Повышение энергоэффективности работы систем частотного асинхронного электропривода металлургических транспортных механизмов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Данилов Владимир Владимирович

• Данилов Владимир Владимирович
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Данилов Владимир Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР ОСНОВНЫХ ТИПОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ТРАНСПОРТИРОВКИ МЕТАЛЛА ПРОКАТНОГО МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА И ПРИМЕНЯЕМЫХ СТРУКТУР УПРАВЛЕНИЯ

1.1 Общие сведения о работе электроприводов транспортировки металла прокатного металлургического производства

1.2 Обзор разработок в области частотного асинхронного электропривода с оптимизацией взаимного положения моментообразующих векторов переменных двигателя

1.3 Построение систем частотного асинхронного электропривода с

наблюдателями неизмеряемых переменных

Выводы

2 ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПОМОЩЬЮ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

2.1 Математическое описание асинхронного двигателя с помощью уравнений

2.2 Математическое описание асинхронного двигателя с помощью структурных схем

2.3 Коррекция сигналов управления, подаваемых в структурную схему асинхронного двигателя

2.4 Анализ влияния относительного скольжения на энергетические показатели

работы асинхронного двигателя

Выводы

3 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ ЧАСТОТНОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ОПТИМАЛЬНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО МОМЕНТА

3.1 Анализ частотного асинхронного электропривода с векторным управлением с точки зрения возможности повышения энергоэффективности

3.2 Повышение энергоэффективности асинхронного электропривода с векторным управлением за счет регулирования продольной составляющей тока статора

3.3 Снижение амплитуды колебаний электромагнитного момента асинхронного двигателя при скалярном частотном управлении

3.4 Системы частотного асинхронного электропривода со скалярным

управлением с корректирующими устройствами

Выводы

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА СО СКАЛЯРНЫМ И ВЕКТОРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ НА СТЕНДЕ И МЕХАНИЗМАХ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОКАТНОГО ПРОИЗВОДСТВА

4.1 Экспериментальные исследования наличия оптимальной разности между скоростями вращения поля статора и ротора в системе частотного асинхронного электропривода

4.2 Экспериментальные исследования наличия оптимального угла между векторами тока статора и тока намагничивания в системе частотного асинхронного электропривода со скалярным управлением

4.3 Экспериментальные исследования наличия оптимального соотношения между векторами поперечной и продольной составляющих тока статора в системе частотного асинхронного электропривода с векторным управлением

4.4 Экспериментальные исследования работы частотного асинхронного

электропривода цепного конвейера

Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ПРИЛОЖЕНИЕ А. СИСТЕМЫ ЧАСТОТНОГО АСИНХРОННОГО

ЭЛЕКТРОПРИВОДА С БЛОКАМИ КОРРЕКЦИИ СИГНАЛОВ ЗАДАНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ В. ПРАВИЛО ДЛЯ НЕКАСАЮЩИХСЯ КОНТУРОВ

(ТЕОРЕМА МЕЙСОНА)

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. МЕТОДИКА РАСЧЕТА УГЛА МЕЖДУ ВЕКТОРАМИ

^ И

ПРИЛОЖЕНИЕ Д. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД

ПРИЛОЖЕНИЕ Е. РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМА ПОДДЕРЖАНИЯ УГЛА МЕЖДУ ВЕКТОРАМИ ТОКА СТАТОРА И ТОКА НАМАГНИЧИВАНИЯ НА

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОМ СТЕНДЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж. ГРАФИКИ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ЦЕПНОГО КОНВЕЙЕРА, ПОЛУЧЕННЫЕ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ПУТЕМ

ПРИЛОЖЕИЕ З. ОБЪЕКТЫ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ

ПРИЛОЖЕНИЕ И. АКТ ВНЕДРЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение энергоэффективности работы систем частотного асинхронного электропривода металлургических транспортных механизмов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. На металлургических предприятиях непрерывные процессы, связанные с транспортировкой вырабатываемого металлопроката, обслуживаются агрегатами, в основном оснащенными частотно-регулируемыми асинхронными электроприводами с векторным и скалярным управлением, работающими в интенсивном повторно-кратковременном режиме с частыми пуско-тормозными режимами с ПВ% до 60%, а также с возможной редкой более высокой нагрузкой. Высокие требования в отношении работоспособности металлургического транспортного оборудования, работающего в этих условиях, определяют применение асинхронных двигателей, мощность которых оказывается несколько завышенной при условиях нормальной работы. Кратность пускового момента в основном не превышает значения К=1.2, а статический момент двигателя составляет около 30% от номинального значения. Энергетические показатели и динамические свойства применяемых типовых систем частотного асинхронного электропривода с векторным и скалярным управлением могут быть улучшены путем использования систем коррекции. При построении систем коррекции необходимо, сохраняя подход к минимизации количества используемых датчиков, использовать возможности идентификации недоступных для измерения переменных с помощью наблюдателей, осуществляющих требуемые расчеты на основании математических моделей, устанавливающих связи между переменными двигателя. Несмотря на значительный объем выполненных исследований в области асинхронных электроприводов с системами коррекции, использующими наблюдатели переменных двигателя, их практическое использование в металлургическом производстве остается достаточно ограниченным. Поэтому сохраняется актуальность решения задач, связанных с разработкой и исследованием новых систем частотного скалярного и векторного управления с дополнительными корректирующими устройствами, улучшающими энергетические и динамические характеристики электроприводов переменного тока с асинхронными двигателями.

Работа выполнена при поддержке гранта фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере «У.М.Н.И.К.».

Объект и предмет исследования. Объектом являются системы частотного асинхронного электропривода металлургических транспортных механизмов с векторным и скалярным управлением. Предметом исследования являются системы коррекции динамических и энергетических характеристик асинхронных электроприводов с векторным и скалярным управлением.

Цель работы. Повышение энергоэффективности и улучшение динамических свойств систем частотного асинхронного электропривода с векторным и скалярным управлением, применяемых на металлургических транспортных механизмах, за счет использования, блоков коррекции, вырабатывающих корректирующие сигналы на основе идентификации переменных двигателя, недоступных для измерения.

Идея работы заключается в создании асинхронных электроприводов металлургических транспортных механизмов с векторным и скалярным управлением с применением систем коррекции сигналов задания намагничивающей составляющей тока статора или амплитуды и частоты питающего напряжения, действие которых направлено на улучшение энергетических характеристик электроприводов, за счет оптимизации взаимного положения векторов переменных, формирующих момент асинхронного двигателя, и динамических характеристик за счет использования наблюдателя момента.

Задачи диссертационной работы:

- анализ систем частотного управления асинхронными электроприводами, применяемых на механизмах транспортировки металла, и выбор наилучших вариантов, допускающих возможность применения корректирующих средств, улучшающих пусковые характеристики и энергетические показатели;

- исследование методами структурного анализа и компьютерного моделирования возможности повышения устойчивости асинхронного двигателя в системах электропривода с частотным регулированием путем применения корректирующих средств;

- разработка и исследование асинхронного электропривода с векторным управлением с улучшенными энергетическими характеристиками, анализ и синтез наиболее эффективно действующих корректирующих средств;

- разработка и исследование системы асинхронного электропривода со скалярным управлением с улучшенными динамическими свойствами, достигаемыми за счет применения коррекции задающих сигналов, на основе идентификации электромагнитного момента двигателя и определения отклонения частот вращения ротора и поля статора;

- разработка системы коррекции асинхронного электропривода со скалярным управлением для повышения энергоэффективности в установившемся режиме работы.

Научная новизна работы:

- установлено, что наименьшее отношение переменных «ток статора / момент» достигаемое в системе частотного управления, поддерживающей угол ф^ между векторами тока статора и потокосцепления ротора ненасыщенного двигателя на уровне 450, может быть обеспечено за счет поддержания системой управления оптимального значения Дю - отклонения угловой скорости ротора от скорости вращения поля статора ненасыщенного двигателя, которое должно быть обратно пропорциональным постоянной времени обмотки ротора двигателя, а при насыщенной магнитной цепи двигателя намагничивающая составляющая тока статора должна поддерживаться на постоянном уровне, при этом угол ф^ и отклонение скоростей Дю должны возрастать по мере увеличения тока статора;

- установлено, что в системе асинхронного электропривода со скалярным управлением для подавления колебаний электромагнитного момента целесообразно использовать систему коррекции, отличающуюся одновременной подачей корректирующих сигналов по двум каналам, регулирующим амплитуду и частоту питающего двигатель напряжения, при этом сигналы коррекции определяются на основе идентификации электромагнитного момента и измерения скорости двигателя;

- доказано, что в системе векторного управления асинхронным электроприводом для достижения минимума отношения «ток статора / момент двигателя» в установившемся режиме при неполной статической нагрузке двигателя необходимо использовать системы коррекции, отличающиеся выработкой

корректирующего воздействия, влияющего на задающий сигнал намагничивающей составляющей тока статора, причем корректирующий сигнал можно определить на основе идентификации тангенса угла между векторами тока статора и потокосцепления ротора, а также на основе сравнения измеренных значений продольной и поперечной составляющих вектора тока статора.

Обоснованность и достоверность результатов исследования подтверждается выполненными сопоставлениями данных, полученных при аналитических исследованиях, компьютерном моделировании, с данными, полученными экспериментальным путем, а также определяется отсутствием противоречий с положениями теории электропривода и теории автоматического управления.

Теоретическая значимость работы:

- в разработке принципов параллельной коррекции систем асинхронного электропривода с векторным и скалярным управлением, для обеспечения лучших энергетических характеристик, динамических показателей и стабилизации пускового момента двигателя, путем корректирующего воздействия на сигналы задания намагничивающей составляющей тока статора или амплитуды и частоты напряжения статора, с выработкой сигналов коррекции, определяемых в результате наблюдения за углом между векторами тока статора и основного потокосцепления или потокосцепления ротора, а также идентификации значения электромагнитного момента двигателя;

- в обеспечении лучшей энергоэффективности асинхронного электропривода с векторным управлением за счет применения корректирующего устройства, реализующего выравнивание намагничивающей и активной проекций вектора тока статора на оси прямоугольной системы координат

- в обеспечении лучших динамических свойств и повышении энергоэффективности асинхронного электропривода со скалярным управлением за счет применения корректирующих устройств.

Практическая значимость работы. Разработаны системы асинхронного электропривода с векторным и скалярным управлением, в которых в

установившемся режиме работы снижено в среднем на 5% отношение «ток статора / момент» двигателя.

Улучшены динамические свойства системы частотного асинхронного электропривода со скалярным управлением, что делает ее конкурентоспособной системам частотного асинхронного электропривода с векторным управлением.

Реализация результатов работы. Диссертация выполнена в ФГБОУ ВО «Липецкий государственный технический университет» (ЛГТУ). Результаты, полученные в диссертационной работе, внедрены на ООО «Промэлектроника» г. Липецк.

Научные результаты, выносимые на защиту:

- структурные схемы АД, имеющие наглядный и удобный вид для выполнения структурных преобразований, результаты их анализа, имитационные модели и результаты компьютерного моделирования разработанных систем асинхронного электропривода с векторным и скалярным управлением;

- основные закономерности и графики, характеризующие работу векторной системы асинхронного электропривода с корректирующими устройствами, реализующими новые расчетные алгоритмы при коррекции задающих сигналов, изменяющиеся в зависимости от степени насыщения магнитной цепи двигателя, полученные в результате аналитических исследований, компьютерного моделирования и подтвержденные на экспериментальной установке;

- основные закономерности и графики, характеризующие работу скалярной системы асинхронного электропривода с корректирующими устройствами, включающими наблюдатели недоступных для измерения переменных, полученные в результате аналитических исследований, компьютерного моделирования и подтвержденные на экспериментальной установке;

- результаты экспериментальных исследований оптимальных режимов работы систем асинхронного частотного электропривода со скалярным и векторным управлением на опытном стенде, подтверждающие результативность использования систем коррекции управляющих воздействий для повышения энергоэффективности электроприводов;

- результаты экспериментальных исследований и анализа работы частотного асинхронного электропривода с векторным управлением конвейерного механизма транспортировки металла, содержащего цепную передачу, с циклически изменяющимся моментом на валу приводного двигателя, доказывающие эффективность применения предложенной системы коррекции намагничивающей составляющей тока статора;

- новые схемные и алгоритмические решения для реализации предложенных систем коррекции, позволяющих повысить энергоэффективность асинхронных электроприводов и улучшить их динамические свойства.

Соответствие диссертации Паспорту научной специальности. Диссертация соответствует следующим пунктам Паспорта научной специальности:

1. Развитие общей теории электротехнических комплексов и систем, изучение системных свойств и связей, физическое, математическое, имитационное и компьютерное моделирование компонентов электротехнических комплексов и систем.

2. Разработка структурный и параметрический синтез электротехнических комплексов и систем, их оптимизация, а также разработка алгоритмов эффективного управления.

3. Исследование работоспособности и качества функционирования электротехнических комплексов и систем в различных режимах, при разнообразных внешних воздействиях.

Методология и методы диссертационного исследования. В диссертационной работе поставленные задачи решались с использованием основ теории электропривода, методов теории автоматического управления, имитационного моделирования нелинейных систем с применением пакетов прикладных программ, методов экспериментального подтверждения. Решение уравнений при компьютерном моделировании осуществлялось численными методами в программной оболочке Ма1ЬАВ^ти1тк.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее результаты представлялись и обсуждались на: 5-й Международной научно-

практической конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии». Липецк: ЛГТУ, 2012 г.; 12-й Международной научно-практической конференции «Современные сложные системы управления». Липецк. 2017 г.; 24-й Международной научно-технической конференции "Информационные системы и технологии" Нижний Новгород 2018 г.; 20-й Международный научно-промышленный форум «Великие реки». Нижний Новгород 2018 г.; 5-й Международной научно-технической конференции студентов, молодых учёных и специалистов «Энергосбережение и эффективность в технических системах». Тамбов. 2018 г., 1-й Международной научно-практической конференции «Инфокоммуникационные и интеллектуальные технологии на транспорте». Липецк. 2018 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, из них 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, 3 статьи в других изданиях, 8 докладов на конференциях, 2 патента на полезную модель.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и 9 приложений. Общий объём диссертации - 182 страницы, в том числе 144 страницы основного текста, 47 рисунков, 19 таблиц, список литературы из 115 наименований.

1. ОБЗОР ОСНОВНЫХ ТИПОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ТРАНСПОРТИРОВКИ МЕТАЛЛА ПРОКАТНОГО МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА И ПРИМЕНЯЕМЫХ СТРУКТУР УПРАВЛЕНИЯ

1.1 Общие сведения о работе электроприводов транспортировки металла прокатного металлургического производства

В металлургическом производстве для обеспечения работы большинства основных агрегатов используются разнообразные роликовые, также называемые рольгангами, и цепные конвейеры. Рольганги предназначены для транспортировки заготовок и готовых изделий, например, слябов, и стальной полосы в процессе прокатки. Они содержат группы роликов, приводимых во вращение индивидуальными двигателями или групповыми электроприводами, входящими в состав электроприводного комплекса [1-6]. Цепные конвейеры используются для транспортировки рулонов после их прокатки. Металл перемещается при помощи двух и более веток цепей. Для поддержания цепей по всей длине конвейера применяются ролики. Цепи приводятся в движение звездочками. В зависимости от конструктивного исполнения каждая из звездочек может иметь свой независимый электропривод, либо звездочки могут быть жестко соединены между собой валом и приводиться в движение общим электроприводом. В зависимости от технологических требований электропривод цепных и роликовых конвейеров может быть реверсивным или нереверсивным, по типу напряжения питания двигателя - постоянного и переменного тока.

В зависимости от технологического назначения металлургические агрегаты могут быть оснащены несколькими рольгангами, например, на стане горячей прокатки 2000 ПАО «НЛМК» используются печной, приемный и отводящий рольганги. На стане горячей прокатки отводящий рольганг представляет собой участок пути, по которому движется полоса в процессе прокатки от последней чистовой клети №12 до группы моталок. В процессе транспортировки полосы отводящим рольгангом с помощью душирующей установки формируются необходимые физическо-механические свойства полосы металла за счет

поддержания оптимального температурного режима при охлаждении полосы водой от более высокой температуры прокатки (760-900°С) до более низкой температуры, допустимой для смотки (540-720°С). Отводящий рольганг состоит из пяти секций. Общее количество роликов в секции от 100 до 115 штук. Общее количество роликов отводящего рольганга - 556 штук. Каждый ролик имеет индивидуальный привод, редуктор отсутствует. Задание на скорость секций устанавливается с помощью опережения, общего для всех секций рольганга, плюс индивидуально для каждой секции и общего замедления для всех секций.

После смотки прокатанной полосы в рулон он поступает на отводящий цепной конвейер, который транспортирует его до подъёмно-поворотного стола. Подъёмно-поворотные столы в металлургическом прокатном производстве используются для изменения направления движения рулона по конвейеру и представляют собой крестовину с четырьмя седлами для рулонов. Подъёмно-поворотный стол имеет гидравлический привод механизма подъёма и электрический привод механизма вращения.

В зависимости от сортамента и толщины прокатываемого металла горячекатаные рулоны посредством цепных конвейеров поступают в отделение листоотделки цеха горячего проката либо на склад рулонов цеха холодного проката для остывания и дальнейшей обработки.

Схема расположения технологического оборудования выходной зоны стана горячей прокатки 2000 ПАО «НЛМК» приведена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Схема расположения технологического оборудования выходной зоны стана горячей прокатки 2000 ПАО «НЛМК».

В настоящее время на металлургических предприятиях, основные производственные мощности которых были введены в эксплуатацию в 70-х - 90-х годах 20 века, активно ведется работа по модернизации электроприводов механизмов транспортировки металла. Действующие системы индивидуального и группового электропривода постоянного тока с управлением от тиристорных преобразователей серии АТР меняются на системы индивидуального частотно -регулируемого асинхронного электропривода. Так, на стане горячей прокатки 2000 ПАО «НЛМК» произведены замена групповых электроприводов постоянного тока секций 1, 4, 5 отводящего рольганга на индивидуальные электроприводы переменного тока с управлением от частотных преобразователей SIEMENS Sinamics S120, замена индивидуальных электроприводов постоянного тока цепных конвейеров и подъемно-поворотного стола склада рулонов цеха холодного проката на электроприводы переменного тока с управлением от частотных преобразователей SIEMENS Sinamics G120. Ведется работа по замене групповых электроприводов постоянного тока печного рольганга на индивидуальные электроприводы переменного тока.

К системам электропривода рольгангов предъявляются требования регулирования частоты вращения в заданном диапазоне, поддержания заданной частоты вращения, в том числе, при изменении статического момента на валу двигателя и приведенного момента инерции. Требования к точности поддержания скорости электропривода особенно высоки на отходящих рольгангах стана горячего проката, транспортирующих горячую полосу для последующей намотки.

При транспортировке заготовок и полуфабрикатов, например, слябов, требования к точности поддержания скорости электропривода не такие высокие, однако, во многих случаях электропривод должен быть реверсивным.

Большинство применяемых на металлургических механизмах транспортировки металла систем асинхронного электропривода оснащены датчиком скорости, устанавливаемым на валу двигателя.

В качестве закона управления для частотно-регулируемых асинхронных электроприводов роликов отводящего рольганга используется скалярная система

с линейной характеристикой U/f=const. Это обусловлено рядом технологических условий, таких как неравномерное прилегание полосы по длине секции, как следствие неравномерное распределение нагрузки между роликами, невозможность учета изгиба полосы и учета погрешности в горизонтали при установке роликов.

К системам электропривода цепных конвейеров предъявляются требования регулирования частоты вращения в заданном диапазоне, поддержания заданной частоты вращения, в том числе, при изменении статического момента на валу двигателя и приведенного момента инерции. Для конвейеров с индивидуальным приводом звездочек предъявляются высокие требования к синхронизации скорости вращения веток цепей. В случае рассинхронизации скоростей происходит смещение транспортируемого рулона с последующим падением. Для конвейеров с жестко соединёнными звездочками требования к поддержанию заданной скорости невысоки. Дополнительные ограничения на точность поддержания скорости цепных конвейеров накладывают механические особенности конструкции. Цепь состоит из массивных металлических звеньев, которые при перемещении по звездочке в месте изгиба создают пульсации момента, достигающие ±40% от статического момента и приводящие к низкочастотным натяжениям и ослаблениям веток цепи, как следствие пульсациям скорости.

В качестве закона управления частотно-регулируемых асинхронных электроприводов цепных конвейеров склада рулонов цеха холодного проката используется векторный бездатчиковый закон регулирования с ориентацией по вектору потокосцепления ротора. Это обусловлено необходимостью обеспечения и поддержания высокого пускового момента и шаговым режимом работы конвейера.

К системам электропривода вращения подъемно-поворотных столов предъявляются требования регулирования положения, частоты вращения в заданном диапазоне, поддержания заданной частоты вращения, в том числе, при изменении статического момента на валу двигателя и приведенного момента

инерции. Высокие требования к точности регулирования положения и поддержания скорости электропривода обусловлены необходимостью снижения процента травмирования при посадке и снятии рулона, а также обеспечения производительности отгрузки.

В качестве закона управления частотно-регулируемого асинхронного электропривода поворота подъемно-поворотного стола цеха холодного проката используется векторный закон регулирования с ориентацией по вектору потокосцепления ротора и датчиком скорости. Это обусловлено необходимостью поддержания скорости во всем диапазоне регулирования, включая область низких частот. Для обеспечения точности регулирования положения электропривод дополнительно оснащается датчиком абсолютного положения.

Статические механические характеристики электропривода, необходимые для работы рольганга, показаны на рисунке 1.2. Диапазон регулирования скорости выбирается в зависимости от технологических режимов. На рисунке 1.2 показана одна регулировочная характеристика 3, регулировочных характеристик может быть несколько.

Для обеспечения высокой точности поддержания скорости электропривода используются двухкратно-интегрирующая система с ПИ-регулятором скорости.

При работе электроприводов рольганга совместно с конечной клетью стана и моталкой должно обеспечиваться требуемое натяжение полосы.

Для цепных транспортеров не предусматривается режим реверсирования с грузом в связи с отсутствием возможности создания натяжения ветвей цепи на стороне холостых звездочек. Режим кратковременного реверса требуется для выбора зазоров и снятия натяжения звеньев при выполнении ремонтных работ на ветвях цепи, как следствие работа в генераторном режиме не требуется.

Для подъемно-поворотных столов основной управляемой переменной электропривода поворота является угол поворота, другими переменными -скорость вращения ю и момент на валу М. Электропривод должен обеспечивать точность регулирования угла поворота с максимально возможным

быстродействием, определяемым параметрами перемещаемого рулона, а также состоянием механического оборудования.

1 3

2

М'

с1

Мп 1 М

1

*

*

Рисунок 1.2 - Статические механические характеристика реверсивного электропривода: 1 - рабочий участок; 2 - пусковой участок; 3 - регулировочная

характеристика

На механизмах транспортировки металла прокатного производства современных металлургических предприятий находят применение регулируемые электроприводы постоянного и переменного тока. Для обеспечения их совместной работы с другими элементами АСУ ТП необходимо обеспечивать унификацию структур внешних контуров регулирования скорости, входящих в систему управления электроприводными комплексами.

1.2 Обзор разработок в области частотного асинхронного электропривода с оптимизацией взаимного положения моментообразующих векторов

переменных двигателя

Системы частотно-регулируемого асинхронного электропривода выполняются на базе преобразователей частоты двух основных типов [13-21]:

- непосредственных преобразователей частоты (НПЧ), также называемых в литературе матричными преобразователями;

- преобразователей частоты со звеном постоянного тока, выполненных либо на базе автономного инвертора напряжения (АИН), либо на базе автономного инвертора тока (АИТ).

Большинство производимых и применяемых в металлургии преобразователей частоты выполнены со звеном постоянного тока на базе АИН, собранного из IGBT - транзисторов по мостовой схеме, с системой широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и управляются контроллерами [15, 22, 23].

Системы частотного асинхронного электропривода, осуществляющие регулирование двух основных выходных координат двигателя - скорости и момента, строятся по двум основным принципам:

- с формированием сигналов задания входных сигналов - частоты и напряжения статора;

- с формированием сигналов задания входных сигналов - частоты и тока статора.

Системы, осуществляющие регулирование тока статора, реализуют частотно-токовое управление [24-27], и строятся в основном на базе АИТ. Основным достоинством АИТ по сравнению с АИН является простота реализации инвертирования энергии в сеть при торможении, что определяет их применение в мощных асинхронных электроприводах. Однако при построении систем управления преобразователем на базе АИТ необходимо осуществлять одновременное согласованное управление регулируемым выпрямителем и инвертором, что усложняет систему управления. Частотный асинхронный электропривод со скалярным управлением на базе АИТ с релейными

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Данилов Владимир Владимирович, 2019 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Афанасьев В. Д. Автоматизированный электропривод в прокатном производстве: учебное пособие для студентов металлургических вузов. М.: Металлургия, 1977. 281 с.

2. Артюх В. Г. Совершенствование защиты металлургических машин от перегрузок и поломок // Сталь. 2003. №3. С. 54-56.

3. Иванченко Ф. К., Красношапка В. А. Динамика металлургических машин. М.: Металлургия, 1983. 295 с.

4. Карпухин И. И. Снижение динамических нагрузок и повышение долговечности машин широкополосных станов горячей прокатки // Бюллетень «Черная металлургия» ОАО «Черметинформация». 2004. №7. С. 31-35.

5. Адамия Р. Ш., Лобода В.М. Основы рационального проектирования металлургических машин. М.: Металлургия, 1984. 128 с.

6. Дериг К., Кале К., Хагман Р. Новый компактный широкополосный стан горячей прокатки на заводе фирмы ECO STAHL GmbH и система его автоматизации // Черные металлы. 1998. №7. С. 62-70.

7. Онищенко Г.Б. Основные тенденции развития автоматизированного электропривода // Труды международной (ХХ Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП 2016. Пермь. 2016. С 81-83.

8. Дацковский Л. Х., Роговой В.И., Абрамов Б.И., Моцохейн Б.И., Жижин С.П. Современное состояние и тенденции в асинхронном частотно-регулируемом электроприводе (краткий аналитический обзор) // Электротехника. 1996. № 10. С. 18-28.

9. Сандлер А. С., Сарбатов В. С. Автоматическое частотное управление асинхронными двигателями. М.: Энергия, 1974. 328 с.

10. Осипов О. И. Частотно регулируемый асинхронный электропривод. М.: издательство МЭИ, 2004. 80 с.

11. Broun John Phillip. Air cond., Variable-speed solutions. Hear and Refrig. News. 2003. 219, № 4. с.10, 12.

12. Усольцев А.А. Частотное управление асинхронными двигателями: Учеб. пособие. СПб:СПбГУ ИТМО, 2006. 94 с.

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

14. Гречко Э.Н., Тонкаль В. Е. Автономные инверторы модуляционного типа. Киев : Наук. Думка, 1983. 304 с.

15. Яцук В.Г., Талов В.В., Гром Ю.И. Принципы построения частотно-регулируемых электроприводов на базе ТПЧ со звеном постоянного тока // Промышленная энергетика. 1978. №11. С. 39-43.

16. Зобов И.Б., Киселева Е.А. Семь различий преобразователей частоты и систем частотного регулирования // Теплоэнергоэффективные технологии. 2007. № 2. С. 11-18.

17. Хасаев О.И. Транзисторные преобразователи напряжения и частоты. М.: Наука, 1986. 176 с.

18. Петров Л.П., Андрющенко О.А., Капинос В.И. Тиристорные преобразователи напряжения для асинхронного. М.: Энергоатомиздат, 1986. 200 с.

19. Бернштейн А.Я., Гусяцкий Ю.М., Кудрявцев А.В., Сарбатов Р.С. Тиристорные преобразователи в электроприводе. М.: Энергия, 1980. 328 с.

20. Богданов И.Н., Горбачев Г.Н., Забродин Ю.С. Автономные инверторы и преобразователи частоты. Учебное пособие. М.: МЭИ, 1977. 70 с.

21. Казаченко В.Ф., Грибачев С.А. Перспективная серия микроконтроллеров фирмы Texas Instruments 240x для систем цифрового управления двигателями// Вестник МЭИ, 1998. C. 73-81.

22. Линдер Ш. Силовые полупроводниковые приборы. Обзор и сравнительная оценка // Электротехника. 2007. №5. С. 4-11.

23. Бродовский В.Н. Приводы с частотно-токовым управлением. М.: Энергия, 1974. 168 с.

24. Орлов И.Н., Тарасов В.Н. Бесконтактный электропривод летательных аппаратов. М.: МЭИ, 1992. 111 с.

25. Пат. 180843 Российская Федерация, МПК Н02Р 27/05, Н02Р 27/06. Устройство для управления асинхронным двигателем с фазным ротором. Мещеряков, В.Н., Данилов В.В., Мещерякова О.В., Ласточкин Д.В.; заявитель и патентообладатель Липецкий государственный технический университет. -2018100691; заявл. 10.01.2018.

26. Башарин А. В., Новиков В.А., Соколовский Г. Г. Управление электроприводами. Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-е, 1982. 392 с.

27. Ильинский Н.Ф., Рожанковский Ю.В., Горнов А.О. Энергосбережение в электроприводе. М.: Энергоатомиздат, 1989. 127 с.

28. Браславский, И.Я. О возможностях энергосбережения при использовании регулируемых асинхронных электроприводов // Электротехника. 1998. №8. С. 2-6.

29. Браславский И. Я., Ишматов З. Ш., Поляков В. Н. Энергосберегающий асинхронный электропривод. М.: Академия, 2004. 256 с.

30. Волков А.В. Потери мощности асинхронного двигателя в частотно -управляемых электроприводах с широтно-импульсной модуляцией // Электротехника. 2002. № 8. С.2-9.

31. Козлов М.А., Чистяков А.А. Эффективность внедрения систем с частотно- регулируемыми приводами // Современные средства автоматизации. 2001. № 1. С. 76-82.

32. Белов М.П., Новиков В.А. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов. М.: Издательский центр «Академия», 2007. 576 с.

33. Адрианов М.В., Радионов Р.В. Особенности энергопотребления комплектных приводов на базе преобразователей частоты с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором // Электротехника. 2002. № 11. С. 6-10.

34. Ильинский Н. Ф. Перспективы развития регулируемого электропривода // Электричество. 2003. № 2. С. 2-7.

35. Терехов В.М., Осипов О.И. Системы управления электроприводов. М.: Академия, 2005. 304 а

36. Trzynadlowski A. M. Control of induction motors. San Diego, USA: Academic press, 2001. 228 pp.

37. Blaschke F. Das Prinzip der Feldorientiening die Grundlage fur die TRANSVECTOR - Regelung von Asynchronmaschienen // Siemens-Zeitschrift. 1971. №45. P.757.

38. Рудаков В. В., Столяров И. М., Дартау В. А. Асинхронный электропривод с векторным управлением. Л.: Энергоатомиздат, Ленинг. отд., 1992. 296 с.

39. Соколовский Г. Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. М.: Академия, 2006. 272 с.

40. Bose B. K. Modern power electronics and AC drives. New Jersey, USA: Prentice Hall PTR, 2002. 711 pp.

41. Wu B. High power converters and AC drives. New Jersey, USA: A John Wiley and Sons, Inc., 2006. 333 pp.

42. Козярук А. Е., Рудаков В. В. Современное и перспективное алгоритмическое обеспечение частотно-регулируемых электроприводов. С.Петербург, 2001. 126 с.

43. Виноградов А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока. Иваново: ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина», 2008. 298 с.

44. Борцов Ю.А., Соколовский Г.Г. Тиристорные системы электропривода с упругими связями. Л.: Энергия, Ленингр. отд-ние, 1979. 160 с.

45. Виноградов А.Б., Колодин И.Ю., Монов Д.А. Новая серия высококачественных адаптивно-векторных асинхронных электроприводов с IGBT инвертором напряжения // Известия ВУЗов. Электромеханика. 2003. №1. С. 31-41.

46. Виноградов А. Б., Сибирцев А.А., Колодин Ю.И. Адаптивно-векторная система бездатчикового асинхронного электропривода серии ЭПВ // Силовая электроника. 2006. №3. С 46-51.

47. Шрейнер Р.Т., Поляков В. А. Адаптивная система векторного управления асинхронным электроприводом с ориентацией поля ротора // Электротехника. 1998. №2. С.23-29.

48. Шрейнер Р.Т., Калыгин А.И., Кривовяз В.К., Шилин С.И. Система векторного управления асинхронным электроприводом // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2010. № 3-1. С. 101-108.

49. Пересада С.М., Ковбаса С.Н. Обобщенный алгоритм прямого векторного управления асинхронным двигателем // Техническая электродинамика. 2002. № 4. С. 17-22.

50. Грузов В.Л., Красильников А.Н., Машкин А. В., Грузов В.Л. Анализ и оптимизация алгоритмов управления в частотно регулируемых электроприводах с инверторами напряжения // Электротехника. 2000. №4. С.15-20.

51. Панкратов В.В., Нос О.В, Оптимизация алгоритмов векторного управления асинхронным электроприводом на основе методов непрерывной иерархии // Электричество. 2000. №6. С.48-53.

52. Leonhard W. "Control of Electric Drives" // Springer - Verlag, Berlin. 1995. p. 244-259.

53. Козаченко В.Ф., Обухов Н.А., Трофимов С.А., Чуев П.В. Применение DSP - микроконтроллеров фирмы Texas Instruments в преобразователях частоты «Универсал» с системой векторного управления // Электронные компоненты. 202. №4. С.61-64.

54. Мищенко В.А. Перспективы развития векторного управления электроприводами //V Международная (XVI всероссийская) конференция по автоматизированным электроприводам АЭП-2007. Санкт-Петербург, 2007. С. 6063.

55. Langweiler F., Rechter M. Flusserfassung in Asynchron maschinen // Siemens-Z. 1974. Bd 45. №10, р. 768-771.

56. Swierczynski Dariusz, Zelechowski Marcin. Universal structure of direct torque control for AC motor drives // Prz. electrotechn. 2004. 80. № 5. p. 489-492.

57. Mакаров В. Г. Идентификация параметров трехфазного асинхронного двигателя // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2010. № 3 - 4. С. 88 - 101.

58. Li Jianfei, Yin Quan, Wan Shuyun. Идентификация частоты вращения ротора асинхронного двигателя с использованием распространенного фильтра Калмана // Diangong jishu xuebao. Trans. China Electrotech. Soc. 2002. 17. № 5. p. 40-44.

59. Калачев Ю.Н. Векторное регулирование (заметки практика). ООО «Гамем», 2015. 72 с.

60. Аттаианесе Ч., Дамиано А., Mарониу И., Перфетто А. Управление асинхронным двигателем с адаптацией с изменяющейся электромагнитной постоянной времени ротора // Элетротехника. 1996. №7. С.29-31.

61. Ключев В.И. Теория электропривода: Учеб. для вузов.-2е изд. прераб. и доп. M.: Энергоатомиздат, 1998. 704 с.

62. Ковчин С.А., Сабинин Ю.А. Теория электропривода. СПб.: Энергоатомиздат. Спб отд., 1994. 496 с.

63. Поздеев А.Д. Электромагнитные и электромеханические процессы в частотно-регулируемых асинхронных электроприводах. Чебоксары: Изд-во Чуваш. унта, 1998. 172 с.

64. Копылов И. П. Mатематическое моделирование электрических машин: учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. M.: Высшая школа. 2001. 327 с.

65. Пат. 2132110 Российская Федерация, Mm Н02 Р 21/00. Способ оптимального векторного управления асинхронным электродвигателем и электропривод для осуществления этого способа. Mищенко В.А.; Mищенко Н.И.; Mищенко А.В.; заявитель научно-производственная фирма "Оптимум", патентообладатель Mищенко В.А.; Mищенко Н.И.; Mищенко А.В. - 98105552/09; заявл. 25.03.1998.

66. Пат. 2254666 Российская Федерация, ЖПК H02P7/42. Электропривод переменного тока. Левин П.Н., Mещеряков, В.Н.; заявитель и патентообладатель Липецкий государственный технический университет. - 2004102144/09; заявл. 26.01.2004.

67. Мещеряков В. Н., Корчагина В. А. Анализ частотного асинхронного электропривода, обеспечивающего взаимную ориентацию моментообразующих векторов // Известия вузов. Электромеханика. 2009. №3. С.45-49.

68. Федяева Г.А., Сморудова Т.В., Кочевинов Д.В., Конохов Д.В. Частотно-токовая система релейно-векторного управления асинхронным электроприводом механизма передвижения мостового крана // Вестник Брянского государственного технического университета. 2015. №4(48). С. 91-99.

69. Федяева Г.А. Моделирование асинхронного тягового привода перспективного тепловоза с системой прямого управления моментом // Мир транспорта. 2006 № 4. С. 10-15.

70. Конохов Д.В., Федяева Г.А., Тарасов А.Н. Моделирование системы энергоэффективного двухзонного регулирования скорости асинхронного электропривода с прямым управлением моментом // Вестник Брянского государственного технического университета. 2016. №1(49). С. 127-133.

71. Мещеряков В.Н., Корчагина В.А., Мещерякова О.В. Система частотного асинхронного электропривода, обеспечивающая взаимную ориентацию моментообразующих векторов // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2010. №3. С. 31-36.

72. Мещеряков В.Н., Цветков П.Е., Мещерякова О.В. Асинхронный электропривод с поддержанием оптимального угла между моментообразующими векторами // Вести вузов Черноземья. 2013. №1. С. 17-21.

73. Мещеряков В.Н., Шпиганович А.А., Мещерякова О.В., Данилов В.В. Асинхронный электропривод с частотно-токовым управлением и системой коррекции сигналов задания амплитуды и частоты тока статора // Вести вузов Черноземья. 2018. №1. С.21-29.

74. Пат. 180979 Российская Федерация, МПК Н02Р 21/06, Н02Р 27/08. Электропривод переменного тока. Мещеряков В.Н., Данилов В.В., Мещерякова О.В., Ласточкин Д.В., Безденежных Д.В.; заявитель и патентообладатель Липецкий государственный технический университет. - 2017144652; заявл. 19.12.2017.

75. Пат. 2512873 Российская Федерация, МПК H02P 27/06, H02P 27/08. Электропривод переменного тока. Мещеряков В.Н., Синюкова Т.В., Мещерякова О.В.; заявитель и патентообладатель Липецкий государственный технический университет. - 2013100760/07; заявл. 09.01.2013.

76. Пат. 2582202 Российская Федерация, МПК H02P 21/00, H02P 21/12, H02P 27/08. Электропривод переменного тока. Мещеряков В.Н., Мещерякова О.В.; заявитель и патентообладатель Липецкий государственный технический университет. - 2014152825/07; заявл. 24.12.2014

77. Симаков Г.М., Филюшов Ю.П. Сравнительная оценка работы асинхронной машины в условиях минимизации реактивной мощности // Электротехника. 2017. №2. С.8-15.

79. Войнова Т.В. Математическая модель для исследования трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором как объекта регулирования и для прямого процессорного управления // Электротехника. 1998. №6. С.51-61.

79. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. Екатеринбург: УрО РАН, 2000. 654 с.

80. Поздеев Д.А., Хрещатая С.А. Математическое исследование структуры бездатчикового частотно-токового асинхронного электропривода с векторным управлением // Электротехника. 2002. № 9. С.37-43.

81. Беспалов В.Я., Мощинский Ю.А., Петров А.П. Математическая модель асинхронного двигателя в обобщённой ортогональной системе координат // Электричество. 2002. №8. С. 33-39.

82. Meshcheryakov V.N., Meshcheryakova O.V. Mathematical vector model of induction motor and structural-topological analysis of the model // Вести вузов Черноземья. 2014. №2. С. 19-22.

83. Meshcheryakov V., Danilov V., Mescheryakova O. Adjustment of vector control system for induction motor // Meridian Inginersc. journal of technical university of moldova and moldavian engineering association. 2017. №4. р.59-61.

84. Мещеряков В.Н., Данилов В.В. Математическое моделирование синхронного двигателя с учетом насыщения // Сборник докладов V международной научно-практической конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии». Липецк: ЛГТУ. 2012. С. 42-46.

85. Мещеряков В.Н., Данилов В.В. Математическое моделирование современных систем электропривода // Материалы 12-й Международной научно-практической конференции «Современные сложные системы управления». Липецк: ЛГТУ, 2017. С. 148-152.

86. Мещеряков В.Н., Данилов В.В., Мещерякова О.В. Форсирование напряжения при пуске асинхронного электропривода на базе инвертора тока с векторным управлением // Труды 24-й Международной научно-технической конференции "Информационные системы и технологии" ИСТ 2018. Нижний Новгород: НГТУ, 2018. С.700-705.

87. Данилов В.В., Мещерякова О.В., Мещеряков В.Н. Математическая модель асинхронного электропривода с векторным управлением для исследования влияния составляющих тока статора на энергетические показатели // Материалы V Международной научно-технической конференции студентов, молодых учёных и специалистов «Энергосбережение и эффективность в технических системах». Тамбов: Изд-во Першина Р.В., 2018. С. 280-282.

88. Мещеряков В.Н., Данилов В.В. Повышение энергоэффективности асинхронного электропривода с векторным управлением за счет регулирования продольной составляющей тока статора при неполной статической нагрузке // Электротехнические системы и комплексы. 2018. №3(40). С.4-11.

89. Мещеряков В.Н., Ласточкин Д.В., Зотов В.А., Данилов В.В. Системы однодвигательного и двухдвигательного частотно-каскадного асинхронного электропривода // Энергетические и электротехнические системы. Международный сборник научных трудов. Выпуск 4. Магнитогорск. 2017. С. 215224.

90. Мещеряков В.Н., Крюков О.В., Данилов В.В., Ласточкин Д.В. Реализация энергосберегающих режимов в системах частотного и частотно -

каскадного электропривода // 20-й Международный научно-промышленный форум «Великие реки 2018». Н. Новгород: ННГАСУ, 2018. Том 3. С.55-60.

91. Бессекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управления. Санкт-Петербург: Профессия, 2004. 747 с.

92. Дьяконов В.П. Matlab 6/6.1/6.5 + Simulink 4/5 в математике и моделировании. Полное руководство пользователя. М.: Солон-Пресс, 2003 576 с.

93. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем MATLAB 6.0. СПб.: КОРОНА - ПРИНТ, 2001. 320 c.

94. Дьяконов В., Круглов В. Математические пакеты расширения MATLAB: Специальный справочник. СПб.: БХВ-Петербург, 2001. 480с.

95. Калачев Ю.Н. Наблюдатели состояния в векторном электроприводе.

000 «Гамем», 2015. 80 с.

96. Боченков Б.М., Филюшов Ю.П. Алгоритм управления, обеспечивающий желаемое сочетание энергетических и динамических свойств электропривода переменного тока // Электротехника. 2011. №6. С. 53-58.

97. Афанасьев К.С., Глазырин А.С. Идентификация скорости асинхронного электродвигателя лабораторного стенда с помощью фильтра Калмана и наблюдателя Люенбергера // Электротехнические комплексы и системы управления, 2012, № 4. С. 66-69.

98. Пивняк Г.Г., Бешта А.С. Идентификация динамических параметров электроприводов // Электричество. 2002. №11. С. 29-31.

99. Мещеряков В.Н., Цветков П.Е. Система оптимального частотно асинхронного электропривода с коррекцией по продольной составляющей тока статора // Известия вузов. Электромеханика. 2012. №3. С.36-39.

100. Beckert Urich. A torque observer for asynchronous machines // Electrotechn.

1 electron. 2000. № 1(19). С.29-37.

101. Макаров В. Г. Идентификация параметров трехфазного асинхронного двигателя // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2010. № 3 - 4. С. 88 - 101.

102. Макаров В. Г. Идентификация параметров и токов ротора трехфазного асинхронного двигателя // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2010. № 7 - 8. С. 101 - 116.

101. Broun John Phillip. Variable-speed solutions // Air cond., Hear and Refrig. News. 2003. № 4 (219). p.10-12.

102. Chen Shuo, Tsuji Mineo, Yamada Eiji. Определение сопротивления статора асинхронного двигателя в реальном масштабе времени при векторном управлении им в системе, не содержащей датчиков // Zhohgguo dianji gongcheng xuebao. 2003. 23. №2. C. 88-92.

103. Козлова Л.Е, Паюк Л.А. Исследование наблюдателей состояния для применения в управлении электроприводами // Научный вестник НГТУ 2016. Том 62, №1. C.7-16.

106. Толмачев В.А., Усольцев А.А., Лукичев Д.В. Использование нейросетевых устройств в системах векторного управления асинхронным электроприводом // Научно технический вестник «Актуальные проблемы современных оптико-информационных систем и технологий». 2005. C.28-34.

107. Колесников Д.Н., Мендельсон А.М. Нейронные сети в задачах функционального и тестового диагностирования управляемых динамических объектов //Информационно-управляющие системы. 2004. №4. С.21-30.

108. Козлова Л.Е. Принцип построения архитектуры нейроэмулятора угловой скорости электропривода по схеме ТРН-АД // Научный вестник НГТУ 2015. Том 58, №1. С.161-170.

109. Murgas J., Kratmuller M. Fuzzy modeling and adaptive control of uncertain system // Journal of electrical engineering. 2004. №10. p. 251-255.

110. Андреев Н.К., Али Салама А.А., Диаб Ахмед А.З. Оценка скорости асинхронного двигателя в системах адаптивного управления по эталонной модели и с нейронной сетью // Энергетика Татарстана. 2012. №2. С. 57-61.

111. Zhen L., Xu L. Fuzzy learning enhanced speed control of an indirect-field oriented induction machine drive // IEEE Transaction on Control System Technology. 2000. №2. P. 270-278.

112. SIMOVERT MASTER DRIVES. Vector Control. Katalog Siemens DA 65.10. 1998/1999.

113. Елисеев В.А., Шинянский А.В. Справочник по автоматизированному электроприводу. М.: Энергоатомиздат, 1983. 616 с.

114. Емельянов А.П., Чуркин Б.А. Скалярное управление асинхронным короткозамкнутым двигателем по активной составляющей тока статора // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». 2014. Том 14, №3. С. 85-90.

115. Омельченко Е.Я. Моисеев В.О., Енин С.С. Преобразователи частоты Sinamics. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2015. 195 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ А (обязательное)

СИСТЕМЫ ЧАСТОТНОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С БЛОКАМИ КОРРЕКЦИИ СИГНАЛОВ ЗАДАНИЯ

Рисунок А.1 - Функциональная схема системы оптимального управления частотным асинхронным электроприводом по потокосцеплению ротора

М*

БЗю

РС

БО

Рм-1

БЗ Лю

Аю

БО2

Регулятор 2

А1*

БО1 8т*

i *

Форм ирова тель

Рп

Регулятор 1

Г Аtgф0

ЗУ

tgФo

tgФo

Блок коррекции

Фильтр

РРТ

ФИ

АИТ

-О

в

л дт

Фильтр тока

БИ Фильтр напряже ния

и,

Дн

Дт

Рисунок А. 2 - Функциональная схема асинхронного электропривода с частотно-токовым управлением и двухканальной системой коррекции сигналов задания

амплитуды и частоты тока статора

*2

I

I

I '

* 1А

I

т

I

I

С

I

I

I

т

и

т

Основные соотношения в системе частотно-токового электропривода:

м(р )=Г Р;

2

т т2 ,

1

3рпЬ:

2

т2

2 Ь

1

Т Аю

Г Тэт Р +1)2 + Тэт Аю

2 Ь

гН2 Г Р )■

Г1+1Вф02 )Г Тэт р+1)

р-1 =

зр„ьт_18ф0

2 Ь2 1+1ВФ0

-1

о у

где Тэт = Ь'2 / Я'2 - электромагнитная постоянная времени обмотки ротора при питании двигателя от источника тока; ф0 - угол между векторами напряжения и тока статора; а - отношение частоты тока статора ю к номинальной частоте ю0; Ф - угол между векторами 1-х гармоник напряжения и тока статора.

2

ПРИЛОЖЕНИЕ Б (обязательное)

СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ АСИНХРОННОГО

ДВИГАТЕЛЯ

Таблица Б.1

Преобразованные уравнения, описывающие асинхронный двигатель

Уравнения потокосцеплений

^ Г Р ) =

и1х (р) • Т1 + ( ьт / ь'2)((Р) + © (Р )^1У (Р)) • Т1

Щ (Р) =

1 + Т1р

и1у (р) • Т1 + (Ьт / Ц )( ^2у (Р) - ©1 (Р (Р )) • Т1

1 + Т1р

( ь

^2* (Р ) =

Щ у(Р) =

Щ (Р И т/

( Р' /Ь ) + 8©1 (Р) ^У (Р) • Тэ

1 + Тэр

( Ь

Щ1уГр; А)-(Р)^(Р)• Тэ

1 + Тэр

Уравнения токов

¿1* (Р ) = . • Щ1* (Р ) ^ТТ^^Г • ^2* (Р)

т

Ь1Ь2 Ь

Ь1Ь2 Ь

Т ' Т

¿1У(Р) = , • Щ1У(Р)• Щ2У(Р)

т

12* ( р ) 12* ( р )

Ь1Ь2 Ь Ь

2 т

Ь1Ь 2 Ь Ь

Ь1Ь2 Ь

(Р) +

Щ1У (Р ) +

Ь1 Ь 2 - Ь Ь1

2 2У

т

2 т

Ь1Ь2 Ь

Ь1

2 1У

т

Ь1Ь2 Ь

^2* (Р )

^2У (Р)

2 2У

т

Постоянные времени

Т Т ' -Т2

Т _ Ь1Ь2 Ьт Т1 =

Т =

Ь1Ь2 Ь

2 т

Ь1К2

т

Структурные схемы, описывающие асинхронный двигатель, питающийся от источника напряжения, имеют большое количество элементов, замкнутых контуров и перекрестных связей, что затрудняет их анализ. Структурная схема асинхронного двигателя, полученная на основании уравнений из таблицы Б.1, имеет вид, показанный на рисунке Б.1.

Рисунок. Б.1 - Структурная схема асинхронного двигателя Выражения для передаточных функций и коэффициентов элементов структурной схемы асинхронного двигателя приведены в таблице Б.2.

Таблица Б.2

Передаточные функции и коэффициенты элементов структурной схемы

Wl (р) ^2 (р) кз к4 к5 к6

Т1 1 Ьт ^т ь ь' - ь2 Ь1Ь2 ьт _ _ Т 1 Э (3/2)Рпьт ь ь' -ь2 ь1ь 2 ьт

Т1Р+1 ТэР +1 Ь1 ь ь' - ь2 Ь1Ь2 Ьт _ 1 Ьт 1 Ц

Постоянные времени инерционных звеньев математической модели асинхронного двигателя определяются по формулам:

Т Т' - т 2

1 = 77 -Тт , (Б.1)

ь2 •

_ ьх; - ь2 1

Тэ = ** т «-—. (Б.2)

Ю1ЭЛ^к

Допущение (Б.2), упрощающее дальнейшие преобразования, было введено в работе [61].

Структурная схема, представленная на рисунке, содержит нелинейности вида ^ (р-) • (p); ¥2 (р-) • w1 (p) • Тэ, ее асимптотическая линеаризация возможна в случае рассмотрения электромагнитных переходных процессов в виде реакции момента двигателя на скачкообразное изменение амплитуды напряжения при постоянстве частот вращения поля статора и ротора (W = const; w = const).

Учтем, что

к5 = к5- А®ЭЛ = ТЭ - А®ЭЛ

В этом случае линеаризованная структурная схема принимает вид (рисунок

Б.2).

Рисунок Б.2 - Линеаризованная структурная схема АД

Если расположить систему координат таким образом, чтобы скачкообразно изменяющийся вектор напряжения и (р ) находился на оси Х, то и1у = 0.

Используя теорему Мейсона для некасающихся контуров [44], получим выражения для выходных переменных

( Ч (р)-[1 + W22(р).к2 -(р)- W2(р)• кз • к4]• и1 (р).

ТьЛР)_ А(р) '

( ) _ [- Wl2(р) • Ш1ЭД(1 + W22(р)- к2)- Wl2(р)- W22(р)- к5 • кз • к4]• и(р)

^1у(р)_ А(р) '

( К (р^ (p)• к1 (1 - ^(p)• (p)• кз • к4)-(р^ Ш1ЭЛ • к5 • (p)• кз]• И1 (р).

(р)_ А(р) '

( ) _ [- Wl (р)• W22 (p)• к5 • кз - (р)• W2 (р) • Ш1эл • кз ]• и (р)

Т 2у (р)_ А(р) ;

А(р)_ 1 + (р> к2 + Wl2(р)^ - 2 • ^(р> кз • (p)• к4 +

1 (р )• (рКэл • •кз • к4 • кз+(р)^ • (р )• к2+Wl2 (p)• W22 (р )• к32 • к4

Выполнив подстановку значений из таблицы 2.1, получим

а( р) _ г Т р+1)2 (Тэр+1)2 + Т Э • АюЭл • (Т1 р+1)2 + Т2 • ®2эл • (Тэр+1)2

2Т1 • Тэ • Ю1ЭЛ, • АШэл • ь2т , ь4т 2 • ь^т, р +1) (Тэр +1)

— +Г1 •®1ЭЛ • ГЭ •А®ЭЛ +--+ 2 2 Т т,

ь1ь 2 ь1 • ь1 ь1 • ь 2

Для получения характеристического уравнения системы необходимо

приравнять А(р) к 0, в результате чего получим выражение:

(т, р+1)2 (ТэР+1)2 + ТЭ • аюЭ Л • (т, р+1)2 + Т2 • ®2ЭЛ • (ТЭР+1)2+—

— +Т ^Т 2 Аш;л + 2Т' ТЭю.ЭЛа«ЭЛь1 + ьЦ - 2ь2п(т1 р+1) СГЭР+1) _ 0.

1 1эл Э эл Т Т ' т^т2 ТТ'

ь1ь 2 ь 2 • -Ц ь1 • ь 2

После преобразований получим следующее выражение:

(т, р +1)2(ТэР +1)2 + ТЭ • АшЭл • (т, р +1)2 + Т2 • ш2эл • (ТэР +1)2 - —

2

2 • ь2т (т, р +1) (ТэР +1) —>---+

22

Т1 • ТЭ •«'ЭЛ^ЭЛ + — т

ь1 ь 2

Э ^ЭЛ^ ^ШЭЛ Т , т

V ь 2 • ь1 у

Характеристическое уравнение АД имеет 4-ю степень, описывает колебательный процесс [26], нахождение его корней требует применения численных методов.

ПРИЛОЖЕНИЕ В (справочное)

ПРАВИЛО ДЛЯ НЕКАСАЮЩИХСЯ КОНТУРОВ (ТЕОРЕМА МЕЙСОНА)

Передача между любым входом Хвх (р) и любым выходом Хвых(р) структурной схемы определяется:

ЬыМ.=ШМа(р)3

хвх (р) А(р) '

где

А(р) = 1 - ОТК1(р) + Щ^р) - ОТКз(р) + ... (р) - сумма передач всех контуров;

(р) - сумма произведений передач некасающихся друг друга пар

контуров;

2^3(р) - сумма произведений передач некасающихся друг друга троек контуров и т.д.;

^^ (р) - передача 1 - го прямого пути, равная произведению передаточных функций всех звеньев этого прямого пути от Хвх (р) к Хвых(р);

(р) - сумма передач всех контуров не касающихся 1 - го прямого пути

от Хвх (р) к Хвых(р);

(р) - сумма произведений передач всех пар контуров, не касающихся 1

- го прямого пути от Хвх (р) к Хвых(р) и друг друга;

(р) - сумма произведений передач всех троек контуров не касающихся 1 - го прямого пути от Хвх (р) к Хвых(р) и друг друга и т.д.; А(р) = 1 - Щкз(р) + Щкз(р) - ^Кз(р) + ...

ПРИЛОЖЕНИЕ Г (справочное)

МЕТОДИКА РАСЧЕТА УГЛА МЕЖДУ ВЕКТОРАМИ ^ И

Угол между векторами тока и эдс статора двигателя (рисунок Г.1) определяется

е = ф-ф Е = 900 -Фо.

(Г.1)

и, чЛ ■ Х

1 ПУСК

т

Рисунок Г.1 - Определение угла ф0 с помощью векторной диаграммы

При условии ф0 = 450 желаемый угол е* между векторами тока статора и ЭДС статора равен 450, что обеспечивает минимальное значение тока статора, при котором достигается заданное значение момента двигателя.

На основании векторной диаграммы (рисунок Г.1) можно определить тангенс угла между векторами тока и ЭДС статора:

^е

и 1 ■ ът ф - £ Х1

и 1 ■ соsф - £

(Г.2)

2

где

И - модуль вектора напряжения статора; I - модуль вектора тока статора; ф

- угол между векторами напряжения и тока статора.

Для повышения точности расчета осуществляется преобразование сигналов задаваемых трехфазных напряжений и1А*, и1В*, и1С*, имеющихся в скалярной системе управления АД (рисунок 3.13), и измеряемых токов 11А, и их представление в естественной системе координат АВС с дальнейшим переходом к двухфазной прямоугольной системе координат а,р , в которой положения оси а совпадает с положением оси А, на которой расположен вектор напряжения ИА. Преобразования, выполняемые в блоке 13 (рисунок 3.13), осуществляются по формулам

* 3 1 *

и а = - кси1А /

* л/31 , * * \

ив =— кс (и1Б"и1С /)

и

=4

* 2 * 2 и а + и р ;

И = и* = и*/к

и

1 а =2 ксХ1А /

1 в =

л/3 2

кс (1В -1 С )/

1а +12 ;

11

11 = 11 / к!

11р

tgф = —;

11а

+ 11Р ф = агй£ —,

11а

(Г.3)

(Г.4) (Г.5)

(Г. 6)

(Г.7) (Г.8)

(Г.9)

(Г.10)

<

<

где кс - согласующий коэффициент пропорциональности, выбор которого осуществляется из условий инвариантности мощности реальной трехфазной машины и приведенной двухфазной машины (кс = 2/3); кЦ - коэффициент датчика напряжения; ^ - коэффициент датчика тока.

Угол между векторами тока статора и главного потокосцепления определяется

ф» = 90»-в = 90» -'ф —''Х' )• (Г.11)

Ц • соsф-

В соответствии с векторной диаграммой и выражением (2.50), в которое подставим выражение (2.49), можно вычислить угол между векторами ^ и

ф'о = 90» - в + 5 = 90» - аг^(и' •8Шф — ''Х') + arctg(L2 •Аюэлопг ) .(Г. 12)

Ц • соБф — Я О

Угол ф может быть определен, например, на основании расчета угла сдвига фаз между мгновенными значениями первой гармоники фазных напряжений и токов статора [77].

ПРИЛОЖЕНИЕ Д (справочное) ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД

В состав экспериментального стенда, разработанного для исследования работы систем частотного асинхронного электропривода входит:

1. Преобразователь частоты SIEMENS Sinamics S120 в составе:

1.1. Выпрямитель SINAMICS SMART. Вход: 3AC 380-480В, 50/60Гц. Выход: DC 600 В, 8.3 A, 5 кВт. Книжный формат, внутреннее воздушное охлаждение. 6SL3130-6AE15-0AB0;