Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА ПЕРВАЯ. МАТШАТИЧВСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АСИНХРОННОГО
ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ИМПУЛЬСНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ В ЦЕПИ ВЫПРЯМЛЕННОГО ТОКА РОТОРА В ДВИГА ТЕЛЬНОМ РЕЖИМЕ 12
1.1. Общие положения математического моделирования. 12
1.2. Математическое описание асинхронного электропривода с импульсным управлением в цепи выпрямленного тока ротора 15
1.3. Анализ работы тиристорного коммутатора, управляемого по релейному принципу 26
1.4. Проверка адекватности математической модели 35
І.4.Ї. Описание экспериментальной установки 35
1.4.2. Анализ адекватности математической модели 46
1.5. Выводы 54
ГЛАВА ВТОРАЯ. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ИМПУЛЬСНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ В ЦЕПИ ВЫПРЯМЛЕННОГО ТОКА РОТОРА 55
2.1. Исследование влияния параметров электропривода на максимальный электромагнитный момент двигателя 55
2.2. Влияние на максимальный электромагнитный момент "пуска с предвключенным статором" 60
2.3. Статические характеристики асинхронного двигателя при импульсном управлении в цепи выпрямленного тока ротора
2.4. Энергетические показатели асинхронного электропривода с импульсным управлением в
цепи выпрямленного тока ротора 68
2.4.1. Общие положения 68
2.4.2. Результаты расчетов энергетических показателей 73
2.5. Выводы 85
ГЛАВА ТРЕТЬЯ. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ИМПУЛЬСНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ В ЦЕПИ ВЫПРЯМЛЕННОГО ТОКА РОТОРА ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ ТОШОЖЕНИИ СО СМЕШАННЫМ
ВОЗБУЖДЕНИЕМ 86
3.1. Постановка задачи 86
3.2. Математическое описание асинхронного электропривода в режиме динамического торможения со смешанным возбуждением 87
3.3. Результаты исследований режима динамического торможения со смешанным возбуждением на ЦВМ. 99
3.4. Выводы 102
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СХЕМ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ИМПУЛЬСНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ В ЦЕПИ ВЫПРЯМЛЕННОГО ТОКА РОТОРА ДЛЯ КРАНОВЫХ МЕХАНИЗМОВ 104
4.1. Постановка задачи 104
4.2. Экономическое обоснование применения схем с рекуперацией энергии скольжения в крановых асинхронных электроприводах с импульсным управлением в цепи выпрямленного тока ротора 107
4.3. Выводы 117
ГЛАВА ПЯТАЯ. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ КРАНОВЫХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С ИМПУЛЬСНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ В ЦЕПИ ВЫПРЯМЛЕННОГО ТОКА РОТОРА 118
5.1. Электропривод механизма подъема крана TI8
5.2. Результаты испытаний опытного образца электропривода механизма подъема 131
5.3. Электропривод механизма передвижения крана. 134
5.4. Результаты испытаний опытного образца электропривода механизма передвижения 146
5.5. Выводы 150
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 152
ЛИТЕРАТУРА 154
ПРИЛОЖЕНИЕ I. Текст программы DQ. на алгоритмическом языке ФОРТРАН-ІУ 161
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Технические данные силовых элементов экспериментальной установки 169
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Результаты обработки осциллограмм комплекса макет-модель 171
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Текст программы DQ2 на алгоритмическом языке ФОРТРАН-ІУ 174
ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Технико-экономические показатели систем кранового электропривода 181
ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Акт внедрения 1
Введение к работе
В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" указано на необходимость повышения производительности труда в промышленности на 23-25 % и получения за счет этого более 90 % прироста продукции. Для повышения производительности труда в промышленности, сельском хозяйстве, строительстве, транспорте и т.д. требуется создание высокоэффективных средств автоматизации различных технологических процессов, а также модернизация существующих с учетом достижений науки и техники. Эта задача является весьма актуальной для исследователей и инженеров, работающих в области автоматизированного электропривода.
В связи с бурным развитием полупроводниковой техники наметилась тенденция применения управляемого тиристорного электропривода, которая стала основным направлением в работах по электрификации, автоматизации и оптимальному управлению механическими операциями технологических процессов во всех отраслях народного хозяйства /I/.
Особое значение имеет задача получения с помощью сравнительно простых средств хороших регулировочных свойств у асинхронного двигателя, как наиболее широко распространенного в народном хозяйстве преобразователя электрической энергии в механическую. Повышение управляемости асинхронного электропривода возможно путем воздействия на процесс преобразования энергии с целью формирования статических и динамических характеристик электропривода. Эта задача решается на основе применения тиристорных устройств, позволяющих осуществлять практически мгновенную коммутацию цепей двигателей. Как отмечается в /2/, основными направлениями развития управляемого асинхронного электропривода в настоящее время явля - б ются:
- параметрическое управление по цепи статора или ротора асинхронного двигателя и его разновидности - фазовое и импульсное управление;
- частотное управление;
- каскадные схемы соединения асинхронного двигателя с фазным ротором с машино-вентильными или вентильными преобразователями.
Частотное управление обеспечивает плавное и экономичное регулирование скорости в широких пределах. При этом наиболее перспективными являются тиристорные преобразователи частоты с непосредственной связью и с промежуточным звеном постоянного тока. Однако, широкому внедрению тиристорных преобразователей частоты в крановых электроприводах препятствует их сложность и большая стоимость. В последнее время тиристорные преобразователи частоты широко разрабатываются и исследуются как у нас в стране, так и за рубежом /5-8/. Тем не менее, имеется еще целый ряд нерешенных задач, связанных с проблемой упрощения и удешевления преобразователя частоты.
Для крановых электроприводов характерным является повторно-кратковременный режим работы, причем время работы на пониженной скорости составляет только 3-5 %. Следовательно, потери энергии скольжения при регулировании скорости относительно малы и не имеют решающего значения при выборе системы электропривода, а определяющими становятся хорошие регулировочные свойства, простота и надежность электропривода. Поэтому в массовых крановых асинхронных электроприводах не нашли практического применения схемы с рекуперацией энергии скольжения (каскадные схемы) , а широко распространены схемы с обычным реостатным регулированием скорости. Однако в настоящее время они не могут удовлетворить возросшим требованиям, предъявляемым к электроприводу в отношении диапазона регулирования скорости и момента двигателя, точности остановки, оптимальности протекания переходных процессов, согласования скоростей двигателей в многодвигательных приводах и т.п.
Наиболее разработанными из параметрических способов в настоящее время являются тиристорные крановые асинхронные электроприводы с фазовым управлением, в частности, с тиристорными регуляторами напряжения в статорной цепи /9,10/. Однако, последние имеют существенный недостаток, заключающийся в том, что одновременно с уменьшением напряжения на статоре уменьшается поток двигателя, а это приводит к увеличению потребляемого тока и нагрева двигателя. Для уменьшения нагрева обычно применяют дополнительное реостатное регулирование в роторной цепи, что усложняет схему электропривода, ввиду необходимости одновременного управления в статорной и роторной цепях.
Общим недостатком систем с фазовым управлением в статорной и роторной цепях асинхронного двигателя является увеличение фазового сдвига тока статора по отношению к напряжению сети и тока ротора по отношению к ЭДС ротора, что ведет к повышенному нагреву двигателя и снижению его надежности при ручном управлении краном во время работы на пониженной скорости.
Одним из перспективных направлений для крановых электроприводов является асинхронный электропривод с импульсным управлением в цепи выпрямленного тока ротора, при котором достигается эффект плавного регулирования активного сопротивления в роторной цепи/3,4/. В этом случае условия нагрева двигателя практически такие же, как и при обычном реостатном регулировании. Наличие выпрямительного моста в роторе позволяет, с одной стороны, сравнительно просто выделить сигнал, близкий к ЭДС ротора, и реализовать замкнутую систему для получения жестких характеристик без применения тахогене - 8 ратора. С другой стороны, роторный выпрямитель может быть использован для получения схемы динамического торможения асинхронного двигателя со смешанным возбуждением. Применение последнего способа вместо торможения противовключением, особенно при спуске грузов, ведет к повышению энергетических показателей электропривода /11-14/. Кроме того, в многодвигательных электроприводах при параллельном соединении роторных выпрямителей удается получить наиболее простым способом согласованное вращение двигателей с вполне достаточной для большинства случаев степенью согласования /15/. Наконец, наличие выпрямительного моста позволяет реализовать данный электропривод с рекуперацией энергии скольжения, что способствует улучшению его энергетических показателей.
Несмотря на свою перспективность, крановые асинхронные электроприводы с импульсным управлением в цепи выпрямленного тока ротора пока не нашли широкого практического применения, что является следствием как недостаточной разработки ряда теоретических положений, так и отсутствием простых, надежно работающих схем.
В /11-13, 16,17,65,66/ рассматривается работа такого электропривода со сглаживающим дросселем в цепи выпрямленного тока ротора, предназначенным для уменьшения пульсаций тока и обеспечения надежной работы тиристорного коммутатора, управляемого по ши-ротно-импульсному принципу. До настоящего времени вопросы, связанные с работой асинхронного электропривода с импульсным управлением в цепи выпрямленного тока ротора без сглаживающего дросселя, не проводились. Рассматриваемый в данной работе тиристорный коммутатор, управляемый по релейному принципу, обеспечивает работу электропривода как при наличии, так и при отсутствии сглаживающего дросселя. Исключение последнего позволит существенно улучшить массо-габаритные и стоимостные показатели электропривода. Степень возникающего при этом ухудшения энергетических показате - 9 лей, а также влияние значения индуктивности сглаживающего дросселя на динамические свойства электропривода требуют исследований.
Принципиально асинхронный электропривод с импульсным управлением в цепи выпрямленного тока ротора может быть реализован и с рекуперацией энергии скольжения в сеть. Поэтому при разработке и проектировании таких электроприводов необходимо решить вопрос об экономически целесообразной области применения схем без рекуперации энергии скольжения для всех краново-металлургических двигателей серий MTF и МТН по отношению к схемам с рекуперацией.
Для уменьшения раскачивания грузов при их транспортировке необходимо обеспечение плавности протекания переходных процессов. Отсюда возникает недостаточно рассмотренная в работах других авторов задача изучения влияния параметров разрабатываемого кранового асинхронного электропривода на ударный электромагнитный момент асинхронного двигателя.
Во всех работах, посвященных вопросам исследования динамики асинхронного электропривода с импульсным управлением в цепи выпрямленного тока ротора, использовался метод аналогового моделирования. Но он имеет ряд недостатков,таких, как невысокая точность результатов, практическая трудность вычисления ряда важных характеристик электропривода, например, КПД, коэффициента мощности, потерь в статоре и роторе и т.д. К тому же моделирование данного электропривода с учетом электромагнитной инерции обмоток АД, дискретности работы выпрямительного моста и тиристорного коммутатора требует мощных АВМ, недоступных широкому числу пользователей. Сочленение же 3-4 машин типа МН-7М не позволяет полностью исследовать широкий круг вопросов, касающихся рассматриваемого электропривода. К тому же, при анализе процессов на АВМ для учета дискретности работы выпрямительного моста и тирис - 10 торного коммутатора необходимо формировать логические сигналы, изменяющие структуру дифференциальных уравнений, описывающих работу асинхронного электропривода. Обычно в составе АВМ эти блоки отсутствуют, что приводит к дополнительным трудностям при моделировании.
По сравнению с АВМ, ЭЦВМ единой серии обладают большей универсальностью в отношении характера и точности решения сложных и больших по объему задач. Помимо этого, с помощью ЭЦШ можно легко производить обработку полученных результатов. К недостаткам использования ЭЦШ можно отнести большое время на подготовку и отладку программ. Для его уменьшения в диссертационной работе предлагается эффективный алгоритм решения системы неявных дифференциальных уравнений с разрывными коэффициентами и даны рекомендации по его практическому применению при моделировании на ЭЦШ.
Исследование и разработка асинхронного электропривода с импульсным управлением в цепи выпрямленного тока ротора и его применение на крановых механизмах взамен электроприводов с реостатным управлением позволит повысить производительность кранов, дать значительную экономию электроэнергии, увеличить надежность и срок службы оборудования.
В связи с вышеизложенным, в работе были поставлены и решались следующие основные задачи:
- разработка цифровой математической модели асинхронного электропривода с импульсным управлением в цепи выпрямленного тока ротора для двигательного режима, которая учитывала бы электромагнитную инерцию обмоток асинхронного двигателя, дискретность работы выпрямительного моста и тиристорного коммутатора;
- исследование на математической модели и экспериментальной установке влияния параметров электропривода на его статические, динамические и энергетические характеристики;
- разработка математического описания и цифровой модели рассматриваемого электропривода в режиме динамического торможения со смешанньм возбуждением, учитывающих одновременную несимметрию статорной и роторной цепей, электромагнитную инерцию обмоток асинхронного двигателя, дискретность работы выпрямительного моста и тиристорного коммутатора, а также явление насыщения магнитной цепи асинхронного двигателя по пути главного магнитного потока;
- определение экономически обоснованной области применения разработанных схем без рекуперации энергии скольжения в сеть по отношению к схемам с рекуперацией;
- разработка и исследование макетных образцов асинхронных электроприводов с импульсным управлением в цепи выпрямленного тока ротора для крановых механизмов подъема и передвижения.
