Исследование режима каскадного пуска асинхронного электропривода тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Муриков, Егор Сергеевич

• Муриков, Егор Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Муриков, Егор Сергеевич

Введение.

Глава 1. Технико-экономические аспекты реализации мягкого пуска в электроприводах переменного тока.

1.1 Современное состояние электроприводов переменного тока.

1.2 Пути повышения эффективности эксплуатации существующих электроприводов переменного тока.

1.3 Анализ известных средств и способов пуска двигателей переменного тока.

1.3.1 Классические способы пуска.

1.3.2 Пусковые устройства по системе ТОН-АД.

1.3.3 Современные разработки систем ТПН для безударного пуска электродвигателей переменного тока.

1.4 Оценка экономической эффективности внедрения полупроводниковых пускорегулирующих средств.

1.4.1 Обоснование идеи каскадного пуска.

1.5 Постановка задач по диссертационной работе.

Глава 2. Разработка математической модели АД для исследования каскадного пуска.

2.1 Обоснование требований к модели.

2.2 Анализ современных методов моделирования.

2.3 Разработка математического описания процессов в АД.

2.3.1 Базовые уравнения и ограничения.

2.3.2 Описание коммутируемых схем.

2.3.3 Описание магнитосвязанных цепей.

2.4 Математическая модель двигателя.

2.5 Разностные схемы и алгоритмы.

2.5.1 Матрица коммутаций.

2.5.2 Анализ возможных способов описания схемы.

2.5.3 Генерация системы уравнений при изменении коммутации.

2.6 Разностная схема расчета.

Глава 3. Результаты моделирования типовых процессов и их анализ.

3.1 Основные признаки адекватности модели реальным процессам и исходные данные для моделирования.

3.2 Исследования отдельных режимов работы АД на модели.

3.2.1 Исследования процессов заторможенного двигателя.

3.2.2 Связь обмоток через магнитное поле.

3.3 Исследования типовых процессов короткозамкнутого асинхронного двигателя.

3.3.1 Прямой пуск двигателя без нагрузки.

3.3.2 Оценка влияния конструкционных особенностей двигателя на его характеристики.

3.3.3 Оценка влияния разброса геометрических параметров электродвигателя на процесс пуска.

Глава 4. Исследования каскадного пуска двух асинхронных электродвигателей с помощью модели.

4.1 Общая идея.

4.2 Оценка эффективности каскадного пуска.

4.3 Определение условий перехода от пусковой схемы к рабочей.

4.4 Влияние на каскадный пуск двигателей технологического разброса их характеристик.

4.4.1 Исследования влияния отклонения величины сопротивления обмоток статоров.

4.4.2 Влияние отклонения сопротивлений стержней ротора.

4.4.3 Исследование влияния параметров обмоток статора.

4.4.4 Влияние различий в магнитной проницаемости сердечников.

4.5 Исследования возможности каскадного пуска при отклонениях в конструкции обмоток.

4.6 Влияние нагрузки на каскадный пуск.

4.6.1 Каскадный пуск двигателей со ступенчатым увеличением величины нагрузки на валу одного из двигателей.

4.6.2 Каскадный пуск двигателей с нагрузкой вентиляторного типа на валу одного из двигателей.

4.6.3 Каскадный пуск двигателей с близкой по величине вентиляторной нагрузкой.

4.6.4 Каскадный пуск двигателей с сильно различающейся вентиляторной нагрузкой.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование режима каскадного пуска асинхронного электропривода»

В современных условиях заметного улучшения технико-экономических показателей технологических агрегатов и производств можно добиться за счет повышения надежности эксплуатации электрического и механического оборудования. При этом достигается увеличение длительности работы между текущими и капитальными ремонтами и соответственно снижаются эксплуатационные расходы. Наиболее затратным по электропотреблению является металлургическое производство, где сосредоточено большое многообразие электроприводов. На крупных металлургических предприятиях с полным производственным циклом, электроприводы переменного тока являются преобладающими как по количеству, так и по совокупной установленной мощности. Большинство из них являются нерегулируемыми, и в качестве основной проблемы при эксплуатации следует назвать тяжелые условия прямого пуска. Высокая кратность значений момента и тока в пусковом режиме приводит к ускоренному износу оборудования, оказывает негативное влияние на работу системы электроснабжения и является основной причиной возникновения аварийных остановок агрегатов и производственных участков. В этой связи количество допустимых прямых пусков мощных электродвигателей лимитировано. По этой причине часто многие электроприводы переменного тока большой мощности не отключают, оставляя в режиме холостого хода при снятии технологических нагрузок.

Проблемам пуска и регулирования мощных электроприводов переменного тока до настоящего времени не уделялось достаточного внимания. Это обусловлено в первую очередь тем, что пускорегулирующая полупроводниковая преобразовательная техника высоковольтного исполнения появилась на рынке сравнительно недавно. Однако для массового внедрения современных полупроводниковых высоковольтных устройств имеются серьезные препятствия. Среди них основным является их высокая стоимость и, соответ5 ственно, сроки окупаемости от их внедрения многократно превышают нормативные.

В этой связи актуальными продолжают оставаться задачи, связанные с решением вопросов определения экономической эффективности внедрения современных пусковых устройств. Одновременно с этим важными являются исследования, связанные с разработкой альтернативных способов пуска мощных электроприводов переменного тока, внедрение которых не требует значительных капитальных вложений. При этом значительная роль отводится созданию математических моделей, адаптированных к исследованию электромагнитных и электромеханических процессов в электроприводах переменного тока, в которых реализуются новые способы пуска.

Целью данной диссертационной работы является улучшение технико-экономических показателей эксплуатации электроприводов переменного тока за счет осуществления «мягкого» пуска без применения специальных пусковых устройств. В этой связи в диссертационной работе был проведен анализ современного состояния электроприводов переменного тока и разработана упрощенная методика оценки срока окупаемости пускорегулирующих устройств и в том числе высоковольтные. Был предложен способ реализации каскадного пуска двигателей переменного тока и определены областей его применения. В работе осуществлена разработка математической модели двухдвигательной системы, адаптированной для исследования электромагнитных и электромеханических процессов при пуске и проведены исследования на модели пусковых режимов асинхронного электропривода при каскадном включении с целью определения условий реализуемости «мягкого пуска» двигателей. Предложенные решения базируются на возможности формирования пониженного напряжения на статорных обмотках АД путем каскадного включения двух и более двигателей и достижения за счет этого снижения динамических пусковых моментов и токов.

Диссертационная работа состоит их четырех глав, заключения по работе и приложения.

В первой главе проведен анализ состояния электроприводов в металлургической промышленности на примере крупнейшего в отрасли ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» и пути модернизации их с целью повышения эффективности эксплуатации и решения задач энергосбережения. Проведен анализ эффективности применения известных средств и способов пуска двигателей переменного тока. Предложена упрощенная методика, позволяющая осуществить предварительную оценку эффективности внедрения современных полупроводниковых пускорегулирующих устройств. В качестве альтернативы серийно выпускаемым пусковым устройствам предложен способ каскадного пуска двигателей, позволяющий при определенных условиях также реализовать «мягкий» пуск с заметным снижением кратности пусковых токов и динамических нагрузок. В рамках этой идеи осуществлена постановка задач по диссертационной работе.

Вторая глава посвящена разработке математических моделей асинхронного электродвигателя, систем коммутатор-двигатель, двигатель-двигатель. При разработке модели асинхронного электродвигателя дано обоснование необходимости создания новой методики моделирования, в основе которой лежит описание коммутируемых магнитосвязанных электрических цепей двигателя.

На базе предложенного математического описания и алгоритмов расчета электромагнитных и электромеханических процессов в АД и для случая каскадного включения двух асинхронных электродвигателей были разработаны компьютерные программы для моделирования, позволяющие исследовать пусковые режимы в электроприводах.

В третьей главе проведены типовые исследования, позволившие установить адекватность модели объекту моделирования. В рамках этих исследований последовательно проводилось моделирование процессов, начиная от простейших электрических расчетов переходных режимов, известных в теории электрических цепей с последующим переходом к более сложным маг-нитосвязанным контурам статорных и роторных обмоток. На основе исследований процесса пуска одного двигателя были получены кривые момента, частоты вращения, фазного тока статора и тока ротора, что позволило установить сходство качественных и количественных показателей пускового режима. Наряду с полученными результатами была проведена оценка влияния конструктивных особенностей АД на основные параметры электромеханического преобразования энергии в двигателе, а также установлено влияние отклонений основных параметров от паспортных значений.

В четвертой главе приведены результаты исследований процесса каскадного пуска в двухдвигательной системе. Определены условия реализуемости предложенного способа пуска и получены показатели снижения кратности пусковых токов и моментов. На основе моделирования определены условия, при которых каскадное включение позволяет осуществить «мягкий» пуск одновременно двух электродвигателей без применения традиционных высоковольтных пусковых устройств безударного пуска.

В приложении приведен акт внедрения результатов работы в ОАО «ММК»

По теме диссертации опубликовано 9 работ и получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ, на основе которой осуществлено компьютерное моделирование процессов при каскадном пуске АД и проведены основные исследования по теме диссертации.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Муриков, Егор Сергеевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основе анализа состояния электроприводов переменного тока и стоимостных показателей современных полупроводниковых пускорегули-рующих устройств разработана упрощенная методика оценки срока окупаемости пусковых устройств, включая высоковольтные,

2. Разработан способ реализации каскадного пуска двигателей переменного тока, заключающийся в последовательном соединении статоров на время пуска с последующим переключением на полное напряжение питания и определены области его применения.

3. Разработана математическая модель асинхронного электродвигателя, в основе которой лежит описание коммутируемых магнитосвязанных электрических цепей двигателя и на её базе получены модели систем коммутатор-двигатель, двигатель-двигатель, позволяющие исследовать пусковые режимы электроприводов переменного тока при индивидуальном и каскадном пуске АД.

4. В результате исследований, выполненных с помощью разработанной математической модели, подтверждена возможность реализации каскадного пуска асинхронных электроприводов с вентиляторной нагрузкой путем соединения последовательно статорных обмоток двигателей на время пуска с последующим переключением на номинальное напряжение. Установлено, что при каскадном пуске двух двигателей достигается снижение кратности пусковых токов более чем в два раза и в три раза - ударных моментов электродвигателей.

5. На основе моделирования установлено, что при переключении на номинальное напряжение на частоте вращения 0,7 номинального значения и больше достигаются наилучшие условия перехода в режим индивидуального питания. При этом кратность пусковых токов и моментов не превышает начальных значений при каскадном пуске АД.

6. В результате моделирования установлено, что при отклонении параметров электродвигателей и вентиляторной нагрузки в пределах ±5% процесс пуска обоих электродвигателей происходит устойчиво. При больших различиях нагрузки на валу двигателя пуск более нагруженного электродвигателя замедляется, в связи с чем каскадный пуск целесообразно осуществлять при одинаковой нагрузке обоих двигателей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Муриков, Егор Сергеевич, 2006 год

1. Ильинский Н.Ф., М.Г. Юньков. Итоги развития и проблемы электропривода // Автоматизированный электропривод / Под общ. ред. Н.Ф. Ильинского, М.Г. Юнькова. М. : Энергоатомиздат, 1990 с. 4 - 14.

2. Никифоров Г.В., Заславец Б.И. Энергосбережение на промышленных предприятиях. Магнитогорск: МГТУ, 2000. - 283 с.

3. Л.А. Копцев, Г.В. Никифоров. Основные подходы к оптимизации энергобаланса металлургического предприятия на примере ОАО «ММК». // Электротехнические системы и комплексы: межвуз. Сб. научн. тр. Магнитогорск: МГТУ, 1998. вып 4. С 184-187.

4. Сарваров A.C. Асинхронный электропривод на базе НПЧ с программным формированием напряжения: Монография. Магнитогорск: МГТУ, 2002.

5. Ильинский Н.Ф., Рожанковский Ю.В., Горнов А.О. Энергосбережение в электроприводе // Энергосберегающая технология электроснабжения народного хозяйства / Под ред. В.А. Веникова.-М.: Высш.шк., 1989,-129 с.

6. О. И. Осипов, В. Б. Славгородский. Состояние и перспективы модернизации автоматизированного электропривода прокатных станов в черной металлургии. Материалы конференции. АЭП-2004, Магнитогорск, 2004 г.

7. Селиванов И. А., Карандаева О. И. Технология и основные средства автоматизации современных прокатных станов Стеккеля. //Электротехнические системы и комплексы: Межвузовский сб. научн. трудов. Магнитогорск: МГМА, 1996. Вып 1. С 7 - 13.

8. Гуренко С. и др. Автоматизированная система контроля технологических параметров работы главных электроприводов непрерывно-заготовочного стана. СТА (Современные Технологии Автоматизации) №4, 2005 г., стр.56.

9. А. М. Вейнгер. Перспективы регулируемых электроприводов переменного тока большой мощности. Материалы конференции. АЭП-2004, Магнитогорск, 2004 г.

10. Н.Бармин А., Ташлицкий М. Преобразователи частоты фирмы Siemens / СТА (Современные Технологии Автоматизации) №4, 2000 г., стр.6.

11. System specifications for 2000 mm hot strip mill, GE proposal B2M-P-1917A/B, GE requisition F47-DD-844560, last revision 17 nov. 1989, Magnitogorsk, USSR

12. Маколов B.H. Разработка электропривода по системе 12-пульсный НПЧ-АД с программным формированием напряжения: Дис. . канд. техн. наук. Магнитогорск: МГТУ, 2003.

13. ММК, стан 2000 ГП, Сокращенный технический проект АСУ ТП, архивный № 51511057.

14. Сарваров A.C. Расширение диапазона частотного регулирования двигателей переменного тока на базе непосредственных преобразователей частоты // Приводная техника. 2000. - №3. - с. 22-27.

15. Селиванов И.А., Завьялов Е.А., Минков Э.О. Применение асинхронного электропривода с импульсно-частотным управлением. // Электротехнические системы и комплексы: межвуз. Сб. научн. тр. Магнитогорск: МГТУ, 2002. вып.7. С 83-86.

16. Рогов С. Система управления водоснабжением зданий административно-производственного комплекса. СТА (Современные Технологии Автоматизации) №4, 2005 г., стр.40. •

17. Молчанов A.A. Использование преобразователей частоты на природоохранительных сооружениях // Привод и управление. 2000, №3.-с.27-29.

18. Расширение диапазона регулирования в системе 12-пульсный НПЧ-АД для вентиляторных электроприводов / A.C. Сарваров // Труды IV Между-нар. конф. Электромеханика и электротехнология МКЭЭ, 2000. Клязьма, 2000. -С.210-211.

19. Анатолий Пахоменко, Николай Починчук, Сергей Шипицин. Автоматизированная система управления технологическим процессом производства бетонных смесей. / СТА (Современные Технологии Автоматизации) №1, 2005 г., стр.32-41.

20. Ю. Смирнов. Система управления бетоносмесительной установкой. / СТА (Современные Технологии Автоматизации) №1, 2004 г., стр.6-13.

21. Бармин А., Ташлинский М. Преобразователи частоты фирмы Siemens. СТА (Современные Технологии Автоматизации) №4, 2005 г., стр.46.

22. Терехов В.М. Элементы автоматизированного электропривода: Учебник для вузов.- М.:Энергоатомиздат, 1987.- 224с.

23. Маурер В.Г. Принципы построения развертывающих систем управления вентильных электроприводов. // Электротехнические системы и комплексы: межвуз. Сб. научн. тр. Магнитогорск: МГТУ, 2001. вып 6. С 126-129.

24. Шрейнер Р.Т., Ефимов A.A., Зиновьев Гр.С. Математическое моделирование асинхронного привода с прогнозирующим релейно-векторным управлением. // Электротехнические системы и комплексы: межвуз. Сб. научн. тр. Магнитогорск: МГТУ, 2001. вып 6. С 168-175.

25. Масандилов Л.Б., Крылов Н.В., Кузиков C.B. Электропривод по системе ТПН-АД с расширенным диапазоном регулирования // Электроприводы с улучшенными технико-экономическими показателями: сб. Науч. Тр. №165. М.: Моск. энерг. ин-т. 1988. - с. 82-88.

26. Петров Л.П., Капинос В.И., Херунцев П.Э. Оптимизация энергопотребления при квазичастотном управлении асинхронными электроприводами // Автоматизированный электропривод / Под общ. ред. Ильинского, М.Г. Юнькова. М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 354 - 359.

27. Масандилов Л.Б., Рожанковский Ю.В., Гетман Ю.И. Асинхронный электропривод с тиристорным преобразователем переменного напряжения при различных режимах работы // Автоматизированный электропривод /

28. Под. общ. ред. Н.Ф. Ильинского, М.Г. Юнькова. М.: Энергоатомиздат, 1986, с. 124- 129.

29. Петров Л.П., Андрющенко O.A., Капинос В.И. и др. Тиристорные преобразователи напряжения для асинхронного электропривода. М.: Энергоатомиздат, 1986.- 200 с.

30. Петров Л.П. Управление пуском и торможением асинхронных двигателей. М.: Энергоатомиздат, 1977.- 184 с.

31. Браславский И .Я. Асинхронный полупроводниковый электропривод с параметрическим управлением. М.: Энергоатомиздат, 1998. - 224 с.

32. Жемеров Г.Г. Тиристорные преобразователи частоты с непосредственной связью.- М.: Энергия, 1977.-280 с.

33. Кудрявцев Ф,В„ Ладыгин А.Н. Современные преобразователи частоты в электроприводе // Приводная техника. 1998.- №3. - С. 21 - 28.

34. Вейнгер A.M. Регулируемый синхронный электропривод.- М.: Энергоатомиздат, 1985.-224 с.

35. Бернштейн А.Я., Гусяцкий Ю.М., Кудрявцев A.B., Сарбатов P.C. Тири-сторные преобразователи частоты в электроприводе / Под ред. P.C. Сарба-това. М.: Энергия, 1980. - 328 с.

36. Браславский И.Я. Возможности энергосбережения при использовании регулируемых асинхронных электроприводов // Электроприводы переменного тока: Тр. XI ой научно-технич. конф. (24 - 26 февраля 1998г.). -Екатеринбург: УГТУ, 1998. С. - 102 - 107.

37. Браславский И.Я. Асинхронный полупроводниковый электропривод с параметрическим управлением. М.: Энергоатомиздат, 1998. - 224 с.

38. Станции управления тиристорные регулируемые интегральные типа ТСУ РИ / каталог 08.06.06. -82. - М.: Информэлектро, 1985. - 12 с.

39. Никифоров Г.В. Энерго- и ресурсосбережение основные направления развития электроприводовЮАО «ММК» в условиях рыночной экономики. Материалы конференции. АЭП-2004, Магнитогорск, 2004 г.

40. Прайс-лист фирмы «ЕВРОСТРОЙ ИНЖИНИРИНГ» от 15 января 2006 года, www.eurosi.ru.

41. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: Учебное пособие. СПб.: КОРОНА принт, 2001. -320с.

42. Дейч М.Е. Техническая газодинамика. Изд. 2-е, переработ. М. Госнерго-издат, 1961.

43. Маколов В.Н. Разработка математической модели синхронного двигателя в трехфазной системе координат А, В, С. межвузовский сборник научных трудов под ред. Сарварова A.C., Одинцова К.Э. - Магнитогорск: МГТУ им. Носова, 2001.

44. Математическая модель синхронного двигателя с постоянными магнитами на роторе. Глазунов В.Ф., Пикунов В.В., Митрофанов A.C. // Электротехнические системы и комплексы: межвуз. Сб. научн. тр. Магнитогорск: МГТУ, 2002. вып.7. с. 40-48.

45. Моделирование на ЭВМ переходных процессов в асинхронном электроприводе. Е.Я. Омельченко, A.B. Харламов. // Электротехнические системы и комплексы: межвуз. Сб. научн. тр. Магнитогорск: МГТУ, 1998. вып.4. с. 36-42.

46. Разработка математической модели АД для исследования режимов питания от НПЧ с программным формированием напряжения. Сарваров A.C.,

47. Маколов В.Н., Булатов K.M. // Электротехнические системы и комплексы: межвуз. Сб. научн. тр. Магнитогорск: МГТУ, 2001. вып.6, с. 146-156.

48. Муриков Е.С., Разработка математической модели работы НПЧ на активно-индуктивную нагрузку / Муриков Е.С., Сарваров A.C. // Электротехнические системы и комплексы: межвуз. сб. научн. тр. Магнитогорск, 2001. - вып. 6. - стр. 193-200

49. Муриков Е.С., Обоснование методики построения математических моделей систем с вентильными преобразователями // Электротехнические системы и комплексы: межвуз. сб. научн. тр. Магнитогорск, 2002. - вып. 7. -стр. 151-155.

50. М.Я.В ыгодский. Справочник по высшей математике, М, ООО «Издательство Астрель», ООО «Издательство ACT», 2005.

51. Муриков Е.С., Методика моделирования магнитосвязанных цепей / Муриков Е.С., Сарваров A.C. // Электротехнические системы и комплексы: межвуз. сб. научн. тр. Магнитогорск, 2005. - выпуск 11. стр. 281-289.

52. Ильинский Н.Ф., Юньков М.Г. Итоги развития и проблемы электропривода // Автоматизированный электропривод / Под общ. ред. Н.Ф. Ильинского, Юнькова М.Г. М.: Энергоатомиздат, 1990. - с. 4 - 14.

53. В.И. Смирнов. Курс высшей математики, том третий. М., 1974 г.

54. В.И. Смирнов. Курс высшей математики, том первый. М., 1974 г.

55. В.И. Смирнов. Курс высшей математики, том четвертый. М. 1974 г.

56. В.И. Смирнов. Курс высшей математики, том второй. -М., 1974 г.

57. Усатый Д.Ю. Исследование механических свойств АД при импульсно-частотном питании. Электротехнические системы и комплексы: Межвузовский сборник научных трудов / Под ред. A.C. Карандаева. Магнитогорск: МГТУ, 1998. Вып. 4.

58. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005613254 от 27.12.2005.