Введение к работе
Актуальность проблемы
Во многих производственных механизмах различных отраслей промышленности и энергообъектов, требующих согласованного вращения нескольких электроприводов, когда по каким-либо причинам нежелательно или невозможно завести обратные связи по выходному продукту или движению, используются электромеханические системы согласованного вращения, так называемые уравнительные схемы, согласование скорости или моментов вращения в которых производится по параметрам самих двигателей в системе. Такие системы на двигателях постоянного тока находят применение в металлургической промышленности для привода рабочих валков прокатных станов, в механизмах поворота конверторных печей и в других случаях. Существуют уравнительные схемы и на основе двигателей переменного тока - это, в первую очередь, системы согласованного вращения асинхронных двигателей типа "электрический вал". Используются эти системы в рабочих механизмах, требующих, главным образом, синхронного вращения нескольких валов, не связанных между собой механически, а также в системах, где необходимо строго регламентированное соотношение скоростей, которое достигается за счет различных передаточных редукторов от привода согласованного вращения. К таким механизмам относятся чесальные аппараты, унифицированные виброплощадки, многодвитательные насосные станции тепловых сетей и ТЭЦ механизмы передвижения тележек различных подъемных и транспортных средств, некоторые типы металлорежущих станков и волочильных станов и т.д.
Основные преобразователи электрической энергии в механическую - асинхронные электродвигатели, на базе которых разрабатывались исследуемые системы, потребляют более 40% всей вырабатываемой электроэнергии и создание высокоэкономичных, надежных схем на их основе является важной народнохозяйственной задачей на современном этапе развития промышленности республики. Силовая полупроводниковая техника позволяет на основе регулируемых электродвигателей переменного тока значительно расширить возможности электромеханических систем согласованного вращения и создать большое многообразие вариантов схем, работающих в экономичных энергосберегающих режимах с более точным согласованием скоростей. Электромеханическими системами согласованного вращения в работе названы сложные электромеханические устройства, состоящие из двух или нескольких взаимосвязанных асинхронных электроприводов, приводящих в синхронное движение или отдельные механизмы одной производственной машины, или несколько технологически связанных в
системе производственного агрегата машин. В этой группе приводов, как в системах с двигателями постоянного тока, можно выделить пассивные и активные схемы многодвигательного электропривода согласованного вращения на базе асинхронных электродвигателей с фазными роторами.
К пассивным схемам отнесены электромеханические системы согласованного вращения, согласование частоты вращения валов в которых производится за счет сравнения роторных ЭДС асинхронных двигателей на общих пассивных элементах. При этом сравнение ЭДС двигателей может вестись как по фазе, так и по амплитуде. Сравнение ЭДС по фазе в этих схемах дает синхронно-синфазное вращение двигателей в системе, сравнение по амплитуде роторных ЭДСпозволяет получить согласованное вращение, точность согласования частоты вращения двигателей зависит от принципа схем сравнения роторных ЭДС
К активным уравнительным схемам отнесены регулируемые электромеханические системы согласованного вращения с дополнительными обратными связями по частоте вращения, углу рассогласования валов двигателей, по амплитуде роторных ЭДС и т.д. Регулирующими воздействиями могут быть - изменение роторной противо ЭДС, роторных токов, параметров питающего напряжения с управлением от разности углов рассогласования и др. К этой же группе можно отнести известные системы электрического вала с поворотными статорами.
Создание и широкое внедрение этого класса
многодвигательных электроприводов согласованного вращения
позволит, при сравнительно невысокой стоимости систем, повысить
качество продукции, производительность машин и агрегатов,
использующих синхронно-согласованное вращение нескольких валов.
Значительное количество энергоемких технологии в республике при
дефиците доступных энергоресурсов и возрастающей сложности
получения энергии, предопределяет необходимость экономии
электроэнергии особенно в основных потребителях-электроприводах
созданных на базе, наиболее распространенных в производстве
асинхронных электродвигателей, в этой связи разработка
энергосберегающих режимов электромеханических систем
согласованного вращения является актуальной.
В связи с этим, по нашему мнению, назрела необходимость в разработке методов анализа и исследования электромеханических систем согласованного вращения как в пассивных, так и в активных вариантах схем, которые позволят сравнивать основные режимы систем с учетом всех параметров, влияющих на их работу, в конкретных производственных машинах. Проведение этих исследований с общих методологических позиций является теоретической основой для разработки и создания современных эффективных и экономичных
многодвигательных электроприводов согласованного вращения.
Работа выполнена на кафедре "Электропривод и автоматизация промышленных установок" Алматинского института энергетики и связи в соответствии с научно-техническими программами, ГКНТ СССР, "Оптимум" МинВУЗа СССР: 03. 02. Н2. "Разработка, исследование и внедрение взаимосвязанных и многодвигательных систем электропривода постоянного и переменного тока"; 04. 01. HI. Н4. "Многодвигательный электропривод переменного тока и многодвигательный электропривод для хлопкопрядения", а также по заказам предприятий народного хозяйства республики.
Цель работы и задачи исследования
Целью работы является разработка методов анализа пассивных и активных электромеханических систем согласованного вращения (ЭМС СВ). Исследование и создание новых экономичных электроприводов согласованного и синфазного вращения на базе электрических машин переменного тока, с использованием силовых полупроводниковых регуляторов, позволяющих реализовать системы с регулированием различных параметров, в соответствии с техническими требованиями механизмов.
Вопросы управления и регулирования отдельными параметрами систем согласованного вращения должны решаться с учетом обостряющейся необходимости энергосбережения.
Указанные цели определили следующие основные задачи диссертационной работы:
систематизировать схемы согласованного, синфазного вращения асинхронных двигателей, выделив в отдельную группу электроприводов;
разработать единый методологический подход к анализу ЭМС СВ, базирующихся на сравнении роторных ЭДС.
разработать математический аппарат для определения основных параметров пассивных и активных схем ЭМС СВ и методы математического моделирования систем, позволяющие рассчитывать и анализировать различные режимы работы;
провести исследование ЭМС СВв различных режимах и с различным соединением элементов систем;
разработать способы формирования и регулирования уравнительных моментов в схемах ЭМССВ;
разработать на базе созданных методик ЭМС СВ с повышенными синхронизирующими моментами и энергетическими показателями;
обосновать и конкретизировать области применения ЭМС СВ в соответствии с технологическими требованиями;
выполнить лабораторные и производственные экспериментальные исследования для проверки достоверности разработанных методов
анализа систем.
Общая методика исследования
Поставленные задачи решены на основе обобщенного подхода к электромеханическим системам согласованного вращения асинхронных двигателей. Исследованию подлежала группа электроприводов, объединенная в отдельный класс по принципу согласования частоты вращения автономных двигателей, работающих в едином комплексе рабочего агрегата. Анализ ЭМС СВ включал решение следующих основных задач:
на базе математического описания работы электрических машин переменного тока разработать методы анализа взаимосвязей электроприводов;
создать единый математический аппарат для пассивных и активных уравнительных схем ЭМС СВ, позволяющий синтезировать новые схемы с повышенными показателями;
исследовать режимы работы ЭМС СВ с целью выявления основных
. параметров, влияющих на согласующие способности системы и ее
энергетические показатели.
Описание поведения систем согласованного вращения осуществлялось посредством общей математической характеристики, дифференциальными уравнениями состояния объекта, выведенными на основе уравнения Парка-Горева. Решение полученных систем уравнений проведено на Э5А/методом Эйлера.
Научная новизна
Научная новизна работы заключается в следующем:
Проведена систематизация группы электроприводов, объединенных в единый класс многодвигательных электромеханических систем согласованного вращения.
Разработан единый математический аппарат, позволяющий произвести анализ и сравнение ЭМС СВ с повышенными синхронизирующими и энергетическими показателями. Теоретические положения, разработанные в диссертации для проведения исследований с общих методологических позиций, являются основой для создания новых эффективных систем согласованного вращения.
Разработан ряд многодвигательных электромеханических систем согласованного вращения, обладающих высокими показателями, защищенные авторскими свидетельствами.
Разработанные методы анализа статических и динамических режимов ЭМС СВ являются универсальными и пригодны для оценки качества регулирования систем с двигателями любой мощности, на основе приведенных в работе графиков.
На защиту выносятся:
разработанная методика расчетов основных характеристик выделенного класса электромеханических систем согласованного вращения асинхронных двигателей, учитывающая все возможные варианты пассивных и активных уравнительных схем;
методика расчета показателей пассивных схем ЭМС СВ с различными элементами в статических режимах, включая универсальные нагрузочные диаграммы, являющиеся общим случаем для всех систем согласованного вращения асинхронных двигателей;
математические модели исследования динамических режимов пассивных ЭМС СВ, указывающие пределы устойчивой работы систем с различным включением пассивных и активных элементов;
методы расчета активных схем ЭМС СВ с управлением по статорным и роторным цепям в установившихся и динамических режимах;
разработанные пассивные и активные схемы ЭМС СВ, пригодные для широкого использования в рабочих механизмах, требующих согласованного вращения;
энергосберегающие режимы работы пассивных и активных схем ЭМС СВи способы их реализации;
результаты экспериментальных исследований ЭМС СВ подтверждающие достоверность теоретических разработок.
Практическая ценность
Практическая ценность состоит в том, что осуществлено комплексное решение научно-технической проблемы анализа и создания на этой базе эффективных электромеханических систем согласованного вращения, обеспечивающих требуемые характеристики конкретных промышленных установок. Разработанные методы расчета ЭМС СВ позволяют провести более точный выбор мощности двигателей для повышения энергетических показателей системы и подобрать необходимый вариант управления в соответствии с технологическими требованиями.
Совокупность полученных теоретических и практических результатов создает предпосылки для применения разработанных и исследованных систем в различных отраслях народного хозяйства и энергообъектов.
Основные положения, отраженные в диссертации, имеют обобщенный характер и могут быть использованы при разработке и создании перспективных и экономичных систем многодвигательного электропривода на основе асинхронных машин с фазным ротором для механизмов, требующих согласованного вращения в процессе производства.
Реализация результатов работы
Основные теоретические положения и практические
рекомендации диссертационной работы внедрены в промышленность,
использованы в научно-исследовательских и проектных институтах.
Разработанная методика использовалась для корректировки режимов
работы многодвигательных электроприводов суконной
промышленности институтом Казтекстильпром.
Новые варианты ЭМС СВ, разработанные автором, нашли практическую реализацию на насосных станциях тепловых сетей, на Карагалинском суконном комбинате в качестве электроприводов трехпрочесных чесальных аппаратов, Нукусском юртовойлочном заводе, Новоузеньском комбинате железобетонных изделий и др.
К диссертации прилагаются акты внедрения некоторых разработанных автором схем ЭМССВс суммарным годовым эффектом 202 тыс. рублей (в ценах до 1990г.) и ожидаемым экономическим эффектом ИЗО тыс. тенге.
Апробация работы
Основные положения и результаты работы доложены и
одобрены на Всесоюзных, международных, республиканских научных,
научно-технических и научно-практических конференциях. В частности:
"Повышение эффективности производства, преобразование и
потребление электрической энергии в народном хозяйстве",
"Интенсификация производства в энергетике и электротехнике",
"Современные проблемы электротехники и автоматизации
технологических комплексов" г. Алматы (1985, 1986, 1990, 1995гг),
Республиканская научно-техническая конференция энергетиков, г.
Ташкент (1974, 197бгг), IX, X Всесоюзная научно-техническая
конференция по проблемам автоматизированного электропривода, г.
Алматы (1984г), г. Воронеж (1987г), Всесоюзная научно-техническая
конференция "Электропривод переменного тока с полупроводниковыми
преобразователями", г. Свердловск (1989г), Всесоюзная научно-
техническая конференция "Современные проблемы электромеханики" г.
Москва (1989г), Всесоюзная научно-техническая конференция
"Современное состояние, проблемы и перспективы энергетики и
технологии в энергостроении" 4-ые Бернандосовские чтения г. Иваново
(1989г), Международная научно-техническая конференция
"Регулируемые электрические машины, г. Варна, Болгария (1990г) и др.
Публикации
Основные результаты выполненных исследований
опубликованы в 50 печатных работах, в том числе: две монографии, 13 авторских свидетельств и 35 статей в зарубежных и республиканских журналах. Кроме этого, материалы работы отражены в 14-ти отчетах по научно-исследовательским работам.
Объем работы
Диссертационная работа в соответствии с введенной классификацией ЭМС СВ состоит из введения, трех разделов, общих выводов и приложений. Общий объем работы 290 с, из них основного текста 272 с, в том числе 97 рисунка и 4 таблицы. Список литературы включает 115 наименований. В приложении представлены результаты практической реализации материалов работы, акты внедрения, расчет экономической эффективности от внедрения систем на производстве.
