Вентильные системы асинхронного электропривода с каскадно-частотным управлением тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Шишлин, Денис Иванович

• Шишлин, Денис Иванович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шишлин, Денис Иванович

ВВЕДЕНИЕ.

1. ВЕНТИЛЬНЫЕ КАСКАДЫ И ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С ТИРИСТОР-НЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ЧАСТОТЫ.

1.1. Обзор действующих систем электропривода переменного тока.

1.2. Принципы построения замкнутых систем управления каскадных и частотных электроприводов.

1.3. Принципы математического моделирования электроприводов переменного тока.

1.4. Выводы.

2. СИСТЕМА КАСКАДНО-ЧАСТОТНОГО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ С ФАЗНЫМ РОТОРОМ

2.1. Описание системы.

2.2. Построение математической модели.

2.3. Построение характеристик в разомкнутой системе электропривода.

2.4. Выводы.

3. ПОСТРОЕНИЕ ЗАМКНУТЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ КАС-КАДНО-ЧАСТОТНЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ.

3.1. Построение системы подчиненного регулирования при неизменной частоте напряжения, питающего статор двигателя.

3.1.1. Настройка контура тока.

3.1.2. Настройка контура скорости.

3.2. Управление системой посредством изменения частоты напряжения, подводимого к статору двигателя.

3.3. Выводы.

4. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМЫ КАСКАДНО-ЧАСТОТНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА.

4.1. Критерии оптимизации энергетических параметров системы каскадно-частотного электропривода.

4.2 Построение энергетической диаграммы системы каскадно-частотного электропривода. Энергетические показатели.

4.3. Определение энергетических показателей по результатам математического моделирования каскадно-частотного электропривода

4.4. Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Вентильные системы асинхронного электропривода с каскадно-частотным управлением»

Актуальность темы исследования определяется тем, что основной тенденцией развития современных электроприводов переменного тока является использование асинхронных двигателей (АД) с короткозамкнутым ротором, управляемых посредством вентильных преобразователей. В то же время в качестве приводных двигателей для общепромышленных механизмов, например подъемно-транспортных, широкое распространение получили асинхронные двигатели с фазным ротором, в связи с чем на предприятиях даже при проведении модернизации в качестве приводных оставляют этот тип двигателей [1].

Среди регулируемых приводов наибольшее распространение получили системы асинхронных вентильных каскадов (АВК) и системы с тиристорными преобразователями частоты (ТПЧ) [2, 3, 4, 5].

Электропривод с ТПЧ обеспечивает динамические характеристики, не уступающие по качеству характеристикам электроприводов постоянного тока. Это, прежде всего, относится к высококачественным системам управления, достаточно сложным по структуре и настройке и которые применяются там, где предъявляются высокие требования к управлению параметрами привода (позиционные системы) [5]. Немаловажное значение имеет форма кривых тока и напряжения, подводимого к статору двигателя в случаях использования ТПЧ. Несинусоидальность указывает на наличие высших гармоник, что, в конечном итоге, оказывает влияние на динамику системы электропривода [4, 6].

Для механизмов общепромышленного назначения представляется целесообразным разрабатывать системы электропривода, которые обеспечивали бы сочетание высоких динамических свойств и энергетических показателей

7].

Возможность режима "опрокидывания" инвертора в системе АВК из-за кратковременного пропадания напряжения сети снижает надежность работы системы в крановых приводах, где питание осуществляется по троллеям [7]. 5

Важной задачей является снижение потребляемой системой электропривода реактивной мощности, которое достигается за счет схемных решений в силовой цепи. Эти решения не должны существенно усложнять схему, а, значит, и снижать ее надежность. При этом желательно использовать стандартное оборудование. В этом случае перспективным направлением является создание гибридных схем, сочетающих в себе свойства каскадных и частотных электроприводов. В соответствие с этим требуется проводить анализ динамических процессов в системе каскадно-частотного электропривода, рассматривать такие важные параметры, как перегрузочная способность двигателя в проектируемой системе и способы ее повышения [8], критерии оптимизации энергетических характеристик. Поэтому работы, направленные на создание вентильных систем асинхронного электропривода с каскадно-частотным управлением являются актуальными, т.к. в конечном итоге способствуют улучшению энергетических показателей механизмов общепромышленного назначения.

Объектом исследования являются силовые схемы электропривода, разработанные на основе синтеза вентильных каскадов и частотно-управляемых приводов.

Цель работы. Совершенствование систем каскадного и частотного электропривода путем новых схемных решений, улучшающих энергетические показатели механизмов общепромышленного назначения.

Идея работы заключается в разработке вентильных систем асинхронного электропривода с использованием гибридных схем, сочетающих в себе свойства каскадного и частотного электроприводов.

Задачи, которые ставились и выполнялись в ходе работы:

- моделирование асинхронного двигателя как объекта управления в системе каскадно-частотного электропривода;

- моделирование замкнутой системы каскадно-частотного электропривода;

- построение энергетических характеристик системы каскадно-частот-ного электропривода;

- проведение экспериментальных исследований с целью определения статических, динамических и энергетических свойств системы каскадно-частотного электропривода.

Методы исследования. Поставленные в работе задачи решались структурным и частотным методами теории автоматического управления, методами математического моделирования на ЭВМ с использованием численных методов, а также методами экспериментального анализа.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- построена математическая модель замкнутой системы каскадно-час-тотного электропривода;

- предложен метод коррекции ее динамических свойств;

- сопоставлены энергетические показатели действующих систем каскадного и частотного электроприводов и системы каскадно-частотного электропривода;

- рассмотрены критерии оптимизации энергетических показателей;

- построена энергетическая диаграмма системы каскадно-частотного электропривода.

Практическая ценность работы состоит в том, что:

- на базе асинхронных двигателей с фазным ротором создана система, сочетающая в себе свойства систем ТПЧ-АД и АВК с повышенным коэффициентом мощности по сравнению с действующими каскадными электроприводами;

- разработана инженерная методика синтеза регуляторов при построении замкнутых систем управления каскадно-частотным электроприводом;

- регулирование момента в системе каскадно-частотного электропривода осуществляется путем применения более простой одноканальной схемы управления выпрямленным током в отличие от двухканальных схем в частотно-управляемых электроприводах;

- использование серийного оборудования делает возможным использовать систему каскадно-частотного электропривода в общепромышленных механизмах.

Достоверность положений, результатов и выводов подтверждена: точностью математических моделей, учитывающих динамические свойства и нелинейность характеристик асинхронного двигателя и элементов электропривода; строгой доказанностью результатами математического моделирования и экспериментальными данными полученных аналитических выражений; сопоставимостью полученных результатов с положениями общей теории электропривода.

Реализация результатов работы

Диссертация выполнена на кафедре электропривода Липецкого государственного технического университета в рамках НИР "Энергосберегающие системы асинхронного электропривода подъемно-транспортных механизмов". Создан опытный образец электропривода с каскадно-частотным управлением. Математическая модель системы каскадно-частотного электропривода внедрена в учебный процесс и используется в курсовом и дипломном проектировании, что подтверждено актом внедрения.

На защиту выносятся:

- результаты математического моделирования системы каскадно-частотного электропривода;

- результаты синтеза регуляторов замкнутых систем управления каскадно-частотным электроприводом;

- энергетические характеристики системы каскадно-частотного электропривода;

- результаты экспериментальных исследований.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертации были представлены на областной научной конференции "Молодежь и наука на рубеже XXI века" (Липецк, 1997); международной научно-технической конференции "Энергосбережение-98" (Тула, 1998); научно-технической конфе8 ренции кафедры "Электропривода и автоматизации промышленных установок и технологических комплексов", посвященной 25-летию кафедры электропривода ЛГТУ (Липецк, 1999); II региональной научно-технической конференции "Современная электротехнология в промышленности центра России. Исследования, инновации, применение" (Тула, 1999).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 6 печатных работах, из них: 2 статьи, 4 тезиса докладов на конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 59 наименований, 6 приложений. Общий объем работы составляет 175 страниц. Основная часть изложена на 113 страницах текста, работа содержит 48 рисунков на 46 страницах, 18 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Шишлин, Денис Иванович

4.4. Выводы

1. Установка трансформатора в цепь статора двигателя позволяет увеличить его пусковой момент в системе каскадно-частотного электропривода, но, вместе с тем, приводит к увеличению габаритных размеров установки.

2. Оптимизация по максимуму кпд системы при данном техническом решении производится путем варьирования значения кГР.

3. В соответствии с полученной энергетической диаграммой система каскадно-частотного электропривода потребляет активную энергию практически в том же объеме, что и система ABK.

4. В системе каскадно-частотного электропривода снижено потребление реактивной энергии из сети по сравнению с АВК, что заметно повышает коэффициент мощности.

5. Математическая модель системы каскадно-частотного электропривода позволяет рассматривать энергетические характеристики в статических и динамических режимах.

143

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований решены актуальные задачи, направленные на совершенствование вентильных систем асинхронного электропривода путем разработки систем с каскадно-частотным управлением, улучшающих энергетические показатели приводов механизмов общепромышленного назначения.

Материалы диссертации позволяют сформулировать следующие основные выводы:

1. Построена математическая модель на базе векторной модели асинхронного двигателя, которая позволяет исследовать свойства каскадно-частотного электропривода в разомкнутой и замкнутой системах, а также рассмотреть энергетические характеристики (коэффициент мощности, кпд, потери в обмотках, потребляемая мощность) в статических и динамических режимах.

2. Разработан принцип построения системы каскадно-частотного электропривода с одноканальной системой управления моментом двигателя на базе автономных инверторов тока и напряжения.

3. Разработан метод коррекции динамических свойств системы асинхронного электропривода с каскадно-частотным управлением, позволяющий компенсировать влияние в силовой части схемы положительной обратной связи по эдс ротора и отрицательной обратной связи по эдс статора.

4. В сравнении с традиционными системами АВК система каскадно-частотного электропривода характеризуется меньшим (на 25.30 %) потреблением реактивной энергии и обладает повышенным (на 20%) коэффициентом мощности.

5. Использование серийного оборудования, а также ограничение в разомкнутых и замкнутых системах момента асинхронного двигателя в пусковых режимах позволяют применять каскадно-частотный электропривод в общепромышленных механизмах.

144

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шишлин, Денис Иванович, 2000 год

1. Вешеневский С. Н. Характеристика двигателей в электроприводе. М.: Энергия, 1977. 432 с.

2. Яуре А. Г., Шафиров 3. Е. Применение асинхронных короткозамк-нутых двигателей для механизмов передвижения грузоподъемных кранов. -Электротехника, 1984, №8, с. 29 31.

3. Онищенко Г. Б., Локтева И. Л. Асинхронные вентильные каскады и двигатели двойного питания. М.; Энергия, 1979. 200 с.

4. Энергосберегающая технология электроснабжения народного хозяйства: В 5 кн.: Практ. пособие / Под ред. В. А. Веникова. Кн. 2. Энергосбережение в электроприводе / Н. Ф. Ильинский, Ю. В. Рожанковский, А. О. Горнов. -М.: Высш. шк., 1989. 127 с.

5. Справочник по автоматизированному электроприводу. Под ред. В. А. Елисеева и А. В. Шинянского. М.: Энергоатомиздат, 1983. 616 с.

6. Жемеров Г. Г. Тиристорные преобразователи частоты с непосредственной связью. М., «Энергия», 1977. 280 с.

7. Яуре А. Г., Певзнер Е.М. Крановый электропривод: Справочник. -М.: Энергоатомиздат, 1988.

8. Шулаков Н. В., Медведев Е. И. Асинхронно-вентильный каскад с последовательным возбуждением двигателя // Изв. вузов. Электромеханика. 1988. №1. С. 47-54.

9. Онищенко Г. Б. Асинхронный вентильный каскад. М., «Энергия», 1967.- 150 с.

10. В. Г. Власов, В. Л. Иванов, Л. И. Тимофеева. Взрывозащищенный тиристорный электропривод переменного тока. М.: Энергия, 1977.

11. Асинхронно-вентильные нагружающие устройства. С. В. Хватов, В. Г. Титов, А. А. Поскробко, В. Ф. Цыпкайкин. М.: Энергоатомиздат, 1986. -144 с.

12. Сандлер А. С., Тарасенко Л. М. Принципы построения замкнутых систем вентильного каскада. Труды МЭИ. «Электромеханика», 1971, вып. 86, ч.1.

13. Тарасенко Л. М. Вентильный каскад с обратной связью по ЭДС ротора. «Электротехническая промышленность. Электропривод». М., Ин-формэлектро, 1971, вып. 7.

14. Подчиненное регулирование параметров в машине двойного питания. «Электротехническая промышленность. Электропривод», 1974, вып. 6. 32. Авт.: Л. X. Дацковский, Л. М. Тарасенко, И. Л. Локтева, И. С. Кузнецов.

15. Онищенко Г. Б., Тарасенко Л. М. Автоматическое управление реку-перативно-динамическим торможением в вентильном каскаде. «Электротехническая промышленность. Электропривод», М., Информэлектро, 1971, вып.6, с. 20-23.

16. Булгаков А. А. Частотное управление асинхронными электродвигателями. М.: Наука, 1966.

17. Сандлер А. С., Сарбатов Р. С. Автоматическое частотное управление асинхронными двигателями. М.: «Энергия», 1974. - 328 с.

18. Системы подчиненного регулирования электроприводов переменного тока с вентильными преобразователями. Слежановский О. В., Дацковский Л. X., Кузнецов И. С. и др. М.: Энергоатомиздат, 1983.

19. Шубенко В. А. и др. Асинхронный электропривод с тиристорным управлением. М., «Энергия», 1967.

20. Каган В. Г. и др. Нелинейные системы с тиристорами. М.: «Энергия», 1968. 96 с.

21. Аранчий Г. В., Жемеров Г. Г., Эпштейн И. И. Тиристорные преобразователи частоты для регулируемых электроприводов. М.: Энергия, 1968.

22. Толстов Ю. Г. Автономные инверторы. В кн. Преобразовательные устройства в энергетике. - М.: Наука, 1964.

23. Забродин Ю. С. Автономные тиристорные инверторы с широтно-импульсным регулированием. М.: Энергия, 1977. 136 с.

24. Парфенов А. П. Асинхронный электропривод с тиристорным преобразователем напряжения и специальным режимом квазичастотного управления // Электромеханика. 1993. №7. С. 14-15.

25. Построение систем автоматизированного электропривода. ЛДНТП, 1968. Авт.: В. Д. Барышников, Г. Г. Соколовский, В. А. Новиков, В. М. Шес-таков.

26. Сандлер А. С., Гусяцкий Ю. М., Затрубщиков Н. Б. Вопросы динамики асинхронного частотно-управляемого электропривода с автономным инвертором тока // Электричество. 1979. №4. С. 38 43.

27. Принципы построения частотно-регулируемых электроприводов на базе ТПЧ со звеном постоянного тока. Яцук В. Г., и др. Истринское отд. ВНИИэлектромеханики. Пром. Энергетика. 1978. №11. С. 39.

28. Сабинин Ю. А., Грузов В. Л. Частотно-регулируемые асинхронные электроприводы. Л. Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985.

29. П. Д. Андриенко, Р. Т. Шрейнер, А. В. Волков. Динамика двухкон-турной системы регулирования скорости асинхронного двигателя с обратной связью по частоте // «Электротехн. промышл. Сер. Электропривод». №9. 1982. С. 5-8.

30. Трещев И. И. Методы исследования электромагнитных процессов в машинах переменного тока. Л., «Энергия», 1969.

31. Попов Е. П., Пальтов И. П. Приближенные методы исследавания нелинейных автоматических систем. М. Физматгиз, 1960.

32. Веников В. А. Переходные электромеханические процессы в электромеханических системах. -М.: Энергоиздат. 1983. 616 с.

33. Ямамура С. Спирально-векторная теория электрических цепей и машины переменного тока. Ч. 1. СПб. 1993.

34. Ямамура С. Спирально-векторная теория электрических машин переменного тока // Электротехника. 1996. №10. С. 7 15.

35. Сандлер А. С., Тарасенко Л. М. Синтез технически оптимальных систем управления вентильным каскадом. В кн. Асинхронный тиристорный электропривод. Свердловск, изд. УПИ, 1971, с. 83 - 85.

36. Булгаков А. А., Основы динамики управляемых вентильных систем. М., Изд-во АН СССР, 1963.

37. Башарин А. В., Постников Ю. В. Примеры расчета автоматизированного электропривода на ЭВМ. Л.: Энергоиздат, 1990.

38. Кирпичников В. М., Мельчеков В. Д. К математическому и аналоговому моделированию асинхронных двигателей с тиристорным управлением в роторных цепях. В кн.: Асинхронный тиристорный электропривод. Свердловск, изд. УПИ, 1971.

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

40. Страхов С. В. Переходные процессы в электрических цепях, содержащих машины переменного тока. М. Л., Госэнергоиздат, 1960. - 246 с.

41. Забродин Ю. С. Промышленная электроника М.: Высшая школа,1982.

42. Мещеряков В. Н., Федоров В. В. Асинхронно вентильный каскад с инвертором в цепи статора и общим звеном постоянного тока // Электротехника. 1998. №6. С. 47 -50.

43. Патент 2076450. РФ. Способ регулирования частоты вращения двигателя двойного питания и устройство для его осуществления/ В. Н. Мещеряков // Открытия. Изобретения. 1997, №9, МКИ Н02Р 7/36.

44. Патент 2099850. РФ. Способ управления асинхронным двигателем с фазным ротором/ В. Н. Мещеряков // Открытия. Изобретения. 1997, №35, МКИ Н02Р 7/63.

45. Сандлер А. С., Тарасенко Л. М. Динамика каскадных электроприводов. М.: Энергия, 1977.148

46. Комплектные тиристорные электроприводы. Справочник. Под ред. Перельмутера В. М. М.: Энергоатомиздат, 1988. 319 с.

47. Справочные данные по электрооборудованию. Под ред. А. Е. Гуре-вича, А Н. Дьякова. М.: Машгиз, 1960. 1 3 т.

48. Бычков В. П. Электропривод и автоматизация металлургического производства. М.: Высшая школа, 1987.

49. Мещеряков В. Н., Шишлин Д. И. Построение замкнутой системы управления каскадно-частотным электроприводом // Электромеханика. 1998. №4. С. 46-50.

50. Унифицированные системы автоуправления электроприводом в металлургии. Изд. 2-е, перераб. и доп. Гарнов В. К., Рабинович В. Б., Вишне-вецкий Л. М. М., «Металлургия», 1977. 192 с.

51. Фрер Ф., Орттенбургер Ф. Введение в электронную технику регулирования. М., «Энергия», 1973.

52. Рудаков В. В. и др. Асинхронные электроприводы с векторным управлением. Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1987.

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

54. Мещеряков В. Н., Шишлин Д. И. Исследование систем асинхронного электропривода для общепромышленных механизмов // Областная научная конференция «Молодежь и наука на рубеже XXI века». Липецк, 1997.

55. Мещеряков В. Н., Трошкин С. Н., Шишлин Д. И. Пути энергосбережения в электроприводах крановых механизмов // «Сталь». 1999. №10. С.77-78.

56. П. 1.1. Технические данные двигателя МТ112-6:

57. Номинальное напряжение, В.

58. Номинальная мощность, кВт.

59. Номинальная частота вращения, об/мин.

60. Перегрузочная способность Мшх/Мн.1. Статор: cosqHOM.Оcos (рхх.О,си >А.U1. Jcx ' А.г, , Ом.1х. , Ом.1,1. Ротор: Ет , В.2(1рН , А.16г2 , Ом.Ох2 , Ом.Ол

61. Коэффициент трансформации ке кг-м .11. Момент инерции J.0,0(

62. П. 1.2. Технические данные трансформатора ТСП-10/0,7:

63. Номинальная мощность, кВА.'

64. Напряжение сетевой обмотки, В.

65. Напряжение вентильной обмотки, В.

66. Ток вентильной обмотки, А.^

67. Напряжение преобразователя, В.1. Ток преобразователя, А.

68. Потери холостого хода, Вт.

69. Потери короткого замыкания, Вт.!ик,%

70. П. 1.3. Технические данные двигателя МТВ311-6:

71. Номинальное напряжение, В.3

72. Номинальная мощность, кВт.1

73. Номинальная частота вращения, об/мин.9

74. Перегрузочная способность Мшх/Мн.^1. Статор: cos<рном.Оcos фхх.О,1сн, А.28lex ,А.16г, , Ом А.О,х, , Ом.0,5751. Ротор: ЕРН , В1. А.42г2 , Ом.0,х2 , Ом.0,2^

75. Коэффициент трансформации ке.2

76. Момент инерции J, кг • м2 . .0,2154