Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ конструктивных схем многодвигательных электромеханических систем рекуперации электрической энергии подъемно-транспортных механизмов, методов моделирования, расчета параметров и их надежности 12
1.1.Анализ конструктивных схем и условия их эксплуатации 12
1.2. Методы моделирования переходных процессов, расчета параметров и их наджности 22
1.3. Цели и задачи исследования 31
1.4. Выводы 32
2. Определение показателей надежности и условий их реализуемости 34
2.1. Методика определения уровня надежности 34
2.2. Определение условий реализуемости конструкционной и функциональной надежности 36
2.3. Расчет показателей надежности 40
2.4. Выводы 42
3. Разработка новых технических решений поповышению эффективности систем рекуперации электрической энергии в многодвигательных 44
3.1. Разработка новых технических решений 44
3.2. Моделирование переходных процессов 59
3.3. Исследование математической модели для определения рациональных параметров для параметрического ряда электротехнических систем рекуперации электрической энергии с учетом резервирования универсальных устройств накопления электрической энергии и дозированного питания 66
3.4.Выводы 76
4. Экспериментальные исследования при применении устройств рекуперации электрической энергии в многодвигательных электромеханических системах подъемно-транспортных механизмов 78
4.1. Планирование эксперимента, методика и аппаратура исследования 78
4.2. Экспериментальное исследование 87
4.3. Методика и расчет экономической эффективности 90
4.4. Выводы 93
Заключение 95
Библиографический список 97
- Методы моделирования переходных процессов, расчета параметров и их наджности
- Определение условий реализуемости конструкционной и функциональной надежности
- Исследование математической модели для определения рациональных параметров для параметрического ряда электротехнических систем рекуперации электрической энергии с учетом резервирования универсальных устройств накопления электрической энергии и дозированного питания
- Методика и расчет экономической эффективности
Методы моделирования переходных процессов, расчета параметров и их наджности
Система рекуперации электрической энергии многодвигательного подъемно-транспортного оборудования обеспечивает преобразование кинетической энергии торможения в электрическую энергию за счет работы двигателей в генераторном режиме. Анализ конструктивных схем показывает, что имеют место конструктивные схемы с зависимым и независимым исполнением электромеханических систем многодвигательных подъемно-транспортных механизмов в зависимости от применяемой технологии их использования [6,7, 28, 44, 41, 45, 46, 49, 50, 51,52].
На рис. 1.1.1 представлены обобщенные электромеханические система с зависимым исполнением кинематики многодвигательных подъемно-транспортных механизмов. Непрерывность действия конструктивных схем с зависимым исполнением электромеханических систем многодвигательных подъемно-транспортных механизмов обеспечивает высокую производительность машин и определяет простоту и высокую надежность применяемых систем электропривода.
На рис.1.1.2 представлена схема тормозной рычажной передачи электровоза, показывающей функциональные связи между генераторами для двухколесных пар электровоза. Схемы централизованного электроснабжения пассажирских вагонов электромеханических систем с зависимым исполнением кинематики многодвигательных подъемно-транспортных механизмов представлена на рис. 1.1.3. Рис. 1.1.1.Обобщенные кинематические схемы приводов электровозов
При работе зависимых электромеханических систем многодвигательных подъ емно-транспортных механизмов при рекуперации электрической энергии требуется синхронизация работы электродвигателей для устранения динамических нагрузок на исполнительных органах электромеханических систем многодвигательных подъемно транспортных механизмов [46, 53, 54, 55]. Динамические нагрузки на исполнитель ных органах электромеханических систем многодвигательных подъемно транспортных механизмов за счет функциональных связей с валом электродвигателей приводят к снижению качества и увеличению потерь электрической энергии, а также ухудшению надежности их работы.
На рис.1.1.4 представлено электротехническое устройство многодвигательного транспортного механизма, применяемое на электрическом транспорте для регулирования скорости тяговых двигателей постоянного тока в режимах тяги и электрического торможения содержащее элементы, обеспечивающие повышение эффективности рекуперативного торможения на низких скоростях работы генераторов при включении тиристора [43]. Рис.1.1.4. Электротехническое устройст во многодвигательного транспортного механизма
Здесь 1 – первый контактор; 2 – тиристор; 3 – второй контактор; 4 – реактор; 5, 6 – якорные обмотки; 7 – третий контактор; 8, 9 – обмотками возбуждения тяговых электродвигателей; 10, 11 – четвертый и пятый контакторы соответственно; 12 – источник питания постоянного тока; 13 – первый диод; 14 – шестой контактор; 15 – второй диод; 16 – седьмой контактор; 17 – восьмой контактор; 18 – резистор; 19 – конденсатор; 20 – третий диод.
Таких конструктивные схемы не предусматривают применение и коммутация универсального элемента накопления электрической энергии, повышающего эффективность работы системы и не предусматривается коммутация с электротехническими устройствами дозированного питания для использования генерируемой электроэнергии для собственных нужд. Необходимо введение устройства накопления электрической энергии, позволяющее выровнять нагрузку электрической энергии, поступающую от генераторов, тем самым снизить перегрузки, упростить конструкцию и накапливать электрическую энергию, вырабатываемой генераторами в процессе рекуперации с последующим применением на собственные нужды по максимальной нагрузке. На рис.1.1.5 представлена схема многодвигательного механизма, относящаяся к области железнодорожного транспорта и применяемая на транспортных средствах с тяговыми двигателями постоянного тока. Многодвигательный электропривод содержит два тяговых электродвигателя 3, 4 постоянного тока, в котором для накопления энергии при торможении многодвигательный электропривод содержится понижающий преобразователь, выполненный на биполярном транзисторе с изолированным затвором 20, диоде 16, дросселе 9 и конденсаторный накопитель 19. В режиме пуска конденсаторный накопитель 19 через повышающий преобразователь, выполненный на биполярном транзисторе с изолированным затвором 17, дросселе 8 и диоде 10, отдает энергию тяговым двигателям через контактор 5, якорные обмотки 3, 4 тяговых двигателей постоянного тока, контактор 14, включенные контакторы 13, 22 реверсора, контактор 18. Преимуществом таких конструктивных схем является то, что многодвигательный электропривод обеспечивает возможность рекуперативного торможения с наилучшим использованием энергетических возможностей конденсаторного накопителя [51].
Определение условий реализуемости конструкционной и функциональной надежности
Необходимо установить функциональные связи параметров в электротехнической системе рекуперации электроэнергии электромеханических многодвигательных подъемно-транспортных механизмов с уровнем и показателями надежности.
Определение условий реализуемости конструкционной и функциональной надежности
Конструктивные элементы системы рекуперации электрической энергии многодвигательных подъемно-транспортных механизмов работают в условиях постоянно изменяющейся, переменной нагрузки в электромеханических системах многодвигательных подъемно-транспортных механизмах, и разрушение электромеханических систем происходит при равенстве пропущенной мощности, необходимой для разрушения, Ан AH = kNAA, (2.2.1) где kN — наибольшее время перегрузки двигателя в генераторном режиме; ДА —номинальная паспортная нагрузка двигателя. Вероятность безотказной работы зависит от величины остаточного запаса прочности обмоток А0з, который может выдержать эксплуатацию нагрузками. То есть коэффициент перегрузки, учитывающий изме Е Е нение нагрузки от номинальной; Е - модуль деформации; д - действующая сила на элементы двигателей системы рекуперации электрической энергии многодвигательных подъемно-транспортных механизмов коэффициент условий работы, учитывающий изменение нагрузки; к0 -коэффициент однородности конструкционных материалов, учитывающий изменение их механических свойств; FH — электродинамическое усилие, действующее на элементы системы в номинальных условиях, которая может быть определена по закону Био-Савара в дифференциальной форме [11] где dFH — вектор силы, действующей на элемент проводника объемом dv, находящейся в поле с индукцией В при плотности тока J. Векторное произведение в правой части равенства показывает, что сила перпендикулярна направлению индукции и направлению плотности тока.
Установлено, что случайная величина действующей нагрузки на элементы системы может подчиняться нормальному закону распределения или закону распределения Вейлбула – закону Релея [11].
Условием реализуемости надежности в этом случае является неравенство (2.2.6). По Ан и к0, и Кн выбирается электродинамическая стойкость для системы рекуперации электрической энергии многодвигательных подъемно-транспортных механизмов.
Поскольку kNH получается путм периодической нагрузки с частотой fH, то срок службы tN получим из равенства
Эти зависимости устанавливают условия реализуемости наджности элементов системы, определяемые свойствами и условиями работы его конструкционных материалов. Условие реализуемости надежности элементов системы, определяемое соответствием их параметров условиям эксплуатации
Следовательно, объединяя зависимости (2.2.6) и (2.2.19) получим условия реализуемости для электромеханических систем механической части конструкционной и функциональной надежности системы [11]
На основе прежних неравенств, функциональные параметры элементов системы определяются на основе их соответствия условиям эксплуатации и обеспечения требуемой величины Т0н
Исходя из структуры взаимосвязанных элементов и устройств системы рекуперации электрической энергии много двигательных подъемно-транспортных механизмов и равной вероятности отказов по общеизвестным зависимостям структурной наджности устанавливается требуемая их вероятность отказов Янм = Ян(Фі) и уровень ее показателей (табл.2.3.1). где ку - коэффициент технического уровня; Рнм -вероятность безотказной работы; tHM -требуемое время безотказной работы; Лнм -допустимая интенсивность отказов; Тонм- требуемое среднее время наработки на отказ; tдп– допустимое время простоя; Кгнм - коэффициент готовности; ктинм - требуемое значение коэффициента технического использования; кп - коэффициент перегрузки, учитывающий изменение нагрузки от номинальной; Кн - коэффициент надежности (запаса) по конструкционному материалу;кт - коэффициент условий работы, учитывающий изменение нагрузки; к0 - коэффициент однородности конструкционных материалов электромеханических систем, учитывающий изменение ее механических свойств [9, 10, 11, 20, 22].
Определенный уровень надежности позволяет установить требуемые значения показателей надежности и условия реализуемости математической модели, обеспечивающий их связь с рациональными конструктивными и функциональными параметрами системы рекуперации электрической энергии многодвигательных подъемно-транспортных механизмов и ее элементов, а также технических решений по повышению эффективности функционирования системы, что должно быть выполнено при их проектировании.
Определены показатели наджности электротехнической системы рекуперации электрической энергии в электромеханических многодвигательных подъемно-транспортных механизмах: Рнм —вероятность безотказной работы; tHM -требуемое время безотказной работы; Анм -допустимая интенсивность отказов; Тонм- требуемое среднее время наработки на отказ; tдп– допустимое время простоя; Кгнм - коэффициент готовности; ктинм - требуемое значение коэффициента технического использования; кп - коэффициент перегрузки, учитывающий изменение нагрузки от номинальной; Кн - коэффициент надежности (запаса) по конструкционному материалу;кт - коэффициент условий работы, учитывающий изменение нагрузки; к0 - коэффициент однородности конструкционных материалов электромеханических систем, учитывающий изменение ее механических свойств.
Исследование математической модели для определения рациональных параметров для параметрического ряда электротехнических систем рекуперации электрической энергии с учетом резервирования универсальных устройств накопления электрической энергии и дозированного питания
Изменение параметров одного из генераторов многодвигательного электропривода приводит с статическим и динамическим ошибкам электромагнитного момента испытуемого генератора и, как следствие, суммарного момента многодвигательных подъемно-транспортных механизмов [2, 49, 61].
Система управления электротехнической системы рекуперации электромеханических подъемно-транспортных механизмов является замкнутой автоматической системой, динамические качества и устойчивость которых рассмотрены с использованием методов теории автоматического управления. С целью упрощения нелинейной системы учитывают только области малых отклонений – линеаризация [14, 15, 16, 17].
Функциональная схема системы рекуперации электрической энергии в электромеханических многодвигательных подъемно-транспортных механизмах Функциональная схема системы рекуперации электрической энергии в электромеханических многодвигательных подъемно-транспортных механизмах представлена с учетом резервирования универсальных накопителей электрической энергии и дозированного питания. Резервирование, осуществляется за счет коммутации универсальных накопителей электрической энергии и обеспечивает прием вырабатываемой электроэнергии от двигателей, работающих в генераторном режиме, как для зависимых, так и независимым исполнением электромеханических многодвигательных подъемно-транспортных механизмов. Вырабатываемая от генераторов электрическая энергия передается через элементы преобразования электрической энергии, содержащих универсальные устройства накопления электрической энергии для питания собственных нужд по максимальной нагрузке. Учитывая попеременную работу генераторов в системе рекуперации электроэнергии многодвигательных подъемно-транспортных механизмов применяется система дозированного питания от сети, осуществляющая коммутацию переключающих элементов при уменьшении нагрузки, фиксируемое датчиком тока, до восстановления требуемого уровня значения тока, задаваемое задающим устройством. На основе функциональной схемы составлена принципиальная электрическая схема системы рекуперации электрической энергии многодвигательных подъемно-транспортных механизмов с учетом резервирования универсальных накопителей электрической энергии и дозированного питания, которая представлена на рис.3.2.2., позволяющая определить полный состав устройств и элементов, связей между ними, обеспечивающих рекуперацию электрической энергии от работы двигателей в генераторном режиме, учитывающая коммутацию резервированных универсальных устройств накопления электрической энергии, питающих объекты собственных нужд по максимальной нагрузке, а также элементы управления системой дозированного питания от сети с учетом попеременной работы двигателей в генераторном режиме.
Здесь QS-QS9 – группы замыкающих и размыкающих ключей; FU1-FU6 – предохранители; L1-L20 – сглаживающие дроссели; КМ-КМ4 – группы контакторов; РТ1-РТ4 – реле тока; L21-L23, C1-C3, QS7 – элементы накопления электрической энергии в системе резервирования электроэнергии системы рекуперации электрической энергии, имеющие возможность заряда накопительной установки с последующим ее разрядом на собственные нужды; ДТ, КМ, QS2, QS3 – датчик тока, контактор, размыкающий и замыкающие группы ключей, обеспечивающие дозированное питание собственных нужд от сети при попеременной работе двигателей М1-М5, работающие в генераторном режиме; ТР – понижающий трансформатор; D1-D18, VT1-VT18 – элементы преобразователей частоты, передающих дополнительно вырабатываемую электроэнергию к объектам собственных нужд; ПЛК – программируемый логический контроллер, обеспечивающий управление коммутацией элементов системы рекуперации электрической энергии многодвигательных подъемно-транспортных механизмов.
На основе анализа систем управления, учитывая передаточные функции асинхронного генератора и транзисторного преобразователя с учетом резервирования и системы управления дозированным питанием составлены структурные схема для систем рекуперации электроэнергии электромеханических систем с зависимым и независимым исполнением кинематики многодвигательных подъемно-транспортных механизмов (рис. 3.2.2; 3.2.3).
Методика и расчет экономической эффективности
Полученные критерии позволяют проследить динамику изменения критериев в зависимости от комбинации применяемых двигателей в генераторном режиме работы системы рекуперации электрической энергии в многодвигательных подъемно-транспортных механизмах и выбрать оптимальный, соответствующий максимальной эффективности и минимальным потерям электроэнергии. Подобная динамика позволяет сформировать топологию применения системы рекуперации электроэнергии в много двигательных подъемно-транспортных механизмах. Задачей обоснования критериев является определение наиболее оптимального его значения для определенной области применения много двигательных подъемно-транспортных механизмов с учетом резервирования универсальных накопителей электрической энергии и дозированного питания, получая при этом зависимости параметров, характеризующие процесс работы.
Аппаратура измерительной системы по оценке режима работы системы рекуперации электрической энергии много двигательных подъемно-транспортных механизмов.
Исследование мощностных, пусковых, энергетических режимов работы в генераторном режиме работы двигателей основано на использовании структурной схемы измерительной системы, представленной на рис. 4.1.4. 4 5 —4 З
Для проведения исследований системы рекуперации электрической энергии многодвигательных подъемно-транспортных механизмов предлагается также измерительная система, состоящая из следующих приборов: осциллографа GDS 2204 с цифровым запоминанием сигнала, позволяющего проводить измерения в диапазоне амплитуд от 2 мВ до 300 В и временных интервалов от 1 нс до 10 с; - цифрового тахометра КМ 6003 для измерения частоты вращения асинхронного электродвигателя, работающего в генераторном режиме; - измерителя мощности, напряжения, токов и гармоник ИРИС-КЭ.04. 4.2. Экспериментальное исследование
Для достижения максимально возможной надежности получения экспериментальных исследований систем рекуперации электрической энергии многодвигательных подъемно-транспортных механизмов с учетом резервирования универсальных накопителей электрической энергии и дозированного питания, необходимо провести экспериментальное исследование для зависимых и независимых электромеханических систем рекуперации электрической энергии многодвигательных подъемно-транспортных механизмов, показывающее универсальность применения накопителей электрической энергии с рекуперацией электроэнергии при торможении совместно с дозированным питанием. видно, что потери, как для зависимых, так и для независимых электромеханических систем рекуперации электрической энергии многодвигательных подъемно-транспортных механизмов имеют расхождение 10%, что подтверждает эффективность применения универсальных накопителей электрической энергии и дозированного питания. Расхождение между теоретическими и экспериментальными исследованиями не превышает 14%, что допустимо в инженерных расчетах.
Результаты экспериментальных исследований подтвердили правильность теоретических и экспериментальных исследований, и, разработанных технических решений по повышению эффективности функционирования электротехнических систем рекуперации электрической энергии электромеханических многодвигательных подъемно-транспортных механизмов. 4.3. Методика и расчет экономической эффективности
Расчет экономической эффективности определялся работой электродвигателей при работе в генераторном режиме в электротехнической системе рекуперации электрической энергии в электромеханических многодвигательных подъемно-транспортных механизмах при опускании и торможении их исполнительных органов. Для расчета экономической эффективности применялась методика, основанная на показателях. Длительность процесса рекуперации электроэнергии в сутки Для прессов с электродвигателем мощностью 18,5 кВт системы процесса прессования время работы по 8 часов в смену (две смены в сутки). Установлена длительность процесса рекуперации 3,5 часа в смену, где ее величина достигает 31%. Тогда за счет энергосбережения имеем 18,5 0,31 3,5 2 22 12=10598 кВт ч., а в рублях 10598 2,5985=27539 руб.
Количество прессов 7 шт., тогда 27539 7=192773 руб. При применении одного комплекта устройства рекуперации электрической энергии разовый экономический эффект составит 237265,6 руб.
Для прессов с электродвигателями мощностью 7,5 кВт системы процесса прессования с их количеством 8 показатели режимов работы аналогичны. Поэтому, за счет энергосбережения имеем 4243,2 кВт ч, что в рублях составит 33945,6 руб. При применении одного устройства рекуперации электрической энергии с дополнительным электротехническим устройством позволяет получить разовый экономический эффект в год 73945,6 руб.
Для 10 прессов с электродвигателями мощностью 3 кВт системы процесса прессования имеем те же самые показатели режима их работы. Поэтому, за счет энергосбережения получим 16972,8 кВт ч., что в рублях составляет 34981,9 руб. При применении одного устройства рекуперации электрической энергии с допол 93 нительным электротехническим устройством позволяет получить разовый экономический эффект в год 74981,9 руб.
Учитывая, что уменьшение количества устройств рекуперации электроэнергии с дополнительным электротехническим устройством дает разовый экономический эффект 2896713 в год, то в среднем срок окупаемости рекуперации электрической энергии на указанных объектах предприятия составляет 0,2-2 года.
