Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Обоснование постановки задач для исследований 8
1.1. Применение асинхронных двигателей для электропривода крановых механизмов и механизмов вентиляторного типа 8
1.2. Квазичастотное управление асинхронными двигателями 17
1.3. Постановка задачи для исследования 24
ГЛАВА 2. Способ квазичастотного управления с повышенной плавностью регулирования скорости асинхронного двигателя 26
2.1. Силовая Схема и механические характеристики АД при квазичастотном управлении 26
2.2. Анализ напряжений на выходе ТПН при поочередном включении нескольких тиристоров 30
2.3. Алгоритм работы ТПН при квазичастотном управлении 40
2.4. Блок квазичастотного управления 47
2.5. Экспериментальные исследования работы ТПН при квазичастотном управлении 54
ГЛАВА 3. Регулировочные характеристики асинхронного двигателя при квазичастотном управлении 66
3.1. Возможности регулирования скорости АД при квазичастотном управлении 66
3.2. Определение частоты основной составляющей напряжения 68
3.3. Естественные механические характеристики АД при квазичастотном управлении
3.4. Искусственные механические характеристики АД при квазичастотном управлении 87
а/ регулирование напряжения статора 88
б/ включение дополнительных сопротивлений в цепь ротора 88
в/ несимметричные схемы включения ротора . 95
ГЛАВА 4. Расчет механических характеристик АД с квазичастотным управлением 98
4.1. Исходные положения для расчета механических характеристик 98
4.2. Гармонический анализ напряжений на выходе ТПН, работающего на активную нагрузку 108
4.3. Упрощенный метод расчета механических характеристик АД при квазичастотном управлении 115
4.4. Результаты упрощенного расчета механических характеристик АД при квазичастотном управлении 125
ГЛАВА 5. Потери в ошотках и нагрев ад при квазичастотном управлений 131
5.1. Измерение потерь при несинусоидальных токах 131
5.2. Потери в обмотках АД при квазичастотном управлении 142
5.3. Методика проведения экспериментальных исследований по нагреву 157
5.4. Результаты испытаний АД на нагрев при квазичастотном управлении . 165
а/ Повторно-кратковременный режим 165
б/ Длительный режим работы 143
ГЛАВА 6. Рекомендации для практического использования управления в регулируемых электроприводах 186
6.1. Формулирование свойств асинхронного электропривода с квазичастотным управлением 186
6.2. Асинхронный электропривод с квазичастотным управлением для крановых механизмов 191
6.3. Регулируемый асинхронный электропривод с квазичастотным управлением для вентиляторов и насосов 197
Список литературы 208
Приложение 214
- Применение асинхронных двигателей для электропривода крановых механизмов и механизмов вентиляторного типа
- Силовая Схема и механические характеристики АД при квазичастотном управлении
- Определение частоты основной составляющей напряжения
- Исходные положения для расчета механических характеристик
Введение к работе
Основные направления развития народного хозяйства СССР на 1980-85 годы принятые ХХУІ съездом КПСС, предусматривают дальнейшее повышение качества"и уровня автоматизации во всех отраслях народного хозяйства.
Для улучшения условий труда трудящихся необходимо осуществить полный переход к автоматизации и механизации не только основных технологических процессов, но и вспомогательных операций.
К числу наиболее распространенных в народном хозяйстве механизмов относятся электрические краны различных конструкций, насосы и вентиляторы разного назначения. Поэтому от эффективности (производительности, экономичности) этих механизмов во многом зависит эффективность народного хозяйства в целом. Электрооборудование крановых механизмов должно обеспечить надежную работу при повторно-кратковременном режиме и большой частоте включений, а электрооборудование турбомеханизмов - длительном режиме, в условиях запыленности помещений, высокой влажности воздуха, резких изменениях температуры. В то же время к электрооборудованию предъявляются жесткие требования по обеспечению бесперебойности в работе, высокой производительности, безопасности в обслуживании и простоты в эксплуатации.
При широком диапазоне регулирования скорости крановых механизмов и турбомеханизмов в настоящее время применяются электроприводы постоянного тока, которые в наибольшей степени удовлетворяют техническим требованиям, предъявляемым к этим механизмам. Однако, применение их становится оправданным лишь для мощных механизмов (от 100 кВт и выше) , а также в тех случаях, когда необходимо точно реализовать требуемые динамические режимы, большой диапазон регулирования скорости и специальные механические характеристики привода [2, 20, 23]. Для крановых механизмов и турбомеханизмов средней и малой мощности в основном широко используются электроприводы переменного тока с асинхронным двигателем с фазным или короткозамкнутым ротором. Однако вследствие известных трудностей по реализации регулируемых асинхронных электроприводов с высокими динамическими показателями существующие системы с асинхронными двигателями не в полной мере удовлетворяют современным требованиям к крановым электроприводам. Поэтому до сих пор ощущается потребность в таких системах электропривода, которые имеют по возможности простое схемное исполнение и вместе с тем обладают требуемыми техническими возможностями.
Одной из таких систем, которая имеет сравнительно простую схему, является система тиристорный преобразователь переменного напряжения - асинхронный двигатель (ТПН-АД). Однако простые системы ТПН-АД обычно не позволяют получить желаемые показатели регулирования в зоне пониженных скоростей [35, 54] и обеспечивает невысокий диапазон регулирования скорости при работе в длительном режиме при нагрузке вентиляторного характера [5б].
Кроме этого, в системе электропривода ТПН-АД возможна работа на пониженных скоростях лишь при применении замкнутых систем регулирования (ъ частности с использованием тахогенератора ) и возникают известные трудности при переходе из двигательного режима в тормозной на пониженных скоростях [2] . Поэтому представляет интерес разработать более современную структуру электропривода ТПН-АД для крановых и вентиляторных механизмов, обеспечивающих требуемые для таких механизмов регулировочные свойства.
В соответствии со сказанным настоящая диссертация посвящается разработке системы электропривода ТПН-АД в режиме квазичастотного управления, которая позволит улучшить регулировочные и энергетические показатели крановых механизмов и механизмов вентиляторного типа.
Применение асинхронных двигателей для электропривода крановых механизмов и механизмов вентиляторного типа
В настоящее время в большинстве существующих систем асинхрон ного кранового электропривода регулирование угловой скорости двигателя обычно осуществляется реостатным способом, возможнос ти которого ограничены. Поэтому имеется тенденция усложнения электроприводов крановых установок. Эта тенденция обусловлена повышением требований, предъявляемым к крановым механизмам, что находит свое выражение в необходимости увеличения производитель ности и качества их работы. Реализация таких требований приводит к стремлению повысить точность остановки рабочих органов механизмов и расширить диапазон регулирования их скорости, сформировать плавные переходные процессы и т.д. В то же время нецелесообразно чрезмерно усложнять крановые элек троприводы как по экономическим соображениям, так и по условиям эксплуатации. Применение для крановых механизмов регулирования скорости с помощью преобразователей частоты в настоящее время ограничено. Недостатками этой системы являются относительно высокая стоимость и сложность как первоначальной наладки, так и эксплуатации. Отмеченные обстоятельства объясняют тот факт, что как в нашей стране, так и за рубежом стремятся для крановых электроприводов использовать наиболее простые из возможных систем асинхронного электропривода.
Одной из таких систем, которая имеет сравнительно простую схему, является система ТПН-АД с фазным ротором. С помощью ТПН производится регулирование скорости асинхронного двигателя за счет изменения напряжения статора АД. Разомкнутая система ТПН--АД не может обеспечить большой диапазон регулирования скорости двигателя, поэтому при больших диапазонах регулирования используется замкнутая система ТПН-АД с отрицательной обратной связью по скорости, осуществляемой с помощью тахогенератора [55] .
Одной из важных задач, которые необходимо решить для замкнутой системы электропривода ТПН-АД, является формирование плавных переходных процессов при пусках и торможениях . Для этоЦ-го создают различные структуры замкнутых систем электропривода [4, 9, 15] .
В асинхронных крановых электроприводах с ТПН для получения низких посадочных скоростей используют замкнутую систему с отрицательной обратной связью по скорости. Обратную связь по скорости осуществляют, как правило, с помощью тахогенератора. Однако использование тахогенератора в крановых электроприводах связано с рядом трудностей эксплуатационного характера. В случае мостовых кранов использование тахогенератора связано с установкой дополнительных троллеев или гибкого кабеля, что крайне нежелательно и является одной из причин, замедляющих внедрение системы электропривода ТПН-АД для массовых кранов.
При работе на пониженных скоростях для улучшения теплового режима асинхронной машины в цепь ее ротора включают дополнительные активные сопротивления. Замкнутые системы асинхронного электропривода с ТПН применяются как в нашей стране [S8j , так и за рубежом [4, 9 J . Например, завод "Динамо" совместно с НИИ завода "Электровыпрямитель" разработал и выпускает крановые асинхронные электроприводы с преобразователями переменно - 10 го напряжения серии РСТ [38] . Принципиальная схема такого электропривода для механизма подъема показана на рис. .1.1. Статор асинхронного двигателя М в схеме на рис. I.I питается от трехфазной сети через нереверсивный ТПН с тремя парами встречно-параллельно включенных тиристоров. Для реверса двигателя служат контакторы КБ, КН. В роторе АД включены две ступени резисторов, которые коммутируются контакторами КУІ, КУ2. Для реализации жестких механических характеристик на пониженных скоростях используется отрицательная обратная связь от тахогенератора BR . Усилитель У служит для обеспечения требуемой жесткости механических характеристик. В нем предусмотрены также фильтры для обеспечения удовлетворительных динамических свойств электропривода. В схему автоматического регулирования введен блок токовой отсечки ЕГО, который осуществляет ограничение токов статора АД в переходных режимах.
Механические характеристики электроприводов с преобразователями РСТ, используемыми для механизмов подъема, показаны на рис. 1.2;... Для подъема и спуска грузов с номинальной скоростью используются соответственно характеристики 4П и .Зс при питании асинхронного двигателя номинальным напряжением. Эти характеристики реализуются в разомкнутой системе при .отключенной обратной связи по скорости . Характеристики ІП и 2Л. служат соответственно для получения посадочных скоростей .при подъеме легких и тяжелых грузов. Характеристика 1с используется для аналогичных целей при спуске грузов. Эти характеристи-ки ІП , 2П , 1с реализуются в замкнутой системе при полностью введенных ступенях резисторов в цепи ротора.
Силовая Схема и механические характеристики АД при квазичастотном управлении
Для трехфазных асинхронных двигателей используется схеме на рис. 1.3,6 без шунтирующего тиристорного элемента ТЭ2.
В [71 описана наиболее простая схема квазичастотного управления трехфазного АД с одним тиристорным элементом (рис. 1.3,в) . Недостатком этой схемы является небольшой диапазон регулирования скорости и изменения момента на валу АД при квазичастотном управлении, а также несимметрия токов в ббмотках статора двигателя.
Силовая схема преобразователя, содержащего по одному тиристорному элементу в каждой фазе, показана на рис. 1.3,г. Она идентична силовой схеме трехфазного нереверсивного преобразователя переменного напряжения, используемого для регулирования напряжения на статоре АД. Преобразователи с такой силовой схемой, обеспечивающие квазичастотное регулирование напряжения, рассмотрены в [і, 16, 24, 25, ЗО, ЗІJ . Имеются также некоторые разновидности схемы на рис. 1.3,г. Так в [43] описана схема квазичастотного управления АД, в которой тйристорные элементы включены между обмотками статора и его нулевой точкой, а в [ш] схема имеет нулевой провод.
Из анализа [і, 16, 24, 25, ЗО, ЗІ, 42, 43J можно сделать вывод, что такие преобразователи осуществляют дискретное регулирование частоты и их регулировочные свойства при квазичастотном управлении во многом зависят от закона квазичастотного управления, формируемого системой управления.
Это управление может осуществляться синхронно либо несинхронно с частотой питающей севи, путем деления частоты сети в целое число раз, либо модулирования сигнала управления и т«п.
Достоинством преобразователей для квазичастотного управления, выполненных в соответствии с рис. 1.3,г, является их сравнительно простая силовая схема, которая к тому же аналогична силовой схеме нереверсивного преобразователя переменного напряжения. Это обстоятельство упрощает возможность практической реализации квазичастотного управления, так как преобразователи переменного напряжения в настоящее время выпускаются серийно. Кроме того, в таких преобразователях легко осуществить раздельное управление частотой и напряжением, что расширяет их возможности.
На рис. 1.3,д показана схема реверсивного преобразователя переменного напряжения с нулевым проводом. Использование такого преобразователя для квазичастотного управления описано в Г&П» Такой же преобразователь, только без нулевого провода, описан в [45] .
IkTсравнению с нереверсивным исполнением (рис. 1.3,г) преобразователи, выполненные по схеме на рис. 1.3,д имеют ряд достоинств, основное из которых улучшенная форма выходного напряжения при квазичастотном управлении. Однако эти преобразователи более сложны не только в силовой схеме, но и в схеме управления и менее надежны, чем нереверсивные, так как в нереверсивных преобразователях принципиально невозможно возникновение режимов короткого замыкания вследствие неверного включения или неисправности силовых полупроводниковых элементов.
В [ 271 и 421 имеются примеры еще более сложных схем тиристорных преобразователей для квазичастотного регулирования напряжения. Рассмотренная в [27І схема приведена на рис. 1.3,е. По своей сути она аналогична схеме на рис. 1.3,а, в которой вместо шести магнитных усилителей использовано шесть тиристорних элементов. Так же, как и в схеме на рис. 1.3,а, обмотка статора разделена на две полуобмотки.
На рис. 1.3,ж показана схема, описанная в [42J . В каждой фазе преобразователя находятся два встречно-параллельных однофазных выпрямительных моста, через которые на статорные обмотки АД подаются положительные и отрицательные полуволны напряжения. Такой преобразователь имеет улучшенную форму напряжения и широкий диапазон регулирования частоты, однако по своей сложности он приближается к обычным преобразователям частоты с непосредственной связью, обеспечивающих плавное регулирование частоты.
Из анализа приведенных силовых схем можно сделать вывод, что наиболее целесообразной схемой преобразователя для квазичастотного управления является схема, приведенная на рис. 1.3,г. Она содержит сравнительно небольшое количество управляемых вентилей, может быть реализована на базе серийных нереверсивных преобразователей переменного напряжения, надежна при эксплуатации и, как будет показано далее, обеспечивает приемлемые регулировочные свойства электропривода.
В существующих разработках используется в основном два способа квазичастотного управления: путем деления частоты сети и модулированием напряжения управления преобразователя сигналом пониженной частоты, которая в общем случае может иметь произвольное значение. Однако, имеются сведения [43І, что при частоте модуляции, не кратной частоте сети, возникают субгармонические составляющие, неблагоприятно сказывающиеся на работе АД.
При модуляции синхронизированным напряжением и при делении частоты сети в описанных разработках реализуются пониженные скорости вращения АД, лишь в целое число раз меньшие номинальной скорости ( например, Q/z , "/з , /4 и т.д.).
Следует отметить, что все способы и системы управления, описанные в литературе, разработаны специально для реализации режимов квазичастотного управления АД. Заслуживает внимания задача разработки такой системы управления, которая при минимальных усложнениях позволила бы одновременно реализовывать режимы фазового и квазичастотного управления.
Имеются публикации [і, 7, 16, 24, 25, 28, ЗІ, 44, 46J , в которых приведены результаты анализа статических режимов работы электропривода с квазичастотным управлением. В основном этот анализ касается механических характеристик и потерь в обмотках и основывается на экспериментальных исследованиях.
В некоторых работах предложены методики расчета механических характеристик АД при квазичастотном управлении [7, 44J , а также допустимого момента на валу АД [4б] . Однако эти методики имеют ограниченную область применения, так как в них либо не учитывается насыщение магнитной цепи, которое играет существенную роль при квазичастотном управлении, либо используются результаты экспериментальных исследований, которые трудно обобщить.
Определение частоты основной составляющей напряжения
Из временных диаграмм этого рисунка видно, что для поворота вектора напряжения в отрицательном направлении на Я/3 ШЧУ должен быть включен на интервале 2л/3 и отключен в течение полупериода частоты сети. Для реализации этого режима необходимо на вход СУ задать числа ГП = 2 и П = 3. Задание на входы ЕГО чисел ГП = І, П 5 позволяет получить вектор напряжения, показанный на рис . ЕЛІ. В этом случае A fm г Д% О , в результате чего периодически включается одна и та же пара тиристоров, поэтому по двум фазам нагрузки протекает пульсирующий ток одной полярности (одно-полупериодный выпрямленный ток ") При подключении к ТПН АД в этом случае реализуется режим динамического торможения с механической характеристикой 3 на рис. 2.2.
На рис. 2.12 показана блок-схема ШЧУ, которая может быть реализована на интегральных микросхемах и использована для формирования режимов квазичастотного управления в серийном ТПН [26 ] . Эта схема содержит те же элементы, что и схема на рис. 2.9,а: генератор счетных импульсов (ГСИ , счетное устройство (СУ) И ключ (к). Система импульсно-фазового управления (СИФУ) преобразователя переменного напряжения на рис. 2.12 представлена в виде двух блоков: шестиканального формирователя ("генератора ) управляющих импульсов (гУИу и шестиканального усилителя управляющих импульсов (У).
Для коммутации управляющих импульсов в схеме на рис. 2.12 используется шестиканальный ключ К. Счетное устройство содержит два счетчика С1 и С2 , триггер ТР и схему совпадения СС ("логическое " И ). Каждый счетчик имеет счетный вход Cz » связанный с генератором счетных импульсов ГСИ, вход ПР для предварительной установки числа ( т , П ) и вход В В для ввода записанного числа. Счетчики работают поочередно и начинают счет импульсов» поступающих на счетные входы Cz после команды, подаваемой на вход ВВ. При этом каждый счетчик производит счет импульсов до числа, заданного по соответствующему входу ПР .По окончании счета на выходе счетчика появляется импульс, который перебрасывает триггер ТР из одного устойчивого состояния в другое, в результате чего вступает в работу другой счетчик и снимается сигнал со входа ВВ работавшего счетчика, поэтому сигнал на выходе последнего исчезает.
На входе ВВ CI включена схема совпадения СС, с помощью которой осуществляется включение счетчиков БКЧУ путем подачи сигнала на вход "Вкл.". Если сигнал на вход иВкли не подан, то на выходе СУ сигнал отсутствует и ключ К отключен.
Генератор счетных импульсов должен подавать на счетные входы счетчиков непрерывную последовательность импульсов, синхронную и синфазную с управляющими импульсами СИФУ. Поэтому он управляется сигналами с выхода ГУН.
На рис. 2.13 изображена диаграмма состояний элементов схемы на рис. 2.12 при предварительной установке чисел m = 3, Л = 6.
Устройство на рис. 2.12 работает следующим образом. В исходном состоянии сигналы на входе "Вкли и на выходе СУ (прямом выходе ТР) отсутствуют. Поэтому оба счетчика находятся в отключенном состоянии. При подаче сигнала на вход "Вкл" на обоих входах СС имеются сигналы "I", поэтому включается счетчик CI, который отсчитывает Л = 6 импульсов, подаваемых от ГСИ, после чего на его выходе появляется сигнал, который подается на вход /? триггера. Последний перебрасывается, т.е. на его пряном выходе появляется сигнал "I", а на инверсном -сигнал иОп. При этом ключ К включается и пропускает через себя ; импульсы от ГУН к У, т.е. ТПН включается. Сигнал "I" с прямого выхода ТР включает счетчик С 2 , а сигнал иОн с инверсного выхода ТР отключает счетчик С1 . Теперь работает счетчик С 2 , отсчитывая гп = 3 счетных импульса ГСИ, по истечении чего появляется сигнал на выходе счетчика С 2 . Этот сигнал поступает на вход В триггера и перебрасывает его в первоначальное состояние, при котором ключ К и ТПН отключены. Так как сигнал на входе "Вкли присутствует, то сигналом "Iй с инверсного выхода триггера снова включается С1 и цикл повторяется. ШЧУ отключается при снятии сигнала "1" со входа "Вкл". Задание различных частот на выходе ТПН в схеме БКЧУ, представленной на рис. 2.12, осуществляется выбором соответствующих чисел m ип. Эти числа могут быть заданы на входы предварительной установки счетчиков вручную ( например с помощью кнопочных переключателей), либо автоматически С с помощью цифроаналогового преобразователя или другого устройства).
Для установки номинальной частоты 50 Гц на вход ПР счетчика С1 необходимо задать число п = 0. В этом случав ключ К будет постоянно включен.
На рис. 2.14 показана принципиальная схема БКЧУ, выполненная на интегральных элементах серии KI55.
Исходные положения для расчета механических характеристик
Из видно, что потери в обмотках АД при несимметричных несинусоидальных токах содержат постоянную"и периодические составляющие потерь, при этом только постоянная составляющая определяет величину потерь, преобразующихся в теплоту, а периодические составляющие мало влияют на нагрев двигателя, так как их периоды существенно меньше постоянной времени нагрева двигателя.
Необходимо подчеркнуть, что выражение (5.4) позволяет определить потери в трехфазной нагрузке при одинаковых значениях сопротивлений фаз. Поэтому оно пригодно для измерения потерь в обмотках АД даже при включении несимметричных внешних сопротивлениях (tf.rt. сопротивления непосредственно обмоток при этом остаются одинаковыми). Однако с помощью (5.0 нельзя рассчитывать суммарные потери в обмотках и внешних сопротивлениях при несимметричных схемах их включения.
Таким образом, из (5 0 видно, что по постоянной составляющей потерь можно оценить"нагрев двигателя в установившемся режиме при квазичастотном управлении Для аналитического расчета потерь при несинусоидальных и несимметричных токах необходимо знать мгновенные значения фазных токов в обмотках АД. Такая задача может быть решена лишь при использовании ЭВМ. При экспериментальных исследованиях задача определения потерь упрощается в связи с тем, что мгновенные значения токов в обмотках АД могут быть измерены известными способами ( например, путем включения измерительных шунтов в соответствующие цепи АД), а остальные математические операции можно выполнить с помощью средств аналоговой техники.
Блок-схема аналогового вычислительного устройства для измерения потерь приведена на рис. 5.1,а. Это устройство производит вычисления потерь в соответствии с Сб.і) ПО мгновенным значениям фазных токов. Входные сигналы, в"качестве которых используются напряжения, пропорциональные токам статора или ротора, снимаются с шунтов. Шунты должны быть включены в каждую фазу и иметь общую точку Срис. 5.1,б}. Поэтому обмотки статора соединены в звезду, а шунты R 5cm подключены между обмотками и нулевой точкой. По этой ж причине в цепи ротора шунты RSp подключены после добавочных сопротивлений. При экспериментальных исследованиях преднамеренно не использовались трансформаторы тока во избежание погрешностей измерения, связанных с наличием низких частот и возможностью искажения формы токов, протекающих по обмоткам АД.
Сигналы, снятые с шунтов RSom или RSp , подаются на блок I возведения в квадрат, который содержит три одинаковые схемы умножителей (квадраторов). С выхода блока I сигналы поступают на сумматор 2, усредняются низкочастотным фильтром 3 и подаются на измерительный прибор 4, в качестве которого можно использовать стрелочный прибор для регистрации выходного сигнала в установившихся режимах или самопишущий прибор, который позволит регистрировать потери в переходных режимах работы АД.
Принципиальная схема прибора, приведена на рис. 5 2. В этой схеме для получения квадратичной зависимости входного сигнала используется принцип перемножения на основе управляемого сопротивления полевого транзистора. На начальном участке вольт-амперной характеристики полевой транзистор по существу является резистором с сопротивлением, управляющимся по цепи затвора [48 . Так как это сопротивление пропорционально управляющему напряжению, то ток через сопротивление пропорционален произведению входного и управляющего сигналов, сформированных на операционных усилителях ОУІ и 0У2.
Включение подобранной пары полевых транзисторов в цепи обратной связи усилителя ОУІ уменьшает влияние температурного дрейфа и нелинейность характеристик этого сопротивления от управляющего напряжения. Путем подбора элементов схемы на выходе ОУ2 получается напряжение,пропорциональное квадрату входного сигнала. Оно подается на вход ОУІО, где суммируется с выходными сигналами двух других аналогичных блоков. На выходе ОУІО включен фильтр нижних частот ФНЧ.
На базе операционного усилителя ОУЗ собран делитель напряжения для компенсации начального смещения усилителя ОУІ и для компенсации падения напряжения на переходе ."сток-сток11 полевого транзистора.
