Введение к работе
Актуальность работы. Повышение эффективности эксплуатации существующих электроприводов переменного тока экономически выгодно для мощных электроприводов. В основном такой привод оснащается высоковольтным двигателем переменного тока. Критериями такой оценки является количество и суммарно установленная мощность. В большей части привод нерегулируемый. Это обусловлено тем, что применение современной полупроводниковой техники является дорогостоящим решением на данном этапе. С другой стороны тяжелые условия прямого пуска приводят либо к ускоренному износу оборудования, либо к завышению требований к рабочим механизмам, либо оказывает отрицательное влияние на систему электроснабжения и являются основной причиной аварийных остановок, что повышает эксплуатационные затраты до 30%.
В этой связи актуальными продолжают оставаться задачи связанные с разработкой альтернативных способов пуска и управления мощными асинхронными двигателями, внедрение которых не требует значительных экономических ресурсов. При этом значительная роль отводится созданию математических моделей, адаптированных к исследованию электромагнитных и электромеханических процессов в асинхронном приводе, в которых реализуются новые способы пуска.
Системы, построенные на тиристорных регуляторах напряжения (ТРН), при работе искажают форму питающего напряжения, что негативно влияет на функционирование двигателя и питающей сети. Использование преобразователей частоты с частотным или векторным управлением осложняется из-за повышенных требований к емкости и классу напряжения накопителя энергии в звене постоянного тока. Часто для таких преобразователей требуются специальные многофазные трансформаторы. Применение обычных реакторов для управления высоковольтным асинхронными двигателями тоже имеет ряд недостатков, таких как ступенчатое управление, применение сложных коммутирующих аппаратов.
На сегодняшний день проблемы пуска и регулирования мощных асинхронных двигателей с помощью управляемых реакторов достаточно не рассматривались, так как основным назначением разрабатываемых реакторов является регулирование реактивной энергий в сетях высокого напряжения. В связи с этим комплексный подход к повышению эффективности функционирования электротехнических устройств управления мощным асинхронным электроприводом с управляемым реактором является актуальной научной задачей.
Цель работы – повышение эффективности функционирования электротехнических систем с мощными асинхронными электроприводами и регулируемыми реакторами путем обоснования их рациональных параметров, закона и структуры управления ими.
Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи исследования:
-
Анализ конструктивных схем и методов расчета, моделирования и условий эксплуатации мощных асинхронных двигателей и управляемых реакторов.
-
Разработка математической модели системы «асинхронный двигатель – управляемый реактор», учитывающей в комплексе переходные электромагнитные и электромеханические процессы.
-
Исследование математической модели для расчета рациональных параметров системы «асинхронный двигатель – управляемый реактор» и синтеза системы управления.
-
Определение условий реализуемости конструкционной и функциональной надежности электромеханических систем «асинхронный двигатель – управляемый реактор».
-
Разработка методологии определения рациональных параметров электромеханических систем «асинхронный двигатель – управляемый реактор» по критерию надежности, учитывающая ток и момент мощного электродвигателя.
-
Определение структуры и топологии управления электромеханической системой «асинхронный двигатель – управляемый реактор».
-
Численные и экспериментальные исследования режимов работы электротехнической системы «асинхронный двигатель – управляемый реактор» при применении разработанных технических решений устройства управления управляемым реактором.
Идея работы заключается в достижении требуемого уровня значений момента на валу и статорного тока двигателя системы «асинхронный двигатель – управляемый реактор» на основе регулирования индуктивности управляемого реактора и обоснования рациональных параметров электромеханической системы по критерию надежности, закона и структуры управления режимами её работы.
Объектом исследования является электротехническая система «асинхронный двигатель – управляемый реактор» с регулированием индуктивность реактора.
Предметом исследования являются переходные процессы, протекающие в электротехнической системе «асинхронный двигатель – управляемый реактор».
Методы исследования, используемые в работе, основаны на применении теории электрических цепей, автоматического управления, теории надежности технических систем, вероятностей и математической статистики, численных методов и экспериментальных исследований с применением ЭВМ.
Автор защищает:
1. Математическую модель электротехнической системы «асинхронный двигатель – управляемый реактор», учитывающей функциональные связи между характеристиками асинхронного двигателя и управляемого реактора в комплексе учитывающие переходные электромагнитные и электромеханические процессы.
2. Закономерности формирования управляющего воздействия для управляемого реактора, комплексно учитывающие характеристики электромагнитных и электромеханических переходных процессов в системе «асинхронный двигатель – управляемый реактор».
3. Зависимости для расчета рациональных параметров электротехнических систем «асинхронный двигатель – управляемый реактор» и технических решений рациональной структуры управления управляемым реактором на основе исследования её математической модели.
Научная новизна заключается в определении рациональных параметров электротехнических систем «асинхронный двигатель – управляемый реактор», закономерностей формирования структуры и топологии управления ее режимами работы для повышения надежности и эффективности её работы.
Она представлена следующими результатами:
– определены зависимости для расчета рациональных параметров электротехнических систем «асинхронный двигатель – управляемый реактор», учитывающие в комплексе характеристики переходных электромагнитных и электромеханических процессов на основе исследования ее математической модели;
– установлены условия формирования рациональных структуры управления электротехническим системами «асинхронный двигатель – управляемый реактор», обеспечивающие повышение надежности и эффективности их функционирования;
– определены условия реализации математической модели электротехнической системы пускового устройство трехфазного высоковольтного асинхронного двигателя, обеспечивающее пуск и управление мощными высоковольтными двигателями.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы обеспечены обоснованными допущениями, адекватностью результатов теоретических и экспериментальных исследований, расхождения между которыми не превышают 13,5%, что допустимо в инженерных расчетах.
Практическое значение. Разработана методика расчета рациональных параметров электромеханических систем «асинхронный двигатель – управляемый реактор».
Реализация результатов работы. Основные научно-практические результаты диссертационной работы переданы для практической реализации на ЗАО “Производственное объединение Тулаэлектропривод”, а также используются в учебных курсах “Специальные главы электропривода”, “Энергетика электропривода” и “Специальные виды электроприводов” на кафедре “Электроэнергетика” ТулГУ.
Апробация результатов работы.Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных магистерских научно-технических конференциях ТулГУ (г. Тула, 2009 - 2013 гг.), V и VI молодёжной научно-практической конференции ТулГУ МОЛОДЁЖНЫЕ ИННОВАЦИИ (г. Тула, 2011 г.), Пятой международной Школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение-теория и практика» (г. Москва, 2010 г.), VI Международной конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП-2010» (г. Тула, 2010 г.), Международной научно-технической конференции «Энергосбережение-2011» (г. Тула, 2011 г.), 7-ой и 8-ой Международной конференции «Силовая электроника и энергетика» (г. Москва, 2010-2011 г.), VII Международной конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП-2012» (г. Иваново, 2012 г.).
Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 8 статьях, из них 4 в изданиях, рекомендованных ВАК, имеется 1 патент РФ на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка использованных источников из 81 наименований и включает 121 страниц машинописного текста, содержит 57 рисунков и 10 таблиц. Общий объем – 138 страницы.
