Повышение эффективности функционирования электротехнических устройств с управляемым реактором для мощных асинхронных электроприводов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Гумилевский, Сергей Владимирович

• Гумилевский, Сергей Владимирович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Гумилевский, Сергей Владимирович

ОГЛАВЛЕНИЕ

1 АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ, УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ,

МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ, РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ И НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ С УПРАВЛЯЕМЫМ РЕКТОРОМ ДЛЯ МОЩНЫХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

1.1 Анализ конструктивных схем и условий эксплуатации

1.2 Моделирование переходных процессов и методы расчета параметров и надежности

1.3 Цель и задачи исследования

1.4 Выводы

2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ МОЩНЫХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С УПРАВЛЯЕМЫМ РЕАКТОРОМ

2.1 Разработка математической модели

2.2 Определение параметров системы «электропривод - управляемый реактор»

2.3 Исследование математической модели для определения рациональных параметров и режимов работы электротехнической системы «электропривод - управляемый реактор»

2.4 Выводы

3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТРУКТУРЫ УПРАВЛЕНИЯ И УСЛОВИЙ РЕАЛИЗАЦИИ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ «ЭЛЕКТРОПРИВОД - УПРАВЛЯЕМЫЙ РЕАКТОР»

3.1 Определение структуры управления

3.2 Разработка структуры и определение работоспособности системы управления

3.3 Определение условий реализации математической модели электротехнической системы и её параметрического ряда

3.4 Выводы

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗРАБОТАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ С УПРАВЛЯЕМЫМ РЕАКТОРОМ ДЛЯ МОЩНОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

4.1 Планирование эксперимента

4.2 Стенд аппаратура и методика исследований

4.3 Экспериментальные исследования

4.4 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности функционирования электротехнических устройств с управляемым реактором для мощных асинхронных электроприводов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Повышение эффективности эксплуатации существующих электроприводов переменного тока экономически выгодно для мощных электроприводов. В основном такой привод оснащается высоковольтным двигателем переменного тока. Критериями такой оценки является количество и суммарная установленная мощность. В большей части привод нерегулируемый. Это обусловлено тем, что применение современной полупроводниковой техники является дорогостоящим решением на данном этапе. С другой стороны тяжелые условия прямого пуска приводят либо к ускоренному износу оборудования, либо к завышению требований к рабочим механизмам, либо оказывает отрицательное влияние на систему электроснабжения и являются основной причиной аварийных остановок, что повышает эксплуатационные затраты до 30% [1].

В этой связи актуальными продолжают оставаться задачи связанные с разработкой альтернативных способов пуска и управления мощными асинхронными двигателями, внедрение которых не требует значительных экономических ресурсов. При этом значительная роль отводится созданию математических моделей, адаптированных к исследованию электромагнитных и электромеханических процессов в асинхронном приводе, в которых реализуются новые способы пуска.

Системы, построенные на тиристорных регуляторах напряжения (ТРН), при работе искажают форму питающего напряжения, что негативно влияет на функционирование двигателя и питающей сети. Использование преобразователей частоты с частотным или векторным управлением осложняется из-за повышенных требований к емкости и классу напряжения накопителя энергии в звене постоянного тока. Часто для таких преобразователей требуются специальные многофазные трансформаторы. Применение обычных реакторов для управления высоковольтным АД тоже имеет ряд недостатков, таких

как ступенчатое управление, применение сложных коммутирующих аппаратов.

На сегодняшний день проблемы пуска и регулирования мощных асинхронных двигателей с помощью управляемых реакторов достаточно не рассматривались, так как основным назначением разрабатываемых реакторов является регулирование реактивной энергий в сетях высокого напряжения. В связи с этим комплексный подход к повышению эффективности функционирования электротехнических устройств с управляемым реактором для мощных асинхронных электроприводов является актуальной научной задачей.

Цель работы - повышение эффективности функционирования электротехнических систем с мощными асинхронными электроприводами и регулируемыми реакторами путем обоснования их рациональных параметров, закона и структуры управления ими.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи исследования:

1. Анализ конструктивных схем и методов расчета, моделирования и условий эксплуатации мощных АД и управляемых реакторов.

2. Разработка математической модели системы «асинхронный двигатель - управляемый реактор», учитывающей в комплексе переходные электромагнитные и электромеханические процессы.

3. Исследование математической модели для расчета рациональных параметров системы «асинхронный двигатель - управляемый реактор» и синтеза системы управления.

4. Определение условий реализуемости конструкционной и функциональной надежности электротехнических систем «асинхронный двигатель - управляемый реактор».

5. Разработка методологии определения рациональных параметров электротехнических систем «асинхронный двигатель - управляемый реак-

тор» по критерию надежности, учитывающая ток и момент мощного электродвигателя.

6. Определение структуры и топологии управления электротехнической системой «асинхронный двигатель - управляемый реактор».

7. Численные и экспериментальные исследования режимов работы электротехнической системы «асинхронный двигатель - управляемый реактор» при применении разработанных технических решений устройства управления управляемым реактором.

Идея работы заключается в достижении требуемого уровня значений момента на валу и статорного тока двигателя системы «асинхронный двигатель - управляемый реактор» на основе регулирования индуктивности управляемого реактора и обоснования рациональных параметров электротехнической системы по критерию надежности, закона и структуры управления режимам её работы.

Объектом исследования является электротехническая система «асинхронный двигатель - управляемый реактор» с регулированием индуктивности реактора.

Предметом исследования являются переходные процессы, протекающие в электротехнической системе «асинхронный двигатель - управляемый реактор».

Методы исследования, используемые в работе, основаны на применении теории электрических цепей, автоматического управления, теории надежности технических систем, вероятностей и математической статистики, численных методов и экспериментальных исследований с применением ЭВМ.

Автор защищает:

1. Математическую модель электротехнической системы «асинхронный двигатель - управляемый реактор», учитывающей функциональные связи между характеристиками асинхронного двигателя и управляемого реакто-

ра в комплексе учитывающие переходные электромагнитные и электромеханические процессы.

2. Закономерности формирования управляющего воздействия для управляемого реактора, комплексно учитывающие характеристики электромагнитных и электромеханических переходных процессов в системе «асинхронный двигатель - управляемый реактор».

3. Зависимости для расчета рациональных параметров электротехнических систем «асинхронный двигатель - управляемый реактор» и технических решений рациональной структуры управления управляемым реактором на основе исследования её математической модели.

Научная новизна заключается в определении рациональных параметров электротехнических систем «асинхронный двигатель - управляемый реактор», закономерностей формирования структуры и топологии управления её режимами работы для повышения надежности и эффективности её работы.

Она представлена следующими результатами:

- определены зависимости для расчета рациональных параметров электротехнических систем «асинхронный двигатель - управляемый реактор», учитывающие в комплексе характеристики переходных электромагнитных и электромеханических процессов на основе исследования ее математической модели;

- установлены условия формирования рациональных структуры управления электротехническим системами «асинхронный двигатель - управляемый реактор», обеспечивающие повышение надежности и эффективности их функционирования;

- определены условия реализации математической модели электротехнической системы пускового устройство трехфазного высоковольтного асинхронного двигателя, обеспечивающее пуск и управление мощными высоковольтными двигателями.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы обеспечена физически обоснованными допущениями,

адекватностью результатов теоретических и экспериментальных исследований не превышает 15%, что допустимо в инженерных расчетах.

Практическое значение. Разработана методика расчета рациональных параметров электротехнических систем «асинхронный двигатель - управляемый реактор».

Реализация результатов работы. Основные научно-практические результаты диссертационной работы переданы для практической реализации на ЗАО "Производственное объединение Тулаэлектропривод", а также используются в учебных курсах "Специальные главы электропривода", "Энергетика электропривода" и "Специальные виды электроприводов" на кафедре "Электроэнергетика" ТулГУ. Документы, подтверждающие внедрение, приведены в Приложении А.

Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных магистерских научно-технических конференциях ТулГУ (г. Тула, 2009 - 2013 гг.), V и VI молодёжной научно-практической конференции ТулГУ МОЛОДЁЖНЫЕ ИННОВАЦИИ (г. Тула, 2011 г.), Пятой международной Школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение-теория и практика» (г. Москва, 2010 г.), VI Международной конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП-2010» (г. Тула, 2010 г.), Международной научно-технической конференции «Энергосбережение-2011» (г. Тула, 2011 г.), 7-ой и 8-ой Международной конференции «Силовая электроника и энергетика» (г. Москва, 2010-2011 г.), VII Международной конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП-2012» (г. Иваново, 2012 г.).

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 8 статьях, из них 4 в изданиях, рекомендованных ВАК, получен патент на полезную модель № 129724.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка использованных источников из 81 наименования и включает 121 страниц машинописного текста, содержит 57

рисунков и 10 таблиц. Общий объем - 138 страницы. Работа оформлена в соответствии с ГОСТ Р 7.0.11-2011 «Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Диссертация и автореферат диссертации. Структура и правила оформления».

Автор выражает благодарность научному руководителю, заведующему кафедрой «Электроэнергетика» Тульского государственного университета доктору технических наук, профессору Степанову Владимиру Михайловичу за научные консультации, поддержку и помощь при работе над диссертацией.

1 АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ, УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ, МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ, РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ И НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ С УПРАВЛЯЕМЫМ РЕКТОРОМ ДЛЯ МОЩНЫХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

1.1 Анализ конструктивных схем и условий эксплуатации

Управление асинхронными двигателями общепринято разделять по способам: параметрическое (классические системы, системы ТРН - асинхронный двигатель, трансформаторно-тиристорного типа, системы с управляемым реактором), частотное, векторное и каскадное. Последний способ реализуем только для машин с фазным ротором и требует установки в роторную цепь выпрямителя или машинного агрегата. Все рассмотренные схемы систем применяются для мощных асинхронных двигателей. Кроме того, существуют четыре типа (А, В, С и Б) исполнения двигателей, которые благодаря конструктивным приемам имеют различные механические характеристики. Как правило, мощный АД стремятся выполнить по типу Э. Мощный асинхронный двигатель находит применение в механизмах, не требующих регулирования частоты вращения, например насосы, вентиляторы, дымососы. Диапазон мощностей таких устройств составляет от 250кВт до 2000кВт. В Таблице 1 приведены границы основных параметры мощных асинхронных двигателей серии А4, ДА304, ДА30, которые производит ООО «Ленинградский Электромашиностроительный Завод».

Таблица 1 — Параметры мощных асинхронных двигателей

Серия Мощность, кВт Напряжение, кВ Частота вращения КПД,% Коэффициент мощности Максимально допустимый маховый момент, кг-м2

А4 200-1000 6 500-1500 92,095,5 0,8-0,9 580-10000

ДА304 200-800 6 500-1500 91,795,0 0,74-0,88 500-1000

ДА30 315-2000 6 500-1500 - - 1800-30000

Классические системы. К классическим системам относятся системы, которые непосредственно включают АД в сеть. Как правило, используют токоогра-ничивающие резисторы или реакторы, автотрансформаторы и переключатели схем соединения обмоток статора. Без принятия этих мер ток при пуске в 5-7 и более раз превышает номинальный. Диапазон пускового тока определяет конструкция ротора. В специальных конструкциях с эффектом вытеснения тока пусковой ток снижается и увеличивается момент. В общем случае, созданный двигателем пусковой момент негативно влияет на рабочие механизмы. Он имеет колебательный характер и по амплитуде может превышать 10 крат. Ударные нагрузки разрушают как двигатель, так и технологическую цепочку. Для снижения ущерба эти типы систем применяют к приводам мощностью до 100кВт. При большей мощности двигателя количество пусков и остановок стремятся снизить.

По большей части для ограничения токов применяют реакторы или сопротивления, автотрансформаторы очень редко, хотя у него преимущество в пусковом моменте. Реализовать такие устройства можно по схемам, представленным на Рис. 1.

Рис. 1. Электрические схемы классических систем пуска АД

Реакторы и сопротивления могут быть включены как в статорную, так и в роторную цепь. При коммутации схем используют свойства соединений треугольника и звезды. Вначале двигатель пускается с пониженным напряжением питания звезды, а потом с помощью релейно-контакторной схемы переключается на треугольник. При этом напряжение увеличивается в 1,73 раза. Для классических систем расчет добавочных активных и реактивных сопротивлений ведется по следующим формулам [2] :

2г

_ т-2 —

21

к 2

— -"-к

где 2К , гк , хк - полное, активное и реактивное сопротивление короткого замыкания. Полное и реактивное сопротивление (при неподвижном двигателе) при соединении в звезду:

и г » Г^-? (2)

7 — с-н. к с.„:

хк ~ ^

Коэффициент \1 показывает во сколько раз искусственный пусковой ток больше естественного:

м,

м =

м(

(3)

Рассмотренные устройства выпускаются промышленностью. В Таблице.2 приведены характеристики устройств реакторного типа УПР производства ООО «Завод низковольтной аппаратуры». Реактор подобного типа имеет следующие электрические параметры: напряжение, активное и реактивные сопротивления обмоток, время пуска асинхронного двигателя и ток динамической стойкости. Время в большей степени определяется тепловым процессом, при котором выделяемое тепло в обмотках разрушает изоляцию. Ток динамической стойкости это такой ток, при коротком замыкании в обмотках двигателя протекающий ток, не должен вызвать разрушения каких-либо частей реактора.

Таблица 2 - Технические характеристики пусковых устройств типа УПР

Тип реактора Мощность двигателя, кВт Напряжение, В Время пуска, с

УПР-800/6УХЛ4 800

УПР-1000/6УХЛ4 1000

УПР-1500/6УХЛ4 1500 6000 0,1-99,9

УПР-2500/6УХЛ4 2500

УПР-3150/6УХЛ4 3150

Из Таблицы 1 и Таблицы.2 видно, что при выборе реактора определяющими параметрами являются мощность двигателя и его номинальное напряжение. Управление пусковым током в статоре не возможно.

Для высоковольтных двигателей применение подобных систем не рационально, потому что значения сопротивлений всегда постоянны и не зависят от нагрузки на валу двигателя. Это не позволяет снизить до минимально допустимого значения пусковой ток и момент. Рассмотренные системы пуска изнашивают оборудование, что требует завышение требований к рабочим механизмам, и оказывает отрицательное влияние на систему электроснабжения. Последнее утверждение связано с тем, что коммутация индуктивных элементов в сети сопровождается серией импульсных перенапряжений.

Системы ТРН - асинхронный двигатель. Системы тиристорный регулятор напряжения (ТРН) имеют различные модификации. В литературе встречаются обозначения ТРН и ТПН (тиристорный преобразователь напряжения), которые означают одно и то же. Такая система устанавливается между питающей сетью и статорными обмотками. Основными элементами блока являются силовые ключи и блок управления ими. Как правило, это различные модификации тиристоров, си-мисторов и диодов, которые коммутируют питающую цепь и управляются блоком СИФУ.

На Рис. 2 представлены схемы системы ТРН-АД удачные с точки зрения производства изготовления. Тиристорный регулятор управляет встречновключен-ными тиристорами в каждой фазе Рис. 2 а). Для осуществления реверса двигателя используют другое чередование фаз и поэтому требуются два дополнительных блока со встречновключенными тиристорами Рис. 2 б).

Рис. 2 Силовая схема системы ТРН-АД.

Изменение напряжения на статоре АД вызывает изменение его электромагнитного момента и угловой скорости двигателя. В разомкнутой системе асинхронного электропривода эффективность такого метода ограничена весьма малым диапазоном устойчивых режимов работы двигателя. Расширить возможности возможно при использовании замкнутых систем. На Рис. 3 представлены механические характеристики АД при изменении напряжения на статоре. Структурная схема Системы ТРН - асинхронный двигатель приведена на Рис. 4. [3].

СО, 5

М1 Му

Рис. 3. Механические характеристики АД.

Рис. 4. Структурная схема регулирования напряжения на статоре.

По сути, система управления преобразователем регулирует продолжительность проводящего состояния силовой электроники и осуществляет импульсное воздействие на привод. Пусковой ток нарастает плавно и удерживается в диапазоне 1,5-4 номинального тока двигателя. Поэтому такие системы предназначены для пуска центробежных насосов, компрессоров, вентиляторов и конвейеров.

Данное направление развивали коллективы МЭИ, УГТУ (г. Екатеринбург), Одесского политехнического института, ОАО «Электропривод», ЮУрГУ (г. Челябинск), МГТУ им. Носова (г. Магнитогорск). По мнению специалистов, такие системы по способу управления еще не исчерпали своих возможностей. На сегодняшний день, недостаток проявляется при работе на низких частотах вращения. Увеличиваются потери в роторе, которые нагревают ротор. Поэтому приходится снижать момент и решать проблему обдува двигателя.

Промышленостью освоен низкий класс напряжения. Применение устройств на класс напряжения 6-10 кВ сдерживается стоимостью силовых элементов и систем управления ими. Этот недостаток отсутствует в системах трансформаторно-тиристорного типа.

При работе тиристорных коммутаторов будет наблюдаться искажение питающего напряжения в виде просечек и искажения формы, вследствие наличия гармоник. Влияние этого отрицательного явления снижают фильтрами, подключенными в непосредственной близости. Применение активных фильтров оправдано для двигателей 0,4кВ. Для высоковольтных двигателей подобные фильтры по цене сопоставимы с самим двигателем. В [4] утверждается, что экономия электроэнергии, в рассмотренных системах, не значительна и не обеспечивает быструю окупаемость. Поэтому применение подобных систем не рационально и в большей степени определяется технологическим процессом.

Система с управляемым реактором. В связи с развитием электрических реакторов в терминологии этих устройств произошли изменения. В 70-80г прошлого века использовались определения «магнитный усилитель - АД» (МУ-Д) и подмагничиваемый реактор. Эти устройство находили применения для электропривода мощностью до 1 ОкВт. Современные достижения в теории электрических реакторов позволили расширить их применение. В результате чего мощность самих устройств может достигать 180МВА и по классу напряжения до 500кВ. Подобные устройства принято называть управляемыми реакторами. Управляемый реактор это ферромагнитное устройство, которое состоит из обмоток и электротехнической стали. Широкое применение этих устройств в энергосистемах необ-

ходимо для регулирования потребления избыточной реактивной мощности протяженных воздушных линий электропередачи с напряжением 6-500кВ.

Регулирование скорости в системе с управляемым реактором лежит ниже основной. Считается, что применение индуктивностей в статоре по механическим характеристикам подобно применению активных сопротивлений в классической системе. Важной особенность является то, что возможно плавное и бесступенчатое изменение сопротивления реактора или магнитного усилителя. На Рис. 5 представлена схема управляемого реактора, включенного в цепь статора.

Рис. 5. Схема включения управляемого реактора в цепь статора АД

Увеличение постоянного тока подмагничивания приводит к уменьшению индуктивного сопротивления, что вызывает увеличение напряжения на обмотках статора. Диапазон регулирования подобных систем не превышает 1,3-1,5. Применение реакторов с подмагничиванием расширяет диапазон до 8-10 [33]. В 70-х годах прошлого века широко применялись для машин мощностью до 10кВт [5] и впоследствии были вытеснены с развитием силовой полупроводниковой техники. По сравнению с другими системами управления обеспечивают высокую надежность, не изнашиваются и практически не нуждаются в уходе. Системы с управляемым реактором слабо освещены в литературе. На сегодняшний день удалось снизить большую инерционность управляемых реакторов. Сравнивая системы по быстродействию, то можно сделать вывод, благодаря тому, что электромагнитные процессы протекают со скоростью света, то в рассматриваемой системе достигается мгновенная реакция изменения индуктивности на изменение постоянного тока. Современные управляемые реакторы обладают такой же по времени задержкой и могут в форсированном режиме уменьшать её. С другой стороны по требованиям релейной защиты увеличение быстродействия не требуются. Такое же

время запаздывания и у систем ТРН. На настоящий момент существуют опытные образцы для малых мощностей асинхронного двигателя, но о производстве каких-либо серийный образцов информации нет.

Система трансформаторно-тиристорного типа. Система трансформатор-но-тиристорного пуска или трансформаторно-тиристорные пусковые устройство (ТТПУ) Рис. 6 предназначается для пуска высоковольтных двигателей 6-10кВ. В своем составе имеет двухобмоточный трехфазный трансформатор (6-10)/0,4 кВ и тиристорный коммутатор для стороны трансформатора 0,4кВ. По сути при пуске в цепь статора АД включают дополнительное реактивное сопротивление обычного трансформатора. Особенностью является то, что это сопротивление можно изменять с помощью тиристорного коммутатора и трансформатор находится в режиме короткого замыкания. Ввиду того, что пуск двигателя занимает во времени не продолжительное время, тепло, выделенное в обмотках трансформатора, не приводит к разрушению изоляции. Для рассмотренной схемы устройства к системе управления тиристорами при разных углах зажигания предъявляются жесткие требования. Причина в том, что напряжение на вторичной обмотке не является синусоидальным. Поэтому системы такие системы полностью открывают или закрывают тиристор.

Важно отметить, что такие устройства имеют кратковременный режим работы и их реализация возможна с применением существующих трансформаторов и что режим короткого замыкания не является нормальным режимом работы трансформатора. Данное направление развивается в МГТУ им. Носова (г. Магнитогорск) [ [1], [6]]. На настоящий момент существуют опытные образцы подобных систем, но о производстве каких-либо серийный образцов ничего неизвестно. Отличительной особенностью является то, что напряжение и ток, подаваемое на первичные обмотки трансформатора изменяется в процессе разгона АД, в то время у управляемых реакторов напряжение питание остается неизменным, а изменяется сетевой ток.

Системы с частотным управлением. Системы с частотным управлением используют полупроводниковые преобразователи частоты (ПЧ) и их применение составляет большую часть по сравнению с векторным управлением. При частотном управлении используется один из статических законов: U/f=const (правило Костенко), Ч^ = const, Ч^ = const и т.д. Система управления может строиться как разомкнутая, так и замкнутая. В большинстве случаев управление осуществляется по модулям значений переменных, поэтому эти системы также называют модульными или скалярными. Чаще всего датчик скорости (положения) отсутствует, что снижает диапазон регулирования с 200 до 50. Система управления вырабатывает сигналы задания по частоте и амплитуде и передает их преобразователю частоты. В соответствии с заданием преобразователь на выходе формирует частоту и напряжение, с помощью которых осуществляет управление АД.

Частотное управление применяется к приводу насосов, вентиляторов и других общепромышленных механизмов, к которым не предъявляется повышенные требования по статике и динамике. Как правило, диапазон регулирования по скорости не более 50, по частоте изменения скорости не более 10Гц [7] . Одним из недостатков U/f регулирования является ограничение на возможность работы при низких частотах. На Рис. 8 а) представлены механические характеристики, из которых видно, что снижении частоты питания в 10 раз двигатель останавливается при моменте нагрузки, значительно меньшем критического из-за ограничений

жесткости рабочей части механических характеристик, и функциональные схемы системы Ш регулирования: б) 1Я -компенсация, которую применяют для двигателей малой мощности в) скорость ротора рассчитывается косвенным путем. Использование обратной связи по скорости Рис. 7 расширяет диапазон регулирования скорости до 200 и позволяет при нулевых скоростях развить момент 1,5 ■ Мн.

Рис. 7. Структурная схема системы ПЧ-Ад с обратной связью по скорости.

в) г)

Рис. 8. а) Механические характеристики АД, б), в), г) Функциональные схемы Ш регулирования.

Системы с векторным управлением. Системы с векторным управлением применяются в электроприводе с повышенными статическими и динамическими

характеристикам регулирования выходных переменных и в случаях регулирования момента двигателя. В отличие от систем с частотным управлением рассматриваемые системы контролируют мгновенные значения переменных, а не модули. Используется принцип ориентации векторных переменных относительно друг друга. Широкое применение получила ориентация токов и напряжений относительно вектора потокосцепления ротора. Ориентация обеспечивает раздельное (независимое) управление моментом и потокосцеплением в динамических и статических режимах работы привода. В явном или в неявном виде присутствует контур регулирования электромагнитного момента двигателя. В первом случае реализуется принцип прямого управления моментом (DTC direct torque control). Соответствующие системы векторного управления именуются системами прямого управления моментом. В «традиционных» системах векторного управления с ориентацией тока статора по вектору потокосцепления ротора роль контура момента выполняет замкнутый контур активной составляющей тока статора. [7].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Гумилевский, Сергей Владимирович, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Д. Анисимов, Разработка и исследование пусковых устройств для высоковольтных электроприводов: автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.09.03 /Анисимов Дмитрий Михайлович. - Магнитогорск: Полиграфический участок ФГБОУ ВПО "МГТУ", 2012. - 18с.

С. Вешеневский, Характеристики двигателей в электроприводе /С.Н. Вешеневский. - 6-е. изд., исправленное - М.: Энергия, 1977. -432с.

В. Терехов, Системы уг.разлсл^ы ^лекгроириЕодов /В.М. Терехов. -2-е изд., стер.- Издательский центр "Академия", 2006. - 304с.

И. Браславский, Энергосберегающий асинхронный электропривод /И.Я. Браславский, З.Ш. Иш^^ой, З.Н. Поляков - М.: Издательский центр "Академия', 20С4. - 2: и

А. Тун, Наладка электрических глашин /А. Я. Тун - М.: Энергия, 1970. - 192с.

Е. Муриков, Исследование режима каскадного пуска асинхронного электропривода: дис. ... ¿апд. тгхь. наук: 05.09.03 / Муриков Егор Сергеевич. - Магнитогорск. ГОУ ВПО "Магнитогорский государственный технический универсиюг им Г.И. Носова", 2006. - 139с.

А. Виноградов, Векторное управление электроприводами перемен-

ного тока /А.Б. Виноградов - Иваново: ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», 2008.-298 с.

С. Герман-Галкин, Matlab & Simulink. Проектирование мехатрон-ных систем на ПК /С.Г. Герман-Галкин. - СПб.: "Корона.Век", 2011.-368с.

Г. Г. Соколовский, Электроприводы переменного тока с частотным регулированием, Москва: Академия, 2007, р. 272.

А. Вольдек, Электрические машины. Машины переменного тока: Учебник для вузов /А.И. Вольдек, В.В. Попов. - СПб.: Питер, 2008. - 350с.

А. Усольцев, Частотное управление асинхронными двигателями: учебное пособие, СПб: СПбГУ ИТМО, 2006, р. 94.

С. Герман-Галкин, Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в Matlab 6.0: учебное пособие /С.Г. Герман-Галкин -СПБ: КОРОНА принт, 2001. - 320с.

А. Каган, Математическое моделирование в электромеханике. ч.2: Письменные лекции /A.B. Каган. - СПб.: Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2002. - 73с.

Н. Ильинский, Общий курс электропривода: учеб. для вузов /Н.Ф. Ильинский, В.Ф. Козаченко В.Ф. - М:: Энергоатомиздат, 1992. -544с.

В. Степанов, Обоснование технологических и конструктивных параметров гидрофицированных крепей на основе обеспечения их надежности: дис. ... д-ра техн. наук: 05.05.06 /Степанов Владимир Михайлович. - Тула, 1994. - 557 с.

В. Трубицин, Надежность электрической части электростанций/ учебное пособие для вузов по направлению "Электроэнергетика" /В.И. Трубицин. - М.: МЭИ, 1993. - 111с.

Ю. Фокин, Вероятностные методы в расчетах надежности электрических систем/ учебное пособие для вузов /Ю.А. Фокин; под ред. Т.П. Харченко - М.: МЭИ, 1983. - 216с.

В. Ключев, Теория электропривода/ учебникдля вузов /В.И. Клю-чев. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 2001. - 704с.

С.-М. Ong, Dynamic simlation of electric machinery /Chee-Mun Ong: Prentice Hall, 1998. - 627c.

Ю. Архипцев, Асинхронные электродвигатели /Ю.Ф. Архипцев. -М.: Энергия, 1975. - 96с.

Ю. Борцов, Экспериментальное определение параметров и частотных характеристик автоматизированных электроприводов / Ю.А. Борцов, Г.В. Суворов, Ю.С. Шестаков: Энергия, 1969. - 104с.

С. Гумилевский, V-международная школа-семинар Энергосбережение теория и практика /C.B. Гумилевский, Т.Ю. Чернова М.: Издательский Дом МЭИ, 2010. с. 60-61.

Ю. Розанов, Силовая электроника/ учебник для вузов /Ю.К. Розанов, М.В. Рябчицкий, A.A. Кваснюк - 2-е изд., стереотипное - М.: Издательский дом МЭИ, 2009. - 632с.

А. Куско, Сети электроснабжения. Методы и средства обеспечения качества энергии /Куско А., Томпсон М.: пер. с англ. Рабодзея А.Н. - М.: Додэка-ХХ1, 2010. - 336с.

А. Белов, Самоучитель разработчика устройств на микроконтроллерах AVR /A.B. Белов - 2-е изд., перераб и доп. - СПб.: Наука и Техника, 2010. - 528с.

Д. Гадре, Занимательные проекты на базе микроконтроллеров tinyAVR /Дхананья Гадре, Нигул Мэлхотра: Пер. с анл. - СПб: БХВ-Петербург, 2012. - 352с.

Ю. Ревич, Практическое программирование микроконтроллеров Atmel AVR на языке ассемблера /Ю.В. Ревич - 2-е изд., испр. -СПб.: БХВ-Петербург, 2011. - 352с.

A. Крюков, Управляемая поперечная компенсация электропередачи переменного тока /A.A. Крюков, Н.С. Либкинд, В.М. Сорокин - М.: Энергоатомиздат, 1981.

М. Либкинд, Управляемый реактор для линий передач переменного тока /М.С. Либкинд. - М.: АН СССР, 1961.

B. Москаленко, Системы автоматизированного управления электропривода/В.В.Москаленко. - М.: Инфра-М, 2007. - 208.

Л. Лимонов, К вопросу о жесткости механической характеристики электродвигателя /Л.Г. Лимонов//"Электротехнические и компьютерные системы" - Харьков : , №3(79) 2011. - с.493-495.

А. Симановский, Типы регуляторов. Методика настройки регуляторов /А.Ю. Симановский. - Ивано-Франковск: Коллективное предприятие МИКРОЛ, 2011. - 63с, р. 16.

C. Ковчин, Теории электропривода /С.А. Ковчин, Ю.А. Сабинин. -СПб.: Энергоатомиздат., 1994. - 496с.

В. Козаченко, Основные тенденции развития встроенных систем управления двигателями и требования к микроконтроллерам / В.Ф. Козаченко. : //CHIP NEWS, №1 1999. - с2-9.

A. Анучин, Встраиваемые высокопроизводительные цифровые системы управления. Практический курс разработки и отладки программного обеспечения сигнальных микроконтроллеров TMS320x28xxx в интегрированной среде Code Composer Studio: учебное пособие /A.C. Анучин, Д.И. Алямкин, A.B. Дроздов ; под общей ред. В.Ф. Козаченко. - М.: Издательский дом МЭИ, 2010. -270 с.

B. Мелешин, Управление транзисторными преобразователями электроэнергии /Д.А. Овчинников, В.И. Мелешин. - М.: Техносфера, 2011. - 576 с.

В. Стрейц, Метод пространства состояний /В. Стрейц; пер. с анг. под ред. Я.З. Цыпкина - М.: Наука, 1985. - 296 с.

В. Мелешин, Транзисторная преобразовательная техника /В.И. Мелешин. - М.: Техносфера, 2006. - 632 с, р. 576.

А. Башарин, Упраление электроприводами: учебное пособие для вузов /A.B. Башарин, В.А. Новиков, Г.Г. Соколовский. - Д.: Энер-гоиздат, 1982. - 392 с, р. 392.

H. Ушакова, Метод симметричных составляющих: методические указания к самостоятельному изучению раздела курса ТОЭ и к выполнению расчетно-графического задания /Н.Ю.Ушакова, JI.В .Быковская - Оренбург: Оренбургский гос. ун-т., 2010. - 59 с.

М. Гальперин, Электротехника и электроника /М.В. Гальперин. -М.: ФОРУМ-ИНФРА-М, 2007. - 480 с.

A. Fitzgerald, Electric Machinery, Sixth Edition /А.Е. Fitzgerald, Charles kingsley, Jr, Stephen D.Umans: Mc-Graw-Hill, 2003. - 704 c.

E. Григорьев, Дополнение к IV уравнению Максвелла и закону Ампера (полного тока). Логика, расчет, эксперимент [электронный ресурс] /Е.А. Григорьев, Режим доступа:

http://thermonuclear.narod.ru/max_r.html.

О. Гольдберг, Электромеханика: учебник для студ. высш. учеб. заведений /О.Д. Гольдберг, С.П. Хелемская; под ред. О.Г. Гольдберга - М.: Издательский центр "Академия", 2007. - 512 с.

B. Сорокин, Управляемый реактор в схеме индуктивного делителя напряжения /В.М. Сорокин, Н.Г. Вуколова//Техническая электродинамика: , №2 1982.

Г. Гудвин, Проектирование систем управления /Т.К. Гудвин,

C.Ф.Гребе, М.Э. Сальгадо - М.: БИНОМ. Лаборатория знания, 2012. -911с.

[47] Б. Андриевский, Избранные главы теории автоматического управления с примерами на языке Matlab /Б.Р. Андриевский, A.J1. Фрад-ков - СПб.: Наука, 2000. - 475 с.

[48] Б. Андриевский, Теоретические основы автоматизированного управления: конспект лекций /Б.Р. Андриевский - СПб.: Балтийский государственный технический университет (БГТУ) «Воен-мех», 2008. - 230 с.

[49] м. Ташлицкий, Разработка способов экспериментального определения параметров и механических характеристик асинхронных двигателей: дис. ... канд. техн. наук: 05.09.03 /Ташлицкий Максим Михайлович. - М.: МЭИ, 2005. - 167 с.

[50] С. Соколов, Управляемые реакторы. Обзор технологий /С.Е. Соколов, A.M. Брянцев//Новости Электротехники, 2012. - №3. - с. 18-22.

[51] R. Prusty, A direct piecewise linearized approach to convert rms saturation characteristic to instantaneous saturation curve /R.Prusty, M.V.S. Rao// IEEE TRASACTIONS ON MAGNETICS: , 1980. - January.

[52] А. Брянцев, Подмагничиваемые ферромагнитные устройства с предельным насыщением участков магнитной системы /A.M. Брян-цев//Электричество:, 1982. - Февраль.

[53] В. Шубенко, Тиристорный асинхронный электропривод с фазовым

управлением /В.А. Шубенко, И.Я. Браславский - М.: Энергия, 1972.

- 200с.

JI. Дорожко, Устройство автоматической компенсации емкостных токов в промышленных сетях 35кВ /Л.И. Дорожко, J1.JI. Федосов,В.М. Божко// Промышленная энергетика:, 1983. - Апрель.

В. Елисеева, Справочник по автоматизированному электроприводу /Под ред. В.А. Елисеева и A.B. Шинянского - М.: Энергоатомиздат, 1983. -616 с.

Е. Забудский, Совмещенные регулируемые электромагнитные реакторы: монография /Е.И. Забудский. - М.: ФГОУ ВПО "Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Го-

рячкина", 2003.-436с. *

М. Белов, Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов /М.П. Белов, В.А. Новиков, JI.H. Рассудов. - 3-е изд., испр. - М.: Издательский центр "Академия", 2007. - 576 е..

Р. Шрейнер, Математическое моделирование электроприводов с полупроводниковыми преобразователями частоты /Р.Т. Шрейнер. -Екатеринбург: УРО РАН, 2000. - 654 с.

Г. Михеев, Цифровая диагностика высоковольтного элктрообору-дования / Г.М. Михеев - М.: Издателький дом "Додэка-XXI", 2008.

- 304 с.

[60] т. Панюкова, Численные методы: учебное пособие /Т.А. Панюкова - М: Книжный дом "ЛИБРОКОМ", 2010. - 224 с.

[61] Р. Дорф, Современные системы управления / Р. Дорф, Р. Бишоп; Пер. с англ. Б.И. Копылова. - М.: Лаборатория Базовых Знаний,

2011.- 832 е.. -

[62] н. Дрейпер, Прикладной регрессионный анализ /Норман Р.Дрейпер, Гарри Смит; пер. с англ. - 3-е изд. - М.: Издательский дом "Вильяме", 2007. - 912 с.

[63] А. Солонина, Цифровая обработка сигналов. Моделирование в Simulink: учебное пособие /А.И. Солонина. - СПб.: БХВ-Петербург,

2012.-432 с.

[64] Б. Семенов, Силовая электроника: профессиональные решения /Б.Ю. Семенов - М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. - 416с.

[65] Д. Per, Промышленная электроника / Джеймс A. Per, Гленн Дж. Сартори - М.: ДМК Пресс, 2011. - 1136 с.

[66] Е. Александров, Микропроцессорные системы: учебное пособие для вузов /Е.К. Александров, Р.И. Грушвицкий, М.С. Куприянов, O.E. Мартынов, Д.И. Панфилов, Т.В. Ремизевич, Ю.С. Татаринов, Е.П. Угрюмов, И.И. Шагурин; Под общей ред. Д.В. Пузанкова. -

СПб.: Политехника, 2002. - 935 с.

[67] А. Марченко, Основы электроники: учебное пособие для вузов /А.Л. Марченко - М.: ДМК Пресс, 2008. - 296 с.

[68] н. Смоленцев, MATLAB: программирование на Visual С Sharp, Borland JBuilder, VBA /Н. Смоленцев - M.: ДМК Пресс, 2009. - 464 с .

[69] С. Герман-Галкин, Силовая электроника: Лабораторные на ПК /Герман-Галкин, С.Г. - СПб.: КОРОНА принт, 2007. - 256 с.

[70] Б. Бэйкер, Что нужно знать цифровому инженеру об аналоговой электронике /Бэйкер, Бонни; пер. с англ. Ю.С. Магды - М.: Додэка-XXI, 2010.-360 с.

[71] П. Хромоин, Электротехнические измерения: учебное пособие /П.К. Хромоин. - М.: ФОРУМ, 2008. - 288 с.

[72] Б. Картер, Операционные усилители для всех /Брюс Картер, Рон Манчини;пер.с англ. А.Н.Рабодзея. - М.: Додэка-ХХ1, 2011. - 544 с.

[73] Д. Каплан, Практические основы аналоговых и цифровых схем / Д. Каплан, К. Уайт: Техносфера, 2006. - 176 с.

[74] у. Кестер, Проектирование систем цифровой и смешанной обра-

ботки сигналов / Под ред. Уолта Кестера - М.: Техносфера, 2011. -328 с.

[75] л. Ричард, Цифровая обработка сигналов /Ричард Лайнос - 2-е изд.; пер. с англ. A.A. Бритова - М.: Бином-Пресс, 2011. 656 с.

[76] М. Хофманн, Микроконтроллеры для начинающих / М. Хофманн; пер. с нем. - СПб.: БХВ-Петербург, 2010. - 304 с.

[77] С. Рамма Редди, Основы силовой электроники / С. Рамма Редди; пер. с англ. - М.: Техносфера, 2006. - 288 с.

[78] т. Ратхор, Цифровые измерения. АЦП / ЦАП /Т.С. Ратхор. - М.:

Техносфера, 2006. - 392 с.

i

[79] д. Крекрафт, Аналоговая электроника. Схемы, системы, обработка сигнала. /Д.Крекрафт, С. Джерджли - М.: Техносфера, 2005. - 360 с.

[80] Управляемые электрические реакторы, М.: "Электротехника", 2003. - Январь.

[81] Управляемые реакторы, М.: Энергоатомиздат, "Электротехника", 1991. - Февраль.

АКТ

внедрения результатов диссертационной работы Гумилевского Сер1ея Владимировича «Повышение эффективности функционирования электротехнических устройств с управляемым реактором для мощных асинхронных элекфоприводов».

Методика определения рациональных режимных параметров, условий реализуемости и установления параметрического ряда электротехнических систем «асинхронный двигатель - управляемый реактор» и регулятор тока на микроконтроллере ДУВ. приняты к внедрению

Г-/'

/

I

I |

Начальник электролаборатории / __\ Шадрин А.Н.

'ЖДАЮ чебной работе С.А. Руднев 2013 г.

АКТ

внедрения в учебный процесс кафедры электроэнергетики результатов диссертации Гумилевского Сергея Владимировича на тему «Повышение эффективности функционирования электротехнических устройств с управляемым реактором для мощных асинхронных электроприводов»

Мы. нижеподписавшиеся, комиссия в составе председателя - заведующего кафедрой электроэнергетики, д-ра техн. наук, проф. В.М. Степанова и членов: доцента кафедры электроэнергетики канд. техн. наук, доц. Ю.И. Горелова, доцента кафедры электроэнергетики канд. техн. наук, доц. Н.М. Меркулова удостоверяем, что результаты диссертационного исследования Гумилевского Сергея Владимировича, а именно, методика определения рациональных режимных параметров, условий реализуемости и установления их параметрического ряда электротехнических систем «асинхронный двигатель - управляемый реактор» для повышения надежности и эффективности функционирования внедрены в учебный процесс кафедры при разработке методических рекомендаций и курсов лекций по дисциплинам: "Специальные главы электропривода", "Энергетика электропривода" и "Специальные виды электроприводов" для студентов ТулГУ, обучающихся по направлению 140400 Электроэнергетика и электротехника.

Председатель:

Зав. кафедрой электроэнергетики, д-р техн. наук, проф.

Члены комиссии:

Доцент кафедры электроэнергетики, канд. техн. наук, доц.

Доцент кафедры электроэнергетики, канд. техн. наук, доц.

В.М. Степанов

Ю.И. Горелов Н.М. Меркулов

^ШШЙШШ ФВД11РА1РШ

ттшшт

кшйш:

Ш

IU ПОЛ* Ш\К) МО 1ЫЬ

№ 129724

ПУСКОВОЕ УСТРОЙСТВО ТРЕХФАЗНОГО ВЫСОКОВОЛЫ НОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

11ате» гообтад<п еть(ли) Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульскийгосударственный университет" (ТулГУ) (RU)

Лтор(ы) см. на обороте

Заявка Ш 2012153481 \\ "" ~ ~ Приоритет полезной мо ie ш 11 декабря 2012 г.

.Зарегистрировано в Гос\ адрственном реестре нотелшх чодечш Poet ипскои Федерации 27 июня 2013 г. Срок чистина п<пенга истекае! 11 декабря 2022 i.

Руководитель Федеральной службы по интеллектуальной собственности

К 11 Симонов

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

(19)

ш

(11)

1297241131 и!

(51) МГЖ

Н02Р1/00 (2006 01)

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ, ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ

(12' ПАТЕНТ НА ПОЛЕЗНУЮ МОДЕЛЬ

Статус по данным на 0 /11 2013 - действует Тошги я у'^-ена за ! год о 11 I? ХИ.' по 11 ¡? X П

(21), (22) Заявка. 2012153481/07,11.12.2012

(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 11.12.2012

Приоритеты):

(22) Дата подачи заявки: 11.12.20t2

(45) Опубликовано' 27.06.2013

Адрес для переписки

300600, г.Тула, пр. Ленина, 92, ФГБОУ ВПО '"Тульский государственный университет" (ТулГУ), патентно-лицензионный отдел

(72) Автор(ы):

Степанов Владимир Михайлович (№), Гумилевский Сергей Владимирович (ГШ)

(73) Патентообладатель^):

Федеральное государственное бюджетное образовательноеучреждение высшего профессионального образования 'Тульский государственный университет" (ТулГУ) (РШ)

(54) ПУСКОВОЕ УСТРОЙСТВО ТРЕХФАЗНОГО ВЫСОКОВОЛЬТНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Формула полезной модели Пусковое устройство трехфазного высоковольтного асинхронного двигателя, содержащее асинхронный двигатель, состоящий из статора со статорной обмоткой, трехфазный трансформатор с двумя обмотками, тиристорный коммутатор и вводное устройство, отличающееся тем, что трансформатор выполнен трехобмоточным, вводное устройство электрически соединено с двигателем, с питающей сетью и -трехфазным трехобмоточным трансформатором через первую трехфазную обмотку, вторая трехфазная обмотка соединена с парами встречно включенных вентилей тиристорного коммутатора, при этом вентили соединены по схеме треугольник дополнительно введены батарея конденсаторов, соединенная с сетью, и фильтрокомпенсирующее устройство, содержащее отдельные пары 1С цепочек, которые соединены с трехфазной третьей обмоткой трехфазного трехобмоточного трансформатора

Стр 1

Стр 2