що отримане значення належить до групи допустимих нерівномірностей кутових прискорень. Крім того, у цій групі досліджень проаналізовано вплив розбіжності параметрів двигунів, зокрема активного опору, на різницю швидкостей. Причиною різниці опорів є: відхилення при виконанні порядку 2-3 %; зміна опору в результаті зростання температури, що відбувається в умовах роботи металургійних транспортних ліній (максимально можливий приріст температури становить 30oC, що спричинює зміну опору на 12%).

Друга група досліджень наведена для навантаження, зображеного на рис. 15.

Швидкість обертання двигунів при живленні від однополярного перетворювача типу PWM ілюструє рис. 16. У дисертації наведені розрахунки для двигунів, що живляться від біполярного перетворювача PWM.

Для лінії високомоментних двигунів описано статичні та динамічні характеристики. Корекція законів керування U-f для високомоментного двигуна дає змогу отримати сімейство характеристик, що виходять з однієї точки, яка лежить на осі моменту, що дає змогу збільшити діапазон регулювання швидкості. Доповненням статичних характеристик є графіки поведінки струму та швидкості високомоментного двигуна при живленні від перетворювача типу PWM в режимах стрибкоподібної зміни навантаження. На рис. 17 проілюстровано момент навантаження та електромагнітний момент, а на рис. 18 - швидкість двигуна.

Для лінії рольгангових двигунів при живленні від перетворювача типу DTC проведено дослідження пуску до заданої частоти при заданому моменті навантаження; гальмування потоком та його підтримування сталим; реверс двигунів зміною векторів напруги та потоку. При проведенні досліджень враховано: механічний редуктор з передавальним числом 1,33; дві частоти переключень елементів перетворювача DTC, що дорівнюють 5 кГц i 10 кГц. Зменшення частоти переключень від 40 кГц пов'язане з використанням пам'яті комп'ютера. Результати розрахунків подано у вигляді часових залежностей та годографів. Як приклад, на рис. 19 зображено зміну потоку рольгангового двигуна в режимі реверсу. Цьому годографу потоку відповідають часові залежності струмів статора, зображені на рис. 20.

Динамічні режими рольгангового електроприводу при врахуванні механічних параметрів ілюструють рис. 21 та 22, з яких видно, що швидкості вала двигуна, валка і транспортованого листа не є однаковими, а залежать від кута скручення пружного валу та ковзання листа. Дослідження динаміки рольгангового електроприводу з врахуванням механічних параметрів має важливе значення на етапі як проектування, так і експлуатації. Це пов'язане як з вибором відповідних матеріалів для механічної частини, так і з налагодженням параметрів системи керування.

У шостому розділі описано результати експериментальних досліджень групових частотно-керованих електроприводів рольгангів, здійснених на впроваджених лініях металургійного комбінату "Ченстохова", Польща.

Дослідження проводились на таких етапах технологічного процесу: транспортування слябів; транспортування товстих листів; транспортування труб.

Подані в роботі фотографії демонструють фрагменти рольгангових ліній, на яких впроваджені запроектовані системи моторедукторів, що живляться від перетворювачів частоти.

Результати експериментальних досліджень підтвердили адекватність математичних моделей і достовірність результатів, отриманих методом комп'ютерного симулювання.

Крім результатів експериментальних досліджень у цьому розділі описано схему естиматора моменту та потоку двигуна, вбудовану в систему автоматичного керування. Вхідною інформацією естиматора є вимірювані значення напруги та струму статора асинхронного двигуна. Для проведення вимірювань використано карту PLC-818 та програмне забезпечення PC STREAMER. Як давачі, вжито галотронні перетворювачі LEM типу LA25-NP для струму i LV25-P для напруги. Ці перетворювачі також забезпечують гальванічну розв'язку кіл живлення та керування.

У додатках представлено копії документів, що підтверджують впровадження отриманих результатів на металургійних підприємствах Польщі та наведено тексти програм, використаних при проведенні досліджень.

ВИСНОВКИ

У дисертації на основі відомих, в тому числі отриманих автором результатів досліджень, проектування та експлуатації приводів змінного струму, методів математичного опису електромеханічних об'єктів, числових методів розв'язування диференціальних рівнянь, нових підходів в алгоритмізації і з врахуванням можливостей сучасних електронних засобів розроблено комплексний метод дослідження динаміки частотно-керованих асинхронних приводів металургійних транспортних ліній, який дає змогу здійснювати аналіз процесів і оптимізувати параметри електроприводу в напрямку забезпечення необхідних технологічних вимог.

Отримані характеристики і параметри транспортних ліній дають можливість проводити математичний експеримент з урахуванням механічних зв'язків в електроприводі, що допомагає оптимізувати систему керування і розробити систему захисту на етапі проектування обладнання, вивчати взаємні впливи, що виникають у динамічних режимах між механічною частиною транспортних ліній, силовою частиною електроприводу та сигналами системи керування.

Сформульовані критерії якості для приводів металургійних транспортних ліній враховують параметри технологічного процесу, які є важливим показником для регулювання швидкості та моменту і можуть використовуватись в системі керування.

Аналіз сучасних конструкцій керованих електроприводів змінного струму, впроваджених у рольгангових лініях, охоплює широкий спектр технічних рішень: конструктивних (моторедуктори, безпосереднє з'єднання валка з асинхронним двигуном, спеціальні конструкції двигунів); схемних (застосування напівпровідникових перетворювачів на базі інверторів напруги типу PWM та DTC, способу під'єднання двигунів до джерела живлення) та інформаційних (включення адаптивних математичних моделей в систему керування) і є узагальненням щодо вибору елементів і проектування електроприводів металургійних транспортних ліній на базі машин змінного струму, напівпровідникових перетворювачів частоти і цифрових систем керування як нового класу електроприводів змінного струму.

Здійснена ідентифікація електромеханічних параметрів асинхронних двигунів, які використовуються в приводах рольгангів, і системи “транспортований матеріал - валок - вал двигуна”, - це вихідна інформація для проведення математичних експериментів на моделях, яка забезпечує їх адекватність, оскільки відображає всі визначальні фізичні фактори: механічні та електромеханічні зв'язки, конструкцію короткозамкнутих обмоток, насичення магнітопроводу.

Використання сучасних способів алгоритмізації та можливостей пакету MATLAB - SIMULINK дало змогу створити наглядну діалогову систему для моделювання складних електроприводів металургійних транспортних ліній, складовими елементами якої є розроблені автором моделі: групового асинхронного електроприводу; високомоментного двигуна; перетворювачів частоти з інверторами напруги типу PWM і DTC; механічних з'єднань в рольгангових лініях.

Підходи, використані при створені названих в п.6 математичних моделей, є загальними і можуть використовуватись при дослідженні інших типів електроприводів.

Розроблені програмні засоби дають змогу методом комп'ютерного симулювання вивчати динамічні процеси, оптимізувати параметри і характеристики електроприводу, виявляти вплив окремих параметрів на процеси і оцінювати взаємні впливи в системі.

Описані в Розділі 6 результати досліджень розширюють теорію електроприводу в частині аналізу явищ в асинхронних двигунах (металургійних та високомоментних) керованих інвертором напруги типу PWM чи DTC, які виникають в результаті їх спільної роботи в технологічному процесі транспортування металургійних виробів.

Експериментальні дослідження на реальних електроприводах підтвердили правильність вихідних положень, узагальнень, адекватність математичних моделей і теоретичних висновків.

Розроблені в дисертації науково- обгрунтовані технічні рішення впроваджені на підприємствах Польщі і можуть бути рекомендовані до впровадження на таких заводах інших держав.

двигун частотний електропривод

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ВИСВІТЛЕНО В РОБОТАХ

1. К. Ягела. Модель перетвoрювача DTC (Direct Torque Control) при використаниі програми MATLAB-SIMULINK // Вісник ДУ „Львівська політехніка”. -1997. -№ 334. -С. 150-158.

2. К. Ягела. Формування критерія якості групового рольгангового електроприводу змінного струму // Вісник ДУ „Львівська політехніка”. -1997. -№334. -С. 148-150.

3. К. Ягела. Теоретичні аспекти розрахунку параметрів навантажень рольгангового електроприводу // Вісник ДУ „Львівська політехніка”. -1997. -№ 340.

4. К. Ягела. Уравнения в фазных координатах силовой схемы асинхронного электропривода с преобразователем частоты - Direct Torque Control // Теоретична електротехніка. -Львів: Світ. -1998. -№ 54. C. 139-143.

5. Ягела K. Модель рольгангового электропривода с инвертором DTC // Вестник Харьковского технического университета. "Проблемы автоматизированного электропривода". -1998. -Спец. випуск. C. 254-255.

6. Jagiela K. Matrix-Logical Algorithm Controlling the Operation of the Thyristor Voltage Inverter // Electric Machines and Power Systems. -Vol. 10. - Kentucky (USA). -Рp. 15 - 25.

7. Jagiela K. Macierzowy algorytm pracy tyrystorowego falownika napieciowego // ZN AGH "Elektryfikacja i Mechanizacja Gуrnictwa i Hutnictwa". -Krakуw. -1978. -№ 100. -S. 27-33.

8. Jagiela K. Algebraical model of thyristor converter ac to ac//Modelling, Simulation & Control. -Vol.3. -AMSE Press. (France). -1985. -No2. P. 51-64.

9. Jagiela K. Analiza stabilnosci ukladu napedowego falownik tyrystorowy - silnik asynchroniczny w oparciu o druga metode Lapunowa // ZN WSI Opole, Elektryka. -1980. -Nr 8. S. 59-63.

10. Jagiela K., Branicki R. Model algebraiczny przeksztaltnika tyrystorowego // ZN WSI Opole, Elektryka. -1980. -Nr 9. S. 75-84.

11. Jagiela K. Analogowo-rzeczywisty model przeksztaltnika tyrystorowego typu 6T // Pomiary, Automatyka, Kontrola. -1984. -Nr 2. S. 47-49.

12. Jagiela K. Uklady sterowania trуjfazowego mostkуw tyrystorowych // Wiadomosci Elektrotechniczne. -1981. -Nr 17/18. S. 391-394.

13. Jagiela K. Специaлизированные системы электроприводов для металлургических рольгангов // Электротехника. -1995. -№ 9. С. 41-42.

14. Rusek A., Gasiorski A., Jagiela K., Roman A., Lis M. Wplyw wypierania pradu w pretach wirnika na charakterystyke mechaniczna indukcyjnego silnika samotokowego // Wiadomosci Elektrotechniczne. -1995. -Nr. 4. -S. 141 - 143.

15. Rusek A., Roman A., Jagiela K., Lis M., Flasza J., Slosarczyk K., Wawrzyszkiewicz J. Sily elektrodynamiczne dzialajace na prety wirnika silnikуw indukcyjnych samotokowych // Przeglad Elektrotechniczny. -1997. -R.LXXIII. S. 232 - 234.

16. Patent RP nr P-286903. Uklad napedowy samotoku / Rusek A., Jagiela K., Rak J., Durlik B., Wegrzyn A., Pohorecki W. -1990.

17. Rusek A., Gasiorski A., Jagiela K., Roman A., Lis M. Influence of skin effect on mechanical charakteristics of prototypical induction roller table motor // AMSE Conf. -Brno ( Czech). -1995. -P.108-115.

18. Jagiela K. Le facteur de deplacement d'un courant du moteur asynchrone profondement encoche alimente par l' onduleur thyristorique voltmetrique. // 1-st European Conference on POWER ELECTRONICS and APLICATIONS. -Vol. 2. -EPE Brusseles. -1985. Р. 381 - 387.

19. Jagiela K. The Method of Harmonics Used for Calculating Skin Effect Coefficient in the Deep-Slot Motor by a Thyristor Volta ge Inverter // Electric Energy Conference EECON. -Adelaide. -1987. Vol. 2. P. 128-134.

20. Jagiela K., Rak J. Problems of co-operation roll leveller with frequentative electromotion of a rollway fixed at plate mill // The 2-nd International Conference on Electrical Drives ICED' 88. - Brasov (Romania). -1988. Vol. 5. -P. E.3.4.1- E.3.4.11.

21. Jagiela K., Sorkowski M. Simulating observer of phase in Asynchronous thyristor groupe drive // 4'th European Conference on Power Electronics and Applications. -Vol. 3. -Firenze. -1991. -P. 3-583 - 3-588.

22. Rusek A., Roman A., Jagiela K., Lis M., Flasza J. Possibilites of forming mechanical characteristics of a roller table motor using typical materials for rotor bars // Inter. Confer. on Electrical Drives and Power Electronics EDPE'96. -Vol.2. -SLOVAKIA. -1996. -P. 433 - 435.

23. Rusek A., Roman A., Gasiorski A., Jagiela K., Lis M. Resistance and reactance of rotor bars of roller table motor for typical materials used for rotor bars // Inter. Confer. on Electrical Drives and Power Electronics EDPE'96. -Vol.2. -SLOVAKIA. -1996. -P. 430 - 432.

24. Rusek A., Gasiorski A., Jagiela K., Roman A., Lis M. Impact of freguency on parameters of rotors bars in prototypical induction roller table motors // AMSE - Inter. Confer. Information and Systems Method Applied to Engineering Problems. -1995. -P.187-196.

25. Jagiela K. Parametry rozruchowe tyrystorowego ukladu napedowego z silnikiem asynchronicznym glebokozlobkowym // Mater. Konf. „Metody Komputerowe w Automatyce i Elektrotechnice”. - T. 1. -S. 111-116.

26. Ягела K., Рaк Й. Компютерная система для комплексного управления реактивной мощностю в сети питающей листопрокатный цех // Сб. Трудов III Междунар. научной конф. „Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий”. - Маріуполь (Україна) -1994. C. 120-124.

27. Ягела K. Управление частотой моментного рольгангового двигателя // III-я Междунар. конференция „Электротехника и электротехнологии”. -Москва. -1998. C. 175-178.

28. Koncepcje modernizacji napedуw samotokуw WBG Huty „Czestochowa” / Jagiela K., Rak J., Rusek A., Bielawski J., Sorkowski M. // Mat. Sem. N-T „Elektrotechnika Hutnicza”. - 1994. S. 55-65.

29. Napedy samotokуw w liniach transportowych COS i API z zastosowaniem przemiennikуw czestotliwosci PWM / Jagiela K., Rusek A., Rak J. Glowacki M., Skowron B. // Mat. Sem. N-T ”Elektrotechnika Hutnicza”. -1994. S. 3-13.

30. Ягела K., Русек A. Разработка и внедрение энергосбегающих приводных систем в Польской металлургической и машиностроительной промышленности // II Междунар. Конфeр. по электромеханике и электротехнологии. -Часть II. - Крым. -1996. С. 28.

31. Jagiela K., Rusek A., Rak J. Parametry momentowego silnika samotokowego zasilanego z przemiennika czestotliwosci // I Krajowa Konferencja „Postep w Elektrotechnice Stosowanej PES-1”. -Politechnika Warszawska. - 1997. S. 37-42.

32. Rusek A., Gasiorski A., Jagiela K., Roman A., Lis M. Porуwnanie rezystancji i reaktancji prкtуw wirnika silnika samotokowego SSP/5,5-1000 wykonanych z mosiadzu M63 i aluminium // Krajowa Konferencja „Hutnicze Napedy Elektryczne HNE'95”. -1995.

Размещено на Allbest.ru

...