Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности построения электромеханических устройств ввода информации специализированных вычислительных комплексов 15
1.1. Место, отводимое устройствам ввода информации с ленточных носителей в современных судовых вычислительных комплексах 15
1.2. Классификация кинематических схем ЛПМ 19
1.3. Редукторные стартстопные ЛПМ 24
1.4. Безредукторные ЛПМ и перспективы их применения в судовых ВК..30
1.4.1. Безредукторный стартстопный ЛПМ 30
1.4.2. Универсальный ЛПМ модульного исполнения 36
1.4.3. Поточные ЛПМ : 38
1.5. Сравнительная оценка электромеханических преобразователей в приводе ЛПМ модульного исполнения 49
2. Схемы силовых электрических цепей вадмр для устройств ввода с ЛНИ 58
2.1. Схемы силовых цепей трехфазных АД с регуляторами напряжения...58
2.2. Конденсаторно - тиристорные реверсивные схемы АД 66
2.2.1. Классификация реверсивных схем АД 66
2.2.2. Схемы реверса при питании АД от трехфазной сети 67
2.2.3. Схемы реверса при питании АД от четырехпроводной сети 82
2.2.4. Реверсивные схемы при питании АД от однофазной сети 86
2.3. Исследование ВАДМР в несимметричных режимах 95
2.4. Сравнительная оценка схем реверса ВАДМР в приводе ЛПМ 98
Выводы 100
3. Оптимизационное проектирование электромеханиче ских устройств перемещения ЛНИ 101
3.1. Особенности ВАДМР торцевого исполнения, как объекта оптимизационного проектирования 101
3.2. Математическая модель оптимизационного проектирования ВАДМР торцевого исполнения в приводе ЛПМ 107
3.2.1. Определение исходных параметров оптимизации 107
3.2.2. Выбор варьируемых параметров иограничений 110
3.2.3. Выбор целевой функции 113
3.2.4. Математическая модель ВАДМР торцевого исполнения 118
3.2.5. Оценка теплового состояния ВАДМР 134
3.3. Особенности проектирования линейных АД с ленточным вторичным элементом 137
3.4. Результаты решения оптимизационных задач 139
3.5. Влияние конструктивно-технологических факторов и параметров сети на характеристики ВАДМР 147
3.6. Аналитическое определение оптимальной толщины массивного ротора 149
4. Методы и средства идентификации электрических машин с массивными обмотками 156
4.1. Расчетные методы определения параметров массивных обмоток 156
4.2. Определение параметров массивных обмоток в рабочих режимах ВАДМР 160
4.3. Графоаналитический метод определения характеристик ВАДМР с массивным ротором 172
4.4. Определение характеристик ВАДМР по методу двух испытаний 185
4.5. Способ уточненного определения характеристик ВАДМР 193
4.6. Определение характеристик несимметричных ВАДМР 200
4.7. Определение характеристик ВАДМР в режиме противовключения...204
4.8. Определение характеристик динамического торможения ВАДМР 206
4.9. Определение характеристик ВАДМР в режиме однофазного торможения 211
4.10. Исследование ВАДМР с комбинированной структурой ротора 216
4.11. Особенности испытаний АД различного исполнения 220
4.11.1. Испытание АД большой мощности 220
4.11.2. Испытание АД с постоянными параметрами ротора 221
4.11.3. Особенности испытаний АД линейного исполнения 221
4.11.4. Особенности определения параметров и характеристик синхронных машин с массивным ротором 224
4.11.5. Особенности определения параметров и характеристик АД при частоте сети 400 Гц 226
Выводы 227
5. Динамические режимы лентопротяжных механизмов с приводом от ВАДМР 229
5.1. Математическая модель ЛПМ с приводом от ВАДМР 230
5.2. Динамические режимы ВАДМР в разомкнутой системе управления электроприводом ЛПМ 245
5.2.1. Исследование пусковых режимов ЛПМ 247
5.2.2. Тормозные режимы электропривода ЛПМ 254
5.2.3. Влияние параметров массивного ротора ВАДМР на переходные процессы ЛПМ 265
5.2.4. Конденсаторный реверс ВАДМР 268
5.2.5. Силы притяжения между ротором и статором ВАДМР 270
5.2.6. Особенности динамических режимов ВАДМР при частоте сети 400 Гц 273
5.2.7. Особенности динамических режимов линейных АД с ленточным ротором 282
5.3. Замкнутые системы управления однодвигательным электроприводом ЛПМ 284
5.4. Замкнутые системы управления двухдвигательным электроприводом ЛПМ 288
5.5. Измерение частоты вращения ВАДМР 297
6. Практическая реализация результатов работы 301
6.1. Четырехдвигательный лентопротяжный механизм судовых ИУК 301
6.2. Двухдвигательные электромеханические устройства ввода с ленточных носителей информации судовых ИУК 304
6.3. Информационно-измерительное устройство с ленточной шкалой...313
6.4. Линейные электроприводы подачи ленточных материалов впресс...314
6.5. Новые схемы двухдвигательных электроприводов перемещения ленточных материалов 319
6.6. Многодвигательный электропривод сейсмических вибраторов на базе синхронных двигателей с массивным ротором 323
Выводы 326
Заключение 327
Библиографический список 331
Приложения 352
- Классификация кинематических схем ЛПМ
- Конденсаторно - тиристорные реверсивные схемы АД
- Математическая модель оптимизационного проектирования ВАДМР торцевого исполнения в приводе ЛПМ
- Способ уточненного определения характеристик ВАДМР
Введение к работе
Актуальность проблемы. При разработке специализированных вычислительных комплексов (ВК), к которым относятся судовые автоматизированные системы управления, к числу основных проблем относится задача создания высоконадежных и эффективных устройств ввода информации (УВИ), отвечающих ряду специальных требований, определяемых особыми условиями их функционирования и эксплуатации. В первую очередь, это жесткие требования к надежности У В И, которые ввиду катастрофических последствий возможных отказов, превалируют над требованиями электромеханических показателей. К особенностям У ВИ специального назначения относятся модульность исполнения, повышенные требования к уровню шумов и вибраций, ограничения отраслевых стандартов к применению в проектируемом объекте блоков электроники, в том числе зарубежного исполнения.
В современных вычислительных комплексах носители информации весьма многообразны. Они могут быть выполнены в виде перфоносителей, носителей со специальным слоем (свето- и термочувствительным, диэлектрическим, электрохимическим, магнитным и др.). В современных судовых информационно-управляющих комплексах (ИУК) наиболее ответственная информация, требующая повышенной надежности в хранении и функционировании размещается на ленточных перфоносителях (Пл).
Одним из узлов, обуславливающих основные характеристики УВИ специализированных ВК, является лентопротяжный механизм (ЛПМ), который должен обеспечивать перемещение ленты в зоне фотосчитывающих головок с постоянной скоростью, создавать требуемое натяжение ленты, обеспечивать минимальное время разгона и торможения ленты, ускоренную прямую и обратную перемотку ленты и точный останов.
Анализ специальных требований, предъявляемых к УВИ судовых ВК, показал, что создание ЛПМ, удовлетворяющего всем требованиям, предъяв-
ленным к нему со стороны управляющего комплекса, может быть осуществлено за счет применения безредукторного привода вращающихся узлов ЛПМ (катушек, ведущих роликов) на базе объектно-ориентированных (встроенных) электромеханических устройств (ЭМУ). Однако, объектно-ориентированные ЭМУ, как правило, требуют нетрадиционных конструкций электромеханического преобразователя энергии. Так, при ограниченных осевых размерах модуля наиболее целесообразно применение встроенных асинхронных двигателей с массивным ротором (ВАДМР), имеющих плоскую конфигурацию магнитопровода и обмоток. При необходимости линейного перемещения объектов применяют линейные асинхронные ЭМУ, в которых рабочий объект нередко одновременно является вторичным элементом, что значительно упрощает устройство в целом и повышает его надежность.
В качестве отправных точек для создания УВИ специализированных ВК следует назвать работы А. В. Башарина, Е. П. Балашова, Н. Н. Савета, В. И. Адасько, А. В. Михневича, В. П. Титова, М. С. Каплуна и других, в которых описаны конструкции и свойства отдельных звеньев и всего устройства в целом, приведены методики проектирования и расчета характеристик, алгоритмы управления и математическое описание УВИ. Однако ряд важных проблем, связанных со спецификой функционирования и эксплуатации судовых ИУК остается нерешенными или требует доработки.
Особенностями ЭМУ, предназначенных для привода специализированных ВК являются:
Заданные габаритные размеры электромеханических устройств, что требует нового подхода к их проектированию.
Сложности в проведении испытаний, что объясняется отсутствием выходного вала ЭМУ встроенного исполнения.
Необходимость минимизации габаритов и повышения надежности системы управления электроприводом ЛПМ, что требует выбора простых и высоконадежных способов регулирования ЭМУ.
Таким образом, можно утверждать, что, несмотря на существенный прогресс в разработке накопителей с большой информационной емкостью и быстродействием, в настоящее время и обозримом будущем наиболее ответственная информация будет храниться только на ленточных перфоносителях. Кроме того, в связи с простотой, надежностью и малой стоимостью ЛПМ с магнитной лентой (Мл) последние продолжают применяться и составляют большую часть накопителей в специализированных ЭВМ судовых ИУК.
Проблема совершенствования существующих и разработки новых надежных и высокоэффективных электромеханических УВИ специализированных ВК, в полной мере удовлетворяющих требованиям судовых управляющих комплексов в части динамических, акустических и массогабаритных характеристик, является актуальной. Результаты ее решения имеют важное народнохозяйственное значение не только для специализированных ВК, но и многих других областей науки и техники, связанных с разработкой и исследованием объектно-ориентированных ЭМУ нетрадиционного исполнения.
Диссертационная работа выполнена в рамках решения проблемы создания специализированных информационно-управляющих комплексов. В основу диссертационной работы положены результаты НИР, выполненных на кафедре ЭП и АПУ Ульяновского государственного технического университета в период с 1976 по 2003 г. как по заказам предприятий, так и в рамках научно-технических программ.
Цель работы. Целью работы является обобщение результатов исследований, их систематизация и разработка новых решений по созданию ЭМУ перемещения ленточных носителей информации в модульном исполнении, создание основ теории данного класса ЭМУ, а также методического и программного обеспечения для их анализа и оптимального проектирования. Основные задачи исследований:
1. Разработка рациональных кинематических схем ЛПМ для специализированных ВК.
Исследование схем силовых цепей реверсивных ВАДМР в приводе ЛПМ. Разработка рациональных схем повышенной надежности с минимальным числом элементов силовой и управляющей частей.
Разработка методов и средств идентификации параметров и характеристик, встроенных в модуль ЛПМ двигателей.
Разработка методического и программного обеспечения для оптимизационного проектирования ЛПМ.
Разработка обобщенной математической модели ЛПМ. Исследование его установившихся и динамических режимов, разработка рекомендаций по проектированию устройств перемещения ЛНИ.
Проведение экспериментальных исследований, осуществление практической реализации разработанных устройств и их внедрение в промышленность.
Методы исследований. Теоретические исследования проведены с использованием положений теории электрических цепей, теории электромеханических и электромагнитных переходных процессов в электромеханических преобразователях энергии, математической теории электрических машин, методов операционного исчисления и математического моделирования на ЭВМ. Анализ параметров и статических механических характеристик ВАДМР проводятся по оригинальной методике с использованием экспериментальных частотных характеристик. Исследование переходных процессов ЛПМ проводится на ЭВМ с использованием метода Рунге-Кутта на основе программной среды "DELPHI". Программы оптимального проектирования ВАДМР выполнены в среде MathLAB 5.2 и MathCAD - 2001 Pro, где алгоритм поиска оптимума основан на методе Quasi-Newton.
Для оценки точности результатов и правильности теоретических выводов проведён ряд экспериментальных исследований. Осуществлено проектирование, изготовление и исследование 12 типоразмеров ВАДМР торцевого и 5 типоразмеров линейных ВАДМР с различным материалом массивных
вторичных обмоток: медь, алюминий, бронза, сталь, а также использовались маломагнитные сплавы и двухслойные массивные обмотки. Экспериментальная проверка разработанных устройств проводилась совместно с НПО «МАРС» в процессе лабораторных и заводских испытаний. Научная новизна. 1. Разработаны принципы построения и синтеза безредукторных ЛПМ УВИ для специализированных ЭВМ на базе ВАДМР торцевого и линейного исполнений, обладающих улучшенными массогабаритными, виброшумовыми, динамическими и энергетическими показателями, 1. Разработаны и исследованы новые силовые схемы реверса ВАДМР с низким коэффициентом мощности.
Предложен и разработаны теоретические основы нового способа идентификации параметров и характеристик ВАДМР, основанный на испытании объекта в неподвижном режиме.
Разработана математическая модель оптимизационного расчета АД торцевого и линейного исполнений с массивной вторичной обмоткой в заданных габаритах.
5. Впервые разработана обобщенная математическая модель ЛПМ на
базе ВАДМР с учетом реальной нелинейной зависимости параметров
массивной обмотки от насыщения и вытеснения тока, контуров вихре
вых токов в магнитопроводе статора, несимметрии электромагнитной
системы, переменного момента инерции кассетного устройства, нали
чия датчиков и регуляторов скорости и натяжения, устройств коррек
ции и других элементов САУ, конденсаторно-тиристорного коммута
тора и электромагнитного тормоза ().
6. Доказано существенное влияние учёта одновременного изменения па
раметров массивной обмотки от частоты и величины наводимых в нём
токов на точность расчёта динамических режимов ВАДМР, управляе
мых по напряжению.
Впервые предложен и исследован метод комбинированного двухступенчатого торможения ВАДМР с использованием режимов противовк-лючения и торможения электромагнитным тормозом.
Предложены и разработаны линейные и дисковые ВАДМР и устройства на их основе для перемещения ленточных материалов, защищенные восемнадцатью авторскими свидетельствами на изобретения и патентами,
Практическая ценность работы.
Разработанные структуры безредукторных ЭМУ перемещения ленточных материалов нашли практическое применение как в ЛПМ ВК, так и других лентопротяжных устройствах на базе встроенных линейных и торцевых ВАДМР.
Методики определения и результаты исследований параметров и механических характеристик ВАДМР могут быть использованы для анализа динамических и установившихся режимов других типов асинхронных и синхронных машин с массивными роторами.
Получены рекомендации по рациональной организации двухступенчатого комбинированного торможения ВАДМР с ЭМТ.
Предложены новые схемы двухдвигательных электроприводов перемещения ленточных материалов, которые позволяют создавать ЛПМ с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
5. Практическую значимость имеют технические решения по конструкци-
ям ЛПМ, линейных и дисковых ВАДМР и устройств на их основе для перемещения ленточных материалов, защищенные авторскими свидетельствами на изобретения и патентами.
6. По результатам теоретических и экспериментальных исследований
спроектированы, изготовлены и внедрены в производство ЛПМ У ВИ.
Реализация результатов работы, Теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы нашли применение на предприятии
НПО «МАРС» при создании устройств ввода информации с перфоленты и накопителей на магнитной ленты для судовых информационно - управляющих комплексов.
С 1984 г. на предприятиях Минсудпрома для обеспечения разработок отрасли освоено серийное производство устройств ввода информации с перфоленты в составе лентопротяжного механизма и блока управления на частоту сети 400 и 50 Гц. Указанные устройства до настоящего времени находятся в эксплуатации и удовлетворяют требованиям судовых информационно-управляющих комплексов.
Научные положения и выводы работы реализованы также предприяти
ем Р-6456 при разработке быстродействующих информационно-
измерительных устройств с ленточной шкалой, ВАДМР перемещения лен
точных материалов в рабочую зону прессов и вибрационных систем со
встроенными двигателями с массивными обмотками для сейсмических ин
формационно - управляющих комплексов.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на 32 международных, Всесоюзных и региональных конференциях, семинарах, симпозиумах и конгрессах, в том числе:
на Всесоюзном симпозиуме по автоматизированному линейному и магнитогидродинамическому электроприводу - (Таллин, 1981), Всесоюзной научно-технической конференции «Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов» - (Грозный, 1982), Всесоюзной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» - (Иваново, 1985), на краевой научно-технической конференции «Автоматизация электроприводов и оптимизация режимов электропотребления» - (Красноярск, 1985), Всесоюзной конференции «Методы и средства обработки сложной графической информации» - (Горький, 1985), IV Всесоюзной научно-технической конференции «Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов» - (Днепродзержинск, 1985), II Всесо-
юзной конференции «Автоматизированные системы обработки изображений (АСОИз-86) - (Москва, 1986), Всесоюзной конференции «Методы и средства обработки сложной графической информации» - (Горький, 1988), VIII научно-технической конференции Уральского политехнического института-(Свердловск, 1988), Всесоюзном совещании «Проблемы создания и применения линейных электродвигателей и электроприводов в машинах, оборудовании и транспортно-технических системах» - (Донецк, 1989), Всесоюзной научно-технической конференции «Современное состояние, проблемы и перспективы энергетики и технологии в энергостроении» - (Иваново, 1989), семинаре «Совершенствование судовых и автономных электромеханических систем» - (Севастополь, 1990), семинаре «Системы управления, следящие приводы и их элементы» - (Москва, 1991), международном научно-техническом семинаре «Электромеханические системы с компьютерным управлением на автотранспорте» - (Суздаль, 1993), научно-технической конференции с международным участием «Электротехнические системы транспортных средств и их роботизированных производств», секция: «Электротехнические системы роботизированных производств» - (Москва, 1995), международной научно-технической конференции «Непрерывно-логические и нейтронные сети и модели». Модели технических систем - (Ульяновск, 1995), научно-технической конференции с международным участием «Электротехнические системы транспортных средств и их роботизированных производств» - (Москва, 1995), 2nd international scientific and technical conference on unconventional electromechanical systems - (Poland, Szczecin and Miedzyzdrooje, 1996), региональной научно-технической конференции «Крайний север 96 Технологии, методы, средства» - (Норильск, 1996), научно-технической конференции с международным участием «Проблемы промышленных электромеханических систем и перспективы их развития» - (Ульяновск, 1996), III Международной (XIII Всероссийской) НТК. «Проблемы автоматизированного электропривода» - (Ульяновск, 1998), Всероссийском электротехниче-
ском конгрессе с международным участием. "На рубеже веков: итоги и перспективы" - (Москва, 1999), IV Международной (XIV Всероссийской) научно-технической конференции по автоматизированному электроприводу "АЭП-2001" - (Нижний Новгород, 2001), international scientific and technical conference on unconventional electromechanical systems - (Poland, Szczecin and Miedzyzdrooje, 2001), научно-технических конференциях Ульяновского государственного технического университета (1976 — 2003 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 71 научных работах, включающих монографию, учебное пособие с грифом УМО, 20 статей, 19 тезисов докладов и 30 авторских свидетельств и патентов.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 210 наименований, изложенных на 351 страницах машинописного текста, содержит 133 рисунка, 18 таблиц и приложение на 14 страницах.
Классификация кинематических схем ЛПМ
Устройства ввода информации с ЛНИ относятся к числу традиционных устройств, применяющихся в течение длительного времени. Естественно, что за это время и само устройство, и его стартстопный механизм приняли вполне законченную форму. Так как большинство устройств ввода-вывода информации содержит электромеханические узлы, скорость работы которых меньше скорости работы электронных узлов ЭВМ (процессора), то цифровые ЭВМ с высоким быстродействием приходится комплектовать большим числом устройств ввода-вывода информации, которые могут работать параллельно и независимо. Поэтому для всех устройств с Пл существует традиционная задача электромеханических устройств ЭВМ - повышения производительности ввода информации, как в строчном, так и в непрерывном режиме движения ленты. Последний режим является обязательным для устройств ввода информации, применяемых в судовых ВК.
Находящиеся в настоящее время в эксплуатации лентопротяжные механизмы УВИ отличаются значительным конструктивным разнообразием. Однако к конструкции ЛПМ можно сформулировать ряд общих технических требований: - механизм должен обеспечивать установившийся режим перемещения ленты в прямом и обратном направлениях с заданной скоростью; - создавать требуемое натяжение ленты; - обеспечивать минимальное время разгона и торможения ленты; - при торможении лента должна останавливаться без образования петли.
Важным элементом редукторных лентопротяжных механизмов является ведущий вал, к которому лента обычно прижимается прижимным роликом. Другими обязательными устройствами в механизме является подающий и приемный узлы, обеспечивающие накопление ленты в процессе работы и натяжение ленты, необходимое для нормальной работы механизма. Вспомо- -гательную, но не менее важную роль, играют направляющие ленту элементы (обводные ролики, стойки и т.д.), предназначенные для пространственной ориентации ленты при ее движении по лентопротяжному тракту.
Классификацию кинематических схем лентопротяжных механизмов можно провести по различным классификационным признакам, наиболее существенными из которых являются: - по виду рабочей зоны; - по способу обеспечения крутящих моментов;
Рабочая зона образуется фотосчитывающими или магнитными головками и промежуточными узлами, задающими положение ленты относительно головок. Требования, предъявляемые к рабочей зоне, заключаются в обеспечении минимальной величины девиации; точного совмещения дорожек ленты с сердечниками головок; надежного контакта ленты с рабочими поверхностями головок; исключений деформация ленты при ее движении.
Можно выделить всего два основных варианта кинематической схемы ЛПМ: схему с "открытой петлей" ленты и схему с "закрытой петлей" (рис. 1.2). Эти две схемы, из которых первая наиболее распространена, охватывают почти все существующие конструкции, хотя в конкретном механизме могут быть некоторые непринципиальные отличия, например, расположение элементов, направляющих ленту, расположение ведущего вала. В схеме с "закрытой петлей" участок ленты в районе блока головок изолируется от влияния неравномерности вращения приемного и подающего узлов двумя барабанами. Недостатками данной схемы являются большие габариты и относительная сложность, что затрудняет ее использование в модульном исполнении ЛПМ.
По способу обеспечения крутящих моментов на валах подающего и приемного узлов до настоящего времени широко применяются редукторные ЛПМ, которые условно делятся на "одномоторные", "двухмоторные" и "трехмоторные" [130].
В "одномоторных" механизмах крутящие моменты получают при помощи фрикционных муфт, ведущие диски которых приводятся во вращение от ведущего двигателя при помощи сложных кинематических цепочек. К преимуществам "одномоторных" механизмов можно отнести малые весовые и габаритные характеристики. Недостатками являются относительная сложность кинематики, и, как следствие, малая надежность. Поскольку вращение передается нескольким узлам, то неизбежны детонации и шумы, вызываемые пассиками, промежуточными роликами и т.д., для уменьшения которых требуется высокая точность изготовления деталей и узлов (рисЛ .3).
В "трехмоторных" механизмах отсутствуют кинематические цепочки от ведущего вала к подающему и приемному узлам, что повышает коэффициент полезного действия устройства. Кроме того, "трехмоторные" ЛПМ обеспечивают более высокую надежность за счет относительной простоты конструкции и лучшую стабильность скорости ленты, но имеют большие по сравнению с "одномоторными" массогабаритные показатели (рис. 1.4).
Промежуточными свойствами обладают "двухмоторные" редуктор-ные механизмы (рис. 1.5), которые имеют меньшие, по сравнению с "трехмоторными" массогабаритные показатели, однако, наличие дополнительных кинематических звеньев снижает надежность и ухудшает вибро-шумовые характеристики ЛПМ.
Рассмотренные выше кинематические схемы ЛПМ нашли преимущественное применение в устройствах бытовой и специализированной аудиотех-нике [130] и послужили основой при разработке УВН с ЛНИ для судовых информационно-управляющих комплексов.
Стартстопные механизмы (ССМ) являются традиционными устройствами внешней памяти ЭВМ. Во время работы накопителя приходится многократно разгонять и останавливать ленту, протягивать ее с постоянной скоростью относительно блока головок, перематывать с одной катушки на другую, останавливать в точно определенном положении относительно головок.
Классическим вариантом практического применения редукторного ЛПМ является прибор 187Л с перфоленточным носителем информации (рис. 1.6). Привод катушек и ведущих роликов такого ЛПМ осуществляется от одного управляемого электродвигателя посредством редукторов и фрикционных муфт. Для реверса ленты используются два непрерывно вращающихся в разных направлениях ведущих ролика, а перемещение ленты происходит путем прижатия к одному или второму ведущему рол;ику соответствующих прижимных роликов. Передвижение прижимных роликов производится с помощью электромагнитов постоянного тока. Для торможения ленты используют неподвижные тормозные колодки, к которым лента
Конденсаторно - тиристорные реверсивные схемы АД
Для асинхронных двигателей с массивными роторами, встраиваемых в подкассетные узлы лентопротяжных механизмов специализированных ЭВМ, основным режимом работы является стартстопный режим с частыми пусками, реверсом и торможением [75, 83, 99, 181].
В этих условиях актуальной становится задача повышения эффективности и улучшения технико-экономических показателей реверса. При прочих равных условиях, предпочтение следует отдавать схемам с минимальным числом коммутационных элементов и не требующим дополнительных устройств для защиты сети или элементов схемы двигателя от опасных последствий коммутационных операций.
По способу изменения порядка чередования фаз трехфазной нагрузки можно выделить четыре варианта: 1. Переключением фаз сети. При трехфазной сети меняют местами две любые фазы, при однофазной сети переключают конденсаторную фазу; 2. Переводом АД из трехфазного режима в однофазный конденсаторный режим с обратным порядком чередования фаз; 3. Изменением схемы соединения обмоток; 4. Изменением схемы соединения фазосдвигающих элементов. Работа АД в режиме частых реверсов рассмотрена в [30, 34, 164], где исследуются АД с короткозамкнутым ротором и противовключением путем изменения порядка чередования фаз трехфазной питающей сети.
В настоящей работе рассматриваются тиристорно-конденсаторные схемы изменения порядка чередования фаз АД с массивным или ленточным вторичным элементом, при питании двигателя от однофазной, трехфазной и четырехпроводной сети с различным числом коммутационных элементов.
Используя совокупность указанных признаков, схемы реверса АД можно укрупнено разделить на три следующих класса, в основу которых положены число фаз питающей сети:1. Схемы реверса при питании АД от трехфазной сети;2. Схемы реверса АД при питании от трехфазной сети с нулевым проводом (етырехпроводной сети); 3. Однофазные реверсивные схемы АД.
Кроме того, каждый класс характеризуется числом коммутационных и фазосдвигающих элементов.
При прочих равных условиях предпочтение следует отдавать схемам с минимальным числом коммутационных элементов и не требующим дополнительных устройств для защиты сети или элементов схемы двигателя от опасных последствий коммутационных операций.
Наиболее изученной является классическая схема реверса, содержащая четыре коммутационных элемента (симистора) (рис. 2.2) со схемами управления, в том числе с блоком задержки времени между моментами переключения двух пар коммутирующих элементов с целью исключения короткого замыкания фаз сети, который усложняет схему управления и снижает быстродействие электропривода.
Такая схема реверса обладает главным достоинством - симметричным реверсивным режимом во всем диапазоне скольжений. В связи с этим, несмотря на относительно высокую стоимость, большие весогабаритные показатели, невысокую надежность схемы и малое быстродействие, она целесообразна для применения в приводах с широким регулированием частоты вращения, как в прямом, так и в обратном направлениях. Повышение надежности и сокращение интенсивности отказов электропривода может быть достигнуто за счет сокращения количества силовых элементов (симисторов) [175]. На рис.2.3 представлена одноключевая схема реверса с конденсаторно-симисторным коммутатором, предназначенная для АД с коэффициентом мощности ниже 0.5.
При открытом симисторе создается симметричный прямой режим. Конденсаторы С1 и С2 оказываются подключенными параллельно фазам сети и не влияют на работу АД, однако, повышают в целом COS р нагрузки. Когда симистор заперт, АД переходит в режим однофазного конденсаторного двигателя, причем для реверса необходимо, чтобы емкость С1, включенная между симисторной фазой С и опережающей на 120 фазой В, была больше емкости конденсатора С2. В противном случае, при закрытии симистора, АД перейдет в конденсаторный режим с тем же направлением вращения.
В общем случае такой режим АД является несимметричным и требует особых методов расчета его характеристик.
В практике проектирования и исследования трехфазных АД в конденсаторном режиме наиболее распространен метод симметричных составляющих. Он использует такое средство для расчета основных электромеханических характеристик несимметричных АД, как схемы замещения машины, составляемой для одной фазы [3, 185], Используя параметры этих схем для прямой, обратной и нулевой составляющих, можно рассчитать необходимые характеристики АД.
Оперируя сопротивлениями АД для прямой и обратной последовательностей и величинами емкостей фазосдвигающих конденсаторов, получим уравнения фазных токов, момента и других характеристик трехфазного ВАДМР при наиболее распространенном на практике соединении обмоток статора в звезду и при их питании от однофазной сети с фазосдвигающими конденсаторами С1 и С2 (рис. 2.4).
Следует отметить, что в работе [3] дается вывод формул через проводимости фазосдвигающих элементов и проводимости схем замещения для токов прямой и обратной последовательностей. Однако в полученных формулах имеются, как нам представляется описки, что не позволяет использовать их для проведения расчетов характеристик.
Математическая модель оптимизационного проектирования ВАДМР торцевого исполнения в приводе ЛПМ
Особенностью разработанной модели является использование блочной структуры, включающей блок электромагнитного расчета ВАДМР, блок расчета установившегося трехфазного режима ЛПМ, блок расчета реверсивного конденсаторного режима и блок динамики.
При разработке математической модели ВАДМР большое внимание было уделено выявлению состава исходных данных или постоянных параметров оптимизации, обусловленных как самим заданием, так и предпроект-ными решениями по выбору некоторых параметров и конструктивных элементов двигателя.
К числу исходных данных следует отнести, в первую очередь, все предпроектные решения, полученные в результате исследований рациональных кинематических схем ЛПМ; выбор системы управления ВАДМР на базе регулятора напряжения (табл.2.1, п.З), что позволяет не учитывать влияние высших гармонических составляющих напряжения; конденсаторно-тиристорной одноключевой схемы реверса (рис.2.3), что потребовало включение в математическую модель блока расчета конденсаторного режима ВАДМР.
Переменный момент инерции кассет с ЛНИ, а также момент нагрузки ВАДМР в приводе ЛПМ задавались блоке динамики в виде формул, полученных в 5 главе настоящей работы.
К числу исходных параметров разработанного алгоритма оптимизационного проектирования ВАДМР относятся также геометрические размеры встроенного двигателя, обусловленные свободным подкассетным пространством ЛПМ, напряжение, число фаз и частота питающей сети. Суммарные потери определялись техническим заданием на тепловой режим ВАДМР.
Исходя из технологических ограничений, задавалась минимальная ширина зубца по внутреннему диаметру ВАДМР. Кривые намагничивания сталей и стандартный ряд параметров обмоточного провода задавались таблично. Исходя из опыта проектирования, задавались коэффициент заполнения магнитопровода статора сталью, коэффициент заполнения паза статора медью, коэффициент формы поля. Задавались также удельные показатели: потери в стали, сопротивление проводниковых материалов, вес и т.д.
По технологическим соображениям пазы статора принимались бес-шлицевыми и прямоугольной формы, т.к. это позволяет получать их путем фрезерования поверхности статора и, таким образом, отказаться от штамповки с переменным шагом пазов более сложной формы. Кроме того, это обеспечивает равномерное насыщение зубцов по их высоте, а также позволяет увеличить число пазов за счет выбора минимальной ширины зубцов статора по внутреннему диаметру без учета размеров шлица.
В соответствии с размещением катушечных сторон в пазу распределенные обмотки у асинхронных дисковых двигателей, также как и у нормальных машин, разделяются на два основных класса: 1) однослойные, 2) двухслойные.
В настоящее время для нормальных асинхронных машин большой и средней мощности наибольшее применение нашли двухслойные волновые обмотки с целым числом пазов на полюс и фазу. Такие обмотки позволяют
выполнить укорочение шага на любое число зубцовых делений, что выгодно с точки зрения подавления высших гармоник ЭДС и НС обмоток, уменьшить расход обмоточного провода, размеры и форма катушек при этом получаются одинаковыми.
Однако для ВАДМР малой мощности и с малым числом зубцовых делений наиболее целесообразными оказались шаблонные однослойные обмотки, обеспечивающие минимальный вылет лобовых частей, что важно при заданных размерах двигателя.
Основные исходные данные для оптимизационного расчета торцевого ВАДМР в заданных габаритах имеют следующие обозначения:/ - частота сети;D - диаметр торцевого ВАДМР;h - осевая длина ВАДМР;b Zmin - минимальная ширина зубца по внутреннему диаметру ВАДМР;/?0б - относительный шаг обмотки;В - прямолинейная часть вылета лобовой части обмотки;
Кс - коэффициент заполнения стали магнитопровода;
Км - коэффициент заполнения паза медью;
Kb - коэффициент формы поля;
ус = 7800, кг/м3 - удельный вес стали;
Kda ; Kdz - коэффициенты учитывающие влияние на потери в стали неравномерности распределения магнитного потока по сечениям участков магнитопровода и технологических факторов;
JJPZ - сумма потерь ВАДМР.
Кривые намагничивания сталей задавались таблично, с последующей аппроксимацией их кубической сплайн-функцией, стандартной в пакете Mathcad - 2001 Pro.
Кроме того, задавались экстремальные значения критериальных показателей, полученных в результате частных оптимизаций и их весовые коэффициенты, учитывающие относительную важность каждого из них.
Определение количества варьируемых параметров и их состав является наиболее ответственным этапом разработки математической модели оптимизационного расчета ВАДМР, Большое число варьируемых параметров усложняет процесс оптимизации, а при поисковых расчетах, например, при использовании Lp - поиска требуется проведение сотен и тысяч предварительных испытаний (расчетов). Необоснованное уменьшение числа варьируемых параметров снижает эффективность программы и увеличивает вероятность пропуска наиболее оптимального решения поставленной задачи.
В разработанной обобщенной программе оптимизационного расчета торцевых ВАДМР, предназначенных для различных приводов ЛПМ было предусмотрено 11 варьируемых параметров. В качестве варьируемых принимались число пар полюсов - р, внутренний диаметр статора - da, коэффициент формы паза - К, индукции в воздушном зазоре - Вб, в ярме статора -Ваяв ярме ротора - Вр, толщина, магнитная проницаемость и удельное сопротивление массивного ротора, соответственно Д М Р , а также величина
воздушного зазора .
Для расчета обратного конденсаторного режима в группу варьируемых вводился дополнительный параметр - емкость конденсатора Ск, величина которого округлялась до большего целого числа.
Способ уточненного определения характеристик ВАДМР
Принимая во внимание, что характеристики АД (момент, токи статора, ротора и намагничивающий ток) независимо от исполнения ротора (коротко-замкнутый, массивный, дисковый, линейный и т.д.) определяются величиной приведенного тока ротора Г2 и его частотой jfe, и не зависят от того, каким путем они получены, главной задачей испытаний является нахождение частоты питающей сети и его напряжения, обеспечивающих идентичность протекания электромагнитных процессов в роторе в рабочем и неподвижном состояниях.
Для частотно-регулируемых АД такими условиями, как было показано ранее, является выполнение условий (4.21 и 4.22). Для обоснования необходимости и достаточности выполнения, указанных выше условий проведения статических испытаний рассмотрим Т-образные электрические схемы замещения АД в рабочем режиме (рис.4.16, а) и неподвижном состоянии (рис.4Л 6, б), где ур и ус относительные значения напряжений в рабочем и статическом режимах; U - номинальное фазное на-пряжение; Ej - ЭДС в номинальном режиме; Ij, Г2, IQ - соответственно ток статора, приведенный ток ротора и намагничивающий ток двигателя в рабочем и статическом режимах; г і Xj - активное сопротивление и индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора; хт - индуктивное сопротивление намагничивающего контура; Х ФЛ г) и г гФЛ ) - приведенные индуктивное сопротивление рассеяния и активное сопротивление обмотки ротора, являющиеся функцией частоты и величины наводимых в роторе вихревых токов.
Выполнение первого условия не вызывает затруднений и сводится к питанию АД в неподвижном состоянии напряжением с относительной частотой, определяемой по формуле [4.9].
Выполнение второго условия представляется более сложной задачей и связано с нахождением величины испытательного напряжения в статическом состоянии, обеспечивающего неизвестную заранее величину приведенного тока ротора в рабочем режиме.
Как следует из схем замещения (рис.4.16) при необходимом равенстве магнитных потоков в двух режимах и пропорциональном частоте сети изменении ЭДС и индуктивных сопротивлений намагничивающих контуров обеспечивается равная величина намагничивающих токов -4 ас учетом равной величины приведенных токов ротора - 1\ и равенство токов в обмотках статора - // в двух режимах.
Для определения испытательного напряжения рассмотрим уравнения равновесия напряжений АД в рабочем:
Векторная диаграмма, связывающая рабочий и статический режимы по уравнениям (4.47) и (4.48) представлена на рис.4.17, где активное сопротивление обмотки Tj разделено на две составляющие:
Следовательно, для снятия характеристик АД в заданной точке скольжения S при относительной частоте а и напряжении ypU к двигателю в статическом режиме необходимо приложить напряжение с относительной частотой (5 при этом величина испытательного напряжения должна определятся из выражения (4.49). Однако расчетное определение этого напряжения вызывает затруднение в связи с неизвестной величиной и фазой тока статора її в рабочем режиме относительно напряжения.
Ранее (в разделе 4.4) рассматривалось двухступенчатое проведение испытаний, первое из которых предварительно, а второе уточненное, при котором величина тока статора и его фаза относительно напряжения берутся из первого опыта, предполагая, что параметры двигателя при первом и втором опытах остаются неизменными. Однако это допущение возможно только для двигателей с ненасыщенной магнитной системой и независимыми от напряжения параметрами ротора, например, для ЛАД с большим воздушным зазором.
Для АД малой мощности с насыщенной магнитной системой и с массивным ротором, параметры которого существенно зависят от величины питающего напряжения, использование этого способа приводят к снижению точности определения характеристик двигателя, особенно в области малых скольжений, когда напряжение питания во втором опыте, как показали испытания, на 10-15 % превышают напряжение первого опыта. Вместе с тем, полученную зависимость (4.49) можно реализовать с помощью контрольно-измерительного устройства [53, 153].
На рис.4.18 представлена электрическая схема замещения АД в фазную обмотку которого подключено контрольно-измерительное устройство (КИУ) с питанием от преобразователя частоты (ПЧ) с независимым регулированием частоты и напряжения. КИУ выполнено на базе шунта Rm и потенциометра Rn моделируемых стороны треугольника напряжений ОАВ, соответствующего рис.4.17. Масштаб напряжений ти задается выбором величины сопротивления шунта Rm\
Принимая во внимание, что падение напряжения на потенциометре Rn равно напряжению сети ypU, сопротивление отрезка потенциометра ОВ устанавливается с учетом выбранного масштаба напряжений моделирует испытательное напряжение - ШиуІІ, которое может регулироваться преобразователем ПЧ.
Учитывая, что направление вектора напряжения на шунте совпадает с реальным направлением вектора тока статора двигателя її, а вектор напряжения на участке ОВ потенциометра Rn совпадает по направлению с напряжением сети ycU, напряжение на участке О А является контрольным, так как может быть заранее рассчитано по формуле: разность векторов /, и 1г(1 - (/ / f„)) можно получить режим, когда эта разность станет равной расчетной заданной величине Up, при этом эту разность реализовать с помощью аналогового устройства.
Для определения характеристик двигателя в заданной точке скольжения необходимо изменять напряжение ПЧ до тех пор, пока напряжение /до регистрируемое вольтметром, не достигнет контрольного значения (4.54). Измеренные в этом режиме ток, момент и угол ф между напряжением UАО и током // будут соответствовать данным момента, тока и угла ср в рабочем режиме двигателя. Изменяя частоту питания заторможенного двигателя в границах, соответствующих исследуемому диапазону скольжений в рабочем режиме, можно определить искомые зависимости: M(s), Ij(s), cos p(s) при заданной частоте питающей сети.
Таким образом, в предложенном способе испытания асинхронных двигателей производится непосредственное измерение контрольного параметра (напряжение без учета активного сопротивления), которое может быть определено заранее, расчетным путем, при этом учитывается реальное насыщение магнитной цепи и реальные значения параметров ротора.
