Введение к работе
Актуальность работы. В условиях постоянного роста цен на электроэнергию и ограниченных возможностей по увеличению ее производства проблемы энергосбережения и снижения электропотребления приобретают особую актуальность. Особенно остро они проявляются в энергоёмких производствах, например, на металлургических предприятиях.
Наибольшим резервом по энергосбережению обладают механизмы с вентиляторной нагрузкой (вентиляторы, насосы, компрессоры, воздуходувки, дымососы и др.). На их долю приходится 25-30% всей потребляемой в металлургической отрасли электроэнергии. Подавляющее большинство этих механизмов продолжают оставаться нерегулируемыми, а для создания энергосберегающих режимов при снижении технологических нагрузок необходимо переводить их на пониженные частоты вращения.
Применение современных двухзвенных преобразователей частоты для целей энергосбережения не всегда оправдано. Эти преобразователи имеют высокую стоимость за счет заложенного в них широкого спектра регулировочных возможностей, во многих из которых сегодня значительная часть вентиляторных электроприводов не нуждается. Основной эффект энергосбережения в большинстве случаев может быть достигнут при ступенчатом регулировании частоты вращения. Необходимость в таком регулировании на предприятиях всегда существует, например, . при остановке отдельных- технологических агрегатов, смене времени суток («день-ночь»), времени года («зима-лето») и других случаях. Такие режимы могут быть реализованы при наличии более простых обьектно-ориентированных устройств частотного управления.
Таким образом, становится актуальной задача разработки и
исследования систем электроприводов переменного тока с
преобразователями, выполненными на основе отечественных тиристоров. При этом достаточно обеспечить длительную работу вентиляторных электроприводов на пониженных ступенях частот' вращения, что позволяет осуществить энергосберегающие режимы эксплуатации при снижении технологических нагрузок.
Целью работы является разработка и исследование системы непосредственный преобразователь частоты - асинхронный двигатель (НПЧ-АД) со ступенчатым формированием частоты для механизмов с вентиляторной нагрузкой.
Идея работы заключается в том, что при программном формировании выходного напряжения на базе силовой структуры НПЧ можно получить широкий ряд ступеней частот симметричного трехфазного напряжения и появляется возможность расширить диапазон регулирования частоты вращения АД.
Научные положения, разработанные лично соискателем, и новизна:
-
Чередование одинаковых интервалов двух и трехфазного питания позволяет получить трехступенчатую форму полуволны выходного напряжения НПЧ, для формирования ступеней частот вращения АД в системе с непосредственным преобразователем частоты.
-
Для случая формирования симметричных напряжений достаточно определить зависимости действующего значения первой гармоники напряжения на статоре АД в функции угла а.
-
Для обеспечения минимума тока статора достаточно установить соотношение между электромагнитным моментом и первой гармоникой напряжения преобразователя на основе круговой диаграммы АД.
Обоснованнррть и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: реализацией предложенного способа формирования ступеней частот вращения АД в разомкнутой системе; экспериментальными исследованиями на опытно-промышленной установке; анализом гармонических составляющих токов и напряжений; возможностью применения «точной» схемы замещения и круговой диаграммы для определения условий минимизации тока статора; хорошей сходимостью расчетных и экспериментальных данных.
Значение работы. Научное значение работы заключается в следующем:
1. Разработан способ формирования различных ступеней вращения АД на базе НПЧ, при котором чередование одинаковых интервалов двух- и трехфазного питания позволяет получить трехступенчатую форму полуволны выходного напряжения.
2.Получено математическое описание способа формирования ступеней частот вращения АД на основе переключающих функций, позволяющее обобщить алгоритмы управления вентилями преобразователя
3.Установлено, что изменение тока двигателя имеет U- образный характер при изменении момента на валу, что подтверждает существование возможности минимизации потребляемого двигателем тока в предложенной системе НПЧ-АД.
4.Установлено влияние угла сдвига по фазе первых гармоник напряжения и тока на форму тока в двигателе и характер изменения
напряжения с ростом момента на валу двигателя, что позволяет оценить свойства разомкнутой системы НПН-АД, как объекта регулирования. Практическое значение работы. ,
-
Разработанная система НПЧ-АД с программным формированием ступеней частот вращения механизмов вентиляторного типа позволяет реализовать энергосберегающие режимы при снижении технологических нагрузок на эти механизмы.
-
Разработаны программы формирования различных ступеней частот выходного напряжения преобразователя, и система прямого цифрового управления вентилями преобразователя на базе микроконтроллера, что позволяет существенно упростить систему управления таким классом преобразователей.
-
Разработаны методика и средства исследований с применением компьютерного регистратора, реализованного на основе встраиваемой платы многоканального аналого-цифрового преобразователя и программное обеспечение.
-
Определены пределы изменения углов управления преобразователем, что позволяет осуществить его предварительную настройку на различных ступенях частот вращения при вентиляторном характере нагрузки.
-
Разработанные алгоритмы программного формирования ступеней частот вращения, включая и формирование несимметричных напряжений, могут быть использованы для создания режимов многоступенчатого частотного пуска двигателей переменного тока.
-
Разработана методика расчета соотношения между моментом на валу двигателя и напряжением на статоре для выполнения условия минимизации тока.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Алгоритмы управления вентилями преобразователя реализованы в виде управляющих программ в микроконтроллере системы управления. Даны рекомендации по настройке преобразователя. Разработан, и.изготовлен опытно-промышленный образец НГГЧ с программным формированием напряжения на базе силовой схемы серийного реверсивного преобразователя постоянного тока. Преобразователь внедрен в эксплуатацию на приводе вентилятора двигателя окалиноломателя в листопрокатном цехе №4 ОАО «ММК».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы .обсуждались на: ,
ежегодном научно-техническом семинаре энергетического
факультета Магнитогорского государственного технического
университета им. Г.И. Носова (1996 -1999 г.)
научно-техническом семинаре «75 лет отечественной школы электропривода» в Санкт-Петербурге (1997г.).
Одиннадцатой научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока» ЭППТ-98 в г. Екатеринбурге, УГТУ (1998 г.)
И-ой Международной (XIII Всероссийской ) научно-технической конференции по проблемам автоматизированного электропривода в г. Ульяновске (1998 г.)
- научно-технической конференции «Научные идеи В.А.Шубенко на рубеже веков» в Екатеринбурге: УПИ-УГТУ(1999 г.)
международной научно-технической конференции. Перспективные технологии автоматизации - Вологда: ВоГТУ, 1999 г.
международной научно-технической конференции. Контроль, измерение, автоматизация: - Барнаул: АГТУ, 2000.
И-ой Международной конференции «Энергосбережение на промышленных предприятиях» в г. Магнитогорске (2000) Публикации. По результатам выполненных исследований
опубликовано 15 работ, получено положительное решение на выдачу Патента РФ на изобретение.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами и заключения, изложенных на 152 страницах машинописного текста, содержит 37 рисунков. 13 таблиц, список использованной литературы из 71 наименования и 1 приложение.
