Введение к работе
Актуальность работы. Средства малой механизации (СММ) находят широкое и разнообразное применение в различных отраслях промышленности, сельского хозяйства, строительства, сферах коммунального хозяйства и быта, и являются важным фактором повышения производительности труда в технологических процессах. Преимущественное распространение получили СММ, оснащенные электрическим приводом. Так в России доля ручного инструмента с электрическим приводом составляет 60 % от общего объема выпуска. Очевидные преимущества электропривода заключаются в легкости регулирования координат, высоких значениях КПД, относительной простоте монтажа и эксплуатации, экологической чистоте, низком уровне шума и вибрации.
Повышение производительности труда в технологических процессах, использующих СММ, во многом достигается за счет минимизации массы машин, величина которой, прежде всего, определяется массой электромеханического модуля (двигатель, редуктор). Следовательно, наиболее эффективным путем снижения массы машины СММ является: рациональный выбор передаточного числа редуктора и применение в приводе высокоскоростных электрических машин. Анализ высокоскоростных электродвигателей, с точки зрения технической и технологической базы их производства и сопутствующих компонентов, наличия квалифицированного персонала, позволяет сделать вывод о том, что единственным альтернативным вариантом электроприводу на базе коллекторного двигателя для СММ, на данный момент времени, является вариант электропривода с высокоскоростными АД по системе ПЧ-АД.
Несмотря на широкое предложение полупроводниковых ПЧ, выпускаемых отечественными и зарубежными производителями, установлено, что они не в полной мере соответствуют требованиям, предъявляемым к источникам питания машин СММ по стоимости, функциональным возможностям, климатическому исполнению и степени защиты.
В последние годы значительное внимание стало уделяться вопросам энергосбережения, повышения надежности и качества электроэнергии. При проектировании электротехнических комплексов и систем с полупроводниковыми преобразователями, необходимо закладывать мероприятия по уменьшению мощностей обменного характера.
Актуальность выполненной работы определяется требованиями научно-технического прогресса в области создания объектно-ориентированных полупроводниковых ПЧ с высоким уровнем надежности, эксплуатационных и энергетических характеристик и требований по ЭМС при приемлемом уровне стоимости.
При решении задач по разработке и исследованию объектно-ориентированных ПЧ с улучшенными энергетическими характеристиками и высокими показателями по ЭМС электроприводов машин группового и индивидуального питания автор опирался на труды ведущих отечественных и зарубежных ученых и организаций, имеющих научные школы по проблемам преобразовательной техники и электропривода переменного тока: Ковача К.П., Раца И., Уайта Д., Вудсона Г., Руденко В.С., Сенько В.И., Чиженко И.М., Ключева В.И., Терехова В.М., Беспалова В.Я., Ильинского Н.Ф., Присмотрова Н.И., Си-найлова Г.А., Кононенко К.А., Эпштейна И.И., Вейгнера А.М., Поздеева А.Д., Соколовского Г.Г., Виноградова А.Б., Колганова А.Р., Гнездова Н.Е., Мещерякова В.Н., Middle-brook R.D., Cuk S., Erickson R. W., Maksimovic D., Jovanovic M. M., Lee F.C., Jang Y. и многогранные труды ученых и инженеров г. Москвы, Санкт-Петербурга, Екатеринбурга, Челябинска, Кирова, Нижнего Новгорода, Чебоксар, Иваново, Липецка, Новосибирска, Томска.
Цель работы - создание и исследование объектно-ориентированных ПЧ электроприводов СММ, отвечающих современному уровню научно-технического прогресса, с высоким уровнем надежности, эксплуатационных и энергетических характеристик, при соответствии требованиям по ЭМС.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
проведены анализ и обоснование необходимости разработки объектно-ориентированных ПЧ для индивидуальных и групповых систем электропривода СММ, с целью обеспечения необходимых регулировочных характеристик, энергетических показателей и ЭМС на основе сформулированных требований к ЭП СММ;
выполнен анализ технических решений, направленных на повышение качества энергопотребления, улучшение регулировочных и энергетических характеристик электроприводов машин СММ по системе ПЧ-АД при однофазном и трехфазном питании;
разработаны ПЧ для питания машин СММ I и III класса защиты с преобразователями напряжения в звене постоянного тока, реализующими функцию коррекции коэффициента мощности;
разработаны и исследованы имитационные модели объектно-ориентированных ПЧ в составе электроприводов машин СММ;
проведено исследование созданных ПЧ в составе электроприводов машин СММ на комплексном экспериментальном стенде, с целью анализа работы и оценки энергетических характеристик.
Объект исследования - индивидуальные и групповые электроприводы средств малой механизации на базе высокоскоростных асинхронных двигателей по системе ПЧ-АД.
Предмет исследования - энергоэффективность и повышение качества потребления электроэнергии ПЧ электроприводов СММ.
Методы научных исследований. Для решения поставленных задач использовались методы анализа, синтеза, сравнения, имитационного компьютерного моделирования, теории колебаний и процессов управления в нелинейных системах, аналитические и эмпирические методы расчета электрических параметров, спектрального анализа, инструментальных исследований.
Научная новизна работы:
1. Синтезированы новые схемы однофазного и трехфазного преобразователей ча
стоты, адаптированных к условиям работы в составе электроприводов средств малой
механизации I и III класса защиты, отличающиеся применением однотактных преобра
зователей в звене постоянного тока. Полученные решения обеспечивают высокие пока
затели энергоэффективности и качества потребления электроэнергии.
-
Предложен способ коррекции коэффициента мощности с помощью преобразователя Кука, отличающийся тем, что используется режим прерывистого напряжения на разделительном конденсаторе при частотно- импульсном методе модуляции. Данный подход обеспечивает эквивалентность входного сопротивления преобразователя активному сопротивлению при единственном контуре регулирования выходного напряжения.
-
Впервые выявлена аналитическая зависимость между входным и выходным напряжениями трехфазного понижающего мультиквазирезонансного преобразователя напряжения, системно учитывающая взаимосвязь всех электромагнитных переменных. Полученное выражение позволяет определять параметры элементов преобразователя при заданных технических требованиях.
-
Разработаны математические модели, отличающиеся наличием подсистем имитации работы корректоров коэффициента мощности, обеспечивающие возможность ис-
следований электромагнитных процессов и оптимизации параметров трехфазного понижающего мультиквазирезонансного преобразователя напряжения и преобразователя Кука, работающего в режиме прерывистого напряжения на разделительном конденсаторе.
5. Определены ограничения на параметры понижающего мультиквазирезонансного преобразователя напряжения, обеспечивающие условия работы преобразователя в режиме коммутации силового ключа при нулевом токе, полученные методом имитационного моделирования электромагнитных процессов.
Практическая значимость работы
-
Принятая в работе концепция построения индивидуальных и групповых электроприводов машин СММ на базе высокоскоростных АД однозначно определяет структуру полупроводниковых ПЧ при их практической реализации.
-
Предложенные схемотехнические решения по построению ПЧ адаптированы к условиям работы в составе электропривода машин СММ, обеспечивают регулирование скорости и требуемые переходные процессы при высоких энергетических показателях.
-
Разработанные инженерные методики позволяют рассчитать параметры узлов ПЧ в соответствии с заданными технологическими требованиями.
-
Частотно-импульсный метод управления преобразователем Кука, работающего в режиме прерывистого напряжения на разделительном конденсаторе, позволяет снизить требования к элементам преобразователя при изменении нагрузки на его выходе в широком диапазоне.
-
Разработанные имитационные модели позволяют корректировать схемную реализацию и значения параметров элементов ПЧ с целью улучшения их технико-экономических показателей.
-
Созданный измерительный комплекс позволяет производить оценку энергетических характеристик и качества энергопотребления электроустановок с нелинейным характером нагрузки в широком диапазоне временных интервалов, как при общепромышленной частоте 50 Гц, так и при повышенных частотах напряжения питающей сети.
-
Материалы диссертации используются в учебном процессе кафедры Электропривода и автоматизации промышленных установок Вятского Государственного университета при чтении лекций, проведении лабораторных и практических занятий по курсам «Цифровой и частотный привод», «Качество электроэнергии», «Энергосбережение», «Электропривод в современных технологиях».
Реализация результатов работы
Результаты работы использованы при создании ПЧ индивидуальных и групповых электроприводов СММ, прошедших стадию опытно-промышленного внедрения (подтверждено актами).
Результаты исследований применялись при выполнении научно-исследовательской работы на тему «Анализ искажений переменного тока в питающей сети и коэффициента мощности. Разработка рекомендаций по выбору корректирующих устройств», договор 3902-16(677/2016) от 29.11.2016 (АО «Электропривод», г. Киров)
Основные положения, выносимые на защиту:
сформулированные требования к ПЧ индивидуальных и групповых электроприводов машин СММ;
новые схемотехнические решения ПЧ для машин СММ с улучшенными регулировочными и энергетическими характеристиками;
инженерные методы расчета параметров преобразователя Кука, работающего в режиме прерывистого напряжения на разделительном конденсаторе, и мультиквазирезонансного преобразователя напряжения в составе звена постоянного тока ПЧ;
имитационные модели электроприводов машин СММ по системе ПЧ-АД с преобразователем Кука и понижающим мультиквазирезонансным преобразователем напряжения в звене постоянного тока ПЧ;
структура построения и алгоритм управления измерительным комплексом контроля и анализа энергетических параметров и качества потребления электроэнергии систем ПЧ-АД.
Апробация результатов работы
Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались и получили положительные отзывы:
на международных конференциях: VIII Международной (XIX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП 2014, г. Саранск; IX Международной (XX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2016, г. Пермь; X Международной конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2018, г. Новочеркасск;
на всероссийских конференциях: Всероссийских ежегодных научно-практических конференциях «Общество, наука, инновации» 2013-2016 гг., г. Киров.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах, входящих в Перечень рецензируемых научных изданий, рекомендованных ВАК, 2 статьи в журналах, входящих в базу цитирования Scopus, получено 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений. Объем диссертации составляет 165 страниц основного текста, 89 рисунков, библиографический список включает 113 наименований.