Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
1. ВЕНТИЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА БАЗЕ
АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ФАЗНЫМ РОТОРОМ 12
1.1. Системы электропривода на базе асинхронных двигателей с фазным ротором с вентильными преобразователями в цепи
ротора 12
С 1.2. Частотное управление асинхронным двигателем 20
1.3. Системы асинхронных электроприводов с абсолютно жёсткими
механическими характеристиками 26
ВЫВОДЫ 36
2. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ
С ФАЗНЫМ РОТОРОМ В СИНХРОНИЗИРОВАННОМ
ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ 38
Построение систем синхронизированного асинхронного электропривода и их основные характеристики 38
Математическое описание и основные электромеханические свойства синхронизированного асинхронного электропривода 43
Синхронизированный асинхронный электропривод с последовательным возбуждением 55
Устройство и работа коммутатора в цепи ротора 65
ВЫВОДЫ 71
3. ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СИСТЕМЫ
СИНХРОНИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА 72
Устойчивость системы при возникновении возмущающих воздействий 72
Угол смещения вектора магнитного поля. Влияние на угол
* нагрузки 86
Динамическая устойчивость синхронизированного асинхронного
электропривода 95
Моделирование синхронизированного асинхронного
электропривода с частотным управлением 105
ВЫВОДЫ 107
ПУСКОВЫЕ РЕЖИМЫ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ СИНХРОНИЗИРОВАННОГО АСИНХРОННОГО
ЭЛЕКТРОПРИВОДА 108
Плавный пуск и частотное управление синхронизированным
асинхронным двигателем от преобразователя частоты 108
Мощность и электромагнитный момент синхронизированного
асинхронного двигателя 122
Энергетические показатели синхронизированного
асинхронного электропривода 131
Экспериментальные исследования синхронизированного
асинхронного электропривода 150
ВЫВОДЫ 155
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 156
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 158
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Технические данные металлургического
асинхронного двигателя с фазным ротором типа МТМ111-6 168
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Модель синхронизированного асинхронного электропривода на основе электродвигателя с фазным ротором
МТМ111-6 при питании от преобразователя частоты 170
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Листинг программы на контроллер
Siemens S7-226 176
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Перечень элементов принципиальной
схемы блока управления транзистором 179
ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Результаты моделирования коммутации
4 обмоток ротора асинхронного двигателя с фазным
ротором МТМ111-6 под нагрузкой 182
ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Результаты эксперимента 189
ПРИЛОЖЕНИЕ 7. Графики переходных процессов при пуске и работе синхронизированного асинхронного двигателя МТМ111-6
в режиме циклического переключения обмоток ротора 195
ПРИЛОЖЕНИЕ 8. Расчет экономической эффективности применения синхронизированного асинхронного
электропривода с частотным управлением 200
ПРИЛОЖЕНИЕ 9. Акт об использовании научных и практических
результатов 205
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время на многих промышленных предприятиях в России и за рубежом повышается уровень требований к автоматизированному электроприводу. Главным направлением исследований является создание новых регулируемых электроприводов, отличающихся высокими эксплуатационными и экономическими показателями. Можно указать несколько причин, обусловливающих необходимость расширения областей применения регулируемого электропривода:
переход от частичной к полной или комплексной автоматизации производственных машин и процессов;
рост единичных мощностей машин и механизмов;
повышение производительности установок, их эксплуатационного коэффициента полезного действия;
улучшение качества продукции регулированием и оптимизацией технологического процесса.
Благодаря указанным обстоятельствам регулируемые электроприводы все шире применяются в промышленности и сельском хозяйстве. Постоянное увеличение потребности в регулируемых приводах [1] обусловило изучение и разработку ряда специальных систем электропривода. Особенно большое внимание уделяется созданию регулируемых электроприводов с двигателями переменного тока. В настоящее время развитие привода переменного тока с корот-козамкнутыми двигателями и двигателями с фазным ротором достигло такого уровня, когда его технико-экономические показатели становятся сравнимыми с приводом постоянного тока и даже зачастую превосходят их.
Приводы переменного тока имеют лучшие качественные показатели. Благодаря малому моменту инерции частотный привод позволяет достигнуть более высоких динамических показателей при больших мощностях [2, 3]. Максимальная скорость двигателей постоянного тока ограничена условиями коммутации и снижается с увеличением нагрузки [4, 5]. В различных отраслях про-
мышленности стало необходимым применение регулируемого электропривода для механизмов, которые ранее традиционно оснащались нерегулируемыми электроприводами.
На сегодняшний день лидирующие позиции занимают системы с частотным управлением асинхронными двигателями. Частотные преобразователи ведущих мировых производителей, таких как Siemens, Schneider Electric, Allen Bradley, Hitachi и других являются универсальными и высокотехнологичными продуктами, обладающими широкими возможностями выбора закона управления, настройки и параметрирования. И это не удивительно в эру развития электроники, робототехники, микроэлектроники, появления IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor - биполярный транзистор с изолированным затвором) транзисторов, GCT (Gate Commutated Thyristor) запираемых тиристоров, появления микроконтроллеров, развития нанотехнологий. Микропроцессорные средства, применяемые в преобразователях частоты, позволяют посредством косвенного измерения с высокой точностью рассчитывать значения угловой скорости, по-токосцепления, момента двигателя и тем самым формировать сложные законы управления. Всё это не могло не отразиться и на росте парка используемых асинхронных короткозамкнутых двигателей. Однако по-прежнему в основе многих агрегатов лежат асинхронные двигатели с фазным ротором.
Несмотря на прогрессивное развитие техники, на многих предприятиях можно встретить системы, не удовлетворяющие современным требованиям экономичности и гибкости управления, диапазона и качества регулирования. Остро стоят задачи получения абсолютно жёстких механических характеристик совместно с частотным регулированием скорости электропривода, построенных на базе асинхронного двигателя с фазным ротором. К таким объектам относятся прессы для брикетирования металла, ножницы для резки металла и другие.
Одним из перспективных направлений является получение свойств синхронного двигателя в электроприводах, построенных на базе асинхронного
двигателя с фазным ротором путём пропускания по обмоткам ротора тока несинусоидальной формы.
Таким образом, исследования, направленные на разработку и совершенствование систем синхронизированного асинхронного электропривода с частотным управлением на основе двигателя с фазным ротором, являются важными и актуальными. Также актуальность подтверждается возможностью повышения КПД электропривода, что выражается в экономии электроэнергии.
Цель работы. Совершенствование систем управления асинхронным двигателем с фазным ротором, с использованием принципов частотного управления и подпитки обмотки ротора трёхфазным током несинусоидальной формы.
Идея работы заключается в разработке системы регулируемого электропривода на основе асинхронного двигателя с фазным ротором, обладающей абсолютно жёсткими механическими характеристиками благодаря подаче в обмотки ротора трёхфазного тока несинусоидальной формы с использованием широтно-импульсной модуляции в момент коммутации вентилей, и частотного управления по цепи обмотки статора.
Задачи работы:
разработка и исследование систем синхронизированного асинхронного электропривода с подключением обмоток ротора к источнику постоянного тока и при питании обмотки статора от преобразователя частоты;
исследование синхронизированного асинхронного электропривода с последовательным соединением обмоток статора и ротора через вентильные элементы;
исследование динамических свойств синхронизированного асинхронного электропривода с коммутатором в цепи ротора;
моделирование систем синхронизированного асинхронного электропривода с использованием как плавного пуска от преобразователя частоты, так и асинхронного пуска с дальнейшей синхронизацией.
Методы и объект исследования. Поставленные в работе задачи решались методами теории автоматического управления, методами математического моделирования динамических процессов на персональной ЭВМ с использованием численных методов решения, методами экспериментального подтверждения. Объектом исследования является асинхронный двигатель с фазным ротором с частотным преобразователем в статорной цепи и коммутатором в роторной.
Научная новизна. В диссертационной работе путём исследований получены следующие научные результаты:
исследованы электромеханические свойства разработанной системы синхронизированного асинхронного электропривода с последовательным соединением обмоток статора и ротора, отличающиеся от свойств ранее известных систем равенством токов статора и ротора двигателя;
разработаны и исследованы математические модели синхронизированного асинхронного электропривода на основе асинхронного двигателя с фазным ротором при питании от преобразователя частоты, отличающиеся от известных более детальным описанием элементов электропривода с помощью систем дифференциальных уравнений, учитывающих работу коммутатора в цепи ротора;
исследованы критерии и найдены условия плавного пуска синхронизированного асинхронного двигателя при питании статорной цепи от преобразователя частоты, отличающиеся от ранее известных учётом большего количества влияющих факторов;
исследовано влияние на угол нагрузки угла смещения вектора магнитного потока ротора синхронизированного асинхронного двигателя, отличающееся от известных исследований анализом коммутации роторных обмоток с различной последовательностью переключений управляемых вентилей.
9 Практическая значимость работы:
повышена перегрузочная способность синхронизированного асинхронного электропривода, равномерно перераспределены тепловые потери в трёхфазной обмотке ротора;
разработано простое схемное решение устройства коммутации обмоток ротора асинхронного двигателя с фазным ротором, что упрощает его производство;
получены жёсткие механические характеристики электропривода на базе асинхронного двигателя с фазным ротором в широком диапазоне регулируемых частот;
Достоверность полученных результатов подтверждается математическим обоснованием разработанных моделей, сопоставимостью показателей экспериментальных и теоретических исследований с погрешностью менее 5%, а также с положениями общей теории электропривода.
Реализация результатов работы. Результаты и практические рекомендации диссертационной работы внедрены на предприятии ООО «Балаковский завод волоконных материалов». Ожидаемый годовой экономический эффект за счёт экономии электроэнергии и повышения cos ф составляет около 5 тыс. рублей с каждого киловатта установленной мощности.
На защиту выносятся:
схемная реализация синхронизированного асинхронного электропривода при частотном управлении;
результаты математического моделирования синхронизированного асинхронного электропривода при питании от преобразователя частоты;
схемная реализация синхронизированного асинхронного электропривода на базе асинхронного двигателя с фазным ротором при последовательном соединении обмоток статора и ротора;
результаты исследования влияния коммутаций роторных обмоток на угол нагрузки и смещение вектора магнитного потока ротора;
— результаты исследования плавного пуска синхронизированного асинхронного двигателя.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международной конференции «Участие молодых учёных, инженеров и педагогов в разработке и реализации инновационных технологий» (Московский государственный индустриальный университет. Москва 2003); научно-технической конференции «Молодые учёные центра России» (Тульский государственный университет. Тула 2003); Всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергетика, энергосберегающие технологии» (Липецк 2004); научно-технической конференции кафедры "Электропривода и автоматизации промышленных установок и технологических комплексов", посвященной 30-летию кафедры электропривода (Липецк 2004г.); IV Международной (XV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития» (Магнитогорск 2004).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, включающего 106 наименований, и 9 приложений. Общий объем работы — 206 страниц. Основная часть изложена на 157 страницах текста, содержит 58 рисунков, 2 таблицы.
