Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Технико-экономические аспекты реализации мягкого пуска в электроприводах переменного тока 9
1.1 Современное состояние электроприводов переменного тока 9
1.2 Пути повышения эффективности эксплуатации существующих электроприводов переменного тока 17
1.3 Анализ известных средств и способов пуска двигателей переменного тока 21
1.3.1 Классические способы пуска 21
1.3.2 Пусковые устройства по системе ТОН-АД 23
1.3.3 Современные разработки систем ТПН для безударного пуска электродвигателей переменного тока 29
1.4 Оценка экономической эффективности внедрения полупроводниковых пускорегулирующих средств 33
1.4.1 Обоснование идеи каскадного пуска 39
1.5 Постановка задач по диссертационной работе 39
Глава 2. Разработка математической модели АД для исследования каскадного пуска 43
2.1 Обоснование требований к модели 43
2.2 Анализ современных методов моделирования 45
2.3 Разработка математического описания процессов в АД 49
2.3.1 Базовые уравнения и ограничения 49
2.3.2 Описание коммутируемых схем , 54
2.3.3 Описание магнитосвязанных цепей 56
2.4 Математическая модель двигателя 60
2.5 Разностные схемы и алгоритмы 65
2.5.1 Матрица коммутаций 65
2.5.2 Анализ возможных способов описания схемы 67
2.5.3 Генерация системы уравнений при изменении коммутации 77
2.6 Разностная схема расчета 81
Глава 3. Результаты моделирования типовых процессов и их анализ 85
3.1 Основные признаки адекватности модели реальным процессам и исходные данные для моделирования 85
3.2 Исследования отдельных режимов работы АД на модели 88
3.2.1 Исследования процессов заторможенного двигателя 88
3.2.2 Связь обмоток через магнитное поле 91
3.3 Исследования типовых процессов короткозамкнутого асинхронного двигателя 93
3.3.1 Прямой пуск двигателя без нагрузки , 93
3.3.2 Оценка влияния конструкционных особенностей двигателя на его характеристики 95
3.3.3 Оценка влияния разброса геометрических параметров электродвигателя на процесс пуска 100
Глава 4. Исследования каскадного пуска двух асинхронных электродвигателей с помощью модели 104
4.1 Общая идея 104
4.2 Оценка эффективности каскадного пуска 105
4.3 Определение условий перехода от пусковой схемы к рабочей 106
4.4 Влияние на каскадный пуск двигателей технологического разброса их характеристик 107
4.4.1 Исследования влияния отклонения величины сопротивления
обмоток статоров 108
4.4.2 Влияние отклонения сопротивлений стержней ротора 109
4.4.3 Исследование влияния параметров обмоток статора 111
4.5 Исследования возможности каскадного пуска при отклонениях в конструкции обмоток 114
4.6 Влияние нагрузки на каскадный пуск 118
4.6.1 Каскадный пуск двигателей со ступенчатым увеличением величины нагрузки на валу одного из двигателей 118
4.6.2 Каскадный пуск двигателей с нагрузкой вентиляторного типа на валу одного из двигателей 119
4.6.3 Каскадный пуск двигателей с близкой по величине вентиляторной нагрузкой 121
4.6.4 Каскадный пуск двигателей с сильно различающейся вентиляторной нагрузкой 122
Заключение и основные выводы 125
Библиографический список 127
- Современное состояние электроприводов переменного тока
- Обоснование требований к модели
- Основные признаки адекватности модели реальным процессам и исходные данные для моделирования
- Общая идея
Введение к работе
В современных условиях заметного улучшения технико-экономических показателей технологических агрегатов и производств можно добиться за счет повышения надежности эксплуатации электрического и механического оборудования. При этом достигается увеличение длительности работы между текущими и капитальными ремонтами и соответственно снижаются эксплуатационные расходы. Наиболее затратным по электропотреблению является металлургическое производство, где сосредоточено большое многообразие электроприводов. На крупных металлургических предприятиях с полным производственным циклом, электроприводы переменного тока являются преобладающими как по количеству, так и по совокупной установленной мощности. Большинство из них являются нерегулируемыми, и в качестве основной проблемы при эксплуатации следует назвать тяжелые условия прямого пуска. Высокая кратность значений момента и тока в пусковом режиме приводит к ускоренному износу оборудования, оказывает негативное влияние на работу системы электроснабжения и является основной причиной возникновения аварийных остановок агрегатов и производственных участков. В этой связи количество допустимых прямых пусков мощных электродвигателей лимитировано. По этой причине часто многие электроприводы переменного тока большой мощности не отключают, оставляя в режиме холостого хода при снятии технологических нагрузок.
Проблемам пуска и регулирования мощных электроприводов переменного тока до настоящего времени не уделялось достаточного внимания. Это обусловлено в первую очередь тем, что пускорегулирующая полупроводниковая преобразовательная техника высоковольтного исполнения появилась на рынке сравнительно недавно. Однако для массового внедрения современных полупроводниковых высоковольтных устройств имеются серьезные препятствия. Среди них основным является их высокая стоимость и, соответ- ственно, сроки окупаемости от их внедрения многократно превышают нормативные.
В этой связи актуальными продолжают оставаться задачи, связанные с решением вопросов определения экономической эффективности внедрения современных пусковых устройств. Одновременно с этим важными являются исследования, связанные с разработкой альтернативных способов пуска мощных электроприводов переменного тока, внедрение которых не требует значительных капитальных вложений. При этом значительная роль отводится созданию математических моделей, адаптированных к исследованию электромагнитных и электромеханических процессов в электроприводах переменного тока, в которых реализуются новые способы пуска.
Целью данной диссертационной работы является улучшение технико-экономических показателей эксплуатации электроприводов переменного тока за счет осуществления «мягкого» пуска без применения специальных пусковых устройств. В этой связи в диссертационной работе был проведен анализ современного состояния электроприводов переменного тока и разработана упрощенная методика оценки срока окупаемости пускорегулирующих устройств и в том числе высоковольтные. Был предложен способ реализации каскадного пуска двигателей переменного тока и определены областей его применения. В работе осуществлена разработка математической модели двухдвигательной системы, адаптированной для исследования электромагнитных и электромеханических процессов при пуске и проведены исследования на модели пусковых режимов асинхронного электропривода при каскадном включении с целью определения условий реализуемости «мягкого пуска» двигателей. Предложенные решения базируются на возможности формирования пониженного напряжения на статорных обмотках АД путем каскадного включения двух и более двигателей и достижения за счет этого снижения динамических пусковых моментов и токов.
Диссертационная работа состоит их четырех глав, заключения по работе и приложения.
В первой главе проведен анализ состояния электроприводов в металлургической промышленности на примере крупнейшего в отрасли ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» и пути модернизации их с целью повышения эффективности эксплуатации и решения задач энергосбережения. Проведен анализ эффективности применения известных средств и способов пуска двигателей переменного тока. Предложена упрощенная методика, позволяющая осуществить предварительную оценку эффективности внедрения современных полупроводниковых пускорегулирующих устройств. В качестве альтернативы серийно выпускаемым пусковым устройствам предложен способ каскадного пуска двигателей, позволяющий при определенных условиях также реализовать «мягкий» пуск с заметным снижением кратности пусковых токов и динамических нагрузок. В рамках этой идеи осуществлена постановка задач по диссертационной работе.
Вторая глава посвящена разработке математических моделей асинхронного электродвигателя, систем коммутатор-двигатель, двигатель-двигатель. При разработке модели асинхронного электродвигателя дано обоснование необходимости создания новой методики моделирования, в основе которой лежит описание коммутируемых магнитосвязанных электрических цепей двигателя.
На базе предложенного математического описания и алгоритмов расчета электромагнитных и электромеханических процессов в АД и для случая каскадного включения двух асинхронных электродвигателей были разработаны компьютерные программы для моделирования, позволяющие исследовать пусковые режимы в электроприводах.
В третьей главе проведены типовые исследования, позволившие установить адекватность модели объекту моделирования. В рамках этих исследований последовательно проводилось моделирование процессов, начиная от простейших электрических расчетов переходных режимов, известных в теории электрических цепей с последующим переходом к более сложным маг-нитосвязанным контурам статорных и роторных обмоток. На основе исследований процесса пуска одного двигателя были получены кривые момента, частоты вращения, фазного тока статора и тока ротора, что позволило установить сходство качественных и количественных показателей пускового режима. Наряду с полученными результатами была проведена оценка влияния конструктивных особенностей АД на основные параметры электромеханического преобразования энергии в двигателе, а также установлено влияние отклонений основных параметров от паспортных значений.
В четвертой главе приведены результаты исследований процесса каскадного пуска в двухдвигательной системе. Определены условия реализуемости предложенного способа пуска и получены показатели снижения кратности пусковых токов и моментов. На основе моделирования определены условия, при которых каскадное включение позволяет осуществить «мягкий» пуск одновременно двух электродвигателей без применения традиционных высоковольтных пусковых устройств безударного пуска.
В приложении приведен акт внедрения результатов работы в ОАО «ММК»
По теме диссертации опубликовано 9 работ и получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ, на основе которой осуществлено компьютерное моделирование процессов при каскадном пуске АД и проведены основные исследования по теме диссертации.
Современное состояние электроприводов переменного тока
Анализ состояния электроприводов переменного тока наиболее наглядно можно провести на примере крупнейшего металлургического предприятия, такого как ОАО «ММК». Являясь предприятием с полным металлургическим циклом, комбинат включает в себя множество технологических участков и производств, начиная от добычи и обогащения руды и заканчивая выпуском товарной продукции в виде листового и сортового проката, а также изделий глубокой его переработки. В ОАО «ММК» находится в эксплуатации широкий спектр электрооборудования старых образцов, так и современных, разработки текущего десятилетии XXI века. Состоянию и проблемам автоматизированного электропривода технологических агрегатов металлургического производства было уделено значительное внимание в трудах IV Международной (XV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития» (г. Магнитогорск. 2004 г.).
Успешная работа технологических агрегатов на предприятиях в значительной мере обеспечивается безаварийной эксплуатацией большого количества электрических машин, преобразователей, трансформаторов и другого оборудования с диапазоном мощностей от нескольких киловатт до десятков мегаватт [1-4].
В настоящее время наиболее мощные электроприводы в металлургии эксплуатируются на листовых прокатных станах. Как правило, они построены с использованием двигателей постоянного тока индивидуального исполнения. Однако, в связи с переходом к электроприводам переменного тока, количество эксплуатируемых двигателей постоянного тока на металлургических предприятиях сокращается. В настоящее время в ОАО «ММК» двигатели постоянного тока продолжают работать на двух непрерывных станах горячей прокатки «2000» и «2500», трех непрерывных станах холодной прокатки «2500», «1250», «630» и реверсивном 2-х клетевом стане холодной прокатки «2000», введенном в строй в 2003 году. Всего на комбинате в эксплуатации находятся 103212 электрических машин, из них 85316 (82%) машин переменного тока и 17896 (18%) машин постоянного тока.
Обоснование требований к модели
Исходя из поставленных задач, необходимо сформулировать требования, предъявляемые к разрабатываемой математической модели. В качестве исходной предлагается рассмотреть непосредственно двухдвигательную систему, обобщенная структура статорных цепей этой системы показана на рис.2.1.
В этой системе на первом этапе пуска статорные обмотки включены последовательно через коммутатор 2 и подключены к питающей сети через коммутатор 1. На втором этапе пуска происходит разъединение двигателей и включение на полное напряжение. Математическая модель должна описывать одновременно процесс разгона обоих двигателей от нулевой или другой начальной скорости до достижения стационарного режима с учетом основных коммутационных процессов. Предполагается провести широкомасштабные исследования. При этом пуск двигателя должен рассматриваться в разных ситуациях: типовые режимы (прямой пуск без нагрузки, пуск с ударным приложением нагрузки), новые ранее неисследованные режимы, такие как каскадный пуск двухдвигательной системы, пуск одного двигателя с венти ляторной нагрузкой, каскадный пуск двух двигателей с одинаковой вентиляторной нагрузкой, исследования каскадного пуска двигателей с различной нагрузкой, отличающихся своими параметрами и другими особенностями. Широкий набор исследований необходим, как для установления адекватности модели двигателя, так и для определения условий реализуемости каскадного пуска в двухдвигательной системе.
Математическая модель должна корректно описывать коммутационные процессы. Следует отметить некоторые особенности. Например, при разъединении двигателей могут быть различные условия переключений, а именно на одном из двигателей без разрыва тока статора напряжение увеличивается скачком в два раза, а на другом номинальное напряжение подается на двигатель с вращающимся ротором. На этом двигателе условия дальнейшего пуска будут значительно отличаться, так как происходит «разрыв» тока. Бестоковая пауза при этом будет обусловлена длительностью срабатывания коммутационной аппаратуры.
Еще одним важным требованием к модели является адекватное моделирование электромагнитных процессов в электрической машине. В самом деле, поверхности ротора и статора в воздушном зазоре машины имеет довольно сложную геометрию, и пренебрежение ей приводит к сильным искажениям реальной картины поля. Как следствие, искажаются формы и величины токов в питающей сети и энергосиловые характеристики двигателя. Кроме того, важен вопрос о возможности параллельного пуска конструктивно различающихся двигателей. При этом модель должна включать в себя максимально общее, неупрощенное описание геометрии машины и позволять учитывать эту геометрию на уровне самой методики моделирования. Должен быть также найден корректный компромисс между быстродействием модели и точностью расчета магнитных полей электрической машины.
Основные признаки адекватности модели реальным процессам и исходные данные для моделирования
Главным признаком доказательства адекватности предложенных моделей АД, систем АД-АД с коммутирующими устройствами, позволяющими произвести каскадный пуск асинхронных электродвигателей, является установление сходства качественных и количественных характеристик полученных на основе предложенной модели и результатов экспериментальных исследований или полученных на основе проверенных моделей, в которых реализованы аналогичные типовые процессы. Существует достаточно много различных типовых процессов, в которых отражены основные расчетные показатели и временные диаграммы изменения токов, напряжений, электромагнитного момента, мощности, угловой скорости вращения в таких режимах, как например пуск электродвигателя, ударное приложение нагрузки, а также стационарные процессы, протекающие при различных моментах сопротивления АД. Каждая из указанных кривых, полученных на модели, является типовой в том смысле, что характер изменения их во времени не зависит от параметров отдельного двигателя, а является характерной для любого электродвигателя этого класса. Если рассматривать процессы для заторможенного электродвигателя, то характер изменения статорного тока будет соответствовать процессам в RL-цепи. Кроме того, сопоставление статорного и роторного токов в стационарном режиме при неподвижном роторе также позволит оценить, на сколько правильно воспроизводятся физические процессы. Кроме того, задание различных частных случаев на модели и анализ полученных расчетных кривых также дают дополнительную информацию, на основе которой появляется возможность оценки адекватности предложенной модели. показана типичная рабочая конструкция моделируемого электродвигателя с короткозамкнутым ротором, при этом для наглядности показана только одна фазная обмотка статора двухполюсной машины. Условно показаны также стержни «беличьего колеса», количество которых может задаваться на модели при проведении исследований с учетом данных конкретного электродвигателя.
Общая идея
Идея каскадного пуска двух и более электродвигателей при последовательном соединении статорных обмоток является очевидной, так как при этом питающее напряжение делится между последовательно включенными обмотками и при этом достигается ограничение напряжения на двигателях со всеми положительными для пуска последствиями, а именно снижается кратность ударного пускового момента и кратность пусковых токов. Анализ известных публикаций, связанных с реализацией мягкого пуска электродвигателей переменного тока, показывает, что вопросы каскадного пуска АД по схеме последовательного соединения ранее исследователями не рассматривались. В этой связи результаты, представленные в данной главе являются весьма важными, так как они позволяют оценить эффективность данного способа пуска [81].
Исходные данные для моделирования те же, что и в предыдущей главе. Для исследования каскадного пуска возникла необходимость по сути сочленения двух моделей асинхронных электродвигателей. Не вдаваясь в программные [82] особенности этой процедуры, целесообразно остановиться на результатах этих исследований. В основе двухдвигательнои модели лежит схема, представленная на рис, 2.1. На этой схеме представлена обобщенная структура данной системы.
Целью проводимых исследований является установление практических аспектов реализуемости каскадного пуска АД в двухдвигательнои системе. При этом необходимо оценить границы реализуемости каскадного пуска двух двигателей в условиях, когда параметры двигателей отличаются, когда оба двигателя пускаются под нагрузкой разного вида и величины и т.д.
