Системы регулируемого асинхронного электропривода, обеспечивающие работу электротехнического комплекса электродуговых плазменных установок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Пикалов Владимир Владимирович

• Пикалов Владимир Владимирович
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Пикалов Владимир Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

1 ОБЗОР СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПРИВОДА, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ РАБОТУ ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ ПЛАЗМЕННЫХ УСТАНОВОК

1.1 Тенденции развития электроприводов и систем управления электродуговыми плазменными установками

1.2 Анализ систем регулируемого асинхронного электропривода, удовлетворяющих требованиям совместной работы с электродуговыми плазменными установками

1.3 Анализ систем электропривода на базе асинхронного двигателя с фазным ротором, применяемым для обеспечения работы электродуговых плазменных установок

1.4 Выводы

2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ И АНАЛИЗ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С ЧАСТОТНЫМ И ИМПУЛЬСНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ

2.1 Математические модели асинхронных двигателей и инвертора тока

2.2 Импульсные элементы с релейным управлением, их математические и имитационные компьютерные модели

2.3 Разработка принципов управления с помощью импульсных элементов в звене постоянного тока частотным асинхронным электроприводом

2.4 Частотно-каскадный электропривод с транзисторным коммутатором в звене постоянного тока преобразователя частоты

2.5 Выводы

3 ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОМ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ СИСТЕМ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ДЛЯ ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ ПЛАЗМЕННЫХ УСТАНОВОК

3.1 Исследование методом компьютерного моделирования импульсной системы повышения и понижения напряжения на входе инвертора в системе асинхронного электропривода газонагнетательной установки

3.2 Исследование методом компьютерного моделирования системы вращающего электропривода на базе частотно регулируемого асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

3.3 Исследование методом компьютерного моделирования системы асинхронного частотно-каскадного электропривода с дополнительным коммутирующим транзистором в звене постоянного тока преобразователя частоты

3.4 Анализ энергетических показателей и гармонического состава напряжения и тока в питающей сети при работе частотно-каскадного электропривода

3.5 Выводы

4 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПРИВОДА, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ РАБОТУ ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ ПЛАЗМЕННЫХ УСТАНОВОК

4.1 Анализ работы опытной модели электродугового плазмотрона

4.2 Разработка и экспериментальное исследование системы частотного асинхронного электропривода со скалярным управлением для нагнетателя плазмообразующего газа

4.3 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Приложение А Способ управления электроприводом переменного тока .... 145 Приложение Б Осциллограммы напряжений на входе и выходе АИН при

различных режимах работы газонагнетательного электропривода

Приложение В Исследование методом компьютерного моделирования электропривода на базе асинхронного двигателя с фазным ротором с параметрическим импульсно-резисторным управлением

Приложение Г Исследование методом компьютерного моделирования электропривода с частотно-параметрическим управлением по цепи ротора

асинхронного двигателя с фазным ротором

Приложение Д Методика расчета механической характеристики нагнетателя

Мст(ю)

Приложение Е Интеллектуальная собственность

Приложение Ж Акты об использовании результатов диссертационной

работы

Приложение З Справка о внедрении в учебный процесс

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Системы регулируемого асинхронного электропривода, обеспечивающие работу электротехнического комплекса электродуговых плазменных установок»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Системы регулируемых асинхронных электроприводов (ЭП) обеспечивают высокопроизводительную работу промышленных агрегатов, в том числе электродуговых плазменных установок, выполняющих, например, сжигание промышленных отходов, или обработку поверхностей металлических изделий. Для выполнения требуемых условий одновременного пуска электродуговой части плазменной установки и значительно менее мощного частотно регулируемого асинхронного электропривода нагнетателя плазмообразующего газа, питающихся от общего источника, в случае его ограниченной мощности или удаленности, необходимо компенсировать провал напряжения в звене постоянного тока преобразователя частоты. Задача восстановления до номинального значения уровня напряжения на входе инвертора частотно управляемого асинхронного двигателя с короткоза-мкнутым ротором (АДКЗ) при провале напряжения на питающих шинах электроустановок является актуальной при использовании такого электропривода на других промышленных агрегатах. Системы частотного асинхронного электропривода со скалярным управлением, осуществляющие при электроплазменной обработке вращение поворотного стола с закрепленной цилиндрической деталью, в ряде случаев должны обеспечивать низкие скорости при большом вращающем моменте, что требует совершенствования их системы управления. Современный уровень развития преобразовательной техники, применение новых схемных решений в силовой части электропривода, системах управления, а также создание новых алгоритмов управления позволяет более широко использовать импульсные системы регулирования напряжения и тока в звене постоянного тока преобразователя частоты, что дает возможность совершенствовать известные системы управления асинхронными электроприводами.

Загрузка сжигающей камеры электродуговой плазменной установки утилизируемым материалом выполняется с помощью конвейеров, которые

часто работают в условиях тяжелого пуска при полной загрузке транспортирующей ленты. Системы электропривода на базе асинхронного двигателя с фазным ротором (АДФР) часто применяются на конвейерах, поскольку имеют более высокую кратность пускового момента, чем системы с АДКЗ. Поэтому на загрузочных конвейерах предлагается использование энергосберегающего частотно-каскадного электропривода, выполненного на базе АДФР. Частотно-каскадный электропривод, оснащенный дополнительным импульсным элементом в звене постоянного тока преобразователя частоты, может применяться в установках, выполняющих вращение цилиндрических изделий большой массы. Этот электропривод изучен недостаточно подробно, поэтому целесообразно провести дополнительные исследования для его совершенствования.

Работа выполнена на кафедре электропривода Липецкого государственного технического университета при поддержке гранта РФФИ 19-48-480001 «Разработка, исследование и оптимизация энергосберегающих электротехнических и электроприводных автоматизированных комплексов для плазменных, электрометаллошлаковых и индукционных технологий и агрегатов».

Цель работы - улучшение регулировочной способности асинхронных электроприводов с частотным скалярным управлением, обеспечивающих работу электродуговой плазменной установки.

Идея работы заключается в управлении напряжением и током в звене постоянного тока преобразователя частоты с помощью дополнительных импульсных элементов и накопителей энергии для лучшего регулирования скорости и момента асинхронного двигателя.

Задачи, которые ставились и выполнялись в ходе работы: - изучение требований, предъявляемых к системам асинхронного электропривода, характеристик электроприводов, удовлетворяющих условиям работы электроплазменных установок, осуществляющих сжигание отходов и обработку поверхности металлоизделий, выбор систем электропривода, допускающих возможность усовершенствования за счет

использования накопителей энергии и импульсных элементов для улучшение регулировочной способности асинхронных электроприводов;

- разработка систем частотного управления асинхронным двигателем на базе инвертора напряжения с дополнительными элементами в звене постоянного тока преобразователя частоты - индуктивным накопителем энергии и транзисторным коммутатором, управляемым с помощью релейного регулятора, с обеспечением форсировки напряжения в звене постоянного тока и на выходе инвертора при снижении напряжения в питающей сети ограниченной мощности, а также регулирование амплитуды и длительности импульсов напряжения, подаваемого на фазные обмотки статора двигателя, что упрощает формирование тока статора с уменьшенными гармоническими искажениями при пониженной частоте;

- разработка и исследование систем частотного управления асинхронным двигателем на базе инвертора тока с дополнительным накопителем энергии и транзисторным коммутатором в звене постоянного тока преобразователя частоты, управляемым с помощью релейного регулятора и наблюдателя момента, с обеспечением стабилизации пускового момента, а также получения пониженной скорости двигателя за счет снижения напряжения в звене постоянного тока, уменьшения амплитуды и увеличения длительности импульсов напряжения на выходе инвертора, что упрощает формирование тока статора с уменьшенными гармоническими искажениями при пониженной частоте до 1 Гц;

- разработка и исследование системы частотно-каскадного управления асинхронным двигателем с фазным ротором на базе инвертора тока с дополнительным накопителем энергии и транзисторным коммутатором в звене постоянного тока преобразователя частоты, управляемым с помощью релейного регулятора, с обеспечением стабилизации пускового момента с помощью наблюдателя момента двигателя;

- проведение экспериментальных исследований разработанных систем регулируемого асинхронного электропривода с дополнительными элементами

в звене постоянного тока преобразователя частоты - накопителем энергии и транзисторным коммутатором, создание и наладка системы защиты силовых элементов и системы управления от возможных пиковых нагрузок.

Объектом исследования являются системы асинхронного электропривода с частотным и частотно-каскадным управлением, с дополнительными импульсными транзисторными коммутаторами и накопителями энергии в цепи постоянного тока преобразователя частоты, с релейным регулированием входного напряжения и входного тока инвертора.

Предметом исследования являются системы и алгоритмы управления транзисторным ключом импульсного коммутатора, защиты вентильных элементов от возможных пиковых нагрузок, обеспечивающие стабильную работу электропривода.

Методы исследования. Исследования проводились с использованием теории электропривода, теории автоматического управления, теории электрических машин переменного тока. Выполнялось моделирование динамических и энергетических процессов в системах электропривода в программной среде МайаЬ Simulink. Работоспособность разработанных систем электропривода доказана методом экспериментальных исследований опытных образцов на испытательном стенде.

Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается соответствием аналитических расчетов результатов имитационного моделирования в среде МайаЬ Simulink и результатов экспериментов на испытательном стенде.

Научная новизна:

1. Разработана система асинхронного электропривода на базе инвертора напряжения со скалярным управлением и дополнительным транзисторным коммутатором в звене постоянного тока преобразователя частоты, отличающаяся импульсным процессом накопления и передачи энергии от накопителя энергии к инвертору для повышения выпрямленного напряжения при снижении напряжения питающей сети, с реализацией повышенной

частоты коммутации до 35 кГц транзисторного коммутатора и обеспечением защиты вентильных элементов и системы управления от возможных перенапряжений.

2. Разработана система асинхронного электропривода на базе инвертора тока и алгоритм импульсного управления, отличающиеся импульсным процессом регулирования напряжения в звене постоянного тока преобразователя частоты с использованием индуктивного накопителя энергии и транзисторного коммутатора, позволяющего уменьшать амплитуду импульсов напряжения на выходе инвертора, питающего обмотку статора, для упрощения процесса формирования синусоидальной формы тока статора двигателя переменного тока при пониженной частоте до 1 Гц, а также обеспечивающие стабилизацию пускового момента двигателя за счет включения в систему управления транзисторным коммутатором наблюдателя момента двигателя.

3. Разработана система частотно-каскадного асинхронного электропривода на базе инвертора тока и алгоритм импульсного управления, отличающиеся реализацией совместного питания инвертора: сетевым выпрямителем, выпрямителем, введенным в цепь ротора, и накопителем энергии в звене постоянного тока преобразователя частоты, с релейным регулированием тока в выпрямленной цепи, с реализацией лучшей стабилизации пускового момента двигателя за счет включения в систему управления транзисторным коммутатором наблюдателя момента двигателя.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Разработана система повышения напряжения статора АДКЗ, питающегося от преобразователя частоты с инвертором напряжения, в случае снижения напряжения в питающей сети ограниченной мощности, за счет использования в звене постоянного тока транзисторного коммутатора с частотой коммутации до 35 кГц и индуктивного накопителя энергии, с обеспечением защиты вентильных элементов от возможных кратковременных перенапряжений. Разработанная система асинхронного электропривода предназначена для нагнетателя плазмообразующего газа в рабочую камеру

электродугового плазмотрона, она может использоваться на других промышленных установках.

Разработаны системы асинхронного электропривода на базе инвертора тока, предназначенные для частотного управления короткозамкнутым двигателем и частотно-каскадного управления двигателем с фазным ротором с импульсной транзисторной системой стабилизации тока выпрямленной цепи, обеспечивающая стабилизацию пускового момента двигателя с помощью введенного в систему управления наблюдателя момента двигателя. Данные системы электропривода обеспечивают регулирование скорости в диапазоне до 10:1, получение стабилизированных пониженных скоростей и стабилизацию пускового момента при работе установки вращательного движения закрепленной детали цилиндрической формы, а также на загрузочном конвейере сжигающей установки. Разработанные системы электропривода могут использоваться на других промышленных установках.

Реализация результатов работы. Полученные в диссертационной работе результаты использованы на предприятиях ПАО «Добринский сахарный завод», ООО «ЭкоСоюз», а также используются в учебном процессе на кафедре Электропривода Липецкого государственного технического университета.

Положения, выносимые на защиту:

- компьютерная модель, полученные на модели динамические характеристики и экспериментальные характеристики разработанного асинхронного электропривода с созданным преобразователем частоты на базе инвертора напряжения, обеспечивающего реализацию форсировки напряжения на обмотке статора при снижении напряжения питающей сети, за счет действия накопителя энергии и транзисторного коммутатора с повышенной частотой коммутации до 35 кГц;

- компьютерная модель, полученные на модели динамические характеристики разработанного асинхронного электропривода на базе инвертора напряжения, обеспечивающего регулирование входного напряжения инвертора за счет действия транзисторного коммутатора и

токоограничивающего реактора, выполняющего также функцию накопителя энергии, для снижения амплитуды и увеличения длительности импульсов напряжения, подаваемого на обмотки статора, и формирование тока статора с меньшими гармоническими искажениями при низкой частоте;

- компьютерная модель, полученные на модели динамические характеристики разработанного асинхронного электропривода на базе инвертора тока с дополнительным индуктивным накопителем энергии и транзисторным коммутатором, обеспечивающего регулирование скорости и стабилизацию пускового момента двигателя за счет включения в систему управления транзисторным коммутатором наблюдателя момента двигателя;

- компьютерная модель, полученные на модели динамические характеристики разработанного частотно-каскадного асинхронного электропривода с реализацией совместного питания инвертора от сетевого выпрямителя, выпрямителя, введенного в цепь ротора, и накопителя энергии в звене постоянного тока преобразователя частоты, с улучшенной стабилизацией пускового момента двигателя за счет включения в систему управления транзисторным коммутатором наблюдателя момента двигателя.

Соответствие диссертации Паспорту научной специальности.

Диссертация соответствует следующим пунктам паспорта научной специальности 2.4.2 «Электротехнические комплексы и системы»:

1. Развитие общей теории электротехнических комплексов и систем, анализ системных свойств и связей, физическое, математическое, имитационное и компьютерное моделирование компонентов электротехнических комплексов и систем, включая электромеханические, электромагнитные преобразователи энергии и электрические аппараты, системы электропривода, электроснабжения и электрооборудования.

3. Разработка, структурный и параметрический синтез, оптимизация электротехнических комплексов, систем и их компонентов, разработка алгоритмов эффективного управления.

4. Исследование работоспособности и качества функционирования электротехнических комплексов, систем и их компонентов в различных режимах, при разнообразных внешних воздействиях, диагностика электротехнических комплексов.

Апробация работы. Положения и основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 16th International Power Electronics and Motion Control Conference and Exposition, PEMC (Antalya 2014); 2019 International Russian Automation Conference (RusAutoCon) (Sochi 2019); 2019 International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon) (Vladivostok 2019); 2020 2nd International Conference on Control Systems, Mathematical Modeling, Automation and Energy Efficiency, SUMMA (Lipetsk 2020); 2021 3rd International Conference on Control Systems, Mathematical Modeling, Automation and Energy Efficiency, SUMMA (Lipetsk 2021); XIX International Scientific Technical Conference «ALTERNATING CURRENT ELECTRIC DRIVES» - ACED 2023 (Ekaterinburg 2023); 13-я Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием (Старый Оскол 2016); «Энергосбережение и эффективность в технических системах»: IV Международная научно-техническая конференция студентов, молодых ученых и специалистов (Тамбов 2017); Энерго- и ресурсосбережение - XXI век. XIX международная научно-практическая конференция (Орёл 2021).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 26 печатных работ, из них 14 статей, 5 из которых - в журналах из перечня ВАК РФ, 5 статьи в электронном издании IEEE, рецензируемом наукометрической базой Scopus, 3 тезиса докладов на конференциях, 2 в других изданиях, патентов: 8 - на изобретение; 3 - на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, включающего 108 наименований, и 8 приложений. Общий объем работы - 178 страниц. Основная часть изложена на 144 страницах текста, содержит 77 рисунков, 54 формулы, 3 таблицы.

1 ОБЗОР СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПРИВОДА, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ РАБОТУ ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ ПЛАЗМЕННЫХ УСТАНОВОК

1.1 Тенденции развития электроприводов и систем управления электродуговыми плазменными установками

Системы электропривода и автоматизации используются на большинстве современных промышленных установок. Они входят в состав электродуговых плазменных установок (ЭДПУ), называемых плазмотронами, и обеспечивают требуемую их производительность.

Ввиду уникальных свойств электрической дуги и создаваемой плазменной струи в качестве источника нагрева обрабатываемой области делают плазменные технологии отдельным разделом сварочных технологий. Сегодня разрабатываются и используются разнообразные технологические процессы и устройства, где нашла свое применение низкотемпературная плазма. Сюда можно отнести плазменную и микроплазменную сварку, резку, наплавку, плазменное напыление покрытий, металлизацию, плазменное укрепление поверхности деталей, плазменную [1] плавку и рафинирование металлов, плаз-менно-механическую обработку, и другие. Для поддержания различных режимов работы при применении плазменных технологий, применяются различные системы регулируемых ЭП и автоматизации, позволяющие значительно повысить энергоэффективность, производительность процессов и получить ряд дополнительных преимуществ.

Современные производства ставят все более остро вопрос повышения качества и износостойкости инструмента, технологической оснастки, различных металлических деталей машин и механизмов. В настоящее время одними из самых популярных методов решения данного вопроса являются поверхностная закалка и финишное электроплазменное упрочнение с помощью нанесения износостойкого покрытия [2].

Наиболее высокую экономичность вышеуказанных технологических

процессов, гибкость и маневренность производства, минимальное загрязнение окружающей среды обеспечивают плазменные технологии, использующие в качестве рабочего инструмента электродуговые плазмотроны, с согласованными регулируемыми электроприводными системами, что в итоге дает максимальный технический и экономический эффект при поверхностном упрочнении деталей [3].

Обеспечение конкурентоспособности металлургических предприятий в стремительно меняющейся экономической ситуации невозможно без перехода к бережливому производству, концепция которого предусматривает необходимость повышения ресурсосбережения [4]. Для этого необходимо обеспечить переход от переработки изношенных дорогостоящих крупногабаритных деталей металлургических агрегатов цилиндрической формы, таких как ролики, прокатные валки и др. к современным методам их восстановления [5].

Одним из наилучших методов восстановления крупногабаритных металлических деталей является метод электродугового наплава на локальные участки изношенной поверхности необходимого материала. Данный метод позволяет многократно восстанавливать одну изношенную деталь и вводить ее в эксплуатацию снова и снова. Поэтому в настоящее время большое научно-практическое внимание уделяется развитию автоматизации и согласованной работы электроприводов, обеспечивающих работу электродуговых установок [6].

Обеспечить лучшее качество наплава возможно посредством качественного, глубокого регулирования механических переменных, в том числе скорости вращающейся восстанавливаемой детали. Очевидно, что наибольшего эффекта можно достигнуть при формировании более однородного, точно и широко регулируемого потока смеси напыляемого вещества с плазмообразующим газом. Наиболее полно требованиям, предъявляемым к нагнетающему электроприводу, удовлетворяет регулируемый асинхронный электропривод с двигателем с короткозамкнутым ротором ввиду низкой стоимости и высокой надежности машины. При

регулировании скорости вращения электропривода обеспечивается достаточная точность поддержания расхода смеси, подаваемой в рабочую камеру.

Технологические процессы газотермического напыления материалов на восстанавливаемые поверхности непрерывно совершенствуются по всем направлениям. Для обеспечения технологических преимуществ в области однородного электродугового напыления необходимо повышать точность управления скоростью и моментом вращающего электропривода. А также, для обеспечения преимуществ в области энергосбережения установок необходимо повысить эффективность системы вращающего электропривода при частых пусках и остановах с тяжелой, габаритной деталью в качестве нагрузки.

В современной мировой практике тенденции совершенствования восстанавливающих процессов и производств ведут в сторону повышения энергоэффективности и снижения стоимости регулируемых автоматизированных систем электроприводов. Поэтому существует острая необходимость поддержания соотношения стоимости, качества регулирования, быстродействия и энергоэффективности многоприводных электродуговых комплексов и систем.

Следовательно, развитие электроприводов, обеспечивающих нагнетание плазмообразующего газа, направлено на совершенствование асинхронного электропривода, ввиду наилучшего отношения надежности и стоимости вышеуказанного типа машины.

Вращающие электроприводы в электродуговых установках, обрабатывающих детали больших габаритов и массы, целесообразно выполнять преимущественно на основе АДФР, имеющих большую перегрузочную способность, чем короткозамкнутые асинхронные двигатели. Основным направлением развития вращающих электроприводов является снижение стоимости, увеличение перегрузочной способности при соблюдении необходимых требований к диапазону регулирования скорости вращения.

Применение мощных полупроводниковых выпрямителей в управлении электродуговым наплавлением и переход к постоянному току в общем

контексте способствуют созданию более устойчивого горения электрической дуги. Общая мощность электродуговых систем может достигать 300 МВА. Развитие технологий производства полупроводниковых компонентов идет в сторону повышения мощности, сокращения массогабаритов непременно ведет к появлению на рынке более мощных регулируемых выпрямителей для питания электрической дуги и сокращению доли устройств, работающих на переменном токе.

В трудах многих ученых из России и других стран, включая А.А. Николаева, В.М. Салтыкова, Г.Я. Вагина, H. Samet, A.D. Kolagar, T.J. Dionise, и других, освещаются вопросы исследования энергетических характеристик электродуговых плазменных установок разных типов и мощностей в технологическом процессе [7-11]. Известно, что применение различных электродуговых систем сопровождается высоким потреблением реактивной мощности из сети. В среднем, коэффициент мощности электроплазменной установки составляет от 72% до 85%. При этом величина реактивной составляющей постоянно меняется, а периоды горения дуги чередуются с периодами простоя. В электродуговых комплексах при регулировании потока плазмы регулируется ток в дуге с использованием вентильного преобразователя, что сопровождается дополнительной генерацией высших гармоник.

Процессы, связанные с электрической дугой, влияют на множество показателей качества электрической энергии, что подтверждается многими современными исследованиями в области электромагнитной совместимости электродуговых устройств в сетях электропитания. Генерация гармонических искажений нагрузкой и снижение амплитуды сетевого напряжения оказывают наибольшее воздействие на ухудшение электромагнитной совместимости [12]. ЭДПУ вырабатывают основные гармоники n = 6-k ±1), а также четные и нечетные [13].

Современные исследования электродуговых установок подтверждают, что гармонические компоненты напряжения и тока, создаваемые в питающей сети данного класса установок, формируют непрерывный гармонический

спектр [14]. Это связано с особенностью электрической дуги, которая характеризуется нелинейной вольтамперной характеристикой, а также асимметрией и амплитудно-фазовой нестабильностью. Значения просадок напряжения и порядок гармоник спектра варьируются в зависимости от различных параметров установок. Таких как тип, ее электрическая мощность, длинна электродугового промежутка, состав проводимой среды, параметры питающей сети и др.

Поэтому при проектировании систем электроприводов, обеспечивающих работу электродуговых установок, необходимо учитывать характер нагрузки и влияние электродугового комплекса на общую питающую сеть. Разработка и совершенствование систем электроприводов, обеспечивающих работу электродуговых плазмотронов, является актуальной задачей по нескольким причинам. Во-первых, существующие системы электропривода могут не обеспечивать должной стабильности работы плазмотронов из-за гармонических искажений питающей сети, создаваемых электродуговой нагрузкой. Это может привести к снижению качества работы плазмотрона, а также к повышению энергопотребления и износа оборудования. Во-вторых, совершенствование систем электропривода позволит оптимизировать процесс работы плазмотрона, что в свою очередь может увеличить его производительность и эффективность, а также уменьшить негативное влияние на питающую сеть. В-третьих, разработка новых систем электропривода может обеспечить более высокую надежность работы плазмотронов, что важно для обеспечения непрерывности производственного процесса.

Существует несколько вариантов конструкций электродуговых установок [15-21], основным компонентом которых являются: цилиндрический корпус из материала, устойчивого к высоким температурам, где происходит горение электрической дуги между двумя электродами. Также в структуру дуговых установок входят электроприводы нагнетающих систем плазмообразующего газа, вращающие электроприводы, системы подачи электродов, модули электромагнитного вытягивания, стабилизации дуги, и другие.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Пикалов Владимир Владимирович, 2023 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Соснин Н.А., Ермаков С.А., Тополянский П.А. Плазменные технологии: руководство для инженеров. СПб: Издательство Политехнического университета, 2013. 401 с.

2. Коротков В.А., Бердников А.А., Толстов И.А. Восстановление и упрочнение деталей и инструмента плазменными технологиями. Челябинск: Металл, 1993. 144 с.

3. Сидоров А.И. Восстановление деталей машин напылением и наплавкой. М.: Машиностроение, 1987. 192 с.

4. Марков В.С. Технология восстановления и упрочнения деталей машин и оборудования электродуговой наплавкой. М.: Машиностроение, 2007. 256 с.

5. Бабич А.П. Технология и оборудование для наплавки и восстановления деталей машин. М.: Машиностроение, 2011. 420 с.

6. Белоусов С.А. Электродуговая наплавка: технология и оборудование. М.: Энергия, 2012. 280 с.

7. Вагин Г.Я., Севостьянов А.А., Юртаев С.Н. Электромагнитная совместимость дуговых печей и систем электроснабжения // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2010. №2 (81). С. 203-210.

8. Николаев А.А., Руссо Ж.-Ж., Сцымански В., Тулупов П.Г. Экспериментальное исследование гармонического состава токов дуг для дуговых сталеплавильных печей различной мощности // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2016. Т.14, №3. С. 106-120.

9. Салтыков В.М., Салтыков А.В. Условия обеспечения электромагнитной совместимости дуговых сталеплавильных печей с системой электроснабжения // Технологии электромагнитной совместимости. 2016. №2 (57). С. 44-51.

10. Dionise T.J. Assessing the Performance of a Static Var Compensator for an Electric Arc Furnace // IEEE Transactions on industry Applications, 2014. Vol. 50. No. 3. P. 1619-1629.

11. Kolagar A.D., Shoulaie A. Power quality improvement in DC electric arc furnace plants utilizing multi-phase transformers // 2012 3rd Power Electronics and Drive Systems Technology (PEDSTC), 2012. P. 302-307.

12. Белов И.В. Методы снижения воздействия гармонических искажений на электромагнитную совместимость оборудования. М.: Энергия, 2017. 200 с.

13. Колломбет К., Люпен Ж.М., Шонек Ж. Гармонические искажения в электрических сетях и их снижение // Техническая коллекция Schneider Electric, 2008. №22. 32 с.

14. Чеканов В.Г. Снижение гармонических искажений в сетях электроснабжения. М.: Энергия, 2014. 280 с.

15. Электродуговой плазмотрон: пат. 2465748 Рос. Федерация. / Мчедалов С.Г.; опубл 27.10.2012, Бюл. 30.

16. Электродуговой плазмотрон: пат. 2715054 Рос. Федерация. №2 2019111355 / Мещеряков В.Н., Конев В.А., Евсеев А.М., Пикалов В.В., Конев М.В.; заявл. 15.04.2019; опубл. 25.02.2020, Бюл. 6. 11 с.

17. Электродуговой плазмотрон: пат. 2762196 Рос. Федерация. №2 2019124162 / Мещеряков В.Н., Конев В.А., Евсеев А.М., Пикалов В.В., Конев М.В.; заявл. 25.07.2019; опубл. 16.12.2021, Бюл. 35. 9 с.

18. Электродуговой плазмотрон: полезная модель 188618 Рос. Федерация. № 2018135708 / Мещеряков В.Н., Евсеев А.М., Пикалов В.В., Чупров В.Б., Конев В.А.; заявл. 09.10.2018; опубл. 18.04.2019, Бюл. 4. 8 с.

19. Электродуговой плазмотрон для обработки плоских поверхностей деталей: пат. 2713746 Рос. Федерация. № 2019122232 / Мещеряков В.Н., Евсеев

A.М., Пикалов В.В., Данилова О.В., Ласточкин Д.В.; заявл. 11.07.2019; опубл. 07.02.2020, Бюл. 4. 9 с.

20. Электродуговой плазмотрон для обработки поверхностей деталей: пат. 2763161 Рос. Федерация. № 2021110719 / Мещеряков В.Н., Евсеев А.М., Пикалов

B.В.; заявл. 15.04.2021; опубл. 27.12.2021, Бюл. 36. 10 с.

21. Электродуговой плазмотрон для сжигания твердых отходов: пат. 2713736 Рос. Федерация. № 2019118826 / Мещеряков В.Н., Евсеев А.М., Пикалов В.В., Данилова О.В., Ласточкин Д.В.; заявл. 17.06.2019; опубл. 07.02.2020, Бюл. 4. 10 с.

22. Слежановский О.В., Дацковский Л.Х., Кузнецов И.С. Системы подчиненного регулирования электроприводов переменного тока с вентильными преобразователям. М.: Энергоатомиздат, 1983. 256 с.

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

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

25. Фираго Б.И., Павлячик Л.Б. Регулируемые электроприводы переменного тока. Мн.: Техноперспектива, 2006. 363 а

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

27. Терехов В.М., Осипов О.И. Системы управления электроприводов. М.: Академия, 2005. 304 ^

28. Осипов О.И. Частотно-регулируемый асинхронный электропривод. М.: издательство МЭИ. 2004. 80 с.

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

30. Шерстюк А.Н. Насосы, вентиляторы и компрессоры: учеб. пособие для втузов. М.: Высшая школа, 1972. 344 с.

31. Востриков А.С., Французова Г.А. Теория автоматического регулирования: учеб. пособие для вузов. М.: Высш. шк., 2004. 365 с.

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

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

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

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

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

37. 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.

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

39. Mohan N. Electric Drives: An Integrative Approach. MNPERE. 2003. 634 p.

40. Bose B.K. Modern Power Electronics and AC Drives. Prentice Hall PTR. 2001. 736 p.

41. Holmes D.G., Lipo T.A. Pulse Width Modulation for Power Converters: Principles and Practice. Wiley-IEEE Press. 2003. 744 p.

42. Bose B.K. Modern Power Electronics and AC Drives. Prentice Hall PTR. 2001. 736 p.

43. 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.

44. 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.

45. 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.

46. 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.

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

48. 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.

49. 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.

50. 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.

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

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

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

54. Копылов И.П. Электрические машины: учебник для электромеханических и электроэнергетических специальностей вузов. М.: Энергоатомиздат, 1986. 360 с.

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

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

57. 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.

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

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

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

61. 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.

62. Мещеряков В.Н., Воеков В.Н. Векторная система управления вентильным электроприводом на базе автономного инвертора напряжения с релейным регулированием входного тока инвертора и фазных токов статора // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». 2017. Т.17. №2. С. 48-57.

63. Черемушкин В.В. Аналоговое моделирование электромагнитных процессов в асинхронном двигателе: учебное пособие. М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005.

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

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

66. Башарин А.В. Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами. Энергоиздат, 1982. 392 с.

67. Андреев С.В. Математическое моделирование автономных инверторов тока. М.: Энергия, 2008. 280 с.

68. Волков В.В., Кузнецова О.В. Автономные инверторы тока: принципы работы и математическое описание. М.: Энергия, 2010. 320 с.

69. Петров А.И. Методы математического описания автономных инверторов тока. М.: Высш. шк., 2005. 350 с.

70. Миронов А.А. Асинхронные электроприводы с частотным управлением: математическое моделирование. М.: Высш. шк., 2009. 300 с.

71. Белов А.И. Инверторы напряжения в системах электропривода. М.: Энергия, 2006. 280 с.

72. Лебедев В.И. Инверторы тока: принципы работы и применение. М.: Энергия, 2010. 380 с.

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

74. 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.

75. 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.

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

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

78. Смирнов В.В. Повышающие преобразователи в электроприводах. М.: Энергия, 2007. 310 с.

79. Способ управления электроприводом переменного тока: пат. 2724982 Рос. Федерация. № 2019139230 / Мещеряков В.Н., Ласточкин Д.В., Пикалов В.В., Пономарев П.С., заявл. 02.12.2019; опубл. 29.06.2020. Заявка № 2019139230 от 02.12.2019. Бюл. 19. 15 с.

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

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

82. Онищенко Г.Б., Локтева И.Л. Вентильные каскады и двигатели двойного питания. М.: Энергия, 1979. 174 с.

83. Мещеряков В.Н., Федоров В.В., Асинхронно-вентельный каскад с инвертором в цепи статора и общим звеном постоянного тока // Электротехника, 1998. 47 с.

84. Мещеряков В.Н., Шишлин Д.И., Рысляев Р.С., Зотов В.А. Статические характеристики системы асинхронного вентильного каскада с последовательным возбуждением // Известия вузов «Электромеханика», 2009. №2. С. 57-60.

85. 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.

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

87. 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.

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

89. Крупович В.И. Справочник по проектированию автоматизированного электропривода и систем управления технологическими процессами / под редакцией В.И. Круповича, Ю.Г. Барыбина, М.Л. Самовера. М.: Энергоиздат, 1982. 416 с.

90. 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.

91. 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.

92. 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.

93. 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.

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

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

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

97. 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.

98. 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.

99. Крюков О.В., Мещеряков В.Н., Гуляев И.В. Электроприводы на основе машины двойного питания и асинхронного вентильного каскада с преобразователями в цепях статора и ротора. Саранск, 2020. 150 с.

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

101. Жуков М.Ф., Смоляков В.Я., Урюков Б.А. Электродуговые нагреватели газа (плазмотроны). М.: Наука. 1973. 232 с.

102. Коротеев А.С., Миронов В.М., Свирчук Ю.С. Плазмотроны. Конструкции, характеристики, расчет. М.: Машиностроение, 1993. 296 с.

103. Лукашев В.П., Ващенко С.П., Багрянцев Г.И., Пак Х.С. Плазмотермическая переработка твердых отходов / ЭКиП: Экологическая промышленность в России. 2005. №11. С.4-9.

104. Чередниченко В.С., Аньшаков А.С., Кузьмин М.Г. Плазменные электротехнологические установки. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2005.

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

106. Специализированные сигнальные микроконтроллеры для управления электроприводом переменного тока [электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.rusnauka.com/3 ANR 2014/Tecnic/6 157036.doc.htm

107. Официальный сайт компании «Texas Instruments» [электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.ti.com/product/TMS320F28062/datasheet

108. 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

ПРИЛОЖЕНИЕ А (обязательное) Способ управления электроприводом переменного тока

ПРИЛОЖЕНИЕ Б (обязательное)

Осциллограммы напряжений на входе и выходе АИН при различных режимах работы газонагнетательного электропривода

\ ¡и ,в

ЕшЕ

15» .

—ЬПА-^

—тот

1

0: _ _ _ _ _ _ _

0 2 0 4 0, 5= 0 3=

Рисунок Б.1 - Осциллограмма напряжения в звене постоянного тока при

стабилизации момента

Рисунок Б.2 - Напряжение на выходе одной из фаз инвертора при

стабилизации момента

Рисунок Б.3 - Напряжение на выходе инвертора за один период тока при номинальном напряжении в звене постоянного тока

Рисунок Б.4 - Напряжение на выходе инвертора за один период тока при пониженном напряжении в звене постоянного тока

91000000000703070000001007

ПРИЛОЖЕНИЕ В (обязательное)

Исследование методом компьютерного моделирования электропривода на базе асинхронного двигателя с фазным ротором с параметрическим импульсно-резисторным управлением

Электропривод (рисунок В.1) содержит: асинхронный электродвигатель с фазным ротором (М), датчик ток в цепи ротора (ДТ 1), неуправляемый мостовой диодный выпрямитель (В), конденсатор в звене постоянного тока (С), датчик тока в звене постоянного тока (ДТ), резистор, ограничивающий ток заряда ^1), рассеивающий резистор ^2), блок управления (БУ).

Рисунок В.1 - Асинхронный электропривод с импульсным регулятором в

роторной цепи

Основные уравнения, описывающие асинхронный электропривод с резистором и импульсным коммутатором в цепи ротора приведены в таблице В.1.

Таблица В.1 - Основные уравнения, описывающие асинхронный электропривод с резистором и импульсным коммутатором в цепи ротора

Переменные Уравнения

т Еф-Диш та - р , -экв

где Еф - приведенная к выпрямленной

Ток в выпрямленной цепи цепи ЭДС ротора; -экв - суммарное сопротивление, приведенное к цепи постоянного тока; Див2 - суммарное падение напряжения на вентилях схемы.

Приведенные сопротивления:

эквивалентное -экв - Г2 + Хр + ^

активное ротора * О г2- 2 ■ V

индуктивное ротора * 3■хр■s хр- пр ; п

функционал, определяющий

увеличение сопротивления в

функции скважности Fcx

импульсной схемы, задаваемой

системой управления

Выпрямленное напряжение

ротора с учетом падения Еар--^ V6 ■ Е2к ■s--■ хг ■ ^ п п

напряжения на коммутацию

Электромагнитный момент м 6к ■1к, ю где ек, 1к - мгновенные значения э.д.с. и токов соответствующих фаз ротора

На рисунке В.2 показан примерный график изменения выпрямленного тока во времени. На рисунке В.3 показан общий вид механической характеристики при замкнутой системе управления с датчиком и регулятором скорости.

хТ

/ 1 \ \ \

Рисунок В.2 - График изменения во времени выпрямленного тока

1.1

Рисунок В.3 - Общий вид механической характеристики электропривода

Компьютерная имитационная модель в программном пакете Ма1ЬаЬ Simulink представлена на рисунке В.4.

При моделировании электропривода нагрузка на валу составляла 10 Нм. В блоке управления ограничение на ток в звене постоянного тока выставлено на 7 А.

Рисунок В.4 - Модель предлагаемой системы электропривода в программном

пакете Ма1ЬаЬ Simulink

Параметры блока, имитирующего АДФР настраивались в соответствии с типовой машиной МТ011-6 мощностью 1,4 КВт (рисунок В.5).

15] Block Parameters; Asynchronous Machine Wound Rotor (fundamental, SI) Asynchronous Machine Wound Rotor (fundamental, SI)

Asynchronous machine with a wound rotor parameterized using fundamental SI parameters. Right-click on the block and select Simscape block choices to access variant implementations of this blbck. Settings

Matn Impedances initial Conditions

Stator resistance. Rs:

5.98

Statoir le akage reactance, Xls: 13.925 Referred rotor resistance, Rr': 16.35 Referred rotor leakage reactance,

5.558

51.81

Xlr'i

Magnetizing reactance, Xm:

Statoir zero-sequence reactance, гтт~ X0:

Ohm

OK I Cancel Help Apply

ffl Block Parameters; Asynchronous Machine Wound Rotor (fundamental, SI) Asynchronous Machine Wound Rotor (fundamental, SI)

Asynchronous machine with a wound rotor parameterized using fundamental SI parameters. Right-dick on the block and select Simscape block choices to access variant implementations of this block, Settings

Main Impedances Initial Conditions

| OK | | Cancel | Help Apply |

Рисунок В.5 - Параметры блока, имитирующего АДФР

Временные характеристики, полученные в результате компьютерного моделирования, представлены на рисунке В.6.

Рисунок В.6 - Временные характеристики системы электропривода: а) ю=Щ б) М= Щ в) Тёе= Щ г) ТК=Щ д) ТС=Щ е) Тк=ОД

Осциллограммы напряжения и тока в роторе асинхронной машины в момент пуска под нагрузкой показаны на рисунках В.7, В.8.

На рисунке В.9, а; В.9, б представлены временные зависимости изменения потребляемой активной и реактивной мощности в течение 3-х секунд работы электропривода с момента его пуска. По полученным значениям построен график изменения полной мощности во времени (рисунок 9.8, в).

Рисунок В.7 - Осциллограмма напряжения в роторе

Рисунок В.8 - Осциллограмма тока в роторе

а

] 5 зас

8 000 -

6000 —

4000 —

2000

0;

0 s 15 2,5 -3- s

J

б

в

Рисунок В.9 - Изменение мощности электропривода во времени: а - активной; б - реактивной; в - полной

ПРИЛОЖЕНИЕ Г (обязательное)

Исследование методом компьютерного моделирования электропривода с частотно-параметрическим управлением по цепи ротора асинхронного

двигателя с фазным ротором

Электропривод (рисунок Г.1) содержит в цепи ротора выпрямитель, звено постоянного тока и инвертор, частотно-зависимое активно-индуктивное сопротивление (ИС) [95]. Регулирование момента производится посредством изменения частоты в роторе. Увеличивая частоту, увеличивают сопротивление ИС, и ограничивают ток ротора и момент.

Рисунок Г.1 - Схема параметрического управления по цепи ротора с инвертором напряжения в звене постоянного тока

Электропривод содержит в цепи ротора выпрямитель, звено постоянного тока и инвертор, частотно-зависимое активно-индуктивное сопротивление (ИС) [95]. Регулирование момента производится посредством изменения частоты в роторе. Увеличивая частоту, увеличивают сопротивление ИС, и ограничивают ток ротора и момент.

Основные уравнения, описывающие асинхронный электропривод с преобразователем частоты в цепи ротора приведены в таблице Г.1.

Компьютерная имитационная модель [96] в программном пакете МА^АВ Simulink представлена на рисунке Г.2.

ДТ1

В

ДТ

Таблица Г.1 - Основные уравнения, описывающие асинхронный электропривод с преобразователем частоты в цепи ротора

Переменные Уравнения

Ток в выпрямленной цепи т Ер - Еи -Дивх ^ - р , -экв где: Еф - приведенная к выпрямленной цепи ЭДС ротора; Еаи - противо-ЭДС инвертора в выпрямленной цепи; Яэкв - суммарное сопротивление, приведенное к цепи постоянного тока; ДивЕ - суммарное падение напряжения на вентилях схемы.

Приведенные сопротивления: эквивалентное активное ротора индуктивное ротора индуктивное ИС индуктивное магнитопровода ИС активное магнитопровода ИС -экв - Г* + ХР + Хис0 + г*; * п Г2- 2 ■ V * 3■хр■s хр- пр ; п х* - 3 ■ Хис0 ■( f/fб ) . Хис0 ; п * 3 ■ Хрб ^^б п ; п Г* -2■ V V

Выпрямленное напряжение ротора с учетом падения напряжения на коммутацию 3 3 Ер■ Е2к ■ sхг ■ Е п п

Электромагнитный момент м - ^ ■ Т, VЕ2 ■ 2 ■ х2 ■ Т2. ®0

Для оценки основных динамических характеристик рассматриваемой системы электропривода были построены графики зависимостей скорости и момента двигателя во времени. Полученные зависимости представлены на рисунке Г.3.

Рисунок Г.2 - Компьютерная модель асинхронного электропривода с инвертором в звене постоянного тока ротора в МЛ^ЛВ Simulink

! пятт/РРТГ

100 -

ю -

е >0 -

№ -

.0 -

1

1 | ._

— 0;

А 1 2,5 3,5

"К

\м нп

30

1т-

11

:

20

и

10 _

4— 0 5 1 5 2 2 5

Рисунок Г.3 - Скорость и момент двигателя при включенном однофазном

инверторе в роторе

Для анализа энергоэффективности системы были сняты графики активной, реактивной и полной мощности. Активная реактивная и полная мощности во времени представлены на рисунке Г.4.

1 * в- пен

6000 -

^оое 4000 --

3000 -2О0О --

-+000 - Г с

0

1

1 Ваг * С6 к

-8000 -

6000

4000 —

■5000 —

1; с

1

о-

п < 1 < у 2,5 4 3,5

. _ . л.

1 ! в

Н 0000 -

8000 -

6000 -

4000

5000 -

1 Л

0; __ 1_

А с Ег 1 1 1 ч

и 5 5 ¿р л

Рисунок Г.4 - Активная, реактивная, полная мощность во времени

ПРИЛОЖЕНИЕ Д (справочное)

Методика расчета механической характеристики нагнетателя Мст(ю)

АДКЗР используют в качестве привода для центробежных нагнетателей. Мощность двигателя определяют по формуле [3] при непосредственном соединении электродвигателя с нагнетателем:

Рэ = Кз • -106, (Д.11

Лп

где Q - максимальная производительность;

Н - статическое давление;

р - плотность перекачиваемого газа, кг/м3;

Кз - коэффициент запаса;

Лн - КПД компрессора.

Расчеты механической характеристики центробежного нагнетателя (компрессора) производятся с помощью Q-H характеристик.

Поток газа из нагнетателя подается в рабочую камеру по каналу, который является магистралью.

Необходимо предварительно рассчитать и построить характеристику магистрали, подключенной к нагнетателю, которая выражается следующей зависимостью [1], для расчета механической характеристики нагнетателя Мст(ю):

НМаг = НсТ + КМаг • Q2, (Д.

где Q - подача компрессора, м3/с;

Нмаг - напор в магистрали, м;

Нст - статический напор в магистрали, м;

Кмаг - коэффициент сопротивления магистрали.

Исходя из того, что при номинальной подаче Q = Qном напор в магистрали равен номинальному напору нагнетателя Нмаг = Нном и Нст = 0,2-Нном = 0,2 0,24 = 0,048 МПа, неизвестное значение коэффициента кмаг

164

предварительно рассчитаем по формуле (Д.2)

к _ Н„. - Нет _ 0,24 - 0,048 _ Па • с (Д3)

к- _—оон::— _0,011 (

где Нно: - номинальный напор нагнетателя, МПа;

Нет - статический напор в магистрали, МПа ;

Оно: - номинальная подача нагнетателя, м3/с.

Таким образом, получаем следующее выражение для напора в магистрали:

Нмаг _ 0,048 + 0,011 • О2. (Д.4)

Будем задаваться различными значениями подачи О и по выражению (Д.4) находить соответствующие им значения напора Нмаг для построения характеристики магистрали, при этом для всех точек найдём относительные величины О/О ном и Нмаг/ Нном. Все данные сведём в таблицу Д.1 и построим характеристику магистрали в осях О-Н совместно с характеристиками насоса (рисунком Д.1).

Таблица Д.1 - Расчетные данные для построения характеристики магистрали

Параметры Значения

О, м3/с 0 0,53 1,06 1,59 2,12 2,65 3,18 3,72 4,25

Нмаг, МПа. 0,048 0,051 0,06 0,076 0,097 0,125 0,159 0,2 0,24

О/Оном, д.е. 0 0,12 0,25 0,37 0,5 0,62 0,75 0,88 1

Нмаг/Нном, д.е. 0,2 0,213 0,25 0,317 0,404 0,521 0,663 0,833 1

Рисунок Д.1 - Совмещённые универсальные О-Н характеристики центробежных компрессоров и характеристика магистрали

По точкам пересечения характеристики магистрали с О-Н характеристиками нагнетателя рассчитаем зависимость Мст(ю). По формуле рассчитаем момент сопротивления и определим значения О, Н, п, ю для каждой точки пересечения:

М„

у-О •Н ^

(Д.5)

где Мст - момент сопротивления насоса, Н^м; у = 1,3 - плотность азота, кг/м3; Н - напор, м; О - подача, м3/с;

g - ускорение свободного падения, м/с2; П - КПД компрессора; ю - угловая скорость компрессора, рад/сек.

Расчётные данные поместим в таблицу Д.2, а график зависимости Мст(ю) построим в осях (ю, Мст) на рисунке Д.2.

Таблица Д.2 - Расчетные данные для построения зависимости Мст (ю)

Параметры Значения

Q/Qhom, д.е. 0,27 0,49 0,6 0,73 0,82 1

Нмаг/Нном, Д.е. 0,28 0,39 0,51 0,67 0,81 1

П/Пном, д.е. 0,37 0,72 0,85 0,95 0,98 1

ю/юном, д.е. 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Q, м3/с 1,15 2,08 2,55 3,1 3,49 4,25