Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ КОСВЕННЫХ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАГРУЗКИ СУДОВЫХ АД
1.1. АД как источник информации о работе механизма 13
1.2. Краткий анализ существующих методов
1.3. Выбор и обоснование критериев оценки точности косвенных методов 17
1.4. Оценка пригодности различных характеристик АД для косвенного определения его загрузки при постоянных параметрах судовой сети 19
1.5. Оценка пригодности различных характеристик АД для косвенного .определения его загрузки при изменении параметров судовой сети 31
Выводы 37
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ КОСВЕННОГО ОПРЕДЕЛЕ -НИЯ ЗАГРУЗКИ СУДОВЫХ АД
2.1. Разработка алгоритма синтеза многопа-раметровых косвенных методов 38
2.2. Синтез методов косвенного определения загрузки АД 44
2.3. Определение области применения разработанных косвенных методов 54
2.4. Оценка точности разработанных косвенных методов 69
Выводы 72
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗРАБОТАННЫХ КОСВЕННЫХ МЕТОДОВ ПРИ НЕУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМАХ РАБОТЫ АД
3.1. Неустановившиеся режимы работы судовых электроприводов 73
3.2. Косвенное определение загрузки АД
с фазным ротором методом I Щ
3.3. Косвенное определение загрузки АД с короткозамкнутым ротором методом 2 j$
3.4. Косвенное определение загрузки АД с короткозамкнутым ротором методом 3 82
Выводы 8?
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗРАБОТАННЫХ КОСВЕННЫХ МЕТОДОВ ПЭД РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБАХ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ АД
4.1. Способы регулирования частоты вращения судовых электроприводов 89
4.2. Косвенное определение загрузки при регулировании частоты вращения АД с фазным ротором 50
4.3. Косвенное определение загрузки при регулировании частоты вращения АД с короткозамкнутым ротором 06
Выводы И5
ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ УСТРОЙСТВА КОСВЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАГРУЗКИ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ, ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВНЕДРЕНИЯ КОСВЕННЫХ МЕТОДОВ 123
5.1. Анализ некоторых функциональных узлов и разработка устройства косвенного определения загрузки ... 117
5.2. Внедрение устройства и методов косвенного определения загрузки...
5.3. Экономическое обоснование эффективности внедрения разработанных методов
Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 128
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЯ
1. Таблица результатов испытаний асинхронного двигателя МТВ7ІЗ-І0 W6
2. Таблица результатов испытаний асинхронных двигателей А2-72-4, А0П2-7І-6, А0С2-72-
3. Таблица результатов испытаний асинхронного двигателя А42-2 И8
4. Методика определения загрузки асинхронных двигателей в условиях эксплуатации W9
5. Документы о внедрении результатов диссертации. 154
- АД как источник информации о работе механизма
- Разработка алгоритма синтеза многопа-раметровых косвенных методов
- Неустановившиеся режимы работы судовых электроприводов
- Способы регулирования частоты вращения судовых электроприводов
- Анализ некоторых функциональных узлов и разработка устройства косвенного определения загрузки
Введение к работе
Одним из условий успешного выполнения Постановления ЦК КПСС и Совета Министров СССР "О мерах по дальнейшему развитию речного транспорта в I98I-I985 гг" является применение на транспорте высокопроизводительных механизмов и технологических процессов.
Современные речные суда оснащены большим количеством электрифицированных механизмов, поэтому совершенствование систем управления электроприводами этих механизмов - одно из непременных условий дальнейшего развития и повышения эффективности использования речного транспорта. Технической основой автоматизации и улучшения рабочих характеристик электроприводов является разработка и внедрение методов и средств контроля их работы. Одним из основных показателей работы электропривода переменного тока является его загрузка, поэтому вопросам разработки средств косвенного контроля загрузки асинхронных двигателей (АД) электроприводов посвящен ряд работ, например Г1—9 1 .
Научные исследования и практические разработки в области косвенного определения загрузки двигателей были выполнены в институте ВНИИэлектропривод, МЭИ, Горьковском, Уральском и Куйбышевском политехническом институтах, а также в Ленинградском институте водного транспорта.
Известные методы и устройства, применяемые для косвенного определения загрузки крановых электроприводов Г15 1 , при автоматизации процессов бурения и добычи грунта Г10-14, 16] , в системах автоматического управления электроприводами горных машин Г17—І9І и металлообрабатывающих станков f4J предназначены для работы в условиях постоянства напряжения и частоты се- ти питания, поэтому они не обеспечивают требуемой точности определения загрузки судовых электроприводов, питающихся от судовой или береговой сети ограничений мощности - при значительных колебаниях напряжения и частоты. Кроме того известные методы вообще не применимы для косвенного определения загрузки электроприводов, частота вращения которых регулируется изменением напряжения или частоты питания.
Определение загрузки судовых АД необходимо, в соответствии с требованиями правил Речного Регистра РСФСР, при периодическом освидетельствовании судовых электроприводов, а также при пуско-наладочных работах в процессе постройки и испытаний судов, при ремонте и профилактике механизмов гидросооружений, настройке сложных систем управления электроприводами различных механизмов.
Вышеизложенное свидетельствует об актуальности задачи разработки и иследоЕания методов и средств косвенного определения загрузки, нечувствительных к изменениям напряжения и частоты сети питания судовых АД.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование методов косвенного определения загрузки судовых электроприводов; разработка устройства для косвенного определения загрузки судовых АД; разработка методики косвенного определения загрузки судовых АД в условиях эксплуатации; исследование возможности использования разработанных методов при различных способах регулирования скорости судовых асинхронных электроприводов, а также при неустановившихся режимах работы электроприводов.
Методика исследования. Для решения поставленных задач использованы методы интегрального и дифференциального исчисления в совокупности с различными способами аппроксимации нелинейности характеристик АД; методы вычислительной и прикладной математики; методы математической статистики; методы теории автоматического управления и регулирования; сравнительный анализ»
Основные результаты косвенного определения загрузки АД различных исполнений и различной установленной мощности проверялись сравнением с результатами опытного определения их загрузки на испытательных стендах или путем сравнения с результатами, полученными по ранее известным методикам.
Научная новизна. В диссертации изложены следующие новые научные результаты, полученные автором:
Установлены диапазоны интегральных погрешностей известных косвенных методов при постоянных и изменяющихся напряжений и частоте сети, позволяющие сделать вывод о непригодности известных методов для косвенного определения загрузки АД в условиях эксплуатации и ремонта речного судна. Разработаны рекомендации по использованию различных характеристик АД для определения его загрузки в судовых условиях.
Разработана процедура синтеза многопараметровых методов определения неэлектрических величин.
На основе уравнений взаимосвязи характеристик АД, полученных из упрощенной и уточненной круговых диаграмм, разработан ряд новых косвенных методов определения загрузки судовых электроприводов.
Проиеден анализ точности разработанных методов при определении загрузки АД различных серий и различной установ-, ленной мощности. Разработаны рекомендации по применению косвенных методов для различных АД.
Исследованы возможности применения разработанных косвенных методов для определения загрузки АД при неустановившихся режимах работы. Установлено, что точность косвенного определения загрузки АД с фазным ротором не зависит от ускорения (замедления) двигателя, а точность косвенного определения загрузки АД с коротко замкнутым ротором в этом случае снижается. Предложены способы повышения точности косвенного определения загрузки двигателя при переменной частоте его вращения.
Показана возможность косвенного определения загрузки АД с фазным ротором, разработанным методом при регулировании его частоты вращения изменением параметров роторной цепи. Выведены формулы, позволяющие оценить возможность использования методов косвенного определения загрузки АД с коротко-замкнутым ротором в схемах с тиристорными регуляторами напряжения или частоты как с симметричным, так и с несимметричным выходным напряжением.
Практическая ценность.
Сформулированы, применительно к условиям эксплуатации речного судна, требования к методам косвенного определения загрузки АД.
Показана возможность косвенного определения загрузки АД разработанными методами при изменении напряжения и частоты судовой сети.
Разработаны рекомендации по применению косвенных методов для определения загрузки АД различных исполнений и мощностей. 1 4. Предложены способы повышения точности разработанных косвенных методов для случая определения загрузки АД с коротко замкнутым ротором при его переменной частоте вращения.
Разработаны методы оценки точности и рекомендации по использованию разработанных косвенных методов определения загрузки АД при различных способах регулирования скорости электроприводов.
Разработана схема устройства косвенного определения загрузки АД. Создан и опробирован в судовых условиях образец устройства и на его базе разработана и внедрена система автоматического регулирования режимов резания фрезерноотрезного станка.
Разработана методика косвенного определения загрузки АД в условиях эксплуатации.
Реализация результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены: на шлюзах Волжского бассейнового управления пути для косвенного определения нагрузок на механизмы гидротехнических .сооружений; на судостроительно-судоремонтном заводе им. 40-й годовщины Октября Волжского ордена Ленина объединенного речного пароходства для косвенного определения загрузки судовых АД при периодическом переосвидетельствовании судовых машин. Заводу переданы результаты исследований и методика определения загрузки АД в условиях эксплуатации; на Борском ордена Трудового Красного Знамени заводе портового и судового оборудовании "Теплоход" для косвенного определения загрузки различных механизмов. По материалам диссертации на заводе испытано и внедрено устройство косвенного определения загрузки АД (авторское свидетельство СССР № 732695); в ГЦКБ МР# переданы результаты исследований, методика определения загрузки АД в условиях эксплуатации и техническая документация на устройство косвенного определения загрузки АД.
В работе автор защищает результаты теоретических исследований точности известных косвенных методов определения загрузки АД, алгоритм синтеза многопараметровых косвенных методов, разработанные косвенные методы определения загрузки АД различных исполнений, способы оценки точности косвенных методов определения загрузки двигателя в различных схемах регулирования частоты вращения, а также устройство для косвенного определения загрузки АД.
Содержание работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения.
В первой главе проведен краткий обзор и анализ известных косвенных методов определения загрузки АД, основанных на использовании различных характеристик его, применительно к условиям работы судовых электроприводов. Оценку возможностей использования конкретных характеристик АД для косвенного определения его загрузки предложено выполнять путем сравнения значений интегральных погрешностей косвенных методов, базирующихся на этих характеристиках.
Получены уравнения интегральных погрешностей известных косвенных методов. Сравнительный анализ количественных значений погрешностей косвенного определения загрузки различных электродвигателей позволил сделать вывод о недостаточной точности известных методов для определения загрузки АД в условиях эксплуатации речного судна и наметить пути создания новых методов.
Во второй главе предложена процедура составления уравне-нений взаимосвязи между косвенно-измеряемой величиной и вели- чинами, с ней взаимосвязанными и используемыми в процессе измерения. Задача синтеза многопараметрового косвенного метода определения неэлектрической величины сведена к разрешению системы функциональных зависимостей параметров (характеристик) от искомой величины относительно внешних возмущающих воздействий.
Предложенный способ синтеза позволил разработать ряд косвенных методов определения загрузки АД различных исполнений. Проведена опытная проверка методов. Сравнительный анализ результатов прямого ( с помощью тарированной машины постоянного тока) и косвенного определения загрузки различных АД показал их хорошую сходимость.
Исследованы погрешности разработанных косвенных методов, обусловленные использованием при синтезе методов уравнений взаимосвязи характеристик АД, полученных из уточненной и упрощенной круговых диаграмм, что позволило определить области применения методов.
В третьей главе исследованы электромеханические переходные процессы АД с точки зрения изменения его характеристик, используемых для косвенного определения загрузки при переменной частоте вращения. Графическим анализом переходного процесса двигателя, проведенным с использованием круговых диаграмм для стационарного режима, показано,что косвенный метод определения загрузки АД с фазовым ротором может применяться как при постоянной, так и при переменной частоте вращения двигателя.
Рассмотрено влияние переменной частоты вращения на характеристики АД с коротко замкнутым ротором с целью оценки точности косвенного определения загрузки двигателя разработанными методами. Установлено,что при переменной частоте вращения точность косвенного определения загрузки АД снижается. Предложены способы повышения точности разработанных косвенных методов. '
Четвертая глава посвящена вопросам применения разработанных косвенных методов при различных способах регулирования частоты вращения АД. Показана пригодность разработанного косвенного метода для определения загрузки АД с фазным ротором при регулировании частоты вращения его включением резисторов или реакторов в роторную цепь, а также путем импульсного регулирования тока в цепи ротора с помощью управляемых полупроводниковых коммутаторов.
Исследована возможность косвенного определения загрузки АД с коротко замкнутым ротором с применением разработанных методов в схемах регулирования частоты вращения короткозамкнутых двигателей с помощью тиристорних регуляторов напряжения и частоты. Разработана методика оценки влияния искажений выходного напряжения регуляторов на точность косвенного определения загрузки АД и определена область применения косвенных методов.
В пятой главе проведен анализ некоторых функциональных узлов устройства косвенного определения загрузки АД. Разработана схема устройства.Произведен расчет экономической эффективности от внедрения разработанных методов.
В заключении по работе изложены основные результаты и выводы диссертации.
В приложении содержатся: таблицы результатов испытаний косвенных методов; методика определения загрузки АД в условиях эксплуатации ; документы о внедрении результатов диссертационной работы.
АД как источник информации о работе механизма
Все судовые механизмы, независимо от их кинематических схем, могут быть сведены к двум расчетным схемам; к абсолютно жесткому приведенному звену или к многомассовой упругой системе. При этом каждая расчетная схема может быть представлена как система эквивалентных моментов инерции и статических моментов, находящихся на валу приводного электродвигателя f 20j.
Так как АД является электромеханическим преобразователем энергии, то его можно использовать как источник информации о работе судового механизма - механические возмущения, действующие на судовой механизм, определять по результатам измерений текущих значений характеристик АД
Разработка алгоритма синтеза многопа-раметровых косвенных методов
В последние годы, в связи с широким внедрением в промышленности и на транспорте вычислительной техники, проведен ряд теоретических и практических работ, направленных на разработку методов и средств измерений, способных обеспечить получение требуемой информации при наличии значительных по величине мешающих факторов (возмущающих воздействий). Ряд работ направлен на разработку методов повышения точности информационно-измерительных устройств {ИИУ) и улучшения их характеристик, другие - на разработку методов автоматической коррекции погрешностей измерений.
На практике применяются следующие методы автоматической коррекции погрешностей измерений Г 52, 53 "I :
а) образцовых сигналов;
б) обратных преобразований;
в) вспомогательных измерений.
Сложность практической реализации метода образцовых сигналов для определения загрузки АД заключается в необходимости получения в процессе измерения образцового сигнала, аналогичного по своей физической природе измеряемому, что само по себе представляет трудности. Основной недостаток метода обратных преобразований - необходимость высокой точности образцового обратного преобразователя. Из-за сложности реализации эти методы не нашли практического применения для косвенного определения загрузки АД. В основу метода вспомогательных измерений положен при- і нцип многоканальности, введенный в теорию автоматического регулирования советскими учеными Лузиным М.Н., Кулебакиным B.C., Петровым Б.И. и др. Сущность этого принципа заключается в получении в процессе измерения по добавочному каналу дополнительной информации и обработке ее в вычислительном устройстве (ВУ).
Одним из разновидностей метода вспомогательных измерений является многопараметровый косвенный метод. Дополнительная информация, позволяющая исключить влияние возмущающих воздействий на результат измерения, получается в результате измерения нескольких (дЕух или более) параметров, связанных с измеряемой величиной.
Для разработки методов определения загрузки двигателя представляется целесообразным применение метода вспомогательных измерений. Известны попытки применения этого метода для определения загрузки АД Г53 1 .
Широкое применение нашли многопараметровые методы для контроля физико-механического состояния твердых, сыпучих и жидких сред Г 54 1 , измерения запасов сред [ 55 1 и в ряде других задач измерений электрических и неэлектрических величин. Разработана теория оптимального многочастотного контроля с использованием положений теории векторного пространства 56 I , приближенный графоаналитический метод выбора параметров многочастотного контроля по минимуму погрешности Г57 J , по экспериментальным данным Г 58 "1 и ряд других.
Неустановившиеся режимы работы судовых электроприводов
Условия эксплуатации современных судовых электроприводов характеризуется, в большинстве случаев, тяжелыми режимами работ, обусловленными большой частотой включений и значительными инерционными массами механизмов. Так, например, основную часть цикла работы механизма поворота плавучего крана занимают процессы разгона и торможения, в течение которых АД этого механизма работает в неустановившемся режиме. Наличие автономного, соизмеримого с установленной мощностью электродвигателей судна, генератора также способствует возникновению переходных процессов в судовой сети, связанных с резкими измерениями напряжения и частоты. Т&ким образом, практический интерес; представляет определение загрузки АД также и при неустановившихся режимах работы.
При косвенном измерении момента, очевидно, нет смысла учитывать электромагнитные переходные процессы АД, так как длительность их по сравнению с электромеханическими практически незначительна [70J . Практически все многоойразие переходных процессов, имеющих место в судовом электроприводе, с точки зрения определения загрузки его, сводится к переходным процессам, связанным с изменением частоты вращения АД, когда величина его динамического момента зависит от скорости изменения скольжения.
Работа асинхронной машины при переменной частоте вращения описывается нелинейными дифференциальными уравнениями, точное решение которых может быть получено лишь в предложении постоянства ускорения АД с помощью интегралов Френеля для комплексного аргумента или на вычислительных машинах с применением численных методов [7l] .
Разработанные косвенные методы базируются на уравнениях статического режима работы АД и неустановившийся режим работы электропривода, по-видимому, будет влиять на точность косвенного определения загрузки АД [72, 73J , так как изменение частоты вращения АД сопровождается появлением уравнительных переходных токов статора и ротора, которые влияют на вращающий момент двигателя. Поэтому необходимо оценить влияние переменной частоты вращения АД на точность косвенного определения его загрузки разработанными методами и, в случае необходимости, разработать способы повышения точности этих методов и устройств на их основе.
Способы регулирования частоты вращения судовых электроприводов
Для регулирования частоты вращения АД с фазным ротором наибольшее применение находят способы основанные на изменении параметров роторной цепи двигателя [891 , а именно:
а) включении резисторов или реакторов в цепь ротора;
б) импульсном регулировании тока ротора;
в) использовании асинхронно-вентильного каскада (АВК).
Величина скольжения асинхронного двигателя с коротко-замкнутым ротором в судовых электроприводах наиболее часто регулируется изменением параметров питающей сети или изменением числа пар полюсов.
Способ регулирования частоты вращения АД изменением числа пар полюсов используется в приводах судовых устройств, в частности, якорно-швартовых. Для осуществления этого способа требуется специальное выполнение обмоток АД. Двухскоростной АД можно рассматривать как два двигателя с разным числом полюсов и разными номинальными характеристиками и загрузка каждого из них может определяться разработанными методами.
Рассмотрим возможность использования разработанных косвенных методов для определения загрузки судовых АД при различных способах скорости.
Анализ некоторых функциональных узлов и разработка устройства косвенного определения загрузки
Учитывая универсальность метода 2 и его более высокую точность по сравнению с другими разработанными методами,на базе его было разработано устройство для косвенного определения загрузки электроприводов.
Абсолютное скольжение АД будем определять с помощью сельсина [il j . Целесообразно применять трансформаторные сельсины, относящиеся к классу информационных и имеющие меньшую погрешность преобразования [lI5] .
Из структуры выражения (5.1) следует, что для измерения параметра П О П обмотку статора сельсина необходимо подключить к сети питания АД, ротор сельсина в этом одчае должен быть жестко связан с валом двигателя через механическую передачу с передаточным отношением 7+7 ротора сельсина, в этом случае, будет пропорционален измеряемому параметру
Во втором варианте (5.2) обмотка статора сельсина должна подключаться к сети питания АД через регулируемый преобразователь частоты с коэффициентом преобразования равным а ротор сельсина должен быть жестко связан с валом двигателя. Первый вариант проще, поэтому он и был принят к разработке. Схема блока измерения параметра П Ог,П приведена на рис. 5.1.
При использовании метода 2 необходима компенсация активной мощности холостого хода АД. Составляющие этой мощности по разному зависят от напряжения и частоты сети, поэтому аналитическое выражение мощности имеет достаточно сложную структуру Г 51 ] и схемная реализация его грамоздка. Вместе с тем, величина этой мощности не превышает 4-5 % значения активной мощности, потребляемой АД в номинальном режиме, Это обстоятельство позволяет при разработке схемы компенсации активной мощности холостого хода воспользоваться упрощенным соотношением, характеризующим динамику изменения Г при изменении параметров сети.
Для вывода упрощенного выражения, характеризующего изменение Р0 , рассмотрим величины ее составляющих: потери в стали - Рбст , механические потери - /2 и потери в меди FMI статора. Величины указанных потерь при номинальных значениях напряжения и частоты, определенные при типовых испытаниях различных АД, приведены в табл. 5.1.
