Система частотно-параметрического управления асинхронным двигателем с фазным ротором тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Бойков Андрей Игоревич

• Бойков Андрей Игоревич
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Бойков Андрей Игоревич

ВВЕДЕНИЕ

1 СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА БАЗЕ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ С ФАЗНЫМ РОТОРОМ ДЛЯ МЕХАНИЗМОВ КОНВЕЙЕРОВ

1.1 Транспортные механизмы конвейерного типа

1.2 Способы управления асинхронным электродвигателем с фазным

ротором

1.3 Обзор патентной базы в области систем асинхронного электропривода с добавочным напряжением в цепи ротора

1.4 Компьютерное моделирование систем электропривода

1.5 Выводы

2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ЧАСТОТНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА И ЕЕ ЭЛЕМЕНТОВ

2.1 Математическое описание асинхронного электродвигателя с фазным ротором

2.2 Математическое описание двухзвенного преобразователя частоты

2.3 Математическое описание электромагнитных процессов в асинхронном электродвигателе при частотно-параметрическом управлении

2.4 Косвенное определение переменных асинхронного электродвигателя с фазным ротором

2.5 Выводы

3 РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ЧАСТОТНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ С ФАЗНЫМ РОТОРОМ

3.1 Асинхронный электропривод с частотно-параметрическим регулятором в роторной цепи

3.2 Имитационная модель частотно-параметрического электропривода и результаты моделирования

3.3 Регулировочные характеристики электропривода

3.4 Разработка системы торможение электропривода с самовозбуждением

3.5 Выводы

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ С ФАЗНЫМ РОТОРОМ

4.1 Разработка двухзвенного преобразователя частоты, работающего при изменении в широком диапазоне напряжения питания

4.2 Постановка экспериментального исследования

4.3 Сравнение энергетических показателей электроприводов

4.4 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ПРИЛОЖЕНИЕ А Патент на изобретение

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Компьютерная имитационная модель

ПРИЛОЖЕНИЕ В Синтез передаточной функции при широтно-импульсном

управлении

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Технические данные электродвигателей

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Акт об использовании результатов диссертационной

работы

ПРИЛОЖЕНИЕ Е Справка о внедрении в учебный процесс

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Система частотно-параметрического управления асинхронным двигателем с фазным ротором»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Современный промышленный комплекс требует для своей работы все большего количества регулируемых электроприводов, которые в основном выполнены на базе асинхронного электродвигателя (АД), характеризующегося простотой конструкции, надежностью, меньшей стоимостью.

Промышленный комплекс для автоматизации технологических процессов использует большое количество конвейерных механизмов непрерывного действия. Они характеризуются тяжелыми (пуск, торможение) и длительными режимами работы, поэтому для них важна надежность и простота обслуживания. В качестве электромеханического преобразователя энергии в них применяются асинхронные электродвигатели с фазным ротором (АД с ФР), имеющие большой пусковой момент [10, 11].

Системы управления электродвигателем с фазным ротором, как правило, строятся на параметрических элементах, включенных в роторную цепь. Они могут быть не регулируемыми, например, обеспечивающими пуск с помощью индукционного сопротивления, или регулируемыми, обеспечивающими реостатный ре-лейно-контакторный пуск, импульсное регулирование скорости с помощью полупроводниковых элементов. Несмотря на то что, данные системы управления обеспечивают необходимые пусковые характеристики электродвигателя, ограничивая пусковой ток и обеспечивая требуемое значение ускорения, они обладают следующими недостатками: значительные потери энергии в процессе пуска на реостатах, возможность межвиткового короткого замыкания в роторной цепи вследствие возникшего там перенапряжения (характерно для импульсных систем регулирования), низкий коэффициент мощности.

Лучшие в плане энергоэффективности каскадные системы электропривода, такие как асинхронно-вентильный каскад и его варианты, сложны в плане запуска, т.к. требуют дополнительного пускового устройства, имеют неглубокий диапазон регулирования скорости [12, 13].

Вследствие выше изложенного, при модернизации систем электропривода

конвейерных механизмов, используют систему «преобразователь частоты -асинхронный электродвигатель». Для уменьшения стоимости модернизации используют имеющийся АДФР, ротор которого закорачивают, а в цепь статора включают двухзвенный преобразователь частоты, способный обеспечить оптимальное управление двигателем. Однако в данной системе электропривода напряжение на выходе преобразователя частоты имеет несинусоидальную форму и приводит к возникновению высших гармоник тока, на которые асинхронный двигатель с фазным ротором не рассчитан, что снижает срок его службы [17, 26, 72].

Вследствие выше изложенного остается актуальной задача совершенствования систем регулируемого электропривода на базе электродвигателя с фазным ротором в направлении создания гибридных систем с частотным преобразователем в цепи ротора и параметрическим индукционным устройством с частотно-зависимым сопротивлением.

Степень разработанности темы исследования. Изучением асинхронного электродвигателя и проблем, связанных с его оптимальным управлением занималось множество зарубежных и российских ученых. Существенный вклад в разработку методов оптимального управления АД внесли следующие ученые: В.И. Ключев, М.П. Костенко, В.В. Рудаков, В.Н. Мещеряков, В.А. Мищенко, Г.Б. Онищенко,

A.М. Вейнгер, Н.Ф. Ильинский, А.А. Булгаков, Р.Т. Шрейнер, И.Я. Браславский,

B.А. Шубенко, W. Leonard, J. Holtz, F. Blaschke, D.W. Novotny и др.

Анализ работ, написанных вышеперечисленными учеными, показал, что большая часть систем оптимального управления электроприводом реализуется на базе асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором и лишь немногие из них используют преимущества электродвигателя с фазным ротором [73, 81].

Объектом исследования является электропривод, выполненный на базе асинхронного электродвигателя с фазным ротором, для конвейерных механизмов непрерывного действия.

Цель работы - разработка и исследование регулируемого электропривода, выполненного на базе асинхронного электродвигателя с фазным ротором, с включенными в цепь ротора блоками частотно-параметрического управления и

торможения с самовозбуждением.

Идея работы заключается в создании системы частотно-параметрического управления асинхронным электродвигателем с фазным ротором, обеспечивающей регулирование скорости и стабилизацию пускового момента с помощью преобразователя частоты, включенного в цепь ротора, к выходу инвертора напряжения которого подключено частотно регулируемое индукционное сопротивление, и реализацию с помощью этого преобразователя частоты экономичного режима торможения с самовозбуждением.

Задачи:

- разработка системы плавного пуска асинхронного электродвигателя с фазным ротором, обеспечивающей регулирование скорости в заданном диапазоне;

- разработка математических моделей устройств, входящих в состав системы электропривода с помощью программного пакета МаЛаЬ Simulink;

- разработка системы косвенного определения скорости асинхронного электродвигателя с фазным ротором в зависимости от частоты тока ротора;

- разработка системы торможения асинхронного электродвигателя с фазным ротором самовозбуждением;

- разработка двухзвенного преобразователя частоты, состоящего из неуправляемого выпрямителя и автономного инвертора напряжения, который позволяет работать при изменяемом напряжении на входе инвертора и обладает широким диапазон регулирования выходной частоты.

Методы исследования. При решении поставленных задач применялись теории построения многоконтурных систем управления электроприводом, электрических машин, электропривода, автоматического управления. Исследования выполнялись с помощью компьютерного моделирования в программной оболочке МаЛАВ^тиНпк, с использованием численных методов решения, и постановкой экспериментальных опытов, для оценки адекватности компьютерной модели.

Научная новизна работы:

- разработан способ управления асинхронным двигателем с фазным ротором, обмотки ротора которого соединены с преобразователем частоты, к выходу

инвертора напряжения которого подключено частотно-регулируемое индукционное сопротивление, отличающийся возможностью плавного регулирования пускового момента и скорости за счет регулирования частоты коммутации ключевых элементов инвертора;

- разработана замкнутая система управления скоростью электропривода, отличающаяся использованием измерителя частоты тока ротора, позволяющего реализовать косвенное определение скорости электродвигателя и обеспечить ее регулирование;

- разработана энергосберегающая система электродинамического торможения асинхронного электродвигателя с фазным ротором с самовозбуждением и дополнительной подпиткой звена постоянного тока, обеспечивающая поддержание требуемого тормозного момента и позволяющая регулировать время остановки электродвигателя, отличающаяся автоматическим регулированием тока протекающего в обмотках статора и ротора в процессе торможения двигателя.

Теоретическая значимость:

- определены зависимости между переменными асинхронного электродвигателя с фазным ротором при введении в цепь ротора регулируемого преобразователя частоты на базе автономного инвертора напряжения, выход которого подключен к индуктивно-активной нагрузке;

- определены условия реализации режима пуска электропривода до заданной скорости с поддержанием заданного пускового момента;

- определены условия реализации режима электродинамического торможения самовозбуждением с преобразованием запасенной кинетической энергии в электрическую энергию, расходуемую на питание обмотки статора электродвигателя;

- получены энергетические характеристики АД с ФР при введении в цепь ротора преобразователя частоты на базе автономного инвертора напряжения, выход которого подключен к индуктивно-активной нагрузке.

Практическая значимость:

- обеспечение стабилизации и регулирования пускового момента

электродвигателя в диапазоне от Мн до 2Мн;

- регулирование скорости электродвигателя в диапазоне 1:10;

- система электродинамического торможения самовозбуждением обеспечивает снижение потребляемой энергии на 33% по сравнению с электродинамическим торможением;

Достоверность результатов и выводов.

Подтверждается путем проведения экспериментальных исследований, доказывающих возможность стабилизации тока ротора асинхронного электродвигателя, и подтверждающих адекватность компьютерных моделей. Отсутствие противоречий с положениями теории электротехники, силовой электроники, автоматического управления, электрических машин и электропривода.

Положения, выносимые на защиту:

- математические модели элементов электропривода с частотно-параметрическим управлением;

- система частотно-параметрического электропривода, способная осуществлять пуск электродвигателя по заданным условиям;

- система электродинамического торможения электропривода самовозбуждением;

- система управления автономным инвертором напряжения для поддержания скорости и стабилизации пускового момента;

- способ косвенного определения скорости электродвигателя;

- энергетические характеристики частотно-параметрического асинхронного электропривода с введенным в ротор частотно-зависимым параметрическим регулятором, подключенным через вентильные элементы.

Реализация результатов работы. Результаты исследований, полученные при выполнении работы, внедрены в учебный процесс направления 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» Липецкого государственного технического университета (ЛГТУ), на ООО «Синергия» г. Липецк.

Соответствие диссертации Паспорту научной специальности.

Диссертация соответствует следующим пунктам Паспорта научной

специальности 05.09.03:

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.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее результаты представлялись и обсуждались на Девятнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва 2013); Двадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва 2014); XX международной научно-технической конференции: «Информационные Системы и Технологии» (Нижний Новгород 2014); Международной конференции с элементами научной школы «Актуальные проблемы энергосбережения и энергоэффективности в технических системах» (Тамбов 2014); XXI международной научно-технической конференции: «Информационные Системы и Технологии» (Нижний Новгород 2015); XXII международной научно-технической конференции: «Информационные Системы и Технологии» (Нижний Новгород 2016); XII международной научно-практической конференции «СОВРЕМЕННЫЕ СЛОЖНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ» (Липецк 2017); Международной научно-технической конференции «Энергетические и электротехнические системы» (Магнитогорск 2017); XXVIII международной научно-технической конференции «СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЗАДАЧАХ УПРАВЛЕНИЯ, АВТОМАТИКИ И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ» (Алушта 2019); 2019 International Russian Automation Conference (RusAutoCon) (Sochi 2019); 2019 International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon) (Vladivostok 2019); на финальном мероприятии по отбору работ по программе У.М.Н.И.К. фонда содействия развитию малых форм предприятий в

научно-технической сфере (Липецк 2019).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 23 печатные работы, из них 4 статьи, 2 из которых - в журналах из перечня ВАК РФ, 2 статьи в электронном издании IEEE, рецензируемом наукометрической базой Scopus,15 тезисов докладов на конференциях, 2 патента на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, включающего 99 наименований, и 6 приложений. Общий объем работы - 158 страниц. Основная часть изложена на 142 страницах текста, содержит 102 рисунков, 64 формул, 9 таблиц.

1 СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА БАЗЕ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ С ФАЗНЫМ РОТОРОМ ДЛЯ КОНВЕЙЕРНЫХ

МЕХАНИЗМОВ

1.1 Транспортные механизмы конвейерного типа

Конвейеры относятся к транспортным механизмам непрерывного действия, предназначенным для перемещения грузов. В зависимости от типа тягового элемента различают три группы: ленточные, цепные и канатные. Основной конструктивной частью любого механизма конвейерного типа, является непрерывно движущийся тяговый орган, который может быть выполнен из ленты, цепей или канатов. Как правило конструкция тягового органа выбирается исходя из характера груза, скорости его движения и окружающих условий [32].

Наибольшее распространение получили ленточные и цепные конвейеры. В них лента выполняет функцию несущего и тягового органа одновременно. На рисунке 1.1 показана схема ленточного конвейера.

ся/еш берхШ рамшпоры

Рисунок 1.1 - Схема ленточного конвейера

Лента 1 движется по верхним и нижним роликам 2. В движение лента приводится с помощью ведущего (приводного) барабана 4, подключенного к электроприводу. Натяжение ленты обеспечивается барабаном 6, подшипники которого могут перемещаться по горизонтальным направляющим, и груза 7. Регулирование угла

обхвата натяжного и приводного барабанов изменяется с помощью отводящих роликов 5. Через загрузочную воронку 8 происходит загрузка конвейера транспортируемым материалом, который поступает в бункер 3 [54].

Основной разновидностью цепного конвейера является скребковый (рисунок 1.2 а), существует его пассажирский вариант - эскалатор (рисунок 1.2 б).

а)

б)

Рисунок 1.2 - Схемы цепного конвейера: а - скребковый; б - эскалатор

Обычно конвейерные механизмы движутся с одной неизменной скоростью и требуют не глубокого диапазона ее регулирования 2:1. Однако в некоторых случаях, как например эскалатор или вертикальные многокабинные подъемники

непрерывного типа, требуется переход на пониженную ползучую скорость [62].

Режимы работы механизмов конвейерного типа характеризуются [27, 28]:

- длительным режимом работы;

- неравномерностью нагрузки;

- тяжелыми условиями пуска.

Несмотря на разнообразие рабочих органов к основным требованиям электропривода конвейеров относят [55]:

- минимизация времени пуска и торможения с ограничением динамических натяжений ленты и отсутствием ее пробуксовки. Для пуска и торможения конвейера под нагрузкой пусковой момент двигателя не должен превышать номинальный более чем в 1,5-2 раза, для избегания перегрузок в тяговом органе;

- обеспечение плавного пуска при разгоне (ограничение кратковременных ускорений);

- необходимость регулирования скорости;

- для многодвигательных конвейеров необходимо регулирование отдельными двигателями для распределения нагрузки и обеспечения равномерности натяжения ленты.

Выбор мощности приводного электродвигателя конвейера производится методом постепенного приближения совместно с расчетом остального механического оборудования. Для начала определяется ориентировочное значение тягового усилия и натяжения, производится предварительный выбор мощности электродвигателя и механического оборудования.

Формула, позволяющая определить ориентировочное тяговое усилие электродвигателя, имеет вид [57]:

Т = Т0 + ^ + АБ = Т0 + F, (1.1)

где F - преодолеваемое электродвигателем усилие, Fn - усилие необходимое для подъема груза, Т - натяжение конвейера,

Т0 - предварительное натяжение,

АР - суммарное усилие сил трения на участках трассы конвейера.

Предварительный выбор мощности электродвигателя делается исходя из значений натяжения рабочего органа и тягового усилия.

Для построения диаграмм тяговых усилий (рисунок 1.3) вычерчивается трасса конвейера, включающая в себя все подъемы, спуски, перегибы, приводные и натяжные станции, барабаны и направляющие блоки.

а)

б)

Рисунок 1.3 - Диаграмма тяговых усилий: а - ленточный конвейер; б - цепной

конвейер

Найдя наименее нагруженный участок на диаграмме тяговых усилий, от него производится расчет потерь в каждом элементе. В результате получаем определение натяжения рабочего органа по всей длине

Мощность приводного двигателя определяется исходя из формулы:

Р = (Рп -Т0)•", (1.2)

Ц

где Р

Рп

- мощность двигателя;

- усилие на набегающем участке тягового органа;

и - скорость перемещения тягового органа; ц - КПД приводного механизма.

Далее определяется место установки и количество приводных станций на трассе конвейера. Как правило место их установки выбирается по диаграмме тяговых усилий таким образом, чтобы тяговое усилие нескольких электродвигателей равнялось усилию одного электродвигателя. Для окончательного выбора мощности строится уточненная диаграмма тяговый усилий для каждой отдельной ветви.

Таким образом электропривод конвейерных механизмов должен обладать высокой надежностью, простотой обслуживания. Всем этим требованиям в достаточной мере удовлетворяет асинхронный электродвигатель с фазным ротором, являющийся основным элементом электропривода конвейера [58].

1.2. Способы управления асинхронным электродвигателем с фазным ротором

Системы регулирования скорости асинхронным электродвигателем (АД) с фазным ротором (ФР) можно разделить на два вида параметрические и каскадные. К первым относится введение различных нелинейных параметрических элементов в роторною цепь, вторые представляют собой включенные в цепь ротора по «каскадной схеме» силовые или электромеханические преобразователи, позволяющие отдать энергию из роторной цепи назад в сеть [23, 24, 33, 70].

Простейшая схема параметрического управления асинхронным электродвигателем с фазным ротором показана на рисунке 1.4. Она представляет собой включенный в цепь ротора АД многоступенчатый резистор, по мере разгона двигателя его ступени шунтируется контактами. К ее достоинствам можно отнести: увеличенный пусковой момент, ограничение пускового тока, возможность формирования нескольких искусственных механических характеристик. К недостаткам: нестабильность пусковых характеристик, регулирование скорости связано с большими потерями энергии на добавочном сопротивлении, отсюда невозможность длительного поддержания скорости меньше номинальной [15, 78].

С развитием устройств силовой электроники на смену релейно-контактор-ному коммутатору пришел тиристорный коммутатор в цепи ротора, представленный на рисунке 1.5.

QF

М.1

R

дп1

КУ 1 КУ 1

хт* ' \

R

дпп

¡ку п\ ку и|

ю, рад/с

0

Мс

М, Нм

Рисунок 1.4 - Асинхронный электродвигатель с релейно-контакторным коммутатором в роторной цепи и его механическая характеристика

1.1.1

Кд VS1-VS6

Рисунок 1.5 - Асинхронный электродвигатель с тиристорным коммутатором в роторной цепи 16

Силовая схема коммутатора представлена тремя парами встречно-параллельных тиристоров. Регулирование скорости осуществляется путем изменения угла открытия тиристоров. Достоинства и недостатки данного способа регулирования аналогичны релейно-контакторному [60, 71].

Развитие систем с тиристорным коммутатором привело к появлению двух получивших широкое применение схем регулирования скорости: схема импульсного регулирования и устройства плавного тристорного пуска.

В схемах импульсного регулирования (рисунок 1.6) в роторную цепь АД включается неуправляемый выпрямитель, в некоторых частных случаях возможно включение управляемого выпрямителя, к его выходам подключается сопротивление параллельно которому подключается полностью управляемый силовой ключ. Управление силовым ключом осуществляется с помощью широтно-импульсного регулирования, что позволяет управлять амплитудой прикладываемого к резистору напряжения. Достоинства: возможность плавного регулирования скорости, при наличии замкнутой обратной связи по скорости (току) возможность стабилизации скорости (тока), возможность получения любой промежуточной механической характеристики в диапазоне изменения скважности от 0 до 1. К недостаткам можно отнести: наличие коммутационных перенапряжений, малый диапазон регулирования скорости, вследствие увеличения потерь на резисторе. Следует также отметить что при импульсном управлении энергетические показатели системы несколько хуже, чем при ступенчатом, это объясняется колебанием токов электродвигателя из-за частых включений/отключений добавочного сопротивления, что приводит к увеличению его нагрева [14, 82].

Устройства плавного пуска (рисунок 1.7) предназначены для пуска высоковольтных мощных электродвигателей. К выводам обмоток ротора подключается управляемый выпрямитель. К выводам обмоток выпрямителя подключены регулировочные резисторы, которые шунтируются коммутирующими тиристорами. Изменяя угол управления выпрямителем осуществляют плавное регулирование тока в роторной цепи, а его значение определяется регулировочным резистором.

Достоинства: возможность плавного регулирования скорости, стабилизация

QF

1.1.1

®0

Кг — 1

ШИП

0

1 ю, рад/с -^Уцоб = 0

/ М, Нм -'-►

Рисунок 1.6 - Импульсное регулирование скорости асинхронного электродвигателя с фазным ротором и его механическая характеристика

Рисунок 1.7

- Устройство плавного пуска асинхронного электродвигателя с фазным ротором

пускового тока ротора, возможность пуска мощных высоковольтных проводов. Недостатки: коммутационные перенапряжения в роторной цепи в момент пуска, приводящие к выходу из строя обмотки ротора асинхронного электродвигателя, малый диапазон регулирования скорости, ограниченный номиналами введенных в ротор сопротивлений [47, 84].

Помимо включения резисторов в цепь ротора существуют схемы пуска АД с ФР, когда к выводам обмотки ротора подключается реактор, или индукционное сопротивление (ИС) (рисунок 1.8).

КУ 2

КУ 2

Ь

Рисунок 1.8 - Асинхронный электродвигатель с реактором или индукционным сопротивлением в роторной цепи

Индукционное сопротивление состоит из трех трубчатых стержней, соединенных ярмами с обмотками из неизолированного провода, наматываемого на изолированные миканитом сердечники (рисунок 1.9) [30].

В основу теоретических исследований индукционного параметрического устройства положено явление поглощения электромагнитной энергии

магнитопроводом реостата. Поэтому ИС рассматривается как трансформатор, первичной обмоткой которого служит медный или алюминиевый индуктор, а вторичной стальная тонкостенная труба (стержень магнитопровода), на которую надет индуктор. Связь между обмотками осуществляется посредством магнитного потока, проходящего в основном через воздушное пространство между индуктором и стальной трубой [18, 43, 90, 92].

Рисунок 1.9 - Индукционное сопротивление

I

Электромагнитная волна при прохождении вглубь магнитопровода затухает это обусловило применение трубы (полого стержня).

Значение величины активных потерь в ИС определяется в первую очередь физическими свойствами материала стержня ИС (удельным сопротивлением и магнитной проницаемостью) и частотой тока.

Поглощаемая стержнем активная мощность:

Рс = 14 • 10-9 )2 • ^ (13)

П0

где Г^ - напряженность магнитного поля, а/м; I - действующее значение тока ротора;

w0 - число витков обмотки;

DH - наружный диаметр стержня; W

^ =——. - высота обмотки.

0 Wyd

Особенностью индукционного сопротивления является, что при максимальной частоте тока в обмотках поглощаемая магнитопроводом мощность и электрические параметры ИС имеют максимальное значение. По мере уменьшения частоты тока уменьшается поглощаемая магнитопроводом мощность и электрические параметры ИС. Глубина проникновения электромагнитной волны (вихревых токов) в толщу стержня магнитопровода также изменяется [40, 61].

Путем изменения электрических параметров магнитопровода индукционного реостата возможно изменить форму механических характеристик электродвигателя.

Особенность данных способов пуска асинхронного электродвигателя заключается в изменении реактором и индукционным сопротивлением своего индуктивного сопротивления, зависящего от частоты протекающего через них тока. Следует отметить что введение в цепь ротора реактора или индукционного сопротивления позволяет увеличить пусковой момент АД с ФР. Достоинства: ограничение пускового тока и его плавное изменение по мере разгона, увеличенный пусковой момент. Недостатки: отсутствие возможности регулирование скорости, потери на активных сопротивлениях регулирующих элементов, нет возможности изменить темп разгона электродвигателя [16, 64].

Термин «каскадное соединение» происходит от того, что в данных системах асинхронного электропривода электрическая энергия, потребляемая двигателем из питающей сети, проходит ряд последовательных преобразований. При этом преобразованию подлежит только энергия скольжения, а не вся подводимая энергия, как это происходит в приводах с АД с короткозамкнутым ротором (КЗР). Данный факт является причиной того, что у каскадных схем наиболее высокий КПД по сравнению со всеми другими схемами регулируемого электропривода [45].

В настоящее время разработано много различных каскадных схем, которые

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бойков Андрей Игоревич, 2021 год

- -

1 1 : —►

№

■ .-> Л -1 5 ^ 7 X о 10:1 2 13 : 1 5 17 м Iо гармоники

Рисунок 4.27 - Гармонический анализ по напряжению ПЧ-АД на выходе инвертора

2,5

1,5

0,5

0

I, %

тт = 8,4%

I

№

1 2 3 4 6 7 8 9 10 И 12 13 14 16 17 '„'г. 1V 20 гармоники Рисунок 4.28 - Гармонический анализ по току ПЧ-АД на выходе инвертора

Проанализировав полученные результаты гармонического анализа можно сделать следующие выводы. Предлагаемый электропривод имеет коэффициенты искажения по напряжению и тока равные 0,01% и 1,07%. В то время как система ПЧ-АД показывает 7,66% и 85,64% по напряжению и току соответственно, что на порядки больше. Для релейно-контакторного электропривода, влияние на сеть по напряжению и току равно 0%.

4.4 Выводы

1. Предложен преобразователь частоты для включения, в цепь ротора асинхронного двигателя с фазным ротором, позволяющий работать с изменяемым значением напряжения на входе выпрямительного блока, и обеспечивающий более широкий диапазон регулирования выходной частоты. Предложенная система управления инвертором на базе микропроцессора позволяет реализовать любой закон управления ключами.

2. Проведены экспериментальные исследования. В результате которых были построены характеристики частотно-зависимого параметрического регулятора и исследована работа предложенной системы управления электроприводом. Доказана возможность поддержания тока в роторной цепи электродвигателя

3. Произведено сравнение энергетических показателей предлагаемой системы электропривода с ее наиболее распространенными альтернативами, которое показало, что при длительном режиме работы обеспечивается показатели, не уступающие системе электропривода преобразователь частоты-асинхронный электродвигатель.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана система плавного пуска АД с ФР обеспечивающая постоянство пускового момента и возможность регулирования установившейся скорости в диапазоне до 1:10.

2. Разработаны математические модели устройств, входящих в состав электропривода, описаны электромагнитные процессы в каскадной схеме, получены зависимости тока и напряжения в звене постоянного тока, выходной частоты инвертора от скольжения электродвигателя, построена зависимость комплексного сопротивления индукционного сопротивления от частоты.

3. Предложена система косвенного определения скорости, на основе частоты тока ротора электродвигателя, позволяющая определять скорость с погрешностью ±5%.

4. Предложен способ электродинамического торможения электропривода с самовозбуждением, за счет отдачи энергии электродвигателя из цепи ротора через управляемый выпрямитель в цепь статора с дополнительной подпиткой звена постоянного тока от независимого источника энергии. Система торможения самовозбуждением обеспечивает снижение потребляемой энергии на 33% по сравнению с электродинамическим торможением

5. Разработан двухзвенный преобразователь частоты для включения, в цепь ротора асинхронного двигателя с фазным ротором, позволяющий работать с регулируемым значением напряжения на входе выпрямительного блока, и обеспечивающий более широкий диапазон регулирования выходной частоты.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Асинхронный вентильный каскад: а.с. 245202 СССР. № 1152337/24-7 / Ерофеев А.А., Великовский Я.А., Сердюк Ф.А.; заявл. 24.04.67; опубл. 04.06.69, Бюл. №19. 2 с.

2. Асинхронный вентильный каскад: а.с. 294209 СССР. №1186876/24-7 / Парфенов Э.Е., Тюряков А.М.; заявл. 29.09.67; опубл. 26.01.71, Бюл. №6. 2 с.

3. Асинхронный вентильный каскад: а.с. 642840 СССР. №2358993/24-07 / Королев В.Н., Мордасов А.П., Дегтярев А.В.; заявл. 12.05.76; опубл. 15.01.79, Бюл. №2. 2 с.

4. Асинхронный вентильный каскад: а.с. 764086 СССР. №2197820/24-07 / Великовский Я.А., Климентов Н.И.; заявл. 11.12.75; опубл. 15.09.80, Бюл. №34. 2 с.

5. Асинхронный вентильный каскад: а.с. 866684 СССР. №2865475/24-07 / Саляк И.И., Мартын Е.В.; заявл. 04.01.80; опубл. 23.09.81, Бюл. №35. 3 с.

6. Асинхронный вентильный каскад: пат. 2314636 Рос. Федерация. №2006136830/09 / Магазинник Л.Т.; заявл. 17.10.06; опубл. 10.01.08, Бюл. №1. 8 с.

7. Асинхронный вентильный каскад: пат. 2342767 Рос. Федерация. №2007141267/09 / Мещеряков В.Н., Шишлин Д.И., Шкарин М.Н.; заявл. 06.11.07; опубл. 27.12.08, Бюл. №36. 8 с.

8. Асинхронный вентильный каскад: пат. 2474951 Рос. Федерация. №2011144797/07 / Мещеряков В.Н., Безденежных Д.В., Башлыков А.М.; заявл. 03.11.11; опубл. 10.02.13, Бюл. №4. 10 с.

9. Бадейкин А.В., Геппенер В.В., Корнеев И.А. Синтез цифровых фильтров с использованием пакета программ МАТЬАВ: учебное пособие. СПб: издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2001. 73 с.

10. Белов М.П., Новиков В.А., Рассудов Л.Н. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов: учебник для вузов. М.: Академия, 2004. 576 с.

11. Борцов Ю.А., Соколовский Г.Г. Автоматизированный электропривод с упругими связями. СПб.: Энергоиздат, 1992. 288 с.

12. Браславский И.Я., Ишматов З.Ш., Поляков В.Н. Энергосберегающий асинхронный электропривод: учебное пособие для вузов. М.: Академия, 2004. 202 с.

13. Бурман А.П., Розанов Ю.К., Шакарян Ю.Г. Управление потоками электроэнергии и повышение эффективности электроэнергетических систем. М.: Издательский дом МЭИ, 2012. 336 с.

14. Валов А.В., Функ Т.А., Журавлев А.М., Сидоренко Н.Ю. Схемы импульсно-векторного управления электроприводом переменного тока // Электротехника, 2014. №10. С. 27-29.

15. Вешеневский С.Н. Характеристики двигателей в электроприводе. М.: Энергия, 1977. 432 с.

16. Власов В.Г., Иванов В.Л., Тимофеева Л.И. Взрывозащищенный тиристорный электропривод переменного тока. М.: «Энергия», 1977. 160 с.

17. Типовой электропривод промышленных установок / С.А. Волотковский [и др.]. Киев: Вища школа, 1983. 312 с.

18. Вольдек А.И. Электрические машины: учебник для студентов высш. техн. учеб. заведений. Изд. 3-е перераб. Л.: Энергия, 1978. 832 с.

19. Гельман М.В., Дудкин М.М., Преображенский К.А. Преобразовательная техника: учебное пособие. Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2009. 425 с.

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

21. ГОСТ Р 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М.: Изд-во стандартов, 1999.

22. ГОСТ Р 27471-87. Машины электрические вращающиеся. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 1987.

23. ГОСТ Р 50369-92. Электроприводы. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 1993.

24. Денисов В.А. Электроприводы переменного тока с частотным управлением: учебное пособие для вузов. Старый Оскол: ТНТ, 2013. 164 с.

25. Евсеев А.М., Бойков А.И., Пикалов В.В. Принцип программирования частотного электропривода посредством программной среды МайаЬ // «Современные проблемы горно-металлургического комплекса. Наука и производство»: материалы тринадцатой Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Старый Оскол, 2016. С. 28-30.

26. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. М.: Энергоатомиздат, 2000. 331 с.

27. Ключев В.И. Теория электропривода: учебник для вузов. Изд. 2-е перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 2001. 704 с.

28. Ключев В.И., Терехов В.М. Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов: учебник для вузов. М.: Энергия, 1980. 360 с.

29. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. М.: Высш. шк., 2001. 327 с.

30. Копылов И.П. Электромеханические преобразователи энергии. М.: Энергия, 1973. 400 с.

31. Асинхронные двигатели серии 4А: справочник / А.Э. Кравчик [и др.] М.: Энергоиздат, 1982. 504 с.

32. Малиновский А.К. Автоматизированный электропривод машин и установок шахт и рудников: учебник для вузов. М.: Недра, 1987. 277 с.

33. Мещеряков В.Н. Управление асинхронными двигателями и системами асинхронного электропривода: монография. Липецк: ЛГТУ, 2011. 99 с.

34. Мещеряков В.Н., Бойков А.И., Ласточкин Д.В. Система плавного пуска асинхронного двигателя с фазным ротором // Электротехнические системы и комплексы, 2019. № 1 (42). С. 24-29. DOI: 10.18503/2311-8318-2019-1(42)-24-29.

35. Мещеряков В.Н., Бойков А.И., Ласточкин Д.В. Способ управления асинхронным двигателем с фазным ротором // «Изобретатели и рационализаторы липецкой области»: сборник научных разработок и изобретений. Липецк, 2018. С. 29-34.

36. Мещеряков В.Н., Бойков А.И., Муравьев А.А. Система пуска асинхронного электродвигателя с фазным ротором // «Энергетические и

электротехнические системы»: международный сборник научных трудов. Магнитогорск, 2017. С. 204-208.

37. Мещеряков В.Н., Бойков А.И., Пикалов В.В. Способ плавного пуска асинхронного электродвигателя с фазным ротором // «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации»: материалы XXVIII международной научно-технической конференции. Алушта, 2019. С. 98-99.

38. Мещеряков В.Н., Бойков А.И., Пикалов В.В., Муравьев А.А., Ласточкин Д.В. Электропривод на базе асинхронной машины с индукционным сопротивлением в цепи ротора, подключенным через вентильные элементы // Известия СПбГЭТУ ЛЭТИ, 2019. № 2. С. 60-66.

39. Мещеряков В.Н., Пикалов В.В., Бойков А.И. Исследование наблюдателя полного порядка для бездатчиковой системы электропривода // Вести высших учебных заведений Черноземья, 2018. №4 (54). С. 39-49.

40. Мещеряков В.Н., Финеев А.А. Система асинхронного электропривода с частотно-параметрическим управлением для крановых механизмов // Промышленная энергетика, 2004. № 6. С. 32-33.

41. Муравьев А.А., Бойков А.И. Системы управления асинхронной машиной с фазным ротором с вентильными преобразователями в цепи ротора // «Современные сложные системы управления»: материалы XII международной научно-практической конференции. Липецк, 2017. С. 159-163.

42. Надсинхронный вентильный каскад: пат. 2073309 Рос. Федерация. №93016240/07 / Магазинник Л.Т., Магазинник Г.Г.; заявл. 29.03.93; опубл. 10.02.97, Бюл. № 4. 4 с.

43. Нейман Л.Р. Поверхностный эффект в ферромагнитных телах. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1949. 190 с.

44. Новожилов Н.Г. Сравнительный расчет емкости конденсатора звена постоянного тока частотного преобразователя // Современная наука и практика, 2015. № 1 (1). С. 20-24.

45. Онищенко Г.Б. Асинхронные вентильные каскады и двигатели двойного питания. М.: Энергия, 1979. 200 с.

46. Онищенко Г.Б. Асинхронный вентильный каскад. М.: Энергия, 1967. 152 с.

47. Онищенко Г.Б. Электрический привод: учеб. для вузов. М.: РАСХН, 2003. 320 с.

48. Пикалов В.В., Бойков А.И., Муравьев А.А., Евсеев А.М. Разработка регулятора, поддерживающего напряжение в контуре постоянного тока в случае кратковременного отключения напряжения питающей сети // Мехатроника, автоматика и робототехника, 2018. № 2. С. 105-106.

49. Пикалов В.В., Евсеев А.М., Бойков А.И., Белокопытов Р.Н. Инвертор тока на оптотиристорах с возможностью регулирования частоты в узком диапазоне // «Энергетика. Проблемы и перспективы развития»: тезисы докладов 3-й Всероссийской студенческой научной конференции. Тамбов, 2017. С. 250-252.

50. Плеханов М.С. Модель асинхронного электродвигателя с массивным ферромагнитным ротором в режиме минимального скольжения // Сборник научных трудов IV Всероссийского молодежного Форума с международным участием: Инженерия для освоения космоса. Томск: Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 2016. С. 66-70.

51. Пронин М.В., Воронцов А.Г. Силовые полностью управляемые полупроводниковые преобразователи (моделирование и расчет) / под ред. Е.А. Крутякова. СПб: ОАО «Электросила», 2003. 172 с.

52. Розанов Ю.К., Рябчицкий М.В., Кваснюк А.А. Силовая электроника: учебник для вузов. М.: Издательский дом МЭИ, 2009. 632 с.

53. Семенов Б.Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. М.: Солон-пресс, 2011. 416 с.

54. Соколов М.М. Автоматизированный электропривод общепромышленных механизмов. Изд. 3-е, перераб. и доп. М.: Энергия, 1976. 488 с.

55. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием: учебник для студ. высш. учеб. заведений. М.: Академия, 2006. 272 с.

56. Способ управления асинхронным двигателем с фазным ротором: пат. 2661343 Рос. Федерация. № 2017103049 / Мещеряков В.Н., Бойков А.И., Ласточкин Д.В.; заявл. 30.01.2017; опубл. 16.07.2018, Бюл. 20. 2 с.

57. Справочник по автоматизированному электроприводу / под ред. В.А. Елисеева и А.В. Шинянского. М.: Энергоатомиздат, 1983. 616 с.

58. Терехов В.М., Осипов О.И. Системы управления электроприводов: учебник для вузов. М.: Издательский центр «Академия», 2005. 304 с.

59. Тяговый электропривод: а.с. 844401 СССР. №2757555/24-11 / Ульянов Н.А., Волков В.Д.; заявл. 19.04.79; опубл. 07.07.81, Бюл. №25. 2 с.

60. Усынин Ю.С., Валов А.В. Импульсное управление асинхронным двигателем с фазным ротором // Вестник южно-уральского государственного университета. Серия: энергетика, 2007. № 8. С. 24-26.

61. Финеев А.А. Системы асинхронного электропривода с частотно-параметрическим управлением: дис. кан. техн. наук. Липецк: Липецкий государственный технический университет, 2004. 135 с.

62. Черемушкина М.С., Козярук А.Е. Совершенствование систем электропривода конвейерного транспорта // Горное оборудование и электромеханика, 2009. №4. С. 23-27.

63. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. М.: ДМК Пресс, 2007. 288 с.

64. Шумков Е.Б., Епифанов В.П., Завьялов Н.С. Энергетические особенности электроприводов с индукционными реостатами // Промышленная энергетика, 1979. № 1. С. 26-28.

65. Электропривод переменного тока: а.с. 1100705 СССР. №3566054/24-07 / Волков И.В., Исаков В.Н., Плугатарь А.П. и др.; заявл. 31.03.83; опубл. 30.06.84, Бюл. №24. 3 с.

66. Электропривод переменного тока: а.с. 1272463 СССР. №3911151/24-07 / Исаков В.Н., Аркушин В.П., Бибик В.А. и др.; заявл. 03.07.85; опубл. 23.11.86, Бюл. №43. 4 с.

67. Электропривод переменного тока: пат. 2237344 Рос. Федерация. №2002129670/09 / Мещеряков В.Н.; заявл. 04.11.02; опубл. 27.09.04, Бюл. №28. 10 с.

68. Электропривод переменного тока: пат. 2528612 Рос. Федерация. № 2012157418/07 / Мещеряков В.Н., Бойков А.И., Мещерякова О.В.; заявл. 26.12.2012; опубл. 20.09.2014, Бюл. 26. 6 с.

69. Asynchronous cascade: пат. LV13773 Латвия. № P-08-109 / Greivulis Janis, Bubnovs Roberts; заявл. 16.06.08; опубл. 20.11.08. 4 с.

70. Ayyadurai M., Singh B.P., Jha C.S., Arockiasamy R. On the Speed Control of Wound-Rotor Induction Motors Using Rotor Impedance Control // IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1979. Vol. PAS-98. № 5. P. 1489-1496.

71. Basu P.R. A Variable Speed Induction Motor Using Thyristors in the Secondary Circuit // IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1971. Vol. PAS-90. № 2. P. 509-514.

72. Bimal K. Bose. Modern Power Electronics and AC Drives. Prentice Hall PTR, Upper Saddle River, New Jersey, 2002. 738 p.

73. Boldea I., Moldovan А., Tutelea L. Scalar V/f and I-f control of AC motor drives: An overview // 2015 Intl Aegean Conference on Electrical Machines & Power Electronics (ACEMP), 2015 Intl Conference on Optimization of Electrical & Electronic Equipment (OPTIM) & 2015 Intl Symposium on Advanced Electromechanical Motion Systems (ELECTROMOTION). Side, 2015. P. 8-17.

74. Cascade speed regulator for squirrel cage asynchronous motor: пат. CN2244266 Китай. №95222272.8 / Jin Huang, Changqing Hu, Sun Dun; заявл. 16.11.96; опубл. 01.01.97. 7 с.

75. Chapman S.J. Electric Machinery Fundamentals. Fourth Edition. McGraw-Hill, New York, 2005. 773 p.

76. Chee-Mun Ong. Dynamic Simulation of Electric Machinery. Prentice Hall PTR, Upper Saddle River, New Jersey, 1998. 643 p.

77. Doubly Fed Induction Machine / Gonzalo Abad [et al.] // John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2011. 633 p.

78. Hengameh Kojooyan-Jafari, Lluirs Monjo, Felipe Corrcoles, Joaquirn Pedra. Parameter Estimation of Wound-Rotor Induction Motors From Transient Measurements // IEEE Transactions on Energy Conversion, 2014. Vol. 10. № 2. P. 300-308.

79. Inverter bridge circuit and cascade control apparatus for asynchronous motor: пат. CN203813691 Китай. №201420198679.5 / Zhang Xiaodong, Shi Hui, Xie Shengli, Li Mingxing; заявл. 22.04.14; опубл. 03.09.14. 9 с.

80. Jiang You, Minghao Liu, Jiarui Ma, Hongjie Jia. Modeling and Analyze of Induction Motor Drive System with Consideration of DC Bus Stabilization and Control Performance // 8th International Power Electronics and Motion Control Conference. Hefe, 2016. P. 1362-1368.

81. Juan Moreano Peña, Edilberto Vásquez Díaz. Implementation of V/f scalar control for speed regulation of a three-phase induction motor. Arequipa: ANDESCON, 2016. P. 1-4.

82. Lesan S., Smiai M. S., Shepherd W. Control of wound rotor induction motor using thyristors in the secondary circuits // Industry Applications Society Annual Meeting, 1996. Vol. 32. № 2. P. 335-344.

83. Levin P.N., Blazhevich V.E., Boikov A.I., Penkov V.B. Method of Sensorless Determination of Mechanical Parameters and Information-Measuring System of Valve-Inductor Drives. // 1st International Conference on Control Systems, Mathematical Modelling, Automation and Energy Efficiency (SUMMA). Lipetsk, 2019. P. 1-5. DOI: 10.1109/SUMMA48161.2019.8947524.

84. Melkebeek J.A. Electrical Machines and Drives. Springer, Cham, Switzerland, 2018. 740 p.

85. Meshcheryakov V.N., Boikov A.I., Muravyev A.A., Pikalov V.V. Frequency-Parametric Control Electric Drive System Based on Induction Motor with Wound Rotor // International Russian Automation Conference (RusAutoCon). Sochi, 2019. P. 1-5. DOI: 10.1109/RUSAUT0C0N.2019.8867644.

86. Meshcheryakov V.N., Muravyev A.A., Boikov A.I., Pikalov V.V. The Soft Starting System for an Induction Motor with an Induction Resistance in the Wound Rotor Circuit. // International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern

Technologies (FarEastCon). Vladivostok, 2019. P. 1-5. DOI: 10.1109/FarEastCon.2019.8934280.

87. Mohan N. Advanced Electric Drives. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2014. 199 p.

88. Operating method for a wind turbine with a supersynchronous cascade: пат. US2006/0113800 США. №10/527205 / Willisch Wolf, Muller Robert; заявл. 10.09.02; опубл. 01.06.06. 9 с.

89. Prime phase wound-rotor asynchronous motor with detection winding and its cascade speed control method: пат. CN1354545 Китай. №00133348.8 / Zhang Zhaohui, Han Ping; заявл. 17.11.00; опубл. 19.06.02. 15 с.

90. Saturable reactors: пат. 1577863 Великобритания. №12134/77 / Logan R.J.; заявл. 22.03.77; опубл. 29.10.80. 8 с.

91. Shaffer R. Fundamentals of Power Electronics with MATLAB. Charles River Media, Boston, Massachusetts, 2007. 401 p.

92. Shepherd W., Slemon G.R. Rotor Impedance Control of the Wound-Rotor Induction Motor // Transactions of the American Institute of Electrical Engineers. Part III: Power Apparatus and Systems, 1959. Vol. 78. № 3. P. 807-814.

93. Undersynchronous and oversynchronous current rectifier cascade and method for operating it: пат. EP0232547 Европа. №86118075.0 / Kloss Aldert, Schaefer Rene; заявл. 24.12.86; опубл. 19.08.87. 9 с.

94. Wound-rotor asynchronous motor cascade speed control method: пат. CN103066917 Китай. №201210536667.4 / Qin Lei; заявл. 12.12.12; опубл. 24.04.13. 5 с.

95. Руководство пользователя для микроконтроллера Piccolo F28069 controlSTICK [электронный ресурс]. Режим доступа: http://media.digikey.com/PDF/Data%20Sheets/Texas%20Instruments%20PDFs/TMDX 28069USB%20Quick%20Start%20Guide.pdf

96. Специализированные сигнальные микроконтроллеры для управления электроприводом переменного тока [электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.rusnauka.com/3_ANR_2014/Tecnic/6_157036.doc.htm

97. Официальный сайт компании «Texas Instruments» [электрон-ный ресурс]. Режим доступа: http://www.ti.com/product/TMS320F28062/datasheet

98. Документация на триггер Шмидта SNx4HC14 [электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/sn74hc14.pdf

99. Документация на IGBT BUP 314D [электронный ресурс]. Режим доступа: http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/siemens/BUP314D.pdf

ПРИЛОЖЕНИЕ А (справочное) Патент на изобретение

ПРИЛОЖЕНИЕ Б (обязательное) Компьютерная имитационная модель

■4^ <1

(И)-О

'«-05 5.

гф- v -

1п : —

н5 от

Рисунок Б.1 - Общий вид компьютерной имитационной модели системы электропривода

ПРИЛОЖЕНИЕ В (обязательное)

Синтез передаточной функции при широтно-импульсном управлении

Чтобы произвести стандартную настройку регуляторов тока РТ и скорости РС, в предложенной системе электропривода, необходимо получить передаточную функцию асинхронного двигателя при широтно-импульсном управлении (ШИМ) коммутатором. Поскольку асинхронный двигатель и ШИМ являются существенно нелинейными объектами регулирования, их нужно линеаризовать «в малом».

Исходные уравнения асинхронного двигателя «в большом» получены из его схемы замещения по цепи выпрямленного тока ротора при условиях постоянства потока двигателя, равного номинальному, и работы роторного выпрямителя с идеальными вентилями в первом режиме коммутации.

= +

( 3Х

к • R2 + 1 ^ + к. R; 2 I Я

Id + ^дР (к1й );

Ud = (доп + Rd.ср )Id + LdРId; Rd.ср = R (1 - е)

I.

М:

Е -

.0

V я

+ к • R;

I.

; М - Мс = Jpю,

(В.1)

где Е.0- среднее значение ЭДС роторного выпрямителя при разомкнутой цепи выпрямленного тока ротора и скольжении s = 1; Lд - индуктивность фазы двигателя;

R;, X; и R2, Х2- соответственно активные и индуктивные сопротивления фаз статора и ротора для Г-образной схемы замещения, приведенные к роторной цепи; Ld- индуктивность дросселя;

Rd ср - средняя величина сопротивления коммутируемой цепи;

е - скважность работы коммутатора, равная отношению времени открытого состояния коммутатора к периоду коммутации; - оператор Лапласа;

Rдоп - добавочное сопротивление в цепи выпрямленного тока ротора, не

шунтируемое коммутатором (например, сопротивление измерительного шунта, дросселя, соединительных проводов); М - момент двигателя;

Мс - приведенный к валу двигателя момент сопротивлении движению; юс - синхронная угловая скорость вращения двигателя;

J - суммарный момент инерции электропривода, приведенный к валу двигателя; 1 - при шунтировании коммутатором R-цепи;

F

— - при шунтировании коммутатором RC-цепи; е

к - коэффициент, характеризующий изменение внутреннего сопротивления роторного выпрямителя в функции угла коммутации вентилей:

к = <!

2--arccos

2л

1,5

6ХП

лЕ

d0

т лЕ^ при I. <-—;

d 12Х2 при Id > лЕш

(В.2)

12Х2

Система (В.1) нелинейна, так как содержит произведения переменных и переменный коэффициент к, определяемый по (В.2).

ШИМ можно аппроксимировать пропорциональным звеном с запаздыванием, входной координатой которого является задание иу, а выходной

скважность е, изменяющаяся от 0 до 1. Коэффициент усиления линейного участка звена

ку = —. (В.3)

иу

Среднестатистическая постоянной времени запаздывания

х = Тк/2, 150

где Тк - период коммутации.

В системах с последовательной коррекцией принято постоянные времени чистого запаздывания т и фильтра на входе ШИМ Тф относить к суммарной

некомпенсируемой постоянной времени Т^ = т + Тф.

В результате передаточную функцию ШИМ можно представить в виде

Wшим = 7-кТ-. (В.55

1 - Т -

Далее по полученным уравнениям рассчитываются передаточные функции двигателя как электромеханического преобразователя и синтезируются регуляторы выпрямленного тока ротора и скорости. Настройка производится на технический или симметричный оптимум.

ПРИЛОЖЕНИЕ Г (справочное) Технические данные электродвигателей

Таблица Д.1 - Технические данные двигателя МТН-011-6

Номинальная мощность, Рн 1,4 кВт

Номинальное напряжение статора, и1н 380 В

Номинальный момент, Мн 15 Нм

Номинальная частота вращения, Пн 885 об/мин

Коэффициент мощности номинальный, cos□н 0,65 -

Номинальный ток статора, 11н 5,3 А

Активное сопротивление обмотки статора, Г1 5,98 Ом

V Индуктивное сопротивление обмотки статора, 1 3,93 Ом

Номинальное напряжение ротора, и2н 214 В

Номинальный ток ротора, Ьн 267 А

Приведенное активное сопротивление обмотки ротора, г2 6,85 Ом

Приведенное индуктивное сопротивление обмотки ротора, Х'2 5,62 Ом

Взаимная индуктивность, Lm 0,165 Гн

Коэффициент трансформации напряжения, ке 3,14 -

Момент инерции ротора, J 0,0212 2 кг • м

Таблица Д.2 - Технические данные двигателя 4ПБМ-112-Ьг04

Номинальная мощность, Рн 0,9 кВт

Номинальное напряжение якоря, ин 220 В

Номинальный момент, Мн 8,1 Нм

Номинальная частота вращения, Пн 1060 об/мин

Номинальный ток якоря, Ьн 5,1 А

Номинальное напряжение обмотки возбуждения, ивн 220 В

Номинальный ток обмотки возбуждения, 1вн 0,6 А

Момент инерции ротора, J 0,0212 2 кг • м

Коэффициент полезного действия, п 0,762 -

ПРИЛОЖЕНИЕ Д (справочное)

Акт об использовании результатов диссертационной работы

ООО "Синергия

гг

398007, г. Липецк, ул.Ковалева д. 115 коргг.А, тел/факс: [phone] ИНН 4823025939, КПП 482501001, к/с 30101810800000000604, БИК 044206604 р/с 40702810135000104749 Липецкое отделение №8593 ПАО Сбербанк

Акт внедрения

результатов, полученных в диссертационной работе Бойкова Андрея Игоревича, выполненной на тему «Система частотно-параметрического управления асинхронным двигателем с фазным ротором»

Настоящий акт подтверждает внедрение результатов исследования и математического моделирования разработанной в диссертационной работе Бойкова А.И. системы управления электроприводом переменного тока на базе асинхронного электродвигателя с фазным ротором, обеспечивающей плавный пуск, стабилизацию и регулирование пускового момента электродвигателя в диапазоне от Мн до 2Мн, регулирование скорости электродвигателя в диапазоне 1:10, путем включения в обмотку ротора электродвигателя преобразователя частоты, содержащего выпрямитель, конденсаторный фильтр, инвертор напряжения, к выходу которого подключено частотно-регулируемое индукционное сопротивление

Данные разработки используются при проектировании систем электропривода переменного тока.

20.03.2020г.

Директор ООО «Синергия»

Е.В.Золотухин

ПРИЛОЖЕНИЕ Е (справочное) Справка о внедрении в учебный процесс

СПРАВКА

О внедрении в учебный процесс результатов, полученных в диссертационной работе Бойкова Андрея Игоревича, выполненной на тему «Система частотно-параметрического управления асинхронным двигателем с фазным ротором»

Настоящая справка подтверждает использование в учебном процессе в рамках образовательной программы подготовки магистров по направлению 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» профиль «Электропривод и автоматика» на кафедре Электропривода в дисциплинах «Моделирование в электроприводе» и «Системы управления электроприводов» разработанных в диссертационной работе Бойкова А.И. замкнутой системы управления и методов исследования асинхронного электродвигателя с фазным ротором с частотно-параметрическим управлением, обеспечивающим регулирование скорости и стабилизацию пускового момента с помощью преобразователя частоты, включенного в цепь ротора. Данные разработки используются при выполнении компьютерного моделирования на практических занятиях и в рамках курсового проектирования.

Заведующий кафедрой электропривода Ученый секретарь кафедры электропривода

Начальник УМУ