Содержание к диссертации
стр.
Введение 4.
Состояние вопроса и постановка задачи исследования 12
Перспективы развития электропривода систем точного задания
частоты вращения 12
Принципы построения систем точного задания частоты
вращения 21
Синхронно-реактивный электропривод в системах точного задания
частоты вращен ия 26
Анализ причин, влияющих на частоту вращения синхронно-
реактивного электропривода 30
Вы воды 33
Математическая модель механотронной системы с СРД 36
Особенности математической модели. Блок схема силовой
части МТС 36
Моделирование полупроводниковых элементов в силовых цепях
МТС 37
Математическая модель и схема замещения источника
питания 41
Математическая модель и схема замещения звена постоянного
тока 43
Математическая модель и схема замещения преобразователя
частоты 47
Математическая модель синхронно-реактивного двигателя 52
В ы воды 60
Компьютерное моделирование переходных процессов в МТС с
СРД 63
Выбор стратегии, метода и средств численного
модел ирован ия 63
Компьютерная модель МТС с СРД в среде Delphi 71
Компьютерное моделирование процессов в электроприводе с СРД
при различных источниках питания 75
Выводы 84
Практическая реализация, экспериментальное и компьютерное
исследование электропривода с СРД 86
Электропривода с СРД в устройстве точного задания частоты
вращения 86
Измеритель мгновенной частоты вращения привода 92
Анализ результатов теоретического и экспериментального исследования влияния различных факторов на мгновенную
частоту вращения привода с СРД 96
Выводы 112
Заключение 114
Библиографический список 116
Приложение 1. Сведения о внедрении результатов диссертации ... 131
Акт об использовании результатов диссертации в ОАО
"Нефтехимпроект" 132
Акт об использовании результатов диссертации в учебном
процессе КГТУ им. СМ, Кирова, г. Казань 134
Введение к работе
Актуальность проблемы. Технический прогресс в различных отраслях промышленности и науки невозможен без широкого применения электротехнических систем и комплексов (ЭТС и К). Часто их силовой основой является электропривод постоянного или переменного тока. Для современных ЭТС и К характерна тесная взаимосвязь электромеханической части с цепями ее питания и регулирования, причем часто отдельные узлы схемы способны функционировать только в виде единой системы привода. Подобные устройства с электромеханическим приводом получили название электромехано-тронных систем (МТС), и их все чаще рассматривают как единый элемент электротехнической системы.
Появление новой техники и технологии в ряде производств предъявляет повышенные требования в отношении точности частоты вращения ведущего вала. Такие системы применяются в машиностроении, металлургии, станкостроении, химической промышленности при получении тонких плёнок и волокон, измерительной технике, приборостроении, метрологии, космической технике и других отраслях.
Для электротехнических систем точного задания частоты вращения используются автоматизированные электроприводы постоянного и переменного тока, которые содержат в своей структуре традиционные и специальные электрические машины постоянного и переменного тока, элементы силовой полупроводниковой техники и управляющих микропроцессорных систем. Для электропривода постоянного тока характерна существенная зависимость механической характеристики от параметров окружающей среды и стабильности источника питания, что делает необходимым применение соответствующих корректирующих звеньев в цепи стабилизации частоты вращения выходного вала устройства. Но даже в этом случае трудно добиться высокой точности стабилизации значений средней и мгновенной частот вращения вала привода. Эти ограничения, а также низкие эксплуатационные характери-
5 стики препятствуют применению электрических машин постоянного тока в
структуре высокоточного электропривода.
Определенными преимуществами обладают транзисторные схемы электропривода на основе электродвигателей переменного тока с явно выраженным звеном постоянного тока. Они сочетают в себе высокие регулированные характеристики привода постоянного тока с хорошими эксплуатационными свойствами машин переменного тока.
Для систем точного задания частоты вращения наиболее перспективен электропривод переменного тока с синхронными электродвигателями. В данном случае, в отличие от асинхронного электропривода, для стабилизации средней частоты вращения не требуется введение специальных корректирующих звеньев, так как её величина полностью определяется частотой напряжения питания электродвигателя. Наряду с требованиями стабилизации средней частоты вращения, в последние годы к электроприводу предъявляют требование обеспечения равномерности вращения ротора в пределах одного оборота, т.е. к стабилизации мгновенной частоты вращения. Особенно важным является вопрос равномерности вращения роторов для электродвигателей работающих в режиме электрического вала, где от синхронности работы каждого из двигателей зависит качество выпускаемой продукции.
Для привода малой мощности, работающего в системе точного задания частоты вращения, перспективно применение в качестве силового агрегата синхронно-реактивного электродвигателя (СРД). Упрощение конструкции электрической машины и, следовательно, всей структуры силовой части полностью компенсирует в этом случае снижение энергетических и механических характеристик электропривода. Для многих теоретических и практических вопросов создания регулируемых электроприводов с СРД в настоящее время найдены решения, позволяющие на практике осуществить построение систем точного задания частоты вращения наиболее целесообразным образом. Однако ряд возникающих при этом проблем полностью не решен и требует дополнительных исследований.
Следует отметить, что не достаточно изучен ряд теоретических вопросов, связанных с процессом преобразования энергии в МТС с СРД, мощность которых соизмерима с мощностью источника питания. Не определены однозначные требования и рекомендации по проектированию и расчету схемы и конструкции отдельных элементов, а также всей МТС в целом, позволяющие создавать системы с высокой точностью и стабильностью мгновенной частоты вращения.
Для устройств точного задания частоты вращения с СРД представляет интерес исследование влияния несинусоидальности выходного напряжения преобразователя частоты на мгновенную частоту вращения двигателя в более широком диапазоне регулирования. Необходимо определить, на каких скоростях следует принять дополнительные меры по стабилизации момента и частоты вращения, а в каких случаях можно пренебречь пульсациями мгновенной частоты вращения вала привода.
Анализ причин, вызывающих нестабильность мгновенной частоты вращения, показывает, что наибольшее влияние на равномерность мгновенной частоты вращения высокоточных приводов с СРД оказывает непостоянство электромагнитного момента, развиваемого двигателем в течение оборота вращения ротора из-за ряда причин. Основной среди них является питание частотно-регулируемого двигателя от статического преобразователя частоты с конечными параметрами цепей питания и управления.
Все эти вопросы по мнению автора недостаточно рассмотрены и представляют определенный интерес.
Для решения поставленной задачи необходимо рационально выбрать или разработать математическую модель синхронно-реактивного электропривода, а также методику и средства для её исследования.
Следует отметить, что математическое моделирование и проектирование современных структурированных МТС значительно усложняется. Это определяет актуальность задачи совершенствования известных и разработки новых специальных моделей, которые в первую очередь ориентированы на
7 применение современных вычислительных средств и компьютерных технологий исследований. Подобный подход к исследованию позволяет с максимальной точностью учесть все существенные особенности реальных электромагнитных и полупроводниковых устройств, входящих в состав МТС, проанализировать динамику процесса электромеханического преобразования энергии с минимальными допущениями. Так же важное значение приобретают вопросы рациональной записи системы дифференциальных уравнений МТС с целью организации их эффективного решения на средствах вычислительной техники, создания специальных пакетов программ, осуществляющих численное или иное моделирование процессов в системе. Подобный подход к моделированию не исключает применение аналитических преобразований на отдельных этапах исследования с целью сокращения доли численной переработки. Подобные аналитические преобразования эффективны на этапе исследования электрической схемы МТС, где они преследуют цель снижения порядка системы дифференциальных уравнений и, соответственно, уменьшения времени их решения на ЭВМ.
Целью работы является совершенствование методов исследования установившихся электромеханических процессов в МТС с СРД, предназначенных для работы в электротехнических системах точного задания частоты вращения, позволяющее осуществить рациональный выбор параметров привода при заданной точности поддержания средней и мгновенной частот вращения электродвигателя.
Задача научного исследования диссертации заключалась разработке компьютерной модели частотно-регулируемой МТС с СРД для исследования влияния параметров системы электропривода и механической нагрузки на его мгновенные электромеханические характеристики, и, в первую очередь, на пульсации частоты вращения в установившихся режимах работы.
Данная задача была решена в следующих направлениях: проведение анализа конструкций, функциональных схем и характеристик существующих электротехнических систем точного задания частоты вра-
8 шения, концепций их развития и совершенствования, современных методов их анализа, формулировка задач исследования и общих путей их решения;
разработка математических моделей отдельных звеньев и всей МТС с СРД в целом во временной области и естественной системе координат с использованием понятий переключающих функций полупроводниковых вентилей для цели компьютерного исследования переходного процесса электромеханического преобразования энергии в них;
создание компьютерной модели МТС с СРД в среде Delphi, разработка основных принципов задания параметров, законов изменения и взаимосвязи основных компонент модели, позволяющей исследовать влияние всех основных её параметров на пульсации мгновенной частоты электропривода;
анализ влияния пульсации напряжения в звене постоянного тока, параметров механической нагрузки на процессы в регулируемых МТС с СРД на пульсации мгновенной и величину средней частот вращения электродвигателя, исследование основных закономерностей этого процесса, определение допустимой величины пульсаций и выдача рекомендаций по рациональному выбору параметров привода;
анализ результатов компьютерного моделирования и экспериментального исследования, макетирования и внедрения.
Методы исследования базировались на теории дифференциальных уравнений, методе использования переключающих функций полупроводниковых коммутаторов, компьютерных методах моделирования с использованием специальных моделей на языке Delphi. При экспериментальном исследовании использовано осциллографирование токов и напряжений, определены средний электромагнитный момент, средняя и мгновенная частоты вращения привода.
Научная новизна. В процессе исследований получены следующие новые научные результаты, выносимые на защиту:
Сформулированы подлежащие решению актуальные задачи и намечены общие пути из решения, разработан новый принцип компьютерного анализа МТС с СРД и явно выраженным звеном постоянного тока, в результате чего создана эффективная численная модель системы электропривода, позволяющие точно определить мгновенные характеристики процесса электромеханического преобразования энергии в ней.
Разработана математическая модель переходных электромеханических процессов в МТС с СРД во временной области и естественной системе координат для целей компьютерного исследования методом прямого программирования на языке Delphi.
Исследован процесс электромеханического преобразования энергии в компьютерной модели МТС с СРД, определены основные его характеристики для случая работы электропривода в системе точного задания частоты вращения, проанализировано влияние цепей управления и питания, а также механической нагрузки на эти характеристики, обоснованы границы применимости модели.
С помощью компьютерной модели проанализирован ход кривых мгновенной частоты вращения в установившемся режиме работы электропривода, что позволило получить важную информацию об изменении величины её пульсаций в течение нескольких периодов напряжения. Сделан вывод, что неравномерность кривой мгновенной частоты вращения прежде всего связана с пульсациями напряжения на выходе звена постоянного тока из-за конечной величины коэффициента сглаживания электрического фильтра. Отмечено, что в кривых мгновенной частоты явно проглядывается амплитудная модуляция с частотой выпрямленного напряжения.
Дана оценка результатов численных исследований, макетирования и внедрения.
Обоснованность и достоверность полученных результатов и вытекающих из них выводов обеспечена в рамках принятых математических моделей использованием современных численных методов математики, механики,
10 электротехники и автоматического управления, а также проверкой расчетных результатов многочисленными экспериментами. Математическое моделирование основано на общепринятых уравнениях электротехники, электромеханики, электроники, численных методах, методах программирования на алгоритмических языках высокого уровня.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
Разработанный и обоснованный подход к расчету характеристик МТС с СРД в виде единой электротехнической системы позволяет значительно повысить точность и достоверность получаемых результатов, создать эффективную методику проектирования отдельных звеньев и всей МТС в целом, с помощью которой можно быстро сконструировать систему с рациональными параметрами и рассчитать основные характеристики процесса электромеханического преобразования энергии в ней.
Разработанная методика исследования и расчета переходного процесса электромеханического преобразования энергии в МТС с СРД на основе численного метода высокого уровня и созданные по ней машинная программа расчета позволяют точно определить широкий класс электрических и механических характеристик системы точного задания частоты вращения.
Выполнен анализ количественного влияния параметров цепей питания и законов управления МТС, а также вида механических характеристик привода на электрические и механические характеристики СРД, позволивший дать практические рекомендации по выбору и проектированию параметров отдельных элементов системы с учетом влияния их друг на друга для создания систем с рациональными структурой и характеристиками.
Реализация результатов. Разработанные методы, алгоритмы, расчетные методики и устройства использовались: в ОАО "Нефтехимпроект" г. Казань и в Казанском государственном технологическом университете при разработке, изучении и исследовании электроприводов с точным заданием частоты вращения.
Апробация работы.. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на всероссийской научной конференции "Динамика нелинейных электромеханических и электронных систем." (Чебоксары,
ЧГУ2001 г.), на 12 научно-технической конференции "Электроприводы пе
ременного тока" (г. Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2001 г.), на XIII и XIV все
российских межвузовских научно-технической конференциях "Внутрика-
мерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, эко
логия" (г. Казань: КФВАУ, 2001 и 2002 г.), на научно-технических и учебно-
методических конференциях и семинарах КГТУ (КХТИ) г. Казань.
* По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключе
ния, списка литературы, включающего 160 источников. Работа содержит 135
страниц основного текста, 45 рисунков и 1 приложение.
