Реализация специальных режимов асинхронного электропривода с тиристорным управлением при питании от однофазной сети тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Завьялов, Евгений Альбертович

• Завьялов, Евгений Альбертович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Завьялов, Евгений Альбертович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ РАЗРАБОТКИ МАЛОВЕНТИЛЬНОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ МЕХАНИЗМОВ.

1.1. Современный асинхронный электропривод как средство реализации потребностей производства. Основные области применения.

1.2. Уточнение требований к асинхронным электроприводам с учетом особенностей эксплуатации оборудования.

1.3 Анализ особенностей квазичастотного управления АД на базе ТРН.

1.4. Постановка задач по созданию системы АД с тиристорным управлением при питании от однофазной сети.

Выводы.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ФОРМИРОВАНИЯ ПОНИЖЕННОЙ ЧАСТОТЫ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ АД ПРИ ОДНОФАЗНОМ ПИТАНИИ.

2.1. Принципы формирования пониженной частоты напряжения на АД при однофазном питании.

2.2 Разработка способа формирования вращения результирующего вектора напряжения.

2.3 Общие положения по разработке математических моделей АД с тиристорными преобразователями.'.

2.4. Разработка вычислительных блоков модели АД.

2.5. Особенности реализации компьютерной модели системы.

2.6. Установление адекватности модели реальной системе электропривода.

Выводы.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ НА КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С ТИРИСТОРНЫМ

УПРАВЛЕНИЕМ ПРИ ОДНОФАЗНОМ ИТАНИИ.

ЗЛ. Основные расчетные соотношения для анализа процессов электромеханического преобразования энергии.

3.2. Моделирование и анализ электромеханических процессов при питании электропривода от сети с номинальным напряжением.

3.3. Моделирование и анализ электромеханических процессов при питании электропривода от сети с пониженным напряжением.

Выводы ,.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АД С ТИРИСТОРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ПРИ ОДНОФАЗНОМ ПИТАНИИ.

4.1. Описание экспериментальной установки.

4.2. Вопросы разработки устройства управления.

4.3. Разработка универсального микропроцессорного комплекса и аппаратных средств.

4.4. Описание программы управления.

4.5. Экспериментальное определение механических характеристик АД при формировании напряжения из однофазной сети.

4.6 Описание блок- схемы программы управления.

4.7. Экспериментальные исследования АД в специальных режимах.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Реализация специальных режимов асинхронного электропривода с тиристорным управлением при питании от однофазной сети»

Для механизмов многих технологических агрегатов, а также в общепромышленных установках всегда существует потребность в реализации специальных режимов эксплуатации асинхронных электроприводов. Создание таких режимов сопряжено во многих случаях с необходимостью осуществления пониженной частоты вращения, вплоть до ползучей скорости. Применение стандартных технических средств регулирования, например, преобразователей частоты только для реализации подобных режимов, нецелесообразно по технико-экономическим соображениям, если в основном рабочем режиме нет необходимости в регулировании частоты вращения электропривода. Часто бывает необходимым перевод механизмов на пониженную частоту вращения (создание «резервного хода») при снятии технологических нагрузок. В условиях низких температур такой режим позволяет, сохраняя ход механизмов на пониженной скорости, предотвратить смерзание смазки и облегчить последующий пуск асинхронного электропривода технологического агрегата до основной рабочей скорости. Кроме того, в процессе монтажа механического оборудования постоянно существует потребность прокрутки электроприводов механизмов на пониженных ступенях частоты вращения, в том числе на «ползучей скорости» при питании АД по временной схеме, используя однофазную сеть. Причем потребность в этом в большей степени имеет место при наладке агрегатов большой мощности, электроприводы которых реализованы на базе высоковольтных асинхронных электродвигателей, а также синхронных с пусковой беличьей клеткой. К ним относятся электроприводы шаровых мельниц, обжиговых печей и других механизмов горно-обогатительных предприятий и цементно-доломитового производства. При проведении ремонтных работ на прокатных станах такие специальные режимы позволят в черновой группе прокатных клетей (электропривод которых, как правило, выполнен на базе высоковольтных электродвигателей переменного тока), осуществить с помощью низковольтных устройств прокрутку прокатных валков и его подшипниковых узлов. Необходимость такой операции обусловлена тем, что возникновение многократных ударных динамических моментов при прямом пуске часто приводит к срыву вкладышей подшипников и другим неполадкам. Кроме того, в условиях электроремонтных цехов обычно не проводятся испытания высоковольтных двигателей подачей питающего напряжения и не создаются режимы работы для обкатки узлов трения в виду отсутствия высоковольтного напряжения и оборудования соответствующего исполнения. В этой ситуации реализация специальных режимов электродвигателей переменного тока с использованием пониженного напряжения до 1000 В становится весьма актуальной.

На кафедре электроники и микроэлектроники МГТУ была установлена возможность практической реализации на базе АД с тиристорным управлением специальных режимов за счет установления пониженных ступеней пониженной частоты вращения в условиях использования однофазной питающей сети. Применение однофазной сети для этих целей обусловлено тем, что создание специальных режимов работы высоковольтных асинхронных электроприводов может потребовать применения нестандартных значений напряжения, что в трехфазной системе питающего напряжения не всегда может быть реализовано. Кроме того, использование однофазной питающей сети становится целесообразным в условиях удаленных фермерских хозяйств и других объектов хозяйственного назначения. Таким образом, в диссертационной работе поставлена и решена задача реализации специальных режимов работы асинхронного электропривода на пониженной частоте вращения с тиристорным управлением и питании от однофазной сети является актуальной.

Целью работы является улучшение эксплуатационных и технологических показателей оборудования за счет реализации специальных режимов асинхронного электропривода с тиристорным управлением при однофазном питании.

Содержание работы изложено в четырех главах.

В первой главе проведен краткий обзор существующих технических средств, применяемых в асинхронных электроприводах различного назначения и выделены группы механизмов, для которых необходимо реализовать специальные режимы: обеспечение минимального хода технологического процесса, создание пониженной частоты вращения с целью точного позиционирования механического оборудования и инструмента в процессе монтажа и наладки его, обкатка подшипниковых узлов мощных электродвигателей и механического оборудования после ремонтов и замены узлов и др., На примере промышленных предприятий приведены объекты, для которых подобные режимы необходимы. Проведен обзор существующих способов и средств, реализующих подобные режимы и анализ возможностей квазичастотного управления в системе ТРН-АД. Обоснована потребность реализации специальных режимов при питании от однофазной сети. Сформулированы задачи по диссертационной работе.

Во второй главе обоснован принцип и алгоритмы формирования пониженной частоты, а также разработана математическая модель электропривода в которой реализованы предложенные алгоритмы управления вентилями при питании от однофазной сети. Дано обоснование предложенному принципу формирования пониженной частоты напряжения на АД при однофазном питании на основе понятия результирующий вектор. Приведены временные диаграммы фазных напряжений двигателя, поясняющие алгоритмы работы вентилей при формировании ступеней пониженной частоты 173, Ив, 179 и 1712. На основе разработанной компьютерной модели проведены расчеты типовых режимов и процессов, на основе которых установлена адекватность результатов вычислительных процессов реальным.

В третьей главе приведены результаты исследований на компьютерной модели переходных и стационарных процессов в системе НПЧ - АД при однофазном питании. Моделирование и анализ электромеханических процессов проводились при питании электропривода от сети с номинальным напряжением и при пониженным напряжении. Исследования процессов пуска и работы в режиме без нагрузки проводилось при формировании частоты 1/3:Гс; 1ЖС; 1/9:Гси 1/12^. Была определена нагрузочная способность двигателя в специальных режимах при питании номинальным напряжением и пониженным. Проведен также анализ гармонического состава.

Режим питания АД в предложенной системе электропривода при пониженном напряжении исследовался с позиции реализации специальных режимов электроприводов на базе высоковольтных электродвигателей. Наилучшая нагрузочная способность по моменту достигается при частоте 1/12^, что позволяет использовать данный режим для прокрутки механизмов, как основной.

В четвертой главе решены вопросы, связанные практической реализацией способа и алгоритмов формирования ступеней пониженной частоты вращения системы АД с тиристорным управлением при питании от однофазной сети. Дано описание экспериментальной установки и системы управления, реализованный на однокристальной ЭВМ КМ1816ВЕ48 с интерфейсной БИС серии К580 и других функциональных модулях, включая клавиатуру и шестизначный восьмисегментный дисплей. В данной главе приведено подробное описание вычислительного модуля и элементной базы всего отладочного устройства. В процессе подготовки к экспериментальным исследованиям были разработаны принципиальные схемы и изготовлены блоки, реализующие функциональные узлы микропроцессорной системы управления, разработаны алгоритмы и управляющие программы. Приведены результаты экспериментальных исследований в виде механических характеристик и фрагментов осциллограмм. Сопоставление расчетных и экспериментальных характеристик проведенное в работе показывает реализуемость разработанных алгоритмов формирования пониженных ступеней частоты и возможность использования их для создания специальных режимов асинхронного электропривода с тиристорным управлением при питании от однофазной сети.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Принцип формирования пониженной частоты вращения АД с тиристорным управлением при питании от однофазной сети положен в основу реализации специальных режимов асинхронных электроприводов механизмов технологических агрегатов.

2. Предложенные алгоритмы формирования симметричного трехфазного напряжения из однофазного питающего напряжения, позволяющие получить ряд ступеней пониженной частоты для питания трехфазного АД.

3. Компьютерная модель асинхронного электропривода, в которой на основе известного математического описания АД реализованы предложенные алгоритмы формирования трехфазного напряжения из однофазной сети, позволяющая исследовать электромеханические процессы в специальных режимах на различных ступенях пониженной частоты вращения.

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, полученные на модели и опытно-промышленной установке, подтверждающие возможность реализации предложенных алгоритмов для реализации специальных режимов асинхронных электроприводов.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Завьялов, Евгений Альбертович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

В диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача, направленная на реализацию в технологических агрегатах специальных режимов работы асинхронных электроприводов, реализованных на основе тиристорного управления при питании от однофазной сети. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволили получить следующие результаты и выводы:

1. На основе изучения потребности в создании специальных режимов работы на пониженной частоте вращения установлена целесообразность реализации специальных режимов на основе тиристорного управления.

2. Предложены новый принцип и алгоритмы формирования пониженной частоты вращения в асинхронных электроприводах с тиристорным управлением при питании от однофазной сети.

3. На основе известного математического описания АД в трехфазной системе координат с учетом особенностей реализации предложенных алгоритмов формирования трехфазного напряжения из однофазной сети, разработана математическая модель системы электропривода, реализованная в виде компьютерной программы.

4. В результате проведенных исследований на компьютерной и физической модели была установлена возможность практической реализации специальных режимов в асинхронном электроприводе с тиристорным управлением при питании от однофазной сети при подаче как номинального фазного напряжения, так и пониженного напряжения с коэффициентами искажения синусоидальности тока, достигающими значения 0,6-0,7.

5. Установлено, что при питании электропривода номинальным напряжением с реализацией предложенных алгоритмов в режиме формирования частоты ИЪ достигается М=0,8МН при значении номинального тока, при более низких значениях частоты действующее значение тока практически в 2 раза превышает номинальное, что не ограничивает кратковременного использования этих режимов на практике.

6. В результате исследований проведенных при питании пониженным напряжением установлено, что по мере понижения частоты возрастает нагрузочная способность АД в специальных режимах, что позволяет использовать их в высоковольтных электроприводах с подачей напряжения величиной менее 1000 В.

107

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Завьялов, Евгений Альбертович, 2005 год

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

2. Чиликин М.Г., Соколов Н.М., Терехов В.М., Шинянский A.B. Основы автоматизированного электропривода. -М.: Энергия, 1974. 568 с.

3. М.Г. Чиликин, В.И. Ключев, A.C. Сандлер. Теория автоматизированного электропривода: Учеб. пособие для вузов. М.: Энергия, 1979,- 616 с.

4. Флоренцев С.Н. Состояние и перспективы развития приборов силовой электроники на рубеже столетий//Электротехника.- 1999.- №4,- С.2-10.

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

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

7. Фираго Б.И., Готовский Б.С., Лисс З.А. Тиристорные циклоконверторы.-Минск: Наука и техника, 1973.- 296 с.

8. Шубенко В. А., Браславский И.Я., Шрейнер Р.Т. Асинхронный электропривод с тиристорным управлением.-М.: Энергия, 1967.

9. Шубенко В. А., Браславский И.Я. Тиристорный асинхронный электропривод с фазовым управлением.- М.: Энергия, 1972.

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

11. Асинхронный электропривод с тиристорными коммутаторами / Л.П.

12. Петров, В.А. Ладензон, М.П. Обуховский, Р.Г. Подзолов.-М.: Энергия, 1970,- 128 с.

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

14. Петров Л.П. Управление пуском и торможением асинхронныхдвигателей. М.: Энергоатомиздат, 1977.- 184 с.

15. Хрисанов В.И., Коновалов Ю.Н. Тиристорные преобразователи для асинхронных электроприводов // Электроприводы переменного тока: Тр. XI ой научно-технич. конф. (24 - 26 февраля 1998 г.). - Екатеринбург : УГТУ, 1998,- С. 72-75.

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

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

18. Дартау В.А., Рудаков В.В. Столяров И.М., Асинхронные электроприводы с векторным управлением .- M-JI: Энергоатомиздат . 1987.

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

20. Кудрявцев A.B. Развитие частотно-регулируемого асинхронного электропривода на кафедре АЭП МЭИ // Электротехника.- 2000.-№ 2.-С.47-50.

21. Многозонная интегрирующая система управления группой асинхронныхэлектроприводов водяных насосов / Цытович Л.И., В.Г. Маурер, Р.Х.

22. Гафиятуллин, Д.Л. Власов, A.A. Бузов // П-я Науч.- техн. конф.

23. Энергосбережение на металлургических предприятиях» Сб. тр.

24. Магнитогорск, 2000.-С.261 -265.

25. Минимизация электропотребления АД в режиме снижения технологических нагрузок / A.C. Сарваров., И. А. Селиванов, Е.А. Завьялов // Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века. Тез.докл. межгосуд. конф.- Магнитогорск: МГМА, 1996.-c.112

26. Селиванов И.А., Завьялов Е.А., Минков Э.О. Применение асинхронного электропривода с импульсно-частотным управлением // Электротехнические системы и комплексы: Межвуз. сб. науч. тр. -Магнитогорск: МГТУ, 2002. Вып.7. - С. 83-85.

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

28. Масандилов Л.Б., Анисимов В.А., Горнов А.О., Крикунчик Г.А. Москаленко В.В. Опыт разработки и применения асинхронных электроприводов с тиристорными преобразователями напряжения // Электротехника.- 2000,- № 2.- С. 32 36.

29. Масандилов Л.Б., Гетман Ю.И. Мелихов В.Л. Особенности квазичастотного управления асинхронного двигателя // Электротехника. -1994,- № 5-6.-С. 16-20.

30. A.c. 1376212 СССР. МКИ4 Н 02М 5/02 Способ регулирования скорости асинхронного электропривода / Масандилов Л.Б., Рожанковский Ю.В., Крылов Н.В. (СССР).- №3799613/24-07, Заявлено 11.10.84. 0публ.23.02.88. Бюл.№7. С. 240.

31. Макурин А.С.название диссертации: Дис. канд. техн. наук.1. Магнитогорск, 2005.-.с.

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

33. Завьялов Е.А., Петушков М.Ю., Сарваров A.C. Контроль частоты вращения электропривода затвора весовой воронки // Автоматическое управление металлургическими процессами: Межвуз. сб. науч. тр. -Магнитогорск: МГМА, 1996. С. 26-30, 232.

34. Мейстель A.M., Спивак Л.М. Электропривод и автоматизация промышленных установок / Тиристорное управление асинхронными короткозамкнутыми двигателями // Итоги науки и техники. М.: ВИНиТИ., 1971.- 186 с.

35. A.c. №845256 СССР МКИ Н 02Р 7/48. Способ регулирования скорости асинхронного двигателя / Пога Ю.Э., Рутманис Л.А., Аржаник О.И. Гринберг К.В. (СССР).-№3225650/24-07. Заявл.29.12.80. Опубл. 30.08.82.

36. Эпштейн И.И. Автоматизированный электропривод переменного тока.-М.: Энергоатомиздат, 1982.-192 с.

37. Ишханов П.Э., Чуриков A.M. Исследование электромагнитных процессов в асинхронном электродвигателе с преобразователем частоты // Приводная техника.- 1998, №3,-С. 12-16.

38. Глазенко Т.А., Гончаренко Р.Б. Полупроводниковые преобразователи частоты.- JL: Энергия, 1969.- 184 с.

39. Патент № 2095933 РФ МКП6Н 02 р 7/42. Способ регулирования скорости асинхронного двигателя / Селиванов И.А., Сарваров A.C., Завьялов Е.А. (РФ).- № 96104007. Заявлено 28.02.96, Опубл. 10.11.97. Бюл. №31. С.521.

40. Селиванов И.А., Завьялов Е.А., Шейнин А.Н. Система частотно-импульсного управления скоростью асинхронного двигателя // Электротехнические системы и комплексы: Межвуз. сб. науч. тр. — Магнитогорск: МГТУ, 2004. Вып.9. - С. 91 -96.

41. Сарваров A.C., Завьялов Е.А., Скуридин А.Б. Исследование маловентильной системы НПЧ АД в режиме формирования пониженной частоты вращения // Электротехнические системы и комплексы. Межвуз. сб. науч. тр. - Магнитогорск: МГТУ, 2005. -Вып.7. -С. 172-175.

42. Электромагнитные переходные процессы в асинхронном электроприводе / М.М. Соколов, Л.П. Петров. Л.Б. Масандилов, В.А. Ладензон. М.: Энергия. 1967.- 198 с.

43. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин: Учеб. Для вузов по спец. «Электромеханика». 2-е изд.; перераб. и доп.-М.: Высш. шк., 1994.-318 с.

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

45. Омельченко Е.Я., Харламов A.B. Моделирование на ЭВМ переходных процессов в асинхронном электроприводе // Электротехнические системы и комплексы: Межвуз. Сб. науч. тр.- Магнитогорск: МГТУ, 1998.- вып.5. С. 36-42.

46. Власов Д.Л. Алгоритмы ускоренного моделирования силовой части электропривода // Электроприводы переменного тока: Тр. 12-й научно-технич. конф.(13-16 марта 2001 г.). Екатеринбург: УГТУ, 2001. С. 80-83.

47. Федоров А.Г. Delphi 2.0 для всех. 2-е изд., перераб. и доп. - М.:ТОО фирма "Компьютер Пресс", 1997. - 464 с.

48. Сарваров A.C., Муриков Е.С. Разработка математической модели работы НПЧ на активно-индуктивную нагрузку // Электротехнические системы и комплексы: Межвуз. Сб. науч. тр. Магнитогорск: МГТУ, 2001 - Вып. 6,- С. 193-200.

49. Костенко М.П., Пиотровский Л.М. Электрические машины. В 2-х ч. Ч.2.-Машины переменного тока. Учебник для студентов высш. учеб. заведений. Изд. 3-е, перераб. Л.: Энергия,- 648 с.

50. Сарваров A.C. Установление основных соотношений для настройки системы НПЧ-АД с программным формированием напряжения // Электротехнические системы и комплексы: Межвуз. сб. науч. тр. -Магнитогорск: МГМА, 2001. Вып.6. С. 63-69.

51. Маколов В.Н. Использование соотношений полученных из круговых диаграмм асинхронного двигателя для задач оптимального управления в вентиляторных электроприводах с системой НПЧ-АД.- М.:2002.- 7 с.-Деп. в ВИНИТИ27.02.02, №385.

52. Маколов В.Н. Разработка электропривода по системе 12-пульсный НПЧ

53. АД с программным формированием напряжения. Дис. канд. техн. наук. Магнитогорск, 2003.- 157 с.

54. Руденко B.C., Жуйков В.Я., Коротеев И.Е. Расчет устройств преобразовательной техники.-К.: Техника,1980.-135 с.

55. Такеути Т. Теория и применение вентильных цепей для регулирования двигателей. Пер. с англ. Л.: Энергия, 1973.-248 с.

56. Нейман Л.Р., Демирчан К.С. Теоретические основы электротехники.- МЛ.: Энергия, 1966,- 522 с.

57. Исследование маловентильной системы НОТ АД в режиме формирования пониженной частоты вращения / Сарваров A.C., Завьялов Е.А., Скуридин А.Б.// Электротехнические системы и комплексы. Межвуз. сб. науч. тр. - Магнитогорск: МГТУ, 2005. Вып.7. -С. 172-175.