Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих систем вентильного электропривода и постановка задач исследования 8
1.1. Анализ типов и конструкций существующих систем вентильного электропривода 8
1.2. Определение наиболее перспективного варианта вентильного электропривода для исследований 40
1.3. Анализ требований к энергетическим характеристикам механизмов длительного режима работы 47
1.4. Постановка задачи и определение основных направлений исследований 54
2. Построение математической модели электропривода турбоме ханизма как объекта регулирования в системе автоматического регулирования электропривода 57
2.1. Особенности конструкции синхронного двигателя и его структурная схема как объекта регулирования 57
2.2. Преобразователь частоты с инвертором тока в системе регулирования синхронного двигателя 67
2.3. Построение модели и исследование нестационарных процессов в гидротранспортной системе 74
3. Исследование и оптимизация законов регулирования вентильного электропривода 87
3.1. Исследование целесообразных режимов работы ВЭП на основе ПЧ с искусственной коммутацией вентилей 87
3.2. Исследование режимов работы СД при питании от ПЧ с зависимым инвертором тока з
3.3. Задача оптимизации режимов по технико-экономическим критериям качества 106
3.4. Решение задачи оптимизации 112
4. Синтез системы автоматического регулирования электропривода 121
4.1. Структура системы автоматического регулирования электропривода 121
4.2. Синтез многомерного контура регулирования тока 124
4.3. Управление электроприводом при пуске и малых угловых скоростях 128
4.4 Синтез контура регулирования скорости 132
4.5. Синтез формирователя заданий 136
4.6. Синтез регулятора напора перекачиваемой жидкости 139
5. Разработка методов контроля координат электропривода 143
5.1. Контроль токов синхронного двигателя 143
5.2. Контроль положения ротора и скорости СД 145
5.3. Контроль электродвижущей силы инвертора 159
6. Проектирование регулирующей части электропривода 165
6.1. Функциональная схема электропривода 165
6.2. Реализация регулирующей части 169
6.3. Реализация устройства косвенного контроля положения и скорости ротора СД 173
Заключение 180
Список литературы 182
Приложения
- Анализ типов и конструкций существующих систем вентильного электропривода
- Особенности конструкции синхронного двигателя и его структурная схема как объекта регулирования
- Исследование целесообразных режимов работы ВЭП на основе ПЧ с искусственной коммутацией вентилей
Введение к работе
Энергосбережение в электроприводе приобретает в современных условиях особое значение. Электропривод - основной потребитель электроэнергии: более 60% всей производимой в СНГ электроэнергии преобразуется в механическую работу посредством электропривода. При этом возрастающая потребность общества в энергии может удовлетвориться как за счет увеличения производства энергии, так и за счет её рационального использования.
Как отмечалось на XI Всесоюзной конференции по проблемам автоматизированного электропривода, для электроприводов мощных механизмов длительного режима работы, где требуется регулирование производительности механизмов при изменениях технологических режимов, перспективным является использование электроприводов переменного тока с вентильными двигателями (ВД). Это обусловлено прежде всего совокупностью их положительных свойств, таких как отсутствие коллекторно-щеточного узла, хорошая управляемость и быстродействие, отсутствие недостаточно надежных редукторов. Следствием этого является высокая надежность и большой срок службы, отсутствие необходимости в периодическом обслуживании, высокие удельные показатели.
Несмотря на то, что перспективность систем приводов с ВД для Турбо-механизмов обоснована и существуют серийные приводы с требуемыми динамическими характеристиками, число разработок, посвященных исследованию и повышению энергетических характеристик вентильных электроприводов (ВЭП), недостаточно, а область их применения ограничена специальными классами ВД. Это обусловлено необходимостью разработки системы автоматического регулирования (САР) ВЭП, учитывающей специфику электромеханического преобразования энергии в ВД и особенности турбомеханизмов и систем, на которые они работают и на основе системного подхода разработки и введения в систему управления ВД устройств диагностирования и контроля координат ВЭП механизма. Недостаточный объем исследований в этой области определяет актуальность темы данной работы.
Цель работы состоит в разработке САР, позволяющей минимизировать потери электроэнергии и улучшить регулировочные свойства ВЭП турбоме-ханизмов, на основании исследования энергетических и динамических характеристик электроприводов и систем, на которые они работают.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие положения научной задачи:
Построение и исследование модели ВЭП турбомеханизма как объекта регулирования в САР электропривода;
Разработка оптимального по уровню электропотребления закона регулирования координат ВЭП с учетом особенностей электромеханического преобразования энергии в ВЭП турбомеханизма;
Синтез САР ВЭП с учетом разработанного оптимального закона регулирования и особенностей работы турбомеханизмов;
Разработка методов контроля координат ВЭП, необходимых для автоматического регулирования;
Рациональная реализация управляющей и регулирующей части электропривода.
Для решения поставленной научной задачи используется системный подход, при котором учитываются все элементы силового и информационного каналов электропривода. В работе используется аппарат обобщенной теории электрических машин, методы исследования автоматических систем, передаточных функций, метод моделирования. Для нахождения оптимального закона регулирования координат ВЭП используются численные методы многомерной оптимизации функции многих переменных с ограничениями.
Основные положения, защищаемые автором.
Для исследования установившихся и нестационарных режимов работы электропривода и нагрузки могут быть использованы предложенные математические модели;
Предложенный закон регулирования ВЭП является оптимальным по уровню электропотребления. Подход к решению задачи оптимизации может быть использован для аналогичных задач применительно к другим типам электроприводов;
Для обеспечения нормированного характера протекания динамических процессов в электроприводе и нагрузке с учетом разработанного оптимального закона регулирования ВЭП может быть синтезирована многомерная нелинейная система автоматического регулирования;
Средства контроля координат ВЭП, обеспечивающие необходимую надежность, точность и эффективность, могут быть реализованы на основе разработанных методик.
В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:
На основе анализа упруговязких свойств течения жидкости построена и исследована на ЭВМ математическая модель гидротранспортной системы, являющейся характерной частью нагрузки ВЭП турбомеханизмов;
Проведены исследования энергетических характеристик различных типов и режимов вентильных электроприводов и дана их сравнительная оценка;
На основе анализа электромеханического преобразования энергии в ВЭП получена математическая модель режима ВЭП, соответствующая оптимальному по потерям регулированию ВЭП и учитывающая характер механической нагрузки на валу двигателя;
Разработан метод косвенного контроля положения ротора СД в пространстве и скорости и предложено устройство для его реализации.
Практическая ценность. Полученная математическая модель гидротранспортной сети позволяет в результате исследований и синтеза САР ис- ключить нежелательные и опасные явления, происходящие при изменении режимов работы турбомеханизма. Тем самым увеличивается срок службы оборудования, нормализуется работа потребителей и снижаются непроизводительные потери. Разработанный закон регулирования ВЭП турбомеханиз-мов позволяет минимизировать потери электрической энергии при работе механизмов в любых режимах, отличных от номинальных. Эквивалентные потери электроэнергии в ВЭП при этом могут быть реально снижены на 26,5% (в номинальном режиме) и, что немаловажно для мощных СД, при этом значительно снижаются потери в наиболее напряженной части СД по нагреву - в обмотке возбуждения. Применение разработанного устройства контроля положения ротора СД позволяет исключить из системы ЭП механические датчики скорости и положения, характеризующиеся низкой надежностью и дополнительной инерционностью на валу двигателя, значительно упростить систему регулирования при программной реализации датчика.
Реализация результатов. Разработанное устройство контроля положения и скорости вращения ротора СД внедрено на насосно-канализационной станции экибастузского ГКГП "Тепловодоканал".
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях "ДАТЧИК-95", г. Барнаул; "Проблемы комплексного развития регионов Казахстана" (1996 г.), г. Павлодар; "ДАТЧИК-97", г. Гурзуф; на научно-практической конференции "Энергосбережение на промышленных предприятиях", 1997 г., г. Магнитогорск.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в восьми печатных работах.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, приложений и списка использованной литературы. Объем работы - 209 печатных страниц.
Анализ типов и конструкций существующих систем вентильного электропривода
В современных электроприводах насосных и вентиляторных установок с регулируемым объемом подачи жидкости или воздуха используются две системы: с нерегулируемым и регулируемым ЭП с двигателем переменного тока и преобразователем частоты (ПЧ). В [1] показано, что нерегулируемый ЭП при уменьшении подачи с помощью дросселирующего вентиля имеет очень низкий КПД. Общий КПД системы от электросети до насоса с учетом потерь в системе передачи и распределения составляет 9%. При применении регулируемого ЭП он повышается до 29%. Кроме того для насосных установок пуск с понижением напряжения с помощью полупроводникового преобразователя и мягкий останов исключает возникновение бросков давления, продлевая срок службы установок. Для мощных регулируемых систем ЭП с СД применяются различные типы преобразователей и систем управления в зависимости от конкретных требований к ЭП. В [2] рассмотрены вопросы применения в ЭП непосредственных преобразователей частоты (НПЧ) с естественной коммутацией тиристоров. Их главный недостаток - ограниченная частота на выходе (не более половины частоты сети). Применение полно-управляемых полупроводниковых преобразователей (мощных транзисторов и запираемых тиристоров) с высокими параметрами напряжения и тока позволяет создавать НПЧ с принудительной коммутацией, обладающие теоретически бесконечным диапазоном регулирования. Другой недостаток НПЧ с естественной коммутацией - потребление из сети реактивной мощности смещения, связанной с паразитным возрастанием амплитуды основной гармоники потребляемого тока. При использовании НПЧ с принудительной коммутацией реактивная мощность смещения может быть уменьшена, а в некоторых случаях сведена к нулю. В связи с этим существует идея управления НПЧ, основанная на расчетно-математическом анализе, при которой реактивная мощность смещения из сети не потребляется независимо от характера нагрузки НПЧ.
Высокоэффективные регулируемые ЭП переменного тока возможно построить только с использованием оптимальных полупроводниковых приборов и одного или нескольких микропроцессоров в системе ЭП для логического управления и защиты. Это позволяет получить множество потребительских модификаций ЭП путем только программных изменений и значительно уменьшить объем, ранее занимаемый СУ. Мультипроцессорные системы позволяют иметь диагностический контроль, расширить задачи коммуникаций и улучшить динамику систем. Модульная конструкция ПЧ более удобна при обслуживании.
Особенности конструкции синхронного двигателя и его структурная схема как объекта регулирования
Для быстроходных электроприводов турбомеханизмов, характеризующихся максимальной частотой вращения 1500 - 3000 об/мин и спокойным режимом работы, применяются неявнополюсные синхронные двигатели с электромагнитным возбуждением в одной оси, имеющие преимущества перед явнополюсными СД по механической надежности. Это обусловлено тем, что угол 6 между вектором основного потока Ц/R и продольной осью СД изменяется в широких пределах при изменении момента, и для быстрого поворота вектора v/s требуется значительное динамическое напряжение якоря. При питании СД от автономного инвертора тока демпферная клетка двигателя способствует уменьшению эквивалентного индуктивного сопротивления Xse и тем самым улучшает условия коммутации АИТ, поэтому при питании от АИТ часто используют двигатель с демпферной клеткой. С другой стороны, для электроприводов большой мощности характерно использование СД с массивным ротором без демпферной клетки. Перечисленные особенности СД должны быть учтены при разработке электроприводов турбомеханизмов.
Для удобства математического описания СД, как это рекомендуется, в частности, в [88, 93, 95, 102, 113], все переменные и параметры, кроме времени и постоянных времени, в дальнейшем будем рассматривать в относительных единицах. Такой подход не только упростит запись уравнений, но так же позволит облегчить вычисления, поскольку переменные будут выражены удобными числами (долями единицы) и обеспечит возможным сравнение результатов для различных электроприводов.
Исследование целесообразных режимов работы ВЭП на основе ПЧ с искусственной коммутацией вентилей
Среди существующих разработанных законов регулирования вентильных электроприводов можно выделить закон регулирования Костенко для механизмов с вентиляторной статической характеристикой и законы регулирования ВЭП с неизменным основным потоком v(/s (потоком в воздушном зазоре) и с неизменным полным потоком якоря vj s при ортогональности соответственно вектора основного потока и вектора полного потока вектору тока якоря [88,93,95]. Закон регулирования Костенко предусматривает постоянство соотношения Us I f и разработан из условий статической устойчивости двигателя при вентиляторной статической характеристике момента и наибольшей простоты реализации закона. Следствием простоты закона Костенко является то, что по технико-экономическим показателям он не является оптимальным, хотя широко применяется при создании универсальных серий электроприводов. Поэтому ниже будем рассматривать те режимы, которые по названным показателям можно считать оптимальными или близкими к оптимальным, т.е. целесообразными.
При выполнении условия наилучшего использования СД по якорю в номинальном режиме реализуют режим ВЭП с неизменным основным потоком у» при ортогональности вектора основного потока вектору тока якоря. Некоторые авторы [116,117,118] рекомендуют такой режим для синтеза систем автоматического регулирования электроприводов, работающих в условиях больших ударных перегрузок, хотя это и приводит к недоиспользованию габаритной мощности СД и увеличению установленной мощности ПЧ (так как во всем диапазоне нагрузок коэффициент мощности СД меньше единицы).
