Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 . Проблемы энергосберегающих электроприводов переменного тока 12
1.1. Проблемы энергосбережения в современных электроприводах промышленных предприятий 12
1.1.1. Пути энергосбережения 12
1.1.2. Рабочие механизмы, где перспективы энергосбережения наиболее доступны и значительны 14
1.2. Современные способы и средства улучшения регулировочных возможностей асинхронных двигателей... 16
1.2.1. Современные преобразователи частоты для энергосберегающего электропривода 16
1.2.2. Оценка возможности применения системы ТІШ-АД в энергосберегающем вентиляторном электроприводе 18
1.2.3. Существующие схемы импульсного регулирования скорости АД 19
1.3. Импульсно-векторный способ управления асинхронным двигателем с фазным ротором 22
1.3.1. Принцип действия 22
1.3.2. Физическая модель привода 28
1.3.3. Алгоритм управления вентилями 32
1.4. Выводы 35
Глава 2. Математическая модель асинхронного электропривода с импульсно-векторньгм управлением 37
2.1. Разработка модели 37
2.1.1. Исходные положения и допущения 37
2.1.2. Математическое описание комплекса ТП-АД 39
2.2. Исследование на математической модели режимов работы электропривода 48
2.2.1. Механическая и электромеханическая характеристики электропривода 50
2.2.2. Энергетические характеристики электропривода 51
2.2.3. Показатели при пуске двигателя 56
2.2.4. Особенности формирования момента в системе импульсно-векторного управления 62
2.2.5. Способы увеличения момента в схеме импульсно-векторного управления 65
2.3. Выводы 71
Глава 3. Синтез системы управления 73
3.1. Тиристорный преобразователь - асинхронный двигатель как звено системы импульсно-векторного управления 73
3.1.1. Математическое описание асинхронного двигателя как объекта регулирования 73
3.1.2. Уточнение модели ТП - АД с учетом реальных характеристик тиристорного преобразователя 81
3.1.3. Частотные характеристики комплекса "тиристорный преобразователь - асинхронный двигатель" в схеме импульсно-векторного управления 85
3.2. Способы демпфирования комплекса ТП-АД 87
3.3. Синтез регуляторов в импульсной замкнутой системе электропривода 91
3.3.1. Идея подхода 91
3.3.2. Схема с последовательным соединением импульсных регуляторов 98
3.3.3. Схема с параллельными импульсными регуляторами 107
3.3.4. Особенности коррекция системы на низких скоростях вращения 112
3.3.5. Особенности коррекции системы на средних и высоких скоростях вращения 115
3.4. Выводы 117
Глава 4 . Экспериментальное исследование электропривода с импульсно-векторным управлением 119
4.1. Конструирование макетного образца 119
4.1.1. Схемы силовых цепей установки 120
4.1.2. Функциональная схема лабораторного макета 121
4.1.3. Логика работы датчика положения ротора 122
4.2. Средства и методика измерений импульсных сигналов... 124
4.3. Экспериментальные исследования макета 127
4.3.1. Зависимость момента от угла поворота вала 128
4.3.2. Механическая и электромеханическая характеристики электропривода 134
4.3.3. Энергетические характеристики электропривода 138
4.3.4. Частотные характеристики электропривода 142
4.4. Перспективы применения импульсно-векторного управления асинхронным двигателем с фазным ротором 146
4.5. Выводы 148
Заключение 148
Литература 151
- Проблемы энергосбережения в современных электроприводах промышленных предприятий
- Исходные положения и допущения
- Математическое описание асинхронного двигателя как объекта регулирования
- Средства и методика измерений импульсных сигналов...
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. В настоящее время подавляющее
большинство вспомогательных механизмов и, в первую очередь, механизмов, требующих пониженной скорости вращения без нагрузки, таких, как транспортеры в ночное время суток, вентиляторы, насосы, компрессоры, воздуходувки, остаются нерегулируемыми. В условиях роста цен на электроэнергию и другие виды энергоресурсов появилась необходимость в их модернизации. Эти механизмы потребляют около 25-30% от всей электроэнергии. Из-за отсутствия регулирования производительности изменением частоты вращения для них характерно завышенное электропотребление. Переход к регулированию частоты вращения приводит к заметной экономии электроэнергии, во многих случаях до 30-40%.
Имеются современные двухзвенные преобразователи частоты на полностью управляемых ключах. Они решают все проблемы регулирования. Однако их применение не всегда оправдано из-за высокой стоимости, сложной эксплуатации, высокого уровня квалификации персонала, так как в них заложены избыточные регулировочные возможности.
Имеются также простые способы регулирования скорости: переменное число пар полюсов в двигателе, регулирование напряжения на статоре, импульсное регулирование и т.д. Данные способы обладают малыми капитальными затратами, простотой эксплуатации. Но они, вместе с этим, обладают большим значением потерь, главным образом, за счет скольжения.
Для названного класса механизмов, не требующих высокой точности поддержания скорости, полезно найти решения, которые, с одной стороны, отвечали бы признаку "простота", а с другой, - не несли бы с собой потери скольжения в асинхронном двигателе. По этой причине работа, посвященная изучению возможностей электропривода с векторно-импульсным управлением, является актуальной.
ЦЕЛЬЮ диссертационной работы является улучшение регулировочных и энергетических характеристик асинхронного электропривода с тиристорным преобразователем напряжения.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
-систематизация сведений по современным способам улучшения энергетических показателей асинхронных электроприводов;
-разработка импульсно-векторного управления асинхронным электроприводом с фазным ротором как одного из способов улучшения энергетических показателей;
-разработка математической модели импульсно-векторного управления асинхронным электроприводом с фазным ротором;
разработка структуры электропривода;
создание алгоритма управления электроприводом; -проектирование и реализация лабораторного стенда для проведения
натурных испытаний электропривода, чтобы проверить предложенные алгоритмы управления и характеристики, полученные с помощью математической модели.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. При решении поставленных задач использовались основные положения теории электромеханического преобразования энергии, общей теории электротехники, практические аспекты промышленной электроники, методы экспериментального исследования, методы математического моделирования систем на ЭВМ, метод физического эксперимента..
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ:
- предложен новый импульсно-векторный способ регулирования скорости
асинхронным двигателем с фазным ротором при питании двигателя от
источника с неизменной постоянной частотой, в котором удается повысить
энергетические показатели за счет исключения потерь скольжения (патент РФ
№2288535).
-предложены обобщенные расчетные модели электропривода с импульсно-векторным регулированием, которые включают в себя на разных этапах проектирования фрагменты типовых расчетов, общепринятых для машин асинхронных и синхронных, позволяющие решать задачи анализа статики и динамики системы управления, оптимального выбора элементов,;
-разработаны перспективные структуры электропривода с импульсно-векторным управлением, отличающиеся улучшенными регулировочными и энергетическими характеристиками.
ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ. Научное значение работы заключается в следующем:
систематизированы сведения по простым способам регулирования скорости вала двигателя и предложен перспективный новый способ регулирования скорости асинхронного двигателя с фазным ротором при питании двигателя от источника с неизменной постоянной частотой, имеющий повышенные энергетические показатели за счет исключения потерь скольжения;
предложены обобщённые расчётные математические модели электропривода с импульсно-векторным управлением, позволяющие решать задачи оптимального выбора элементов, синтеза систем автоматического управления, анализа динамики систем управления;
предложены и обоснованы алгоритмы управления импульсно-векторным электроприводом;
-разработаны перспективные структуры электропривода, имеющие высокие регулировочные и энергетические показатели.
Научная новизна работы подтверждена двумя патентами на изобретение РФ.
Практическое значение работы заключается в следующем:
-разработаны структурные, функциональные и принципиальные схемы векторно-импульсных систем управления электроприводом;
- предложена методика расчёта установившихся и динамических
процессов в асинхронном электроприводе с векторно-импульсным
управлением;
- разработаны рекомендации по проектированию электропривода;
-разработан и реализован лабораторный стенд установки на основе
асинхронного двигателя с фазным ротором, на котором проверены все предположения.
ВНЕДРЕНИЕ. В учебном процессе теория импульсно-векторного управления применяется:
- при чтении лекций по курсу "Системы управления электроприводов" на
кафедре электропривода Южно-Уральского государственного университета;
-при проведении лабораторных работ по курсу "Системы управления электроприводов".
В производственном процессе электропривод с импульсно-векторным управлением применяет ООО НТЦ "Приводная техника" при модернизации электроприводов шахтных вентиляторов и ленточных транспортеров.
ОБЩАЯ СТРУКТУРА РАБОТЫ И ЕЁ СОДЕРЖАНИЕ представлены на рис. В.1. Задача разработки и исследования импульсно-векторного управления электроприводом решалась в пять этапов.
Первый этап — это постановка задачи исследования. Задача ставиться как результат анализа существующих путей энергосбережения в электроприводе, и обращается внимание на электроприводы тех механизмов, где эта задача, при всей своей актуальности, требует меньшего вложения. Как результат было предложено импульсно-векторное управление.
Второй этап — "разработка импульсно-векторного управления" (глава 1 и глава 2). Здесь решались следующие задачи:
рассмотрен принцип работы электропривода и его функциональная схема;
определен алгоритм управления асинхронным двигателем с фазным
ротором;
Общая структура работы
Постановка задачи исследования
Разработка импульсно-векторного
управления
Принцип действия. Функциональная схема
Алгоритм управления
Разработка моделей
Электромагнитный расчет
Синтез системы управления
Выбор структуры управления Оптимизация структуры
Экспериментальные исследования
Разработка и изготовление лабораторного макета Исследование статических режимов
Перспективы применения
Рис. В. 1. Общая структура работы и ее содержание
- разработана математическая модель;
-на математической модели делался электромагнитный расчет электропривода в статических и переходных режимах. На основании этого расчета и делался первоначальный вывод о энергетической эффективности данного способа управления и его потенциальных возможностях.
На третьем этапе (глава 3) математически описан электропривод (неизменяемая часть системы), изучены его динамические характеристики, предложены структуры разомкнутых и замкнутых систем электропривода с учетом импульсного характера работы системы преобразователь - двигатель, обоснованы и исследованы варианты с разными типами импульсных регуляторов.
На четвертом этапе (глава 4) Произведена экспериментальная проверка основных теоретических положений на лабораторном макете электропривода.
Наконец, на пятом этапе (глава 4):
- рассмотрены и обоснованы перспективы применения импульсно-
векторного способа управления для получения низких скоростей вращения вала
ротора двигателя, в которых удачно раскрываются его техническо-
экономические выгоды: малое энергопотребление, пониженный износ деталей
механической передачи, высокие регулировочные показатели.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. В полном объёме работа докладывалась на расширенном заседании кафедры "Электропривод и автоматизация промышленных установок" Южно-Уральского государственного университета.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах, в том числе на:
- 14 международной научно-технической конференции "Электроприводы
переменного тока - ЭГШТ 2007", Екатеринбург: УПИ, 2007 г.;
-Международной конференции "Электроэнергетика и автоматизация в металлургии и машиностроении", Магнитогорск, 2008 г. 22 — 24 октября;
- 11 и 12 Международных конференциях "Электромеханика,
электротехнологии, электрические материалы и компоненты", Алушта, 2006 и
2008 годы;
-12 Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых "Современные техника и технологии", Томск: Томский политехнический университет, 2006 г., 27-31 марта;
— Всероссийской конференции — конкурсе студентов выпускного курса
высших учебных заведений, -С.-Пб.: Санкт-Петербургский государственный
горный институт им. Г.В.Плеханова (технический университет), 2006 г.
ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 2 патента РФ. Одна печатная работа опубликована в издании, рекомендованным ВАК.
Проблемы энергосбережения в современных электроприводах промышленных предприятий
Постоянный рост цен на электроэнергию вынуждает предприятия обратить серьёзное внимание на разработку и реализацию мероприятий по экономии электроэнергии и повышению эффективности ее потребления. Общеизвестно, что они в полной мере могут быть реализованы только при переходе к регулированию в электроприводах переменного тока.
Идеальным вариантом построения регулируемого электропривода является система на основе современных серийных преобразователей частоты, которая позволяет получить полностью регулируемый электропривод. При этом достигается плавное и с высокой точностью регулирование частоты вращения и реализация при необходимости тормозных режимов. Однако ориентация только на такой вариант модернизации электроприводов переменного тока непозволительна даже для экономически развитых стран, а в ситуации, которая сложилась в России, такая модернизация просто невозможна. Это обусловлено не только существующими экономическими трудностями в стране, но и сложившейся культурой производства, уровнем автоматизации технологических процессов и другими особенностями сложившейся организации производства.
При переходе от традиционного нерегулируемого электропривода к полностью регулируемому появляется, в первую очередь, проблема: как регулировать частоту вращения двигателя, в функциях каких технологических параметров, в каких пределах и многие другие вопросы. В связи с этим возникает задача определения экономически обоснованных требований по качеству регулирования.
Анализ требований по регулированию частоты вращения, предъявляемых к различным производственным механизмам, позволяет при всем многообразии разделить их на три основных типа: Возможность плавного («мягкого») пуска двигателя. «Мягкий» пуск и возможность длительной работы на пониженной частоте вращения (одна или несколько ступеней частот вращения). Плавное регулирование с высокой точностью и в широком диапазоне с созданием, при необходимости, тормозных режимов. Общеизвестно, что значительными возможностями в энергосбережении обладают механизмы вентиляторного типа, насосы, а также ленточные транспортеры. Они являются самыми массовыми, благодаря широкому применению во всех отраслях народного хозяйства страны. Достаточно отметить, что рассматриваемые типы механизмов потребляет четверть всей вырабатываемой электроэнергии в стране [108].
Из практики эксплуатации электрооборудования на металлургических предприятиях известно, что во многих случаях, в связи с тяжелыми условиями нерегулируемого пуска (застывания смазки редукторов) электроприводы компрессоров, насосов, вентиляторов и транспортеров вынужденно оставляют в работе во время плановых остановок и простоев технологических агрегатов [92]. Отсутствие возможности регулирования их скорости не позволяет обеспечить режим рационального электропотребления и ресурсосбережения (расход пара, воздуха и др.) при снижении или снятии технологических нагрузок.
В ряде случаев возникает необходимость перевода механизмов на пониженную частоту вращения (создание «резервного хода») при снятии технологических нагрузок. В условиях низких температур такой режим позволяет, сохраняя ход механизмов на пониженной скорости, предотвратить смерзание смазки и облегчить последующий пуск асинхронного электропривода технологического агрегата до основной рабочей скорости. Например, асинхронные двигатели с фазным ротором на ленточных транспортерах. Кроме того, в процессе монтажа механического оборудования необходима технологическая операция, связанная с прокруткой электроприводов на пониженных ступенях частоты вращения, в том числе на «ползучей скорости» при осуществлении питания АД по упрощенной схеме. Причем потребность в создании такого режима имеет место при наладке агрегатов большой мощности, электроприводы которых реализованы на базе высоковольтных асинхронных и синхронных электродвигателей. К ним относятся шаровые мельницы, вращающиеся печи и других механизмы горно-обогатительных предприятий и цементно-доломитового производства. 1.1.2. Рабочие механизмы, где перспективы энергосбережения наиболее доступны и значительны
Насосы. Наиболее массовыми среди турбомеханизмов являются центробежные насосы. Мощность промышленных насосов лежит в пределах от единиц до нескольких десятков тысяч кВт. При оценке возможностей энергосбережения на насосных станциях возникает необходимость уточнить характер зависимости мощности и момента от частоты вращения. Как отмечается в [81], эти зависимости с учетом статического напора являются более сложными. Приближенную, но достаточно точную для практических расчетов аналитическую зависимость момента сопротивления на валу насоса можно получить, используя характеристики сети и насоса. С учетом противодавления характеристика сети обычно представляется выражением H H + RQ2 где Q - расход воды; Н — статический напор, соответствующий расходу Q = 0; R — коэффициент сопротивления сети; Из данной зависимости видно, что чем меньше напор, т.е. скорость, тем меньше мощность, потребляемая из сети. Вентиляторы среди турбомеханизмов занимают второе месте по применению в промышленности. Наиболее массовыми из них являются вентиляторы сантехнического назначения. Их мощность обычно находится в пределах до 100 кВт. Наиболее мощными являются шахтные вентиляторы Мощность установок для проветривания шахт достигает значение 5000 кВт [41]. Вентиляторы, в отличие от остальных турбомеханизмов, работают на сеть без противодавления. По этой причине зависимость момента статического сопротивления на валу двигателя во всем диапазоне изменения частоты вращения имеет квадратичный характер. Энергетическая эффективность регулирования частоты вращения (экономия электроэнергии) при снижении производительности по условиям производства определяется по формуле [92]:
Исходные положения и допущения
Исходные положення и допущения Для моделирования системы импульсно-векторного регулирования скоростью вращения АД воспользуемся катушечной моделью (рис. 2.1), в которой реальные обмотки заменены эквивалентными сосредоточенными 1J катушками. На этапе подготовки модели учтены взаимные индуктивности между фазами статора и ротора изменяются по синусоидальному закону; трехфазную обмотку ротора заменим одной эквивалентной; обмотка фазы С ротора не подключена; не учитывается насыщение магнитной цепи асинхронной машины; все вентили преобразователя представляются идеальными ключами, сопротивление которых в проводящем состоянии равно нулю, а в непроводящем - бесконечности. Таким образом, прямое падение напряжения и обратный ток через вентили равны нулю [93]; источник питания представляется идеальным источником ЭДС бесконечной мощности; внутреннее сопротивление реального источника питания учитывается корректировкой параметров нагрузки; ТП включается в рассечку между обмотками статора и ротора по схеме (рис. 1.3); на временном интервале, равном шагу интегрирования дифференциальных уравнений, состояние вентилей остается неизменным; законы управления вентилями могут быть любыми из числа допустимых - таких, при которых исключается возможность подачи комбинации отпирающих импульсов, соответствующей созданию аварийного режима; из физических представлений следует, что для включения управляемого вентиля необходимо и достаточно одновременное выполнение двух условий: а) к силовым электродам вентиля приложено прямое напряжение; б) на вентиль подан управляющий (включающий) сигнал; условием для закрытия вентиля является приложенное к силовым электродам обратное напряжение при токе удержания ниже тока удержания. Современные математические пакеты (например, MatLab 6.5 и его приложение Simulink) имеют в своем составе модели асинхронных двигателей. Однако их нельзя применять в системе импульсно-векторного управления асинхронным двигателем с фазным ротором, так как архитектура этих моделей не развернута, и в этой связи невозможно учесть влияния ЭДС вращения на коммутационные процессы в преобразователе, схемы соединения обмоток, а также включить в рассечку между статором ротором тиристорный коммутатор. По этой причине существует необходимость в создании модели ТП-АД.
С учетом всего изложенного наиболее удобной моделью является математическая модель для мгновенных значений токов и напряжений в трехфазной неподвижной относительно статора системе координат, Математическая модель электропривода составлена с учетом принятых допущений. В каждом положении вектора МДС статора можно выделить два процесса: первый - переходный; второй - установившийся.
Сначала рассмотрим процесс в установившемся режиме, когда ток протекает только по двум фазам, т.е. с нулевыми начальными условиями. Расчет выполним для отрезка времени, когда ток в установившемся режиме проходит через последовательно включенные обмотки: фазы А, ротора Р и фазы В. Ток в фазе С равен нулю (рис. 2.2).
Как пример рассмотрим вычисление взаимной индуктивности LBP. Для вычисления рассмотрим схему расположения обмоток (рис. 2.3). За нулевое значение положения возьмем положение, когда вектор потокосцепления ротора и потокосцепления обмотки статора фазы А совпадают по направлению, при этом ротор Р повернут на угол а. Ток в обмотку ротора втекает по отношению к началу обмотки, а из обмотки фазы В вытекает. Кроме того, обмотка фазы В повернута на +240 градусов относительно обмотки фазы А. Тогда LBP LM -cosf 240-180+a) = LM -cos(60 + a), где LM — максимальное значение взаимной индуктивности. Максимальные значения взаимных индуктивностей разных фаз одинаковы. Взаимная индуктивность между обмотками статора (LAB LBQ LAC) всегда положительна, т.к. с одной стороны, эти обмотки располагаются под углом 120, а с другой — ток в начало одной обмотки втекает, а из начала другой - вытекает. Аналогично вычисляется взаимная индуктивность между ротором и обмоткой фазы A: LAP = LM -cos(a). Подставив уравнения взаимной индуктивности и потокосцеплений в уравнение мгновенных значений, описывающих электрические состояния системы, можно вычислить значение производной тока ротора: dip ид—ид —2-ip -()\ +Г2) + 2-LM -iP -п-(sin(а) + sin(a + 60)) dt ЬДА + 2 Ьдв + LQB + Lp + 2 L]tf (cos(a) + cos(a + 60)) где n = dafdt — скорость вращения ротора. Электромагнитный момент двигателя удобно рассчитывать через мгновенные значения внутренних координат АД. При этом за основу берем выражение электромагнитного момента АД, полученное из известного положения, согласно которому электромагнитный момент электрической машины равен частной производной по геометрическому углу а от общего запаса электромагнитной энергии машины [104]:
Математическое описание асинхронного двигателя как объекта регулирования
Для исследования свойств всего электропривода [115] сначала рассмотрим асинхронный двигатель как отдельное звено в схеме импульсно-векторного регулирования, определим его параметры, определим свойства комплекса тиристорный преобразователь — асинхронный двигатель. Составим структурную схему асинхронного двигателя с учетом того, что обмотки статора и ротора включены последовательно. Структурная схема асинхронного двигателя при импульсно-векторном управлении, где: Е-щ — напряжение, подаваемое на электродвигатель; Мс — момент статической нагрузки; «р - скорости вращения ротора; Ф — поток; /— ток, протекаемый по обмоткам статора и ротора; М— электромагнитный момент, развиваемый двигателем; Евр - ЭДС вращения двигателя; 7д - механическая постоянная времени двигателя; R3 — суммарное активное сопротивление цепи рис. 2.10; Тэ - электромагнитная постоянная времени цепи рис. 2.10. На рис. 3.1 представлена структурная схема электродвигателя, которая имеет один канал задания Етп - напряжение, подаваемое на электродвигатель, один канал возмущения MQ — момент статической нагрузки и один канал выхода — скорости вращения ротора щ. А также содержит переменные: / — ток, протекаемый по обмоткам статора и ротора; Ф - поток; Ф - модуль потока; М- электромагнитный момент, развиваемый двигателем; Евр - ЭДС вращения двигателя;
Структурная схема содержит нелинейные звенья: ФП - звено вычисления модуля; звенья умножения НЗі и НЗг; нелинейное звено кривой намагничивания, а также непрерывные линейные звенья ЯЦ, Д. Звено ЯЦ. Это — звено, которое характеризует электромагнитную цепь и преобразует разность ЭДС тиристорного преобразователя тп и ЭДС вращения Евр в ток /, протекаемый по обмоткам статора и ротора. При рассмотрении этого звена не будем учитывать коммутацию обмоток статора в электроприводе. Тогда в каждый момент времени включены только две фазы статора последовательно с обмотками ротора. В результате чего электрическую цепь последовательного соединения обмоток (рис. 2.7) заменим эквивалентной, содержащей только одну обмотку с сопротивлением Д и индуктивностью Ьэ. По известным R3 и Ьэ определим электромагнитную постоянную времени Тэ = L3/R3 и коэффициент усиления Кэ = l/R3. Тогда уравнение звена ЯЦ можно представить:
Второе, выполним линеаризацию звена НЗі следующим образом: объединим в одно звено три звена: ФП - звено вычисления модуля, линейное звено кривой намагничивания с коэффициентом кф и звено умножения НЗь вычисляющее момент. Статическая характеристика такого объединенного нелинейного звена представлена на рис. 3.3 и описывается системой уравнений М= кф!2, если 1 0, и М= —кфі2, если К О, которые получены после объединения нелинейных элементов и их уравнений. Линеаризуем данное звено тремя кусочнолинейными участками в зависимости от величины модуля тока /. Если ток по модулю меньше величины /ь то получившееся нелинейное звено заменяется одним линейным с коэффициентом Ki, если же ток лежит в пределах от /] до 12, то звеном с коэффициентом К2, и наконец, если ток больше 12, то звеном с коэффициентом К3. Поэтому на структурной схеме (рис. 3.1) эти звенья заменяем непрерывным звеном с переменным коэффициентом Кх. Таблица 3.1 Коэффициенты линеаризации в зависимости от значения тока (рис. 3.3)
Третье, разобьем каждый участок линеаризации, рассмотренный в предыдущем случаи, еще на два участка в зависимости от величины тока. На каждом из этих участков будем считать поток Ф постоянным и неизменным. Тогда второе нелинейное звено умножения Н32 (рис. 3.1) заменяем линейным с коэффициентом равным: S u=hi k s ФІ2 = 12 Ф5 Ф2І= 2І Ф; Ф22= 22 Ф; ФЗІ =h\ k b\ Фъг 1ъгкф , в зависимости от значения тока, где I\\ = I\I2; In = h , hi = (h+h)/2 , hi = h\ hi = (h+Iu)/2 , hi I\\- В результате этого составим таблицу коэффициентов для данной схемы в зависимости от значения тока (табл. 3.1).
После линеаризации структурная схема асинхронного двигателя примет упрощенный вид (рис. 3.4), где, как и на рис. 3.1, два входа задания тп и Мс, и один канал выхода пр. Эта схема содержит только линейные звенья и поэтому удобна для анализа. В ней только присутствуют линейные звенья: звено ЯЦ, которое преобразует разность напряжение тп, и ЭДС вращения Вр в ток /; звено Д, вычисляющее скорость по известному динамическому моменту М- Мс, и коэффициенты линеаризации Кх и Ф , которые зависят от величины тока (табл. 3.1). В результате получена линейная упрощенная модель асинхронного двигателя (АД) в схеме импульсно-векторного управления, которая используется в расчетах.
Средства и методика измерений импульсных сигналов...
Вопрос измерения импульсных сигналов плохо изучен. Измерение высокочастотных импульсных сигналов в радиотехнике производится с помощью высокочастотных амперметров и вольтметров с учетом поправочных коэффициентов [51]. Специальных средств для измерения низкочастотных сигналов не существует. Если использовать обычные стрелочные амперметры, вольтметры и ваттметры для измерения низкочастотных сигналов, то стрелка прибора будет колебаться. Поэтому измерение низкочастотных импульсных сигналов этими приборами возможно для приблизительного оценочного измерения.
Для точного измерения низкочастотных сигналов (тока, мощности) необходимо вернуться к истокам ТОЭ, определению активной и полной мощностей, потребляемых из сети, к измерению мгновенных значений сигналов. Для этого необходимо воспользоваться осциллографом, который обладает возможностью запоминать сигнал в собственную постоянную память (ПЗУ). Это позволит точно вычислить мощность и ток, потребляемые из сети.
Ниже изложена методика вычисления тока /ь активной Рс и полной SQ мощностей, потребляемых из сети, с помощью такого запоминающего осциллографа Fluke\92B (двухлучевой запоминающий осциллограф). Эта Параме тр Количествовходов Максимальноевходноенапряжениє Максимальный -минимальный масштабпо времени Максимальноеперемещение повертикали Погрешнос ть повертикали Объемпамяти Возможностьподключения кПК Fluke \9 2В 2 600 В 10 нсек/де л-2 мин/дел 4деления 1.5%-0.04диапазон/дел До 100 двуканальныхизображений Да Для измерения использовался осциллограф Fluke\92B. Технические данные осциллографа представлены в табл. 4.2. Важной особенностью данного осциллографа является возможность подключения его к персональному компьютеру ПК. Данный осциллограф применяется для исследования переходных процессов, т.к. обладает возможностью записывать сигнал в собственную память (ПЗУ) и переносить его затем в персональный компьютер ПК. Пример расчета активной и полной мощности, потребляемой из сети Для измерения тока и мощности осциллограф подключался на одну фазу электропривода и регистрировал мгновенные значения линейного напряжения сети ис и ток /с (через стандартный шунт), потребляемый электроприводом из сети. При этом скорость поддерживалась постоянной. Осциллограф записывал показания в свою память, которые потом передавались в ПК, где обрабатывались, после чего вычислялось значение потребленной активной и полной мощности. Ниже приведен пример расчета вычисления активной и полной мощностей (рис. 4.5). Сняты осциллограммы тока /с. и напряжения сети Uc (рис. 4.5, ис, ( с) в зависимости от времени /. По этим двум осциллограммам вычислены напряжение на обмотках двигателя с учетом открытого или закрытого состояния вентилей на (рис. 4.5, щ). Это напряжение повторяет форму напряжения сети, если іс не равно нулю. А если / с равно нулю, то напряжение тоже равно нулю. 126 Далее ток раскладывается по С. Фризе [62] на активную составляющую 4 и пассивную /п (невязка) (рис. 4.5, /а, /п). Активная составляющая тока повторяет форму напряжения иа, а пассивная равна разности тока сети ic и 4-Амплитуда 4 равна амплитуде тока потребляемого из сети істах, а форма повторяет форму напряжения иа [62]: . І-Стах la — Иа) Тратах ln = 1С 1а где 4 активная составляющая тока; ий - напряжение на двигателе с учетом наличия тиристоров; істах — амплитуда тока, потребляемого из сети; Uamax — максимальное значение напряжение иа; істах — максимальное значение тока потребляемого из сети. Мгновенное значение активной мощности р равно произведению напряжения щ и активной составляющей тока 4 (рис. 4.5,р)\ Р = 4«а Затем по мгновенным значениям активной мощности вычисляли квадрат 0 0 О этой мощности р (рис. 4.5, р). Зная осциллограмму р , вычисляли среднеквадратичное значение активной мощности Р, потребляемой из сети. Действия для вычисления полной мощности сети S аналогичны. Сначала, вычислялась мгновенные значения полной мощности s (рис. 4.5, s). О О Затем - квадрат полной мощности s (рис. 4.5, s ). По этой зависимости вычислялась S. 4.3.Экспериментальные исследования макета Измерения на макете проводились, чтобы подтвердить следующие характеристики: зависимость момента от угла поворота вала; механическую и электромеханическую характеристики; 127 \ энергетические характеристики электропривода; частотные характеристики разомкнутого электропривода; 4.3.1. Зависимость момента от угла поворота вала С целью определения максимального момента, развиваемого электроприводом, и угла взаимного расположения векторов МДС статора и ротора, при котором возникает максимальный момент, проведен опыт определения угловой характеристики электропривода, т.е." зависимости момента от угла поворота ротора. Схема опыта представлена на рис. 4.4, в которой входные цепи тиристорного коммутатора UZ подключались через обмотки статора к питающей промышленной сети 380 В, а выходные питали обмотку ротора. К входу СИФУ был подключен ЛПУ. Отличие данной схемы (рис. 4.4) от схемы (рис. 4.2) в том, что в ней отсутствует обратная связь по положению ротора. В результате при неизменной логике работы ЛПУ открываются постоянно одни и те же два тиристора при различных положениях ротора с углом открытия, пропорциональным величине U3aa. Для измерения максимального электромагнитного момента на угловой характеристике устанавливали угол отпирания тиристоров, равный нулю, что соответствовало максимальному напряжению на статоре. Вал ротора в первоначальном положении находился в точке устойчивого равновесия.
