Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Индуктивные реостаты в схемах управления асинхроннъск электродвигателей
1.1. Физические основы работы индуктивных реостатов и их использования в асинхронных электроприводах 8
1.2. Конструкция дросселей для асинхронных электроприводов. Методика расчета их параметров 19
1.3. Экспериментальное исследование дросселей
1.3.1. Влияние тока обмоток на сопротивление дросселей 26
1.3.2. Влияние частоты на сопротивление дросселей 28
1.3.3. Распределение магнитного потока по магнитопроводу дросселя 31
1.3.4. Влияние температуры на параметры дросселя 37
1.4. Рекомендации по конструированию дросселей 40
1.5. Выводы 44
Глава 2. Применение дросселей для формирования пуско-тормозных режимов асинхронных электроприводов
2.1. Требования к пуско-тормозным режимам асинхронного электропривода 46
2.2. Расчет характеристик дроссельного электропривода 48
2.3 Экспериментальное исследование асинхронного электропривода с дросселем в роторной цепи 55
2.4. Выводы 64
Глава 3. Применение тиристорных регуляторов для регулирования скорости асинхронного электродвигателя
3.1. Обзор современного состояния асинхронных регулируемых электроприводов на примере крановых механизмов 65
3.2. Принцип регулирования скорости тиристорным регулятором 73
3.3. Принципиальная схема тиристорного регулятора скорости 84
3.4. Расчет механических и электромеханических характеристик регулируемого дроссельного электропривода 87
3.5. Экспериментальное исследование дроссельного регулируемого асинхронного электропривода 94
3.6. Выводы 98
Глава 4. Автоматизация дроссельного электропривода кранового механизма подъема
4.1. Требования к дроссельному электроприводу подъема крановых механизмов. Постановка задачи на автоматизацию 100
4.2. Система автоматизации дроссельного электропривода механизма подъема 103
4.3. Алгоритм автоматизации управления крановым механизмом подъема 115
4.4. Экспериментальное исследование системы автоматизации электропривода кранового механизма подъема 119
4.5. Выводы 123
Заключение 124
Литература 126
Приложение 138
- Конструкция дросселей для асинхронных электроприводов. Методика расчета их параметров
- Экспериментальное исследование асинхронного электропривода с дросселем в роторной цепи
- Расчет механических и электромеханических характеристик регулируемого дроссельного электропривода
- Требования к дроссельному электроприводу подъема крановых механизмов. Постановка задачи на автоматизацию
Введение к работе
Актуальность работы. В крановых механизмах преобладают электроприводы сдвиателями с фазным ротором. Электропривод с индуктивным реостатом (дросселем) в роторной цепи получил широкое распространение в крановом электроприводе, по крайней мере, в странах СНГ. Достоинствами дроссельного привода являются простота, дешевизна, ремонтопригодность, эксплуатационная надежность за счет отсутствия пуско-регулирующей аппаратуры в цепи ротора и снижение динамических ударов в механической части привода. Дроссельный электропривод позволяет ограничивать ток при пуске двигателя и регулировать величину пускового момента за счет изменения числа витков дросселя.
Дроссели и методы их расчета разрабатываются разными учеными страны, включая работы предшественников в ЮУрГУ, МГМИ, теоретическим фундаментом таких расчетов являются работы ученых МЭИ во главе с А.В. Нетушилом. В работе предложена методика расчета полного сопротивления дросселя, которая базируется на работах этих ученых.
На кафедре электропривода ЮУрГУ предложен простой, но принципиально новый способ регулирования и скорости асинхронного двигателя с фазным ротором [40]. Этот способ отличается тем, что для каждого тиристора в роторной цепи момент включения определяется независимо от остальных. При этом достигается малая величина пульсаций момента, так как они соответствуют трехкратной частоте пульсаций напряжений ротора. Работа электропривода осуществляется при малых моментах нагрузки в импульсном режиме, а при больших моментах в фазовом режиме.
Такому приводу характерна высокая плавность регулирования (без ударов момента). По плавности регулирования электропривод сравним с
5 приводом постоянного тока. Также достоинством электропривода является его схемная простота и высокая эксплуатационная надежность.
Для того чтобы положительные качества предлагаемого способа регулирования раскрылись в полной мере, необходима соответствующая методика расчета статических характеристик этого электропривода. В работе предложена методика расчета статических режимов, приведены результаты испытаний электропривода в лабораторных условиях и в условиях производства.
Целью работы является разработка методики расчета характеристик электропривода с новым способом регулирования скорости, исследование статических режимов работы такого электропривода на лабораторном стенде и в условиях производства.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: исследование физических процессов, происходящих при протекании по обмотке дросселя переменного тока; создание методики расчета полного сопротивления дросселя; - построение математической модели электропривода с дросселем и тиристорным регулятором скорости для расчета квазистатических характеристик; разработка методики расчета статических характеристик электропривода с дросселем; экспериментальное исследование статических характеристик электропривода с дросселем и регулятором скорости на лабораторном стенде и в условиях производства; - разработка алгоритма управления дроссельного электропривода с регулятором скорости с использованием программируемого контроллера.
Научная новизна заключается в следующем: - создана математическая модель нового способа регулирования; - разработана методика расчета квазистатических характеристик электропривода с дросселем и тиристорным регулятором скорости;
На защиту выносятся следующие основные результаты: инженерная методика расчета полного сопротивления дросселя; способ регулирования скорости двигателя с фазным ротором; методика расчета статических характеристик электропривода с дросселем и регулятором скорости; способ решения проблемы спуска с малой скоростью груза, развивающего малый статический момент.
Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечивается сопоставлением расчетов, полученных с помощью математической модели и реальных испытаний электропривода.
Практическая ценность работы. Электропривод с дросселем и регулятором скорости был успешно внедрен на различных промышленных предприятиях России (Челябинский трубопрокатный завод, «Производство строительных конструкций» г. Сургут Нижнетагильский металлургический комбинат, Нижнесергинский метизно-металлургический завод) и стран ближнего зарубежья (Харьковский завод ПТО).
Разработанная программа на основе математической модели является основой расчета характеристик электропривода, которые будут получены при работе электропривода на реальном объекте.
Предложено программное обеспечение для программируемого контроллера, реализующее алгоритм работы автоматизированного электропривода.
Созданный электропривод предназначен для установки на мостовых кранах всех механизмов и работы в тяжелых условиях цехов металлургических предприятий. Планируется массовый выпуск автоматизированных электроприводов на базе ООО «Горнозаводское объединение» (г. Челябинск).
Личный вклад автора
Предложена математическая модель асинхронного электропривода с дросселем и тиристорным регулятором.
Проведены экспериментальные исследования на лабораторном стенде и в условиях производства, сопоставлены расчетные и экспериментальные данные.
Разработан алгоритм автоматизации дроссельного асинхронного регулируемого электропривода.
Создано программное обеспечение для программируемого контроллера, реализующего спуск любого груза с заданной скоростью.
Изготовлен автоматизированный электропривод на основе, разработанных алгоритмов.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на тринадцатой научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока» ЭППТ-05, организованной Уральским государственным техническим университетом г. Екатеринбург, а также на международной конференции «Перспективы рынка подъемных сооружений в контексте интеграционных процессов ЕЭП, ВТО и ЕС» г. Одесса.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ в периодических изданиях, в сборниках научных трудов и в сборниках тезисов докладов научно-технических конференций. _ Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, списка литературы из 137 наименований. Общий объем составляет 136 страниц. Работа включает в себя 58 рисунков и 16 таблиц.
Конструкция дросселей для асинхронных электроприводов. Методика расчета их параметров
Конструкция дросселя показана на рис. 1.9. Такая конструкция аналогична конструкции трехфазного трансформатора стержневого типа.
Отличия имеются только в конструкции магнитопровода. Дроссель состоит из трех труб 2 из электротехнической стали, покрытых изоляционным материалом. На каждую трубу намотана обмотка 4 из медного, изолированного провода. Намотка осуществляется плотно виток к витку, при необходимости в два слоя. Каждая обмотка имеет отпайки 5 для точной настройки пуско-тормозных режимов работы электропривода. Швеллеры 1 и 3 служат для замыкания пути магнитного потока, создаваемого при работе дросселя, а также для фиксации сердечников друг относительно друга
В швеллерах вырезаны отверстия диаметром близким к диаметру сердечников, для улучшения их охлаждения. Имеются также отверстия для монтажных работ при установке дросселей. Такая конструкция дросселей наиболее проста в изготовлении и находит широкое применение.
Так как конструкция дросселя уже определена, то для использования его в асинхронных электроприводах необходимо определить число витков, а затем рассчитать полное сопротивление 2др. Зная полное сопротивление можно определить ток, протекающий в роторной цепи электродвигателя. Основная задача дросселя состоит в том, чтобы ограничить этот ток при пуско-тормозных режимах работы. Поэтому зададимся напряжением, приложенным к дросселю, в начальный момент времени, когда скорость равна нулю, а частота тока равна 50 Гц.
Предположим, к дросселю, имеющему длину трубы / и диметр D, приложено напряжение Ui и требуется ограничить ток значением 12. Тогда полное сопротивление дросселя
Формула (1.14) получена автором [1] на основании практических исследований ферромагнитных материалов и применима при резком проявлении поверх остного эффекта для всех ферромагнитных материалов.
Рассмотрим магнитную характеристику стали, которая применяется в сердечнике дросселя [114, 134]. Как видно из рис. 1.10 магнитная характеристика существенно нелинейна. В зоне, где формула (1.14) дает хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных, магнитную характеристику можно представить выражением М = а + Ь-Н
Для нахождения коэффициентов а и Ъ возьмем две точки на рабочем участке магнитной характеристики. При Я=10 А/см / =900, а при Н= 30 А/см //=410. Подставляя эти значения в выражение (1.15) получим систему уравнений
Экспериментальное исследование асинхронного электропривода с дросселем в роторной цепи
Экспериментальное исследование преследовало следующие цели:
1) получить и оценить вид механических и электромеханических характеристик асинхронного электродвигателя
2) сопоставить экспериментальные характеристики с расчетными, полученными по приведенной выше методике
3) сопоставить характеристики при введении в цепь ротора только активного сопротивления R, только индуктивного сопротивления X с характеристиками при введении в цепь ротора дросселя.
Исследования проводились на лабораторной установке. Она состояла из дросселя, конструкция которого, аналогична конструкции на рис. 2.3 Дроссель подсоединялся к ротору исследуемого асинхронного двигателя М типа MTF 111-6 с номинальными данными, приведенными в табл. 2.1. Создания момента нагрузки на валу асинхронного двигателя осуществлялась нагрузочным устройством НУ, представляющем собой двигатель постоянного тока с тиристорным преобразователем. НУ, имело индикацию момента М на валу и частоты вращения вала w. Измерение проводили измерительными комплектами К50, включенными в цепь статора и ротора исследуемого двигателя. Комплекты позволяли, производит измерение токов, напряжений и мощностей в этих цепях. На рис. 2.3 приведена схема лабораторной установки.
Схема лабораторной установки В табл. 2.2 приведены экспериментальные и расчетные механические характеристики при изменении числа витков дросселя. В программу расчета вводились номинальные данные двигателя и данные дросселя. Задавая различное число витков дросселя, получали семейство расчетных характеристик. Эти расчетные характеристики сводились в таблицу вместе с экспериментальными характеристиками. По этой таблице производилось построение графиков экспериментальных и расчетных механических характеристик (рис. 2.4).
Сопоставление расчетных и экспериментальных характеристик позволило сделать вывод о хорошем качественном и удовлетворительном количественном их расхождении.
Также производились исследования при пониженном напряжении питания исследуемого двигателя. Лабораторная установка не претерпевала каких-либо изменений, только вместо -380 В на статор электродвигателя подавалось -220 В. Это было также учтено в программе расчета характеристик. Первоначальна была получена естественная характеристика двигателя, т.е. при отсутствии дросселя (WflP=0). Затем было получено семейство механических характеристик при изменении числа витков дросселя (рис. 2.5).
Расчет механических и электромеханических характеристик регулируемого дроссельного электропривода
В главе 2 диссертации приведен расчет характеристик электропривода с дросселем в роторной цепи. Для расчета характеристик с дросселем и регулятором скорости необходимо учесть, что в каждую фазу ротора включаются тиристоры, каждый из них управляется своей системой импульсно-фазового управления.
На рис. 3.16. показана схема замещения роторной цепи двигателя с учетом дросселя и регулятора скорости. Регулятор скорости учитывается введением в роторную цепь тиристоров в каждую фазу и системы управления этими тиристорами. На рис. 3.16 показана только система импульсно-фазового управления тиристором VTa, остальные СИФУ учитываются аналогично. Она состоит из потенциометра RP1, который является потенциометром задания скорости. С него формируется напряжения задания С/цд. Первичные обмотки трансформаторов TV1 и TV2 подключены к напряжению на кольцах ротора. Напряжение, снимаемое с вторичной обмотки трансформатора TV 1 через выпрямитель на диодах VD1-VD4, образует напряжение С/ш. Согласно с напряжением обратной связи включено напряжение U с вторичной обмотки трансформатора TV2. Напряжение задания ІІзлд включено встречно сумме напряжений U и Uon-Напряжение управления тиристором будет равно Uy= U + Uon - ЗАД
Тиристор представляет сбой нелинейный элемент. Расчет цепей с такими элементами выполняется путем аппроксимации отдельных участков отрезками прямых линий или аналитической функцией[ 10,80,94, 118,125].
Для расчета роторной цепи приняты следующие допущения:
- к входам обмоток фаз ротора приложена ЭДС ротора синусоидальной формы;
- каждый тиристор в фазах роторной цепи заменен на резистор сопротивлением Rt. Это сопротивление, в зависимости от того, открыт тиристор или закрыт, принимает значение:
Rt=0.00\ Ом (тиристор открыт); #/=100 кОм (тиристор закрыт). Схема замещения с учетом допущений представлена на рис. 3.17.
Первоначально определяется ЭДС ротора по методике изложенной в п. 2.2. главы 2. Действующие значение ЭДС ротора Ег определяется из соотношения
где s - скольжение в данной точке расчёта;
ке - коэффициент приведения роторной цепи к статорной.
Расчет ведется в функции скольжения. При этом определяются мгновенные значения напряжений и токов в течение 4 периодов ЭДС при данной частоте. Количество шагов определяется из выражения
Тогда мгновенные значения ЭДС фаз ротора вычисляется по формуле: еа = 1Л\- E2 -5111(2-7:-/2 )
л eb = lAl-E2-sm(2-K-f2-2-7r/3) (3.16)
ec = \A\-E2 -sm{2-7t-f2 + 2-7r/2)
В схеме на рис. 3.4. имеется три контурных тока i\, /2, /3, которые охватывают соответсвенно фазы АВ, ВС, СА. Система дифференциальных уравнений имеет вид
Требования к дроссельному электроприводу подъема крановых механизмов. Постановка задачи на автоматизацию
В рассматриваемом дроссельном асинхронном электроприводе для создания пуско-тормозных режимов используется дроссель, а пониженные скорости обеспечиваются тиристорным регулятором [47,48]. Поэтому для этого привода наиболее привлекательным является режим торможения противовключением. При воздействии только на роторную цепь, возможно, регулирование скорости только в двух квадрантах. Необходимо обеспечивать реверс электродвигателя для работы во всем диапазоне. На рис. 4.1. представлены механические характеристики дроссельного электропривода с двумя высокими и с двумя низкими скоростями подъема и спуска груза.
Характеристика 1 - естественная дроссельная механическая характеристика для быстрого подъема груза. Характеристика 2 -искусственная дроссельная характеристика для медленного подъема груза (выборки канатов при подъеме). Характеристика 3 - искусственная для медленного спуска груза. Характеристика 4 - естественная дроссельная для быстрого спуска груза и быстрого спуска порожнего крюка.
На рис. 4.1. показаны также моменты, воздействующие на электропривод. Здесь Мгк момент, создаваемый грузом и крюком , момент создаваемый порожнем крюком Мк и момент трения в механизме подъема крана Мур. Момент Mjp имеет реактивный характер и поэтому его знак изменяется с изменением направления вращения электропривода.
При подъеме груза с со і и малой 2 скоростями электродвигатель преодолевает суммарный момент Мпс +Мтр. При спуске груза с посадочной скоростью сс»з электродвигатель включен на подъем, но под действием разности моментов Мгк -Мтр работает в режиме торможения противовключением (тормозной спуск). При спуске груза с большой скоростью cos электродвигатель включается в направлении спуска и работает в режиме рекуперативного торможения на естественной дроссельной характеристике.
Порожний крюк, развивающий активный статический момент Мк, зачастую не в состоянии преодолеть момент трения Мр?, развиваемый механизмом подъема, и спуск крюка на характеристике 3 с низкой посадочной скоростью проблематичен. Спуск порожнего крюка или с малым при работе электродвигателя в двигательном режиме в направлении спуска.
Однако, как показала практика при работе с крановыми механизмами подъема, стоит только начать движение вниз порожнего крюка, как резко уменьшается момент трения МТР И становится возможным переход на тормозной спуск на характеристике 3. Однако, из-за изменения внешних условий это не всегда возможно.
Как отмечалось выше, возникает проблема спуска с малой скоростью порожнего крюка или крюка с малым грузом. Здесь «вмешивается» непостоянство момента трения кранового механизма, а вернее момент трогания механизма. Зависимость момента трения от скорости достаточно сложна и как показал обзор литературы, для каждого механизма эта зависимость определяется экспериментальным путем. Так, например, в [41] представлена зависимость момента трения от скорости движения МТР= f(co) (рис.4.2). На указанном рисунке М0 - момент трения покоя, Мс - момент сухого трения, Ма - момент скоростного трения.
Как видно из рис. 4.2 зависимость момента трения от скорости имеет сложный характер. При скорости равной нулю (момент трогания) момент трения равен Мо. Затем при увеличении скорости момент трения спадает и достигает значения Мст. С дальнейшим увеличением скорости момент трения начинает возрастать.
Выше указывалось, что можно в ряде спускать с малой скоростью и малый груз. Для этого машинист крана должен включить командоаппарат (КА) в положение 2С, т.е. начать силовой спуск, а затем уже при движении на спуск переключить КА в положение 1С. Как поведет себя подъем трудно предсказать. Возможно, что груз будет опускаться с малой скоростью, а может просто остановиться. Все будет зависеть от величины момента, создаваемого грузом, и от изменения момента трения после трогания.
Желательно, чтобы машинист крана не задумывался в какое положение ставить КЛ при спуске груза. Нужно чтобы при постановке КА в положение 1С любой груз спускался с малой скоростью.
Исходя из всего выше перечисленного, можно составить требования к дроссельному асинхронному электроприводу кранового механизма подъема:
- электропривод должен обеспечивать создание пуско-тормозных режимов работы в соответствии с технологическими требованиями работы кранового механизма;
- должны создаваться пониженные скорости спуска и подъема груза;
- работа привода должна осуществляться во всех четырех квадрантах, т.е. обеспечиваться реверс двигателя;
- необходимо обеспечить спуск любого груза на пониженной скорости;
- электропривод должен содержать все защиты предусмотренные правилами эксплуатации крановых механизмов.
Для удовлетворения перечисленных выше требований был создан автоматизированный дроссельный асинхронный электропривод. Обеспечение пуско-тормозных режимов осуществлялось дросселем, создание пониженных скоростей - тиристорным регулятором скорости, реверс двигателя - тиристорным реверсором, а управление реверсором и регулятором скорости осуществлялось программируемым контроллером.
Функциональная схема автоматизированного дроссельного электропривода с тиристорным регулятором скорости (рис. 4.3) включает в себя:
- командоаппарат КА;
- программируемый контроллер ПК;
- датчика напряжения ротора;
- реверсор;
- асинхронный электродвигатель М;
- дроссель L1...L3;
- тиристорыVS1...VS3;
- источник питания БП;
Командоаппарат в простейшем случае имеет пять положений. Два положения 1П и 2П — на подъем, два положения 1С и 2С - на спуск и нулевое положение 0П. При необходимости нескольких пониженных скоростей на подъем и на спуск требуется введение дополнительных положений командоаппарата.
Программируемый контроллер получает информацию о положении командоаппарата КА, о значении напряжения на кольцах ротора электродвигателя. Анализируя полученную информацию, контроллер выдает управляющие команды вверх (В) или вниз (Н) на реверсор. Реверсор подключает статорную обмотку двигателя М соответственно для вращения на подъем или на спуск. На программируемый контроллер возлагается также функции выдачи в зависимости от сложившейся ситуации задания скорости электропривода на РСТ. Эти задания скорости устанавливаются программным путем, т.е. задаются жестко в процессе создания программы для контроллера, или устанавливаются внешними потенциометрами, воздействующими на входы программируемого контроллера, и могут быть изменены в процессе работы электропривода.
Похожие диссертации на Крановый электропривод с тиристорным управлением на базе асинхронного двигателя с фазным ротором
